單片機(jī)課程設(shè)計(jì)基于89C51的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)課 程 設(shè) 計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表設(shè)計(jì)課題 ： 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 學(xué)院名稱 ： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) ： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號(hào) ： 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計(jì)地點(diǎn) ： 設(shè)計(jì)時(shí)間 ： 指導(dǎo)教師意見(jiàn)：成績(jī): 簽名： 年 月 日 單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)課 程 設(shè) 計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱： 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 專 業(yè) 班 級(jí) ： 學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 號(hào) ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 課程設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014-12-292015-01-09 單片機(jī)系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)題 目課題性質(zhì)工程設(shè)計(jì)課題來(lái)源選題指導(dǎo)教師主要內(nèi)容（參數(shù)）1. 電機(jī)起動(dòng)2. 多級(jí)調(diào)速，包括提

2、速、減速3. 電機(jī)停車任務(wù)要求（進(jìn)度）第1-2天：熟悉課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求，查閱技術(shù)資料，確定設(shè)計(jì)方案。第3-4天：按照確定的方案設(shè)計(jì)單元電路。要求畫(huà)出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計(jì)要有詳細(xì)論述。第5-6天：軟件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序。第7-8天：實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。第9-10天：撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計(jì)正確，篇幅合理。主要參考資料1 張迎新單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)（第2版）2 程國(guó)剛 陳躍琴 崔荔蒙51單片機(jī)典型模塊開(kāi)發(fā)查詢手冊(cè) 電子工業(yè)出版社3 程國(guó)剛 楊后川 PROTEUS原理圖設(shè)計(jì)與電路仿真 電子工業(yè)出版社審查意見(jiàn)系

3、（教研室）主任簽字： 年 月 日 基于89C51的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄1 引言12總體方案設(shè)計(jì)13 硬件電路設(shè)計(jì)33.1復(fù)位電路33.2振蕩電路43.3驅(qū)動(dòng)電路43.4鍵盤電路53.5顯示電路64 軟件設(shè)計(jì)74.1 軟件總流程圖74.2 中斷流程圖85 功能開(kāi)發(fā)調(diào)試及硬件仿真85.1 開(kāi)發(fā)軟件介紹85.2 仿真結(jié)果96 總結(jié)10附錄A 總原理圖11附錄B 部分原程序12 1 引言在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速

4、技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用了普中科技51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，配以AT89C51單片機(jī)以及ULN2003D芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前級(jí)數(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)按鍵起動(dòng)、增減速、停車的功能。調(diào)速方面，通過(guò)單片機(jī)發(fā)送不同占空比的PWM波形，從而改變電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī) PWM多級(jí)調(diào)速 數(shù)碼管顯示2總體方案設(shè)計(jì)硬件方案：以AT89C51單片機(jī)為核心的直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖如圖2.1直流電機(jī)調(diào)速方案方框圖所示，由單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)，并由I/O口輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電、斷電以及調(diào)整電樞電壓。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按

5、動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，根據(jù)預(yù)設(shè)值電機(jī)進(jìn)入一級(jí)轉(zhuǎn)速工作；根據(jù)不同需求的按下加減速按鈕，調(diào)整I/O口的預(yù)定值，從而可以控制PWM波形的占空比，進(jìn)而控制電壓的大小?？刂齐姍C(jī)的加減速，并在數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前的預(yù)設(shè)值。圖2.1 直流電機(jī)調(diào)速方案方框圖AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制

6、造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。軟件方案：PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)

7、頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(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，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。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(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，PWM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。單片機(jī)由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)整：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓Ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。改變占空比D的值有三

8、種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t2，這樣使周期也隨之改變。B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t2不變，只改變t1，這樣使周期也隨之改變。C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變t1和t。前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來(lái)改變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)中，采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確。3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1復(fù)位電路復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單

9、片機(jī)最小系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本模塊和最重要的內(nèi)部因素之一。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，如圖3.1，圖3.2所示。圖3.1 上電復(fù)位電路圖3.2 手動(dòng)復(fù)位電路有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要經(jīng)常手動(dòng)復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動(dòng)復(fù)位。3.2振蕩電路振蕩電路是單片機(jī)系統(tǒng)工作的核心，它提供單片機(jī)工作的“動(dòng)力”，并關(guān)系到單片機(jī)運(yùn)行速度的快慢、應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定性的高低等。一般可以使用晶體或晶振來(lái)搭建，他們的主要區(qū)別在于晶體需要外接振蕩電路才能夠起振，而晶振只需要在相應(yīng)的引腳上提供電源和地信號(hào)既可以發(fā)出脈沖信號(hào)。高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率

