單片機課程設計-直流電機控制.doc

燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書燕山大學課 程 設 計 說 明 書題目：直流電機控制 學院（系）：電氣工程學院 年級專業(yè)：09級精儀2班 學 號：090103020 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 副 教 授 引言直流電機調速性能好，可靠性高，機械特性強，在自動控制中的應用極為廣泛。直流電機的調速系統(tǒng)多種多樣，但系統(tǒng)復雜，控制精度和成品價格難以兼顧。本文使用價格低廉、應用廣泛的MCS - 51 系列單片機為控制芯片，完成對直流電機轉速的調節(jié)，達到了控制性能好、成本低的目的。本文重點闡述了該系統(tǒng)的基本工作原理、所采用的相關技術等，進而交代了電機轉速測量控制的實現方法。設計要求設計要求：利用DAC0832及D/A轉換電路，輸出-5V+5V（或-8V+8V）電壓，控制直流電機。用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，通過改變輸出電壓值，改變電機轉速和轉向。通過霍爾元件讀回脈沖數，計算電機轉速。用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制。在電壓允許的范圍內，直流電機的轉速隨著電壓的升高而加快，若加上的電壓為負電壓，電機則反向旋轉。設計控制硬件電路;編制相應的程序。基本原理此控制系統(tǒng)主要由六部分構成：鍵盤、單片機、D/A轉換電路及DAC外圍放大電路、直流電機、霍爾元件速度采集器、顯示器。此系統(tǒng)的總體控制原理圖如下圖一所示。 單 片 機顯 示 器鍵 盤D/A轉換電路，DAC外圍放大電路直流電機霍爾元件速度采集圖一：系統(tǒng)總控制原理圖31 DAC0832簡介DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0832的內部結構 DACO832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE；第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號。因為有兩級鎖存器，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數字量，這樣能有效地提高轉換速度。此外，兩級鎖存器還可以在多個D/A轉換器同時工作，利用第二鎖存信號來實現多個轉換器同時輸出。DAC0832有如下三種工作方式： （1）單緩沖方式 單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器通知接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式實用只有一個模擬量輸出或者幾路模擬異步輸出的情形。（2）雙緩沖方式 雙緩沖方式是先使輸入寄存器現接受資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個D/A轉換同步輸出的情節(jié)。（3）直通方式 直通方式是資料不經兩級鎖存器鎖存，即CS* XFER* WR1* WR2*均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制路線和不帶微機的控制系統(tǒng)，不過在使用時，必須通過另加I/O口于CPU連接，以匹配CPU與D/A轉換。外圍放大電路的輸出值如下：即 當數字D=Dmax=11111111B時，由上式可得Uout=Uout max+5v當數字D=Dmin=00000000B時可得Uout=Uout min-5v當數字在0到11111111B之間變化時，電路輸出電壓就在-5V到+5V之間連續(xù)變化，實現了DAC。NPN晶體管8050與PNP晶體管8550組成互補射隨器。忽略PN結正向壓降，可以認為電機輸入端電壓亦等于Uout，即微型直流電機電樞繞組可以獲得-5V到+5V連續(xù)變化電壓，電動機可也在反向最大轉速到正向最大轉速之間連續(xù)調節(jié)。 圖二： D/A轉換電路及DAC外圍電路3.2 單片機這里利用的是MSC-51單片機，實現速度測量、輸入設定機系統(tǒng)控制，和鍵盤設定。速度控制與測量 通過自制-8V8V電源來確保工作電壓正常,由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉速轉換成脈沖信號，送至單片機的計數器T1，由T1測出電動機的實際轉速，通過鍵盤事先設定的值通過單片機對DAC0832輸入相應的數字量，使DAC0832輸出大小方向不同的電壓。來控制直流電動機的轉速和方向。鍵盤的設置 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤可輸入數據和命令，實現簡單的人機對話。