基于单片机的直流电机调速控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的直流电机调速控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

框图如图 所示。 单 片 机液 晶 显 示 模 块矩 阵 键 盘电 机 驱 动 模 块直 流 电 机霍 尔 测 速 模 块 图 系统总体设计框图 单片机最小系统 直流电机调速控制系统以 AT89C51 为控制主芯片， AT89C51 是一款低功耗、高 14 性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 4K 可编程 Flash 存储器，使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线可编程 Flash，具有双工串行通道，可实现在线编程功能，内部集成了看门狗定时器、双数据指针、全新的加密运算，使程序的保密性增强，兼容性强，软硬件调试方便。 因此，使用该MCU作为主控芯片可以方便的设计电路。 单片机的最小系统是指单片机能正常工作所必须的外围电路，主要由单片机、晶振电路和复位电路构成。 本设计的单片机最小系统电路如图 所示。 图 单片机最小系统 电路图 复位电路产生复位信号，复位信号送入 RST 后还要送至片内的施密特触发器，由片内复位电路对触发器输出采样信号，然后由内部复位电路产生复位操作所要的信号。 一般的复位电路可分为上电自动复位和按键复位，我们选用的是按键与上电复位。 RST 引脚是复位信号的输入端，只要高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效时间，就可以使单片机上电复位。 复位信号是通过电容充电实现的，上电瞬间，RST 端电位与 VCC 相同，随充电电流的减少， RST 的电位逐渐下降，直到复位信号无效，完成上电自动复位。 电路中电容 C2 和 C3 的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性， 典型值通常选择为 30pF 左右。 晶振的范围通常在 ~12MHz 之间，频率 15 越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快，此次设计采用的晶体振荡频率为 12MHz。 直流电机驱动模块 直流电机驱动模块主要由电机驱动芯片 L298N 和二极管及直流电机组成。 单片机输出 PWM 波给电机驱动芯片 L298N，通过电机驱动芯片 L298N 实现对直流电机的控制。 当电机驱动芯片 L298N 的 IN1 端输入 PWM 波， IN2 输入低电平直流电机正转，反之，电机反转； ENA 输入高电平实现对电机速度的控制。 电 机驱动芯片 L298N L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。 该芯片采用 15 脚封装。 主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V。 L298N 的输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A，额定功率为 25W。 L298N 内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机、步进电动机、继电器线圈等感性负载。 L298N 采用标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端， L298N 可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。 使用 L298N 芯片驱动电机，可以驱动一台两相步进电机或四相步进 电机，也可以驱动两台直流电机。 L298N 对直流电机控制的逻辑真值表 如表 所示。 表 L298N对直流电机控制的逻辑真值表 输入 输出 EN=H C=H； D=L 正转 C=L； D=H 反转 C=D 制动 EN=L C=※ ； D=※ 没有输出，电机不工作 注：其中 EN 表示 ENA或 ENB； C、 D 分别为 IN IN2 或 IN IN4； L 为低电平， H 为高电平， ※ 为不管是低电平还是高电平。 16 直流 电机驱动模块电路图 直流电机驱动模块接收由单片机产生的 PWM 波及其他控制信号，控制直流电机进行加减速、正反转、启停等，其电路 如图 所示。 图 直流电机驱动模块电路图 霍尔测速模块 霍尔测速模块主要用来测得直流电机的实际转速，霍尔测速模块主要由霍尔传感器及相应的转换电路组成。 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器 ,它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点 ， 在机车控制系统中占有非常重要的地位。 本模块主要 用霍尔传感器通过测量磁场强度 ， 来得到稳定的脉冲方波信号 ， 通过单片机 实现 直流 电机 实际 转速的测量。 选 用 型号为 A3144 的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔传感器体积小、安装灵活，并与普通的磁钢片配套使用。 霍尔测速模块 工作过程：测量转速的霍尔传感器与机轴相连接，机轴每转一周，产生一定的脉冲个数， 经霍尔器件电路部分输出，成为单片机 计数器的计数脉冲。 控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应 直流电机 机轴的 实际 转速值。 霍尔测速模块 由磁钢、霍 17 尔元件 等组成， 将一非磁性圆盘固定装在 直流 电机 转轴上，圆盘上 等距离用环氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁 ，其示意图如图 所示。 图 霍尔传感器检测信号图 矩阵键盘 矩阵键盘可以对直流电机的转速进行设置，并可以控制直流电机进行加速、减速、正反转、启停等。 其电路图如图 所示。 图 矩阵键盘电路图 矩阵式键盘的结构与工作原理 在键盘中按键数量较多时，为了减少 I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。 在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。 这样，一个端口（如 P1 口）就可以构成 4*4=16 个按键，比之直接将端口线连接到 键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20 键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（ 9 键）。 