PAGE342012~2013學年第一學期《單片機原理及應用》課程設計報告題目：單片機控制直流電動機專業：電子信息工程班級：姓名：指導教師：電氣工程系2012年10月21日1、任務書課題名稱單片機控制直流電動機指導教師（職稱）執行時間2012~2013學年第一學期第周學生姓名學號承擔任務設計目的采用單片機設計一個控制直流電機并測量轉速的裝置。單片機擴展有A/D轉換芯片ADC0809和D/A轉換芯片DAC0832。設計要求（1）通過改變A/D輸入端可變電阻來改變A/D的輸入電壓，D/A輸入檢測量大小，進而改變直流電機的轉速。（2）手動控制。在鍵盤上設置兩個按鍵—直流電動機加速鍵和直流電機減速鍵。在手動狀態下，每按一次鍵，電機的轉速按照約定的速率改變。摘要電動機作為最主要的動力源，在生產和生活中占有重要地位。電動機的調速控制過去多用模擬法，隨著計算機的產生和發展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現，電動機的控制也發生了深刻的變化，本系統利用直流電機的速度與施加電壓成正比的原理，通過滑動變阻器向ADC0809輸入控制電壓信號，經AD后，輸入到AT89C51中，AT89C51將此信號轉發給DAC0832，通過功放電路放大后，驅動直流電機。關鍵字：電動機；AT89C51；單片機目錄TOC\o"1-3"\h\u21373《單片機原理及應用》27398課程設計報告 I14144任務書 II23870摘要 III16819第一章整體設計 1280861.1設計原理 119131.2整體設計 18959第二章系統硬件設計 339512.1按鍵電路 3247782.1.1AT89C51 3280672.1.2按鍵電路 4137052.2顯示電路 4325022.2.1MAX7219 4148502.2.2工作原理 548192.3A/D轉換模塊 6150222.3.1ADC0808 6316532.3.2工作原理 8247912.4D/A轉換模塊 810072.4.1DAC0832 84602.4.2工作原理 9300052.5總電路圖 911439第三章系統軟件設計 1118123.1系統主程序設計 1150234.1按鍵掃描程序 12614.2顯示子程序 1449464.3定時中斷處理程序 16246284.4A/D轉換程序 1729785第四章系統仿真 19245684.1仿真步驟 1970734.2仿真結果分析 2018692結論 2119445附錄 2223881參考文獻 32第一章整體設計1.1設計原理直流電機是通過兩個磁場的互作用產生旋轉。其結構如下頁圖所示，固定部分（定子）上，裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉部分（轉子）上裝設電樞鐵心。定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。定子通過永磁體或受激勵電磁鐵產生一個固定磁場，由于轉子由一系列電磁體構成，當電流通過其中一個繞組時會產生一個磁場。對有刷直流電機而言，轉子上的換向器和定子的電刷在電機旋轉時為每個繞組供給電能。通電轉子繞組與定子磁體有相反極性，因而相互吸引，使轉子轉動至與定子磁場對準的位置。當轉子到達對準位置時，電刷通過換向器為下一組繞組供電，從而使轉子維持旋轉運動。直流電機的速度與施加的電壓成正比，輸出轉矩則與電流成正比。由于必須在工作期間改變直流電機的速度，直流電機的控制是一個較困難的問題。直流電機高效運行的最常見方法是施加一個PWM（脈寬調制）方波，其占空比對應于所需速度。電機起到一個低通濾波器作用，將PWM信號轉換為有效直流電平。特別是對于微處理器驅動的直流電機，由于PWM信號相對容易產生，這種驅動方式使用的更為廣泛。1.2整體設計為了使用單片機對電動機進行控制，對單片機的基本要求應有足夠快點速度；有捕捉功能。總體設計方案如圖所示數碼管顯數碼管顯示DAC0832按鍵控制單片機DAC0832按鍵控制單片機信號放大ADC0808信號放大ADC0808驅動電機電壓信號驅動電機電壓信號圖1.1總體設計方案鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P1口輸出與轉速相應的8位BCD編碼，該編碼通過DAC0832譯成相應的模擬電壓，經過信號放大實現電動機轉向與轉速的控制。可變電阻接ADC0808轉變成相應電壓的數字信號，單片機通過P2口讀取，再由P1口輸出與轉速相應的8位BCD編碼。電動機的運轉狀態則通過四位數碼管顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數顯示。正轉時最高位顯示“三”，其它三位為電機轉速；反轉時最高位顯示“F”，其它三位為電機轉速。每次電動機啟動后開始顯示，停止時數碼管顯示出“0000”。系統硬件設計根據總設計方案可知硬件電路是以單片機為核心輔以適當的電路以完成要求功能。主要包括顯示模塊，A/D轉換模塊，D/A轉換模塊等模塊。2.1按鍵電路2.1.1AT89C51AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖2.1按鍵電路的設計AT89C51提供以下標準功能：4k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。2.1.2按鍵電路如圖2.1所示，單片機的P2.1和P2.2口分別接一個按鍵用于控制電機。當按下S1鍵時，電機轉速提高，進入加速狀態；當按下S2鍵時，電機轉速減慢，進入減速狀態。通過S1，S2兩個按鍵可以達到鍵盤控制電機的作用。2.2顯示電路2.2.1MAX7219MAX7219/MAX7221是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器,它連接微處理器與8位數字的7段數字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅動器，而且還有一個8*8的靜態RAM用來存儲每一個數據。只有一個外部寄存器用來設置各個LED的段電流。MAX7221與SPI?、QSPI?以及MICROWIRE?