直流電機(jī)速控制課程設(shè)計(jì)

1、直流電機(jī)速度控制1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試一個(gè)由MCS51單片機(jī)組成的直流測(cè)控系統(tǒng)。通過這個(gè)過程學(xué)習(xí)熟悉鍵盤控制和七段數(shù)碼管的使用，掌握直流電機(jī)的速度控制和測(cè)試方法。12預(yù)習(xí)與參考MCS51單片機(jī)匯編程序語言、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)控制原理、1.3 設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)）要求設(shè)計(jì)指標(biāo)1在顯示器上顯示任意四位十進(jìn)制數(shù)2將8個(gè)鍵定義鍵值為07，按任意鍵在顯示器上顯示對(duì)應(yīng)鍵值3實(shí)現(xiàn)功能：（1）定義鍵盤按鍵：5個(gè)為數(shù)字鍵04；3個(gè)功能鍵：設(shè)置SET、清零 CLR、開始START；（2）顯示器上的四位可顯示每分鐘的速度；（3）通過鍵盤的按鍵，設(shè)置直流電機(jī)每分鐘的速度值；（4）按START鍵啟動(dòng)電機(jī)

2、開始轉(zhuǎn)動(dòng)，按SET鍵停止；按CLR鍵清零。2控制芯片選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇80C31芯片。選擇該芯片可以根據(jù)控制開關(guān)按鈕的開關(guān)狀態(tài)，控制數(shù)碼管的數(shù)字顯示以及變頻直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。80C31單片機(jī)，是8位高性能單片機(jī)，具有40根引腳。屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，標(biāo)準(zhǔn)MCS-51單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 80C31內(nèi)置中央處理單元、128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。40根引腳按其功能可分為四類： 1. 電源線2根

3、 VCC：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。 VSS：地電平。 2. 晶振：2根 XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。 XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。 3. I/O口有p0、p1、p2、p3共四個(gè)8位口，32根I/O線，其功能如下： P0.0P0.7 （AD0AD7） 是I/O端口O的引腳，端口O是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效）。P1.0P1.7 端口1的引腳，是一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道

4、，專供用戶使用。 P2.0P2.7 （A8A15） 端口2的引腳。端口2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址A8A15 P3.0P3.7 端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，該口的每一位均可獨(dú)立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與P1口完全相同，第二功能如下示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 （外部中斷） P3.3 （外部中斷） P3.4 T0（定時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（定時(shí)器1外部輸入） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7

5、 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 圖2-1 8031管腳圖3方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1矩陣式鍵盤 矩陣式鍵盤設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求通過按鍵開關(guān)可以控制數(shù)碼管的顯示，并且可以通過80C31芯片控制變頻直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以設(shè)計(jì)一種鍵盤式的按鈕開關(guān)矩陣。 矩陣式鍵盤的按鍵識(shí)別方法 ，確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。 行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識(shí)別方法，介紹過程如下。1、判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與行線相交叉的按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無

6、鍵按下。 2、判斷閉合鍵所在的位置 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。在這次課程設(shè)計(jì)中要求有8個(gè)按鍵，其中包過0-4這5個(gè)數(shù)字按鍵，以及3個(gè)功能鍵：設(shè)置SET、清零 CLR、開始START。所以我們將這些鍵按照兩行 三列來排列。其中的數(shù)字鍵我們可以按照基本的逐行掃描查詢法經(jīng)行按鍵識(shí)別。 其中的0-3數(shù)字鍵的一端與80C51 的P1.0，其余的另一端分別連接80C51單片機(jī)的P1.4，P

7、1.5，P1.6，P1.7相連。設(shè)置SET功能鍵分別連接P1.2和P1.6，開始START功能鍵分別連接P1.3，P1.4，而剩下的功能鍵CLR則分別連接P1.2，P1.7，這樣就可以利用按鈕開關(guān)和80C51芯片構(gòu)成簡單的矩陣式鍵盤。3210 SETCLRSTART4圖3-1 矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤程序及程序流程圖開始在80C51單片機(jī)的程序編寫上，采用C語言的程序編寫方法。鍵盤設(shè)計(jì)部分的程序流程圖如下：行值<-0,列值<-0EFH輸出行碼和列碼掃描行行碼循環(huán)掃描列碼加4RET有第i列為0調(diào)用顯示程序A<-i-1掃描列碼，并且全為1列掃面 C語言編寫的應(yīng)用于80C31控制數(shù)字鍵

