基于mcs_51直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　單片機(jī)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</p><p><b>　　基于MCS 51</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： ------</p><p>　　學(xué) 院：

2、 </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　2012年 6月</b></p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)</p>

3、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 引言……………………………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 直流電動(dòng)機(jī)的背景………………………………………………………… 2</p><p>　　

4、1.2 課題設(shè)計(jì)的目的……………………………………………………………… 2</p><p>　　1.3 課題設(shè)計(jì)的意義……………………………………………………………… 2</p><p>　　2 直流電動(dòng)機(jī)原理概述………………………………………………………… 1</p><p>　　2.1 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理………………………………………………………… 2&

5、lt;/p><p>　　2.2 PWM基本原理……………………………………………………………… 2</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ………………………………………………………………… 1</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)部分分析……………………………………………………………… 2</p><p>　　3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)……

6、……………………………………………… 2</p><p>　　3.3 應(yīng)用軟件的編制與調(diào)試…………………………………………………… 4 </p><p>　　3.4 元件清單…………………………………………………………………… 2</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………… 4</p><

7、;p>　　4.1 總體程序流程圖……………………………………………………………… 2</p><p>　　4.2 源程序代碼…………………………………………………………………… 2</p><p>　　5 仿真和調(diào)試……………………………………………………………………… 7</p><p>　　5.1 仿真過(guò)程………………………………………………………

8、…………… 7</p><p>　　5.2 仿真結(jié)果…………………………………………………………………… 7 </p><p>　　6 課程設(shè)計(jì)體會(huì)…………………………………………………………………… 9</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………10</p><p>　　致謝………………………

9、…………………………………………………………10</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　1.1 直流電動(dòng)機(jī)的背景</p><p>　　隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、性能、自動(dòng)化程度、功能以及功耗、價(jià)格問(wèn)題已經(jīng)是選擇家用電器的主要因素。永磁無(wú)刷直流電機(jī)既具有交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又

10、具備直流伺服電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無(wú)機(jī)械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。MOTOROLA 第二代電機(jī)控制專用芯片的出現(xiàn)，給永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。這些芯片控制功能強(qiáng)，保護(hù)功能完善，工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于工作環(huán)境惡劣，對(duì)控制器體積，價(jià)格性能比要求較高的場(chǎng)合。</p><p>　　1.2 課題設(shè)計(jì)的目的</p><p

11、>　　作為理工科的學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)和手動(dòng)實(shí)踐中提高自己的專業(yè)技能知識(shí)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)使我進(jìn)一步熟悉了單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和步驟；通過(guò)利用AT89C51單片機(jī)，理解單片機(jī)在自動(dòng)化裝置中得作用以及掌握單片機(jī)的編程調(diào)試方法；通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)際應(yīng)用輸入控制及顯示系統(tǒng)，掌握Protuse和Keil 的仿真軟件使用?，F(xiàn)在的學(xué)習(xí)是為以后的發(fā)展而做鋪墊，通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高自己的動(dòng)手能力</p>

12、<p>　　1.3 課題設(shè)計(jì)的意義</p><p>　　加深理解直流電動(dòng)機(jī)在單片機(jī)上的運(yùn)用，增進(jìn)對(duì)電路仿真的興趣。</p><p><b>　　直流電動(dòng)機(jī)原理概述</b></p><p>　　2.1 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理</p><p>　　直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過(guò)轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生洛倫茲力，當(dāng)

13、轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)</p><p>　　2.2 PWM基本原理</p><p>　　PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)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，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制

14、、壓力控制等。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)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為,設(shè)占空比為=/，則電機(jī)的平

15、均速度為:</p><p>　　=* （公式 1-2）</p><p>　　式中， —— 電機(jī)的平均速度;</p><p>　?。姍C(jī)全通電時(shí)的速度(最大);</p><p><b>　　=/－－占空比。</b></p><p>　　由公式1-2可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比時(shí)=/，

16、就可以得到不同的電機(jī)平均速度 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比=/并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系[3]。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過(guò)P3.0與P3.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

17、控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速、急停。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖1所示</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)硬件框圖</b></p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)部分分析</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPE

18、ROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍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100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(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。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT

19、89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。如圖2</p><p>　　圖2 AT89C51引腳圖</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器即是將模擬信號(hào)(電壓或是電流的形式)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這種數(shù)字信號(hào)可讓儀表,計(jì)算機(jī)外設(shè)接口或是微處理機(jī)來(lái)加以操作或勝作使用。A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口具有硬、軟件相依性。

20、一般來(lái)說(shuō)，A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口主要考慮的是數(shù)字量輸出線的連接、ADC啟動(dòng)方式、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)處理方法以及時(shí)鐘連接等。</p><p>　　3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) </p><p>　　由于單片機(jī)P3口輸出的電壓最高才有5V，難以直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。所以我們需要使用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4.5～7V電壓

21、。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2.5～46V。輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。同時(shí)需要加四個(gè)二極管在電機(jī)的兩端，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)的