此處用的鍵盤是矩陣式鍵盤，對鍵的識別用的逐行掃描查詢法。 (1)有鍵盤按下時，則單片機有中斷響應，為了消抖動此時應該延時一段時間（大約5ms10s），若還有外部中斷0仍為低電平則有按鍵按下。(2)判斷按鍵的具體位置。采用先將列置為零，粗掃描的方法逐行掃描，讀行的值。如果讀的行值為全1，則被按鍵不在該行上，再掃描下一行；否則說明被按鍵在該行上。當找到所按的鍵對應的鍵值表時則進行相應的鍵處理，此處的鍵處理采用查表的方法。就本此課程設計的具體要求，可以設置了四個控制操作鍵，分別控制電機的正轉快速、慢速，反轉慢速、快速。然后按下除了這四個鍵外的任何一個按鍵，電機都會停止轉動。圖三 鍵盤控制流程圖3.3 直流電機組成原理 直流電動機結構由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。直流電動機的結構是由直流電源、直流電機、控制開關和調速器組成。直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。感應電動勢的方向按右手定則確定其工作原理不外乎就是用直流電源作為能量來驅動電機旋轉。通過對三極管的截止與導通進行控制，使其起到開、關和調速的作用。具體的操作為當直流電動機接上直流電源時，使用電位器旋轉按鈕控制三極管集極的電壓。如直流電機控制原理圖四圖四： 直流電機控制原理1、當三極管的集極電壓小于死區(qū)電壓時三極管截止，則電動機不轉動；2、當集極電壓大于死區(qū)電壓而小于飽和電壓時三極管處于放大狀態(tài)，隨著集極電壓改變，從而改變了直流電動機兩端的壓降也就改變了電機的轉速。具體原理為集極的電壓大小不一樣，三極管的電壓放大倍數也不一樣從而起到調速作用改變直流電動機的旋轉速度。3.4 直流電機調速方案的設計由直流電機的速度公式n=(Ua-IaRa)/Ce,其中n是電機轉速，Ua是電樞電壓，Ia是電樞電流，Ra是電樞回路總電阻，Ce是電極常數，是電機的勵磁磁通。對于極對數是p，匝數是n，電樞支路數為a的電機來說Ca是常數。由于Ra為電樞回路電阻故其值很小，通過調節(jié)電阻改變轉速的效果不明顯。如果通過調節(jié)磁通量，對于它勵電機其有外接的電源電壓決定。故一般通過改變電樞電壓來達到調節(jié)轉速的目的。直流電機原理圖如下：圖五： 直流電機原理圖3.5 霍爾效應及元件速度采集電路 霍爾效應及原理 霍爾器件是有半導體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁場B，在沿l方向的兩個端面加以外電場，則有一定的電流經過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：flqVB其中：fl洛侖磁力，q載流子電荷，V載流子運動速度，B磁感應強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側面分別產生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側面間的電位差UH稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋篣H=RHIB/d(mV)。式中：RH -霍爾常數，d-元件厚度，B-磁感應強度，I-控制電流，設KH= RH/d ，則UH=KHIB (mV)，KH為霍爾器件的靈敏系數(mV/mA/T),它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度B反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化，根據這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動機的轉軸上轉盤的邊沿，轉盤隨被測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤附近安裝一個霍爾元件，轉盤隨軸旋轉時，霍爾元件受到磁鋼所產生的磁場影響。霍爾器件輸出脈沖信號，器脈沖信號的頻率和轉速成正比。這樣只要測出脈沖信號的頻率或者周期即可求出直流電機的轉速?；魻栟D速測量及電路 霍爾轉速傳感器的主要工作原理是霍爾效應，也就是當轉動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時會引起電勢的變化，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉速值。霍爾轉速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈，而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。 圖六： 直流電機測速裝置 3.6 LED顯示的設置 由課題的要求，要由測速環(huán)節(jié)并顯示到數碼管上，這就要求在霍爾軟件采集到直流電動機的轉速后，向單片機輸出相應的脈沖，并由單片機將相應的脈沖譯碼后顯示到顯示器上。