基于單片機(jī)的直流電機(jī)速度控制7段數(shù)碼管顯示單元

1、沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的直流電機(jī)速度控制7段數(shù)碼管顯示單元目 錄0. 前言11.用單片機(jī)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本理論11.1 直流電機(jī)調(diào)速原理11.2 PWM基本原理22.設(shè)計(jì)方案33. 硬件電路的工作原理43.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計(jì)模塊43.2 設(shè)計(jì)該系統(tǒng)所需部分器件53.3 直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)模塊63.4 顯示設(shè)計(jì)模塊64.軟件編程85.系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析136. 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想14參考文獻(xiàn)14附錄1 元件清單15課設(shè)體會(huì)16基于單片機(jī)的直流電機(jī)速度控制7段數(shù)碼管顯示單元謝淼 沈陽航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院摘要：本文介紹了基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速的基本方法，直流電機(jī)調(diào)

2、速的相關(guān)知識(shí)以及PWM調(diào)速的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了基于MCS-51單片機(jī)的用軟件生產(chǎn)PWM信號(hào)以及信號(hào)占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)有效的途徑。 本次課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)是以四位共陽數(shù)碼管顯示電機(jī)速度，它能間接直觀的觀察到電機(jī)速度的變化，用獨(dú)立鍵盤來手動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其中控制核心部分是單片機(jī)，單片機(jī)輸出微弱的電流信號(hào)經(jīng)過L298N驅(qū)動(dòng)芯片放大從而使電機(jī)滿足轉(zhuǎn)速的要求。關(guān)鍵字：四位共陽數(shù)碼管；AT89S52單片機(jī)；PWM；直流電機(jī)調(diào)速0. 前言隨著社會(huì)的發(fā)展，各種智能化的產(chǎn)品日益走入尋常百姓家。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的便攜性、低成品以及對電源的限制，小型直流電機(jī)應(yīng)用相當(dāng)廣

3、泛。對直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，我們可以采用多種辦法，本文在給出直流電機(jī)調(diào)整和PWM實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，提供一種用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)速的方法。對基于MCS-51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，能夠在不同的按鈕作用下分別實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；能夠?qū)崿F(xiàn)基于MCS-51系列單片機(jī)的直流電機(jī)PWM的調(diào)速設(shè)計(jì)。本文研究的是基于MCS-51系列單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)屬于微機(jī)控制領(lǐng)域，通過對單片機(jī)的學(xué)習(xí)和研究對自己以后從事硬件產(chǎn)品的開發(fā)有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。1.用單片機(jī)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本理論1.1 直流電機(jī)調(diào)速原理根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種

4、類型。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。對于直流電機(jī)來說，人為機(jī)械特性方程式為： （1-1）式中, 額定電樞電壓、額定磁通量；,與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)；,電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；,理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。分析(1-1)式可得當(dāng)分別改變、 和時(shí)，可以得到不同的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。由于=，當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。如圖1-1所示。理想空載轉(zhuǎn)速隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速?；谝陨咸匦?，改變

5、電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。 圖1-1 直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線 圖1-2 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系1.2 PWM基本原理PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)

6、，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為,設(shè)占空比為=/，則電機(jī)的平均速度為: =* （1-2）式中， 電機(jī)的平均速度;電機(jī)全通電時(shí)的速度(最大);=/占空比。由公式（1-2）可見，當(dāng)我們改變占空比時(shí)=/，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比=/并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。2.設(shè)計(jì)方案本文主要介紹利用單片機(jī)對PWM信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。MCS一51系列典型產(chǎn)品AT89S52具有兩個(gè)定時(shí)器 和 。通過控制定時(shí)器初值和 ，從而可以實(shí)現(xiàn)從S52的任意輸

7、出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為，定時(shí)器計(jì)數(shù)器為位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為： (2-1)式中， 定時(shí)器定時(shí)初值； 一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時(shí)初值 ，從而改變占空比=/，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。本文主要介紹利用單片機(jī)對PWM信號(hào)的軟件實(shí)