相兼容，同時它有限制回轉電流的段驅動來減少EMI（電磁干擾）。一個方便的四線串行接口可以聯接所有通用的微處理器。每個數據可以尋址在更新時不需要改寫所有的顯示。MAX7219/MAX7221同樣允許用戶對每一個數據選擇編碼或者不編碼。整個設備包含一個150μA的低功耗關閉模式，模擬和數字亮度控制，一個掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數據，還有一個讓所有LED發光的檢測模式。功能特點：1、10MHz連續串行口2、獨立的LED段控制3、數字的譯碼與非譯碼選擇4、150μA的低功耗關閉模式5、亮度的數字和模擬控制6、高電壓中斷顯示7、共陰極LED顯示驅動8、限制回轉電流的段驅動來減少EMI（MAX7221）9、SPI,QSPI,MICROWIRE串行接口（MAX7221）10、24腳的DIP和SO封裝2.2.2工作原理圖2.2顯示電路的設計如圖2.2所示，可變電阻接ADC0808轉變成相應電壓的數字信號，單片機通過P0口讀取，再由P1口輸出與轉速相應的8位BCD編碼到MAX7219。經由MAX7219處理后通過四位數碼管顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數顯示。正轉時最高位顯示“三”，其它三位為電機轉速；反轉時最高位顯示“F”，其它三位為電機轉速。每次電動機啟動后開始顯示，停止時數碼管顯示出“0000”。2.3A/D轉換模塊2.3.1ADC0808ADC0808是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。主要特性1）8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。2）具有轉換起停控制端。3）轉換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）4）單個+5V電源供電。5）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準。6）工作溫度范圍為-40～+85攝氏度。7）低功耗，約15mW。ADC0809的工作過程首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變為高電平，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。轉換數據的傳送A/D轉換后得到的數據應及時傳送給單片機進行處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時傳送方式對于一種A/D轉換器來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉換時間為128μs，相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期。可據此設計一個延時子程序，A/D轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數據傳送。（2）查詢方式A/D轉換芯片由表明轉換完成的狀態信號，例如ADC0808的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態，即可確認轉換是否完成，并接著進行數據傳送。（3）中斷方式把表明轉換完成的狀態信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數據傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉換完成，即可通過指令進行數據傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉換數據送上數據總線，供單片機接受。圖2.3AD轉換電路的設計2.3.2工作原理如圖2.3所示，外部電源通過滑動變阻器向ADC0808輸入控制電壓信號，經A/D處理后，輸入到AT89C51中，交由AT89C51處理，進行下一步動作。2.4D/A轉換模塊2.4.1DAC0832DAC0832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、轉換控制容易等優點，在單片機應用系統中得到廣泛的應用。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。主要特性參數1.分辨率為8位；2.電流穩定時間1us；3.可單緩沖、雙緩沖或直接數字輸入；4.只需在滿量程下調整其線性度；5.單一電源供電（+5V～+15V）；6.低功耗，20mW。DAC0832的工作方式DAC0832進行D/A轉換，可以采用兩種方法對數據進行鎖存。第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態，而DAC寄存器工作在直通狀態。具體地說，就是使和都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號ILE處于高電平、處于低電平，這樣，當端來一個負脈沖時，就可以完成1次轉換。第二種方法是使輸入寄存器工作在直通狀態，而DAC寄存器工作在鎖存狀態。就是使和為低電平，LE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號處于無效狀態而直通；當和端輸入1個負脈沖時，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態，提供鎖存數據進行轉換。圖2.4DA轉換電路的設計2.4.2工作原理如上圖2.4所示，電壓信號輸入后經過AD轉換輸入到AT89C51，由單片機通過P1口輸出與轉速相應的8位BCD編碼，該編碼通過DAC0832譯成相應的模擬電壓，經過信號放大實現電動機轉向與轉速的控制。2.5總電路圖由各子模塊設計給得出總硬件電路設計如下圖2.5所示圖2.5硬件總電路圖第三章系統軟件設計本系統編程部分工作采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設計方法，與各子程序做為實現各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別、ADC0809讀取和DAC0832輸出以及數碼管顯示等部分的設計。