10、，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是告訴對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號(hào)采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取12.000M無(wú)源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯(lián)2個(gè)30pF陶瓷電容幫助起振。振蕩電路如圖3.3所示圖3.3 振蕩電路3.3驅(qū)動(dòng)電路在實(shí)際的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用中，可以使用H橋來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，也可以使用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。H橋采用4個(gè)功率MOSFET管，兩兩組成一個(gè)橋壁，每個(gè)三極管旁邊有一個(gè)續(xù)流二極管，當(dāng)對(duì)角線上兩個(gè)三極管打開(kāi)時(shí)，電機(jī)朝一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)；另一條對(duì)角線上的三極管打開(kāi)

11、時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。功率MOSFET管可以將微弱的信號(hào)放大成幅值較大的電信號(hào)，是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的功率驅(qū)動(dòng)器件。除了使用三極管搭建H橋驅(qū)動(dòng)外，還可以使用達(dá)林頓管等驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。達(dá)林頓管又稱復(fù)合管，原理是將兩只三極管適當(dāng)?shù)剡B接在一起，組成一只等效的新三極管。放大倍數(shù)是兩只三極管放大倍數(shù)之積，常常用于驅(qū)動(dòng)較大驅(qū)動(dòng)電流的器件。常見(jiàn)的達(dá)林頓集成芯片有ULN2003和ULN2803。由于本次設(shè)計(jì)使用的開(kāi)發(fā)板上自帶了ULN2003芯片，所以采用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路如圖3.4所示。圖3.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.4鍵盤電路起動(dòng)、停車、加速、減速四個(gè)按鍵分別與單片機(jī)的P1.0，P1

12、.1，P1.2，P1.3相連，然后再與地相連。其電路如圖3.5所示。圖3.5 電機(jī)起動(dòng)、停車、加速、減速按鍵電路3.5顯示電路本次設(shè)計(jì)中，因需要顯示調(diào)速等級(jí)，故使用一位8段數(shù)碼管用作顯示。數(shù)碼管是單片機(jī)系統(tǒng)常用的一種外圍顯示器件，可以顯示一些簡(jiǎn)單的數(shù)字或字符。顯示電路如圖3.6所示圖3.6 一位八段數(shù)碼管顯示電路4 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件總流程圖通電開(kāi)機(jī)后，CPU得電，根據(jù)軟件定義引腳功能，定時(shí)器工作方式等。并進(jìn)入鍵盤掃描子程序。當(dāng)檢測(cè)到鍵盤動(dòng)作時(shí)，經(jīng)過(guò)延時(shí)子程序去抖，確定按鍵按下后，申請(qǐng)中斷。單片機(jī)讀取鍵值，并根據(jù)軟件調(diào)節(jié)PWM波形，向外輸出；同時(shí)根據(jù)按鍵次數(shù)計(jì)算端碼，向數(shù)碼管發(fā)送。起動(dòng)默認(rèn)3

13、級(jí)，數(shù)碼管顯示3.如圖4.1所示圖4.1 軟件總流程圖4.2 中斷流程圖中斷由鍵盤申請(qǐng)，當(dāng)確定鍵盤有鍵按下后，根據(jù)掃描出的鍵值進(jìn)行計(jì)算：若是加速按鍵則在原來(lái)基礎(chǔ)上加上按鍵按動(dòng)的次數(shù)，若是減速按鍵則減去。計(jì)算出此時(shí)的等級(jí)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)調(diào)整PWM波形，并向數(shù)碼管輸送新的段碼。如圖4.2所示。圖4.2 中斷流程圖5 功能開(kāi)發(fā)調(diào)試及硬件仿真5.1 開(kāi)發(fā)軟件介紹程序開(kāi)發(fā)軟件：KeilC51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)

14、大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。本次設(shè)計(jì)使用的版本是Keil uVision4。硬件仿真軟件：Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，多達(dá)30多個(gè)元件庫(kù)。Proteus軟件提供多種現(xiàn)實(shí)存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，Proteus軟件提供豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。Proteus在編譯方面支持Keil編譯器。當(dāng)電路設(shè)計(jì)完成之后，為了減少在電路板上調(diào)試時(shí)的難度，保證電路設(shè)計(jì)的正確性，將Keil c5