8、現(xiàn)方法。MCS一51系列典型產(chǎn)品AT89S52具有兩個(gè)定時(shí)器 和。通過控制定時(shí)器初值和，從而可以實(shí)現(xiàn)從S52的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為，定時(shí)器計(jì)數(shù)器為位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為： (2-2)式中， 定時(shí)器定時(shí)初值； 一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時(shí)初值 ，

9、從而改變占空比=/，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心，以5個(gè)彈跳按鈕作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以四位共陽數(shù)碼管顯示電機(jī)速度大小。設(shè)計(jì)中采用PWM技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制，通過對占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。3. 硬件電路的工作原理3.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計(jì)模塊鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P3.0與P3.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號(hào)放大、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速、急停。總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)硬件框圖 圖

10、3-2 系統(tǒng)硬件電路圖3.2 設(shè)計(jì)該系統(tǒng)所需部分器件AT89S52單片機(jī)、四位共陽數(shù)碼管、直流電機(jī)、L298N、12MHZ晶振、電容、電阻、彈跳開關(guān)等。 3.3 直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)模塊采用單片機(jī)構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字PWM 調(diào)速系統(tǒng),其控制核心主要由單片機(jī)的最小系統(tǒng)、電源模塊（12v 5v）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵（加速、減速、急停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）、顯示模塊（四位數(shù)碼管）、直流電機(jī)組成。系統(tǒng)采用L298N芯片作為PWM 驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的供電主回路。單片機(jī)通過軟件處理輸出PWM信號(hào), 實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的速度控制,在運(yùn)行中獲得了良好的動(dòng)靜態(tài)性能。在介紹了基于單片機(jī)用PWM實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)整的基本方法，直流

11、電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)，及PWM調(diào)整的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了基于AT89S52單片機(jī)的用軟件產(chǎn)生PWM信號(hào)的途徑，并介紹了一種獨(dú)特的通過軟件定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。（1）鍵盤識(shí)別：通過P1口的低電平輸入識(shí)別不同的按鍵。（2）通過對單片機(jī)程序燒錄實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。（3）數(shù)碼管顯示：通過P0口、P2口控制數(shù)碼管來顯示直流電機(jī)的速度。（4）由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)需要很強(qiáng)的電流所以必須有外圍的驅(qū)動(dòng)電路，因此本設(shè)計(jì)采用L298芯片放大單片機(jī)微弱的電流?？刂圃恚?9S52單片機(jī)為核心的

12、直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制簡圖如圖2-1所示，由軟件轉(zhuǎn)換成PWM 信號(hào)，并由P3.0、P3.1輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟件采用定時(shí)中斷進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的預(yù)定值，從而可以控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的占空比，進(jìn)而控制電壓的大小。3.4 顯示設(shè)計(jì)模塊7段LED數(shù)碼管是利用7個(gè)LED外加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的LED組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示09等10個(gè)數(shù)字和小數(shù)點(diǎn)，使用非常廣泛。本次課設(shè)使用的是四位共陽數(shù)碼管

13、，內(nèi)部的4個(gè)數(shù)碼管共用a-dp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因?yàn)槔锩嬗?個(gè)數(shù)碼管，所以它有4個(gè)公共端，即片選信號(hào)線，共有12個(gè)引腳。具體原理圖如圖示：圖3-3 四位共陽數(shù)碼管內(nèi)部原理圖圖3-4 四位共陽數(shù)碼管外觀圖 用Proteus仿真該控制系統(tǒng)時(shí)，四位共陽數(shù)碼管顯示電機(jī)反轉(zhuǎn)圖形如下所示：圖3-5 仿真顯示圖形本次設(shè)計(jì)顯示模塊采用的是SM410564 四位共陽數(shù)碼管顯示，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出端口輸出的電流小，點(diǎn)亮數(shù)碼管的能力不大，所以需要采用三極管放大輸出電流，此次三極管采用的是C9013，具體放大電路如圖示：圖3-6 放大電路4.軟件編程#include<reg51.h>#d