開始3.1系統主程序設計開始系統初始化系統初始化按鍵是否按下N按鍵是否按下讀取鍵值Y讀取鍵值減速加速減速加速電機加速電機減速電機加速電機減速將模擬電壓轉變為數字信號將模擬電壓轉變為數字信號調用顯示子程序調用顯示子程序顯示速度顯示速度返回返回圖3.1主程序流程圖主程序流程圖如上圖3.1所示。系統初始化后，主程序通過調用各子程序完成預定動作，達到控制電機正反轉及轉速的目的。4.1按鍵掃描程序按鍵掃描程序采用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執行。要實現按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時，每進行一次增加/減少一定的占空比。按鍵掃描程序流程圖如下圖3.2所示開始開始按鍵是否釋放按鍵是否釋放N延時去抖動、Y延時去抖動鍵碼識別鍵碼識別按鍵功能執行按鍵功能執行加/減占空比加/減占空比返回返回圖3.2按鍵掃描程序流程圖由流程圖設計程序如下：/****************按鍵掃描**************/key(){if(P12==0) //如果按下， { while(!P12)//去抖動 display(); k=~k; } if(P16==0)//啟動 { while(P16==0); IE=0x8a; } if(P13==0)//加速 { while(P13==0); t++; } if(t>=5) t=5; if(P14==0)//減速 { while(P14==0); t--; } if(t<1) t=1;if(P15==0)//停止 { while(P15==0); EA=0; P10=0; P11=0; } } 4.2顯示子程序顯示子程序用于處理DAC0832處理出來的8位BCD，利用數組方式定義顯示緩存區，緩存區有8位，分別存放各個數碼管要顯示的值。流程圖如下圖3.3所示開始開始求各位數值，并送入各位對應的緩沖區求各位數值，并送入各位對應的緩沖區顯示各位數值顯示各位數值延時延時顯示正反轉顯示正反轉返回返回圖3.3顯示程序流程圖由流程圖設計程序如下：/***************數碼管顯示****************/display(){ uchari; gw=x%10;//求速度個位值，送到個位顯示緩沖區 sw=(x/10)%10;//求速度十位值，送到十位顯示緩沖區 bw=(x/100)%10;//求速度百位值，送到百位顯示緩沖區 qw=x/1000;//求速度千位值，送到千位顯示緩沖區 for(i=0;i<4;) { P2=led[i]; if(i==0)//顯示個位 { P0=smg[gw]; delays(); } elseif(i==1)//顯示十位 { P0=smg[sw]; delays(); } elseif(i==2)//顯示百位 { P0=smg[bw]; delays(); } elseif(i==3) //顯示千位 { if(k==0) //正轉時顯示"三" { P0=0x49; delays(); } else { P0=0x71; //反轉時顯示"F" } } i++; }}4.3定時中斷處理程序定時中斷處理程序：采用定時方式1，因為單片機使用12M晶振，可產生最高約為65.5ms的延時。對定時器置初值B1E0H可定時20ms，即系統時鐘精度可達0.02s。當20ms定時時間到，定時器溢出則響應該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值，并對全局變量time加1，這樣，通過變量time可計算出系統的運行時間。4.4A/D轉換程序首先判斷A/D轉換是否允許進行，當WR又低變高時AD開始轉換，再讀取轉換數據結果，把數據存到ad_data中，完成A/D轉換。流程圖如下圖4.4所示開始開始acds=0acds=0N允許A/D轉換、Y允許A/D轉換讀取轉換數據結果數據結果讀取轉換數據結果數據結果把數據存到ad_data中把數據存到ad_data中停止A/D轉換停止A/D轉換圖3.4A/D轉換程序流程圖由流程圖設計程序如下：ADC0809：//啟動AD轉換子程序//////////////////////////////////////////////////////////voidstart_adc0809(void){//adcs=0;//允許進行A/D轉換adwr=0;delay_50us(2);adwr=1;//WR由低變高時,AD開始轉換//adcs=1;//停止AD轉換 delay_50us(10);}//讀A/D數據子程序///////////////////////////////////////read_ad(){uintad_data;ad1_7=0xff;//adcs=0;//允許讀//adrd=0;//讀取轉換數據結果delay_50us(5);ad_data=ad1_7;//把數據存到ad_data中//adrd=1;adcs=1;//停止A/D讀取return(ad_data);}系統仿真4.1仿真步驟加載目標代碼文件打開元器件單片機屬性窗口，在“ProgramFile”欄中添加上面編譯好的目標代碼文件“keil-12.hex”；在“ClockFrequency”欄中輸入晶振頻率為12MHz。ADC0809的時鐘信號設置為640kHz。啟動仿真如下頁圖所示，各按鍵功能如圖中所注，LED中顯示的為當前電壓的數字信號值，即當前轉速的檔位（0-256），通過調整從滑動變阻器輸出的電壓值，可以觀察到直流電機不同的轉速。通過按鍵加減速，改變電機轉速，數碼管顯示的數字也相應改變。結果如圖4.1所示：圖4.1仿真結果按下加速鍵后，電機轉速加快，數碼管顯示的數值增大。結果如圖4.2所示：圖4.2仿真結果4.2仿真結果分析通過鍵盤向單片機輸入相應控制指令，數碼管顯示出不同的數值。當按下加速鍵時，數碼管顯示數值增大，說明電機轉速增快；當按下減速鍵時，數碼管顯示數值減小，說明電機轉速減慢。