8、盤使其實(shí)現(xiàn)功能的程序如下：void key()uchar i,temp,lie,hang,shu;for(i=0;i<4;i+) /求出按鍵值P1=chosei;temp=P1;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)hang=i;if(temp=0xe0)lie=1;else if(temp=0xd0)lie=2;else if(temp=0xb0)lie=3;else if(temp=0x70)lie=4;break; shu=hang*4+lie;/數(shù)為對(duì)應(yīng)的按鍵switch(shu)case 1: if(!flag)yishu(0);break;case

9、 2: if(!flag) yishu(1);break;case 3: if(!flag) yishu(2);break;case 4: if(!flag) yishu(3);break;case 5: if(!flag) yishu(4);break;case 6: flag+;flag1+; break;case 7: sv=0;miaoshu=0;flag=0;flag1=0;break;case8: flag1+; break;default: break;while(temp!=0xf0)/放鍵檢測(cè)temp=P1;temp=temp&0xf0;for(i=0;i<10

10、;i+)display(sv,miaoshu);/按鍵檢測(cè)程序void keyscan()uchar temp;P1=0xf0;temp=P1;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(5);/消除抖動(dòng)P1=0xf0;temp=P1;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)key();void pid(void) /PID 計(jì)算輸出量ek=sv-miaoshu;uk=uk_1+q0*ek+q1*ek_1+q2*ek_2;ek_2=ek_1;ek_1=ek;uk_1=uk;if(uk>501)uk=501; /限定輸出上限if(

11、uk<1)：uk=1; /限定輸出下限3.2數(shù)碼管轉(zhuǎn)速顯示LED數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。圖3-2數(shù)碼管數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管

12、靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O端口來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)89S51單片機(jī)可用的I/O端口才32個(gè)呢：），實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開

13、，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。 在本次課程設(shè)計(jì)中需要用到4個(gè)數(shù)碼管在靜態(tài)顯示的工作狀態(tài)下工作，用80C31來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常工作。為了使數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候穩(wěn)定準(zhǔn)確，一般是接在80C31單片機(jī)的P0口上接一個(gè)RESPACK-8排阻

14、，因?yàn)镻0口內(nèi)部沒有上拉電阻，不能輸出高電平，所以要接上拉電阻。排阻就是好多電阻連載一起，他們有一個(gè)公共端 。 在用80C31控制4個(gè)7位數(shù)碼管的時(shí)候后我們還要用到74HC240。74 HC240是一款高速CMOS器件，引腳兼容低功耗雙八線反響緩沖線路驅(qū)動(dòng)器，具有三態(tài)輸出，該三臺(tái)輸出有時(shí)能斷控制，任意NOE上的高電平將使輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)。74HC240在電路中起緩沖保護(hù)作用。數(shù)碼管顯示流程圖：返回關(guān)所有顯示位顯示4位數(shù)字取得顯示數(shù)據(jù)關(guān)閉所有顯示位初始化顯示參數(shù)開始數(shù)碼管顯示子程序：void display(uint a,uint b)char i;shu0=a/100;shu1=a%100/1

15、0;shu2=a%10;shu3=b/100;for(i=0;i<4;i+)P2=chosei;P0=tableshui;delay(3);33電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的驅(qū)動(dòng)電路部分，選擇采用基于L298的直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開 ，并根據(jù)需要來調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間的長短，通過改變直流電動(dòng)機(jī)上電樞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。在整個(gè)PWM調(diào)速器中，CPU既是運(yùn)算處理中心，又是控制中心，是最關(guān)鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS一5l系列完全兼容的80C