14、efine unchar unsigned char#define unint unsigned intsbit P3_1=P31;sbit P3_7=P37;sbit P3_0=P30;unsigned char code dispcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf;unsigned char dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;unsigned char dispbuf4=0,0,0,0;unsigned ch

15、ar dispbitcnt;unint mstcnt;unint i;unint count=0;unchar tp=0;void ledshow();void keyscan();void delay();void just();void turn();void motorstop();void speedup();void speeddown();void main(void) P3_0=1; P3_1=0; dispbuf0=16; TMOD=0x02 TH0=0x06; TL0=0x06; TR0=1; ET0=1; EA=1; while(1) ledshow(); keyscan(

16、); void delay() unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-);void keyscan() unchar temp=0;P1=0xff;if(P1&0x1f)!=0x1f) delay(); if(P1&0x1f)!=0x1f) temp=P1&0x1f; switch(temp) case 0x1e: just();break; case 0x1d: turn();break; case 0x1b: motorstop();break; case 0x17: speedup();

17、break; case 0x0f: speeddown();break; while(P1&0x1f)!=0x1f); void ledshow() /* P0=dispcodedispbufdispbitcnt; P2=dispbitcodedispbitcnt; dispbitcnt+; if(dispbitcnt=4) dispbitcnt=0; */ P2=0x01;P0=dispcodedispbuf0; for(i=0;i<700;i+); P2=0x02;P0=dispcodedispbuf1; for(i=0;i<700;i+); P2=0x04;P0=di

18、spcodedispbuf2; for(i=0;i<700;i+); P2=0x08;P0=dispcodedispbuf3; for(i=0;i<700;i+); dispbuf1=tp/100; dispbuf2=(tp%100)/10; dispbuf3=tp%10; void t0(void) interrupt 1 using 0 /* mstcnt+; if(mstcnt=8) mstcnt=0; P0=dispcodedispbufdispbitcnt; P2=dispbitcodedispbitcnt; dispbitcnt+; if(dispbitcnt=4) d

19、ispbitcnt=0; */ if(count>100) count=0; if(count>tp) P3_7=0; else P3_7=1; count+;void just() P3_0=1; P3_1=0; dispbuf0=16;void turn() P3_0=0; P3_1=1; dispbuf0=17;void motorstop()tp=0;void speedup() if(tp>99) tp=100;else tp+;void speeddown() if(tp<1) tp=0;else tp-; 利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)直流

20、電機(jī)，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時(shí)間，達(dá)到使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停轉(zhuǎn)等目的。由軟件編程從P3.0/P3.1管腳產(chǎn)生PWM 信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟件采用延時(shí)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的占空比，控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的有效值，進(jìn)而控制電機(jī)的加減速。其總體流程圖如圖3-1示：圖4-1 總體程序流程圖5.系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析初始狀態(tài)，直流電機(jī)有如圖示5-1運(yùn)行效果 圖5-1 電機(jī)半速運(yùn)轉(zhuǎn)按下急停鍵，直流電機(jī)有圖5-2的停止運(yùn)行結(jié)果。 圖5-2 電機(jī)停轉(zhuǎn)按下加速鍵，直流電機(jī)有圖5-3的正向加速運(yùn)行結(jié)果。 圖5-3 電機(jī)正轉(zhuǎn)加速按下減速鍵，直流電機(jī)有圖5-4正向減速運(yùn)行結(jié)果。 圖5-4 電機(jī)正轉(zhuǎn)減速按下反轉(zhuǎn)鍵，直流電機(jī)有圖5-5反向加速運(yùn)行結(jié)果。 圖5-5 電機(jī)反轉(zhuǎn)加速6. 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)