基于单片机直流电机控制器设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机直流电机控制器设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

80C51 单片机和一些电容、晶振组成。 设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。 设计控制部分：主要由 80C51 单片机的外部中断扩展电路组成。 设计显示部分：包括液晶显示部分和 LED 数码显示部分。 液晶显示部分由 1602LCD 液晶显示模块组成。 LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。 直流电机 PWM 控制实现部分：主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。 基本原理 主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。 这部分电路主要由 80C51 单片机的 I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。 其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。 其间是通过 80C51 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来控制直流电机工作的。 该直流电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。 设计控制部分：主要由 80C51 单片机的外部中断扩展电路组成。 设计显示部分：包括液晶显示部分和 LED 数码显示部分。 液晶显示部分由 1602LCD 液晶显示模块组成。 直流电机 PWM 控制实现部分：主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动 模块组成。 AT89C2051 单片机介绍 AT89C51 是一种带 4K 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 51 单片机是对所有兼容Intel 8031 指令系统 的 单片机 的统称。 该系列 单片机 的始祖是 Intel 的 8031 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展， 8031 单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司 的 AT89 系列，它广泛应用于工业测控系统之中。 很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等）的微处理器（ CPU）、随机存储器（ RAM）、只读存储器（ ROM）、输入输出接口电路（ I/O）、串行通信口（ SCI）、脉宽调制电路（ PWM）、定时计算器、 A/D 转换器及 D/A 转换器等电路集成到一块半导体硅片上，这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效的完成设计者事先规定的任务，这样的一块具有一台计算机的属性，可以构成一个最小而完善的的计算机系统的电路芯片就称为单片微型计算机，简称单片机。 目前，单片机正朝 着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS（互补金属氧化物半导体）化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 下面是单片机的主要发展趋势。 CMOS 化 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。 采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。 随着技术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工艺。 低功耗化 单片机的功耗已从 Ma 级 ，甚至 1uA 以下；使用电压在 3~6V 之间，完全适应电池工作。 低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 低电压化 几乎所有的单片机都有 WAIT、 STOP 等省电运行方式。 允许使用的电压范围越来越宽，一般在 3~6V 范围内工作。 低电压供电的单片机电源下限已可达 1~2V。 目前 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求。 大容量化 以往单片机内的 ROM 为 1KB～ 4KB， RAM 为 64～ 128B。 但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。 为了适应这种领域的要求，运用新的工艺，使片内存储器大容量化。 目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大为 2KB。 高性能化 主要是指进一步改进 CPU 的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。 采用精简指令集（ RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。 小容量、低价格化 与上述相反，以 4 位、 8 位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。 这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单 片化，可广泛用于家电产品。 外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。 随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。 除了一般必须具有的 CPU、 ROM、 RAM、定时器 /计数器等以外，片内集成的部件还有模 /数转换器、 DMA 控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。 随着低价位 OTP（ One Time Program）及各种类型片内程序存储器的发展，加 之外围接口不断进入片内，推动了单片机 “单片 ”应用结构的发展。 特别是 IC、 SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。 单片机的特点 单片机把微型计算机的主要功能都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。 因此，单片机具有以下特点 : （ 1）较高的性价比 目前国内市场上，有些单片机的芯片价格只有几十元人民币，再加上很少的外围器件，就可以构成一台多功能的控制机构。 （ 2）集成度好，体积小，可靠性好 单片机把各种功能不见集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线大大的提高了单片机的可靠性及其抗干扰能力。 （ 3）控制功能强 单片机指令系统、硬件资源丰富，能充分满足工业控制的各种要求。 （ 4）低电压，低功耗。 （ 5）开发周期短，易于产品化 可根据需要构成各种规模的应用系统。 51 单片机引脚图和引脚功能 (1)51 单片机引脚图 图 21 51 单片机引脚 （ 2） 51 单片机引脚功能 40 个引脚按引脚功能大致可分为 4 个种类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。 ⒈ 电源 : ⑴ VCC 芯片电源，接 +5V； ⑵ VSS 接地端； 注：用万用表测试单片机引脚电流一般为 0v或者 5v，这是标准的 TTL 电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于 0v5v 之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在 0v或者5v 的。 ⒉ 时钟 :XTAL XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 ⒊ 控制线 :控制线共有 4 根， ⑴ ALE/PROG:地址锁存允许 /片内 EPROM 编程脉冲 ① ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 ② PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。 ⑵ PSEN:外 ROM 读选通信号。 ⑶ RST/VPD:复位 /备用电源。 ① RST（ Reset）功能：复位信号输入端。 ② VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。 ⑷ EA/Vpp:内外 ROM 选择 /片内 EPROM 编程电源。 ① EA 功能：内外 ROM 选择端。 ② Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 Vpp。 ⒋ I/O 线 80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 个引脚。 P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 总体设计框图 系统组成：直流电机 PWM 调速方案如图 22 所示： 方案说明：直流电机 PWM 调速系统以 AT89C2051 单片机为控制核心，由命令输入模块、 LCD 显示模块及电机驱动模块组成。 采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送 PWM 波形， H 型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到 LCD显示模块去显示 图 22 系统框图 方案论证与比较 （ 1）显示电路选择与比较 方案 1：采用数码管显示电路，该硬件电路简单，编程也比较简单。 视角范围大，亮度高，显示是效果好，但是只能显示简单数字字母等有限的字符，不能满足本设计要求。 故，不采用数码管显示电路。 方案 2：采用 1602 液晶显示，硬件电路简单，编程容易。 可以显示字母和数字，以及简单的图像。 能满足本设计要求，显示清晰度可以通过调节偏压端电压来改变对比度，从而实现清晰度调整。 显示效果较好，还可以滚动显示等， 显示灵活。 综上所述，数码管显示电路不能满足本设计的要求； 1602 液晶显示可以显示数字、英文、汉字、图片等能满足本设计要求。 故，采用 1602 液晶显示电路作为本设计的显示电路模块。 （ 2）键盘电路选择与比较 方案 1：独立式键盘，独立式键盘硬件电路极为简单，程序也非常简单。 容易开发，开发周期短，使用方便简单。 方案 2：矩阵式键盘 ，矩阵式键盘硬件电路也比较简单，编程较为复杂。 不容易开发，在按键较多的时候，与独立式键盘相比较经济，占用 IO 端口较少，但编程较独立式键盘难的多，由于本设计要求的键盘按键数量较少，采用独立式键盘较方便，开发难度大大降低，开发周期缩短，也比较经济。 故在本设计中采用独立式键盘。 经上述比较后采用独立式键盘作为本设计的键盘电路模块。 （ 3）测速电路的选择与比较 一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性。 再就是二次仪表的要求 ,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。 本说明书中给出两种转速测量 方案，经过查找资料、构思和设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。 下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。 方案 1：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。 本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。 霍尔转速传感器的结构原理图如图 23 所示。 传感器的定子上有 2 个互相垂直的绕组 A 和 B。 在绕组的中心线上粘有霍尔片 HA 和 HB ,转 子为永久磁钢霍尔元件 HA 和 HB 的激励电机分别与绕组 A 和 B 相连它们的霍尔电极 串联后作为传感器的输出。 第三章直流电机单元电路设计与分析 图 23 霍尔转速传感器的结构原理图 霍尔转速传感器的结构原理图 缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 方案 2： 光电传感器 转子由一直流调速电机驱动 ,可实现大转速范围内的无级调速。 转速信号由光电传感器拾取 ,使用时应先在转子上做好光电标记 ,具体办法可以是 :将转子表面擦干净后用黑漆。