16、31單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能、CMOS八位微處理器。驅(qū)動(dòng)電路程序流程圖開始流程圖如下 ：返回占空值-1>0輸出低電平計(jì)數(shù)器-1=0占空值賦初值計(jì)數(shù)器賦初值輸出高電平啟動(dòng)AD驅(qū)動(dòng)電路子程序void t0(void) interrupt 1 using 0 /定時(shí)T0中斷服務(wù)函數(shù)tcnt+; /每過250ust tcnt 加一if(tcnt=40) /計(jì)滿40 次（1/100 秒）時(shí)tcnt=0; /重新再計(jì)sec+;if(sec=10) /定時(shí)0.1 秒，在從零開始計(jì)時(shí)sec=0;TH0=0x06; /對(duì)TH0 TL0 賦值TL0=0x06;miaoshu=count;count=0

17、;void sdf(void) interrupt 2 using 0 /計(jì)數(shù)T1中斷服務(wù)函數(shù) count=count+1;/左移一位void yishu(uchar num)uchar bai,shi,ge;bai=sv%100/10;shi=sv%10;ge=num;sv=bai*100+shi*10+ge;3.4芯片80C31在電路中的控制 80C31芯片是整個(gè)電路中最重要的部分，它需要讀取矩陣式鍵盤按鈕開關(guān)的信息，并通過編碼程序進(jìn)行一定的數(shù)字編碼，然后輸出控制直流電動(dòng)機(jī)和八位數(shù)碼管顯示，達(dá)到完整控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速?？刂凭幋a部分子程序：main()q0=Kp*(1+T/Ti+Td/T);

18、/先算出PID的計(jì)算參數(shù)q1=-Kp*(1+2*Td/T);q2=Kp*Td/T;p30=0;EX0=1;IT1=1;TMOD=0x02; /定時(shí)器T0工作在方式2 自動(dòng)重裝方式,計(jì)數(shù)器T1工作在方式2 自動(dòng)重裝方式TH0=0x06; /對(duì)TH0 TL0 賦值TL0=0x06;TR0=1; /開始定時(shí)ET0=1; /允許T0 產(chǎn)生中斷EA=1;EX1=1;EA=1;sec=0;SCON=0x90; /MODER1,REN=1;PCON=0x00;miaoshu=0;tcnt=0;count=0;sv=0;flag=0;while(1) eleyscan();if(flag=2)p30=0;if

19、(flag1=2)uint i;pid();if(ek>100)p30=1;else if(ek>=0)p30=1;display(sv,miaoshu);p30=0;delay(50-uk/10);else if(ek<0)p30=0;display(sv,miaoshu); 4直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制電路仿真本次課程設(shè)計(jì)采用proteus7.7軟件進(jìn)行仿真電路的設(shè)計(jì)與制作。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。此次課程

20、設(shè)計(jì)主要用到proteus軟件的原理圖布局和電器電路仿真。4.1原理圖布局 此次設(shè)計(jì)的完整電路圖包括矩陣式鍵盤部分，數(shù)碼管數(shù)字顯示，電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速控制以及整個(gè)電路設(shè)計(jì)中的核心芯片80C31芯片。圖4-1直流電動(dòng)機(jī)速度控制原理圖布局圖4-2 直流電動(dòng)機(jī)速度控制仿真效果5結(jié)束語通過本次課程設(shè)計(jì)，加深了對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中的51系列單片機(jī)的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)其應(yīng)用有了更深沉的了解，特別是在51系列單片機(jī)的編程和數(shù)字控制方面的學(xué)習(xí)。在對(duì)電路進(jìn)行原理圖布局和仿真的過程中，了解并學(xué)會(huì)使用了仿真軟件proteus，對(duì)其基本用法和一些擴(kuò)展功能有所了解。在以后的電路仿真中或用到此次課程設(shè)計(jì)所積累的經(jīng)驗(yàn)。其次就是在對(duì)電路進(jìn)行連接的過程中，加強(qiáng)了實(shí)際動(dòng)手操作能力，和