由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些， 18 识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的 I/O 口作为输出端，而列线所接的 I/O 口则作为输入。 矩阵式键盘的按键识别方法 确定矩阵式键盘上哪个 键被按下介绍一种 “行扫描法 ”。 行扫描法又称为逐行 （或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法， 下面给出一个具体的例子：单片机的 P1 口用作键盘 I/O 口，键盘的列线接到 P1 口的高 4 位，键盘的 行线接到 P1 口的低 4 位。 列线 分别接有 4 个上拉电阻到正电源 +5V， 4 根行线和 4 根列线形成 16 个相交点。 （ 1） 检测当前是否有键被按下。 检测的方法是 输出全 “0”， 输出全 “1”，即给 P1 赋值 “F0”读取 的状态，若 为全 “0”，则无键闭合，否则有键闭合。 （ 2） 去除键抖动。 当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。 （ 3） 若第二次仍判断有键被按下，为了确定键值，先判断其所在行。 方法是读取此时 P1 口状态， P1 的低四位 哪位电平被抬高则对应行有键被按下，例如 P1 状态为 F1，那么说明 被置位，则其对应行某键被按下。 （ 4） 用同样方法判断按键所在列，给 P1 赋值 “0F”，并读取 P1 口输出状态， P1高四位哪位电平被抬高则对应列有键被按下。 由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值 （ 5） 为了保证键每闭合一次 CPU仅作一次处理，必须去除键释放时的抖动。 按键识别的一个重要问题是去抖动，下面详细介绍： 常用键盘的键是一个机械开关结构，被按下时，由于机械触点的弹性及电 压突跳等原因，在触 点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动， 抖动时间长短与键的机械特性有关，一般为 20~30 ms。 而键的闭合时间和操作者的按键动作有关，大约为十分之几秒到几秒不等。 去抖动有硬件和软件两种方法。 硬件方法就是在键盘中附加去抖动电路，从根上消除抖动产生的可能性；而软件方法则是采用时间延迟以躲过抖动（大约延时 510ms 19 即可），待 线上状态确定之后，再进行状态输入。 一般为简单起见多采用软件方法。 矩阵 键盘的工作方式 在单片机应用系统中，键盘扫描只是 CPU的工作内容之一。 CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中 CPU 的工作状况而定，其选取的原则是既要保证 CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用 CPU的工作时间。 通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。 1. 编程扫描方式 编程扫描方式是利用 CPU 完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。 在执行键功能程序时， CPU不再响应键输入要求，直到 CPU重新扫描键盘为止。 2. 定时扫描方式 定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例 如 10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断， CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。 3. 中断扫描方式 采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键， CPU 都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此， CPU 经常处于空扫描状态，为提高 CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。 当无键按下时， CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求， CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别按键。 液晶显示模块 液晶显示模块选用 1602 型 LCD 显示模块 LM016L 来显示直流电机的设定转速及其实际转速。 1602 型 LCD 显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点，可以显示 2 行 16 个字符，有 8 位数据总线 D0D7 和 RS， R/W， EN 三个控制端口，工作电压为 5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。 其外部引脚如 所示。 20 图 LM016L VSS:电源地。 VDD:电源正极。 VEE:液晶显示偏压信号。 RS:数据 /命令选择端。 寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。 R/W:读写选择端。 高电平进行读操作，低电平进行写操作。 E:使能信号。 D0D7： 数据输入 /输出口。 从RS 和 R/W 的不同状态对 LM016L 进行不同的操作，具体见 表。 表 LM016L控制字表 RS R/W 操作说明 0 0 写入指令码 D0~D7 0 1 读取输出的 D0~D7 状态字 1 0 写入数据 D0~D7 1 1 从 D0~D7 读取数据 21 第 4 章 系统软件设计 系统软件共分六大部分，分别为主函数、 PWM 波形发生函数、 PID 控制器函数、LCD 显示函数、矩阵键盘扫描函数。 根据直流电机调速控制系统需要，完成参数显示、转速设置、 PID 控制等功能。 主函数 主函数是程序执行的入口处，首先进行定时器及外部中断参数设置和初始化工作，然后设置显示函数及键盘扫描函数 的死循环，进行 实时显示 并不断扫描矩阵键盘 ， 设置 直流电机 转速值 及控制电机正反转、启停等都通过读取矩阵键盘的键值实现。 控制器函数依靠 “定时中断 ”（ T0）结合软件延时实现以 1 秒为周期循环，当计数溢出即发生中断响应，计算控制量； PWM 波形发生函数依靠 “定时中断 ”(T1)实现周期为 100us的循环，通过控制 电机驱动模块 输入电平调节 电机 转速。 主函数流程图如图 所示。 开 始设 置 定 时 器 初值开 启 定 时 器键 盘 扫 描液 晶 显 示 图 主函数流程图 程序开始后。