在單片機應用系統(tǒng)中，顯示器是最常用的輸出設備。在此選用兩個共陰極數碼管顯示脈沖數，采用動態(tài)掃描顯示，當有鍵盤按下時，則數碼管顯示按鍵的內容。此處當鍵盤輸入中斷產生時，顯示的是由霍爾元件采集來的脈沖數，由十六進制轉換為十進制后存入顯示緩沖區(qū)，再查表顯示出想要得到的數字。當電機停止時，數碼管顯示為零。 圖七LED顯示流程圖課設總程序IN equ 08001h ; 鍵盤讀入口OUTBIT equ 08002h ; 位控制口OUTSEG equ 08004h ; 段控制口cs0832 equ 9000hledbuf equ 70h ; 顯示緩沖區(qū)org 0000hljmp startdelay1: mov r7,#255 ; 延時子程序1deloop1:mov r6,#255 nop djnz r6,$ djnz r7,deloop1 retdelay2: mov r7,#12 ; 延時子程序2deloop2:mov r6,#249 djnz r6,$ djnz r7,deloop2 retLEDtable: ; 八段管顯示碼db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hDACtable:db 00h,80h,80h,80h,80h,00h db 60h,80h,80h,80h,80h,60h db 0c0h,80h,80h,80h,80h,0c0h db 0ffh,80h,80h,80h,80h,0ffhkeyloop:acall key cjne a,#0fh,keyloop0 acall delay2 ljmp keykeyloop0:acall delay2 ;鍵盤去抖動 acall key cjne a,#0fh,keyb ljmp keyloopkeyb:mov r1,#0dfh mov r5,#00hL0:mov dptr,#OUTBIT ;位控，選中鍵盤第一列 mov a,r1 movx dptr,a mov dptr,#IN movx a,dptr jb Acc.3,L1 ;檢查是否有鍵位被按下 mov a,#0 jmp keycL1:jb Acc.2,L2 mov a,#6 jmp keycL2:jb Acc.1,L3 mov a,#12 jmp keycL3:jb Acc.0,next mov a,#18 jmp keyckey:mov dptr,#OUTBIT ;位控清零，鍵盤讀入到a的低四位 mov a,#00h movx dptr,a mov dptr,#IN movx a,dptr anl a,#0fh retkeyc:mov dptr,#DACtable movc a,a+dptr mov dptr,#cs0832 movx dptr,a call delay2 retnext:mov dptr,#cs0832 mov a,#80h movx dptr,a call delay2 retxianshi:mov TH1,#00h ;定時器清零 mov TL1,#00h setb TR1 call delay1 mov a,TL1 mov b,#0ah ;將轉速十位、個位分別放入寄存器a、b div ab acall led mov r0,#LEDBUF mov r0,a ;mov 40h,a ;mov 41h,b mov a,b acall led inc r0 mov r0,a LED1: mov r0, #LEDBUF mov r2, #00000010b ;選中6位顯示管的低2位管顯示轉速Loop2: mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr, a call delay2 mov a, r2 rr a mov r2, a inc r0 mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr, a call delay2 ret Led:mov dptr,#LEDtable movc a,a+dptr retstart:mov sp,#70h mov TMOD,#50h mov IE,#8ch loop:acall keylooploop1:acall xianshi end課設總結通過用單片機來與0832 D/A轉換電路相互連接來控制輸出的電壓，電壓經放大后來驅動直流電機，這樣就達到了控制直流電機的目的。電壓的改變是通過編制程序用單片機來改變0832輸入，這樣對于0832輸入的改變導致了輸出的改變，改變后的輸出來驅動直流電機。程序是通過向鍵盤賦值，然后由鍵盤向單片機想鍵盤發(fā)送數字信號，再由單片機向DA轉換設備發(fā)送數字信號，轉化為模擬的電壓信號來驅動電動機的正轉反轉。由發(fā)送信號的大小，達到了以單片機來控制直流電機的轉速。由于在本實踐中 D/A輸出為雙極性輸出，因此電機可以正反向旋轉。其中負極型代表其轉向相反。51單片機功能強大，方便今后的功能擴展。通過各種方案的討論及嘗試，再經過多次的整體軟硬件結