15、1編譯生成的*.HEX 文件載入Proteus軟件，實(shí)現(xiàn)電路仿真。5.2 仿真結(jié)果初始狀態(tài)，直流電機(jī)半速運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖5.1所示圖5.1 初始狀態(tài)下直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)按下停止鍵，直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如圖5.2所示圖5.2 電機(jī)停轉(zhuǎn)按下加速鍵，直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如圖5.3所示圖5.3 直流電機(jī)加速按下減速按鍵，直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如圖5.4所示圖5.4 直流電機(jī)減速6 總結(jié)附錄A 總原理圖本次設(shè)計(jì)總原理圖如圖附錄A.1所示附錄B 部分原程序#include <reg51.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned int#define ucha

16、r unsigned charuchar led_code10 = 0xa0, 0xf9, 0xc4, 0xd0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90;/段碼 0,1,2,3,4,5, 6, 7, 8, 9uchar led_bit4 = 1, 2, 4, 8; /位碼uchar led_buf4; /顯示緩存uchar key_buf4;int num =50; /顯示數(shù)據(jù)int n = 0; / 當(dāng)前顯示位int i = 4; /位消隱參數(shù)int m = 0; /按鍵次數(shù)uchar key_code;sbit MOTOR0=P30;sbit MOTOR1=

17、P31;int MOTORPORT0=0;uint MOTORPORT1;int MOTORDIR=0;int MOTORSTOP=0;int counter=0;sbit p10=P10;sbit p11=P11;sbit p12=P12;sbit p13=P13;/* *名 稱：delayms *說(shuō) 明：延時(shí)子程序 *功 能：產(chǎn)生一定時(shí)間的延時(shí) *輸 入：ms 延時(shí)時(shí)間1ms的倍數(shù)*/void delayms(uint ms) uint a, b; for (a = 0; a < ms; a+); for (b = 0; b < 125; b+); /1ms /* *名 稱：n

18、umToBuf *說(shuō) 明：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換*/void numToBuf(void) led_buf0 = led_codenum % 10; /個(gè)位 led_buf1 = led_codenum / 10 % 10; /十位 led_buf2 = led_codenum / 100 % 10; /百位 led_buf3 = led_codenum / 1000; /千位/* *名 稱：keyToNum *說(shuō) 明：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 *功 能：把鍵盤緩存轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù) *輸 入：無(wú) *返回值：無(wú) */void keyToNum(void) num = key_buf0 + key_buf1 *10+key_buf2

19、 *100+key_buf3 *1000;/* *名 稱：int_0 *說(shuō) 明：定時(shí)器0中斷服務(wù)程序 *功 能：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描程序 *輸 入：無(wú) *返回值：無(wú)*/void int_0(void)interrupt 1 TH0 = 0xD8; TL0 = 0xf0; /定時(shí)器0賦初值 /*消隱位*/ if (num >= 1000) /數(shù)據(jù)在于等于10000 i = 4; /顯示4位 else if (num < 1000 && num >= 100) / 數(shù)所小于1000大于100 i = 3; /顯示3位 else if (num < 100 &

20、;& num >= 10) /數(shù)據(jù)小于100大于10 i = 2; /顯示兩位 else if (num < 10) /數(shù)據(jù)小10 i = 1; /顯示1位 /*顯示輸出*/ numToBuf(); P2 = led_bitn; /調(diào)用位碼 P0 = led_bufn; /調(diào)用段碼 n+; /移位 n = n % i;/* *名 稱：int_1 *說(shuō) 明：定時(shí)器1中斷服務(wù)程序 *功 能：鍵盤掃描 */void int_1(void)interrupt 3 TH1 = 0xfe; TL1 = 0x0c; /定時(shí)器0賦初值 if(counter<=num) MOTORPO

21、RT1=1;else if(counter<=100 && counter>num) MOTORPORT1=0; counter+;counter=counter%100;/* *名稱：Key_Scan *說(shuō)明： *功能：鍵盤掃描*返回值：按鍵對(duì)應(yīng)值（015）;無(wú)鍵按下返回0x7f*/unsigned char Key_Scan(void) / unsigned char i, n; unsigned char key_temp; P1 = 0xf0; if (P1 &0xf0) != 0xf0) if (P1 &0xf0) != 0xf0) delayms(100); for (i = 0; i < 4; i+) P1 = (1 << i); n = P1; n &= 0xf0; if (n != 0xf0) switch (n) case (0xe0): key_temp = i * 4; break; case (0xd0): key_temp = 1+i * 4; break; case (0xb0): key_temp = 2+i * 4; break; case (0x70): key_temp = 3+i * 4; break; default: key_temp = 0x7f; re