鍵盤通過單片機實現了控制電機轉速的功能。當改變可變電阻阻值時，電機兩端改變，數碼管顯示的數值也改變。說明電阻改變可改變電機兩端的電壓，從而達到控制直流電機的目的，且當電壓越大時，數碼管顯示數值越大，電機轉速越快；電壓越小時，數碼管顯示數值越小，電機轉速越慢。結論本次課程設計我們主要根據要求中的提示，首先確定了各個模塊的作用和工作原理，再通過資料的整理了解具體每塊芯片的結構和工作方式，便于我們對相應模塊及整體電路的設計，也為我們軟件程序的編寫提供依據。通過參考資料和已有的相關實驗理論，我們最終完成了硬件電路設計和部分軟件程序設計。通過此次課程設計使我們對單片機控制理論有了初步的了解，對單片機的應用有了更多的了解，讓我們對自己所學過的知識有了更深刻的認識，同時也增加了我們的知識面，培養了我們的自主學習的能力，可謂收獲頗多。附錄附錄一電路原理圖及PCB板附圖1電路原理圖附圖2PCB板附錄二系統程序#include<reg52.h>#include"lcd1602.h"#include"fonction.h"ucharcount=0,count2=1;ucharkey_num=0;uintspeed[5];//bitdirect_flag=1,run_flag=0;//方向標志運行標志ucharpwmdata=50;sbitright=P2^7;sbitleft=P2^6;//============================================voiddsp(){if(run_flag){gotoxy(1,0);display_string("running");} //顯示電機的轉動去停止情況else{gotoxy(1,0);display_string("stop");}//if(direct_flag){gotoxy(12,0);display_string("->");}//顯示電機的轉動方向箭頭方向else{gotoxy(12,0);display_string("<-");}//gotoxy(2,1);display_data(0,speed/300);display_data(1,speed/3%100); //顯示當前速度轉速gotoxy(10,1);display_data(0,pwmdata/100);display_data(1,pwmdata%100); //pwmdata占空比}//===========================================voidkey_set(){if(key_num!=0){ switch(key_num) { case1:run_flag=~run_flag;break; case2: direct_flag=1;break; case3: direct_flag=0;break; case4: {pwmdata++; if(pwmdata>=100)pwmdata=100; break; } case5: {pwmdata--; if(pwmdata>=100)pwmdata=0; break; } } }key_num=0;//清零}//==========================================voidmain(){//硬件初始化EA=1;ET0=1;TMOD=0X51;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;TR0=1;//TH1=0;TL1=0;TR1=1;//.EX0=1;IT0=1;//控制端口初始化right=0;left=0;init_lcd();gotoxy(0,0);display_string("stopdt:->");//stop2running1gotoxy(0,1);display_string("000r/s050%");//2 11//for(;;) { count2++; if(count>100)count2=1; if(run_flag==0){right=0;left=0;} else{ if(count2<=pwmdata) { if(direct_flag){right=1;left=0;} else{right=0;left=1;} } else{right=0;left=0;} } }}//********************************************************voidinit_lcd(void) //初始化lcd1602{ delay(15); write_com(lcd_mode); delay(20); write_com(undisplay_cursor); delay(20); write_com(0x06);//letcursormove delay(20); write_com(0x01);//clearlcd delay(20); }//********************************************************voidgotoxy(ucharx,uchary){ if(y==0) write_com(0x80+x); else write_com(0xc0+x);}//********************************************************voiddisplay_data(bitkuandu,charnumber){ucharx,y; if(kuandu==0)write_date(int_to_char[number]); else { x=number/10; y=number%10;//y=number-10*x; write_date(int_to_char[x]); write_date(int_to_char[y]); }}/****************按鍵掃描**************/key(){if(P12==0) //如果按下， { while(!P12)//去抖動 display(); k=~k; } if(P16==0)//啟動 { while(P16==0); IE=0x8a; } if(P13==0)//加速 { while(P13==0); t++; } if(t>=5)