22、時(shí)候產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流燒壞電機(jī)[8-9]。具體驅(qū)動(dòng)電路如下圖</p><p><b>　　圖3 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p><b>　　圖4 晶振電路</b></p><p><b>　　圖5復(fù)位電路</b></p><p>　　RV1采集到的電壓信息通過(guò)ADC0808轉(zhuǎn)

23、換為8位數(shù)字信號(hào)，輸入到單片機(jī)AT89C51.PWM信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，輸出到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變RV1可以改變PWM信號(hào)的占空比。從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)整體硬件電路圖如圖6示</p><p>　　圖6 系統(tǒng)整體硬件電路圖</p><p>　　3.3 應(yīng)用軟件的編制與調(diào)試</p><p>　　使用Keil 軟件工具時(shí)，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程和其它軟

24、件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的流程極其相似。</p><p>　　(1) 創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，從器件庫(kù)中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置。</p><p>　　(2) 用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言創(chuàng)建源程序。</p><p>　　(3) 用項(xiàng)目管理器生成應(yīng)用。</p><p>　　(4) 修改源程序中的錯(cuò)誤。</p><p>　　(5) 測(cè)試，連接應(yīng)用。&l

25、t;/p><p><b>　　3.4 元件清單</b></p><p><b>　　2N2222A</b></p><p><b>　　ADC0808</b></p><p><b>　　CAP</b></p><p><b&g

26、t;　　CAP-ELEC</b></p><p><b>　　MOTOR</b></p><p><b>　　OP07</b></p><p><b>　　POT-HG</b></p><p><b>　　RES</b></p>

27、<p><b>　　AT89C51</b></p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　用電位器調(diào)節(jié)AT89C51的PWM占空比，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作為延時(shí)常數(shù)，當(dāng)電位器阻值發(fā)生變化。ADC0808輸出的值也會(huì)變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的PWM占空比，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p&

28、gt;　　4.1 總體程序流程圖</p><p>　　圖7 總體程序流程圖</p><p>　　4.2 源程序代碼</p><p>　　ADC EQU 35H</p><p>　　CLOCK BIT P2.4 ；定義ADC0808時(shí)鐘位</p><p>　　ST BIT P2.5<

29、;/p><p>　　EOC BIT P2.6</p><p>　　OE BIT P2.7</p><p>　　PWM BIT P3.7</p><p><b>　　ORG 00H</b></p><p>　　SJMP START</p><p><b&

30、gt;　　ORG 0BH</b></p><p>　　LJMP INT_T0</p><p>　　START: MOV TMOD,#02H</p><p>　　MOV TH0,#20</p><p>　　MOV TL0,#00H</p><p>　　MOV IE,#82H</p><p&

31、gt;<b>　　SETB TR0</b></p><p>　　WAIT: CLR ST</p><p><b>　　SETB ST</b></p><p>　　CLR ST ；起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　JNB EOC,$ ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束</p

32、><p><b>　　SETB OE</b></p><p>　　MOV ADC,P1 ；讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果</p><p><b>　　CLR OE </b></p><p>　　SETB PWM ；PWM輸出</p><p><b>

33、　　MOV A,ADC</b></p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　CLR PWM</b></p><p>　　MOV A,#255</p><p>　　SUBB A,ADC</p><p>　　LCALL DELAY</p><

34、p><b>　　SJMP WAIT</b></p><p>　　INT_T0: CPL CLOCK ；提供ADC0808時(shí)鐘信號(hào)</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　DELAY: MOV R6,#1</p><p>　　D1: D

35、JNZ R6,D1</p><p>　　DJNZ ACC,D1</p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　END</b></p><p><b>　　5 調(diào)試和仿真</b></p><p><b>　　5.1

36、仿真過(guò)程</b></p><p>　　(1)打開(kāi)Keil vision3，新建Keil項(xiàng)目。選擇AT89C51單片機(jī)作為CPU，新建匯編源文件，編寫程序，并將其導(dǎo)入到“Source Group 1”中，在“Options For Target”對(duì)話窗口中，選擇“output”選項(xiàng)卡中得“Create HEX File”選項(xiàng)和“Debug”選項(xiàng)卡中得“Use：Proteus VSM Simulator

37、”選項(xiàng)。編譯匯編源程序，改正程序中得錯(cuò)誤。</p><p>　?。?）在Proteus ISIS中，選中AT89C51并單擊鼠標(biāo)左鍵，打開(kāi)“Edit Component”對(duì)話窗口，設(shè)置單片機(jī)晶振頻率為12MHz。在此窗口中得“Program File”欄中，選擇先前用Keil生成的 .HEX 文件。在Proteus ISIS的菜單欄中選擇“File”——“Save Design”選項(xiàng)，保存設(shè)計(jì)。在Proteus

38、ISIS的菜單欄中，打開(kāi)“Debug”下拉菜單，在菜單中選中“Use Remote Debug Monitor”選項(xiàng)，以支持與Keil的聯(lián)合調(diào)試。</p><p>　?。?）在Keil的菜單欄中選擇“Debug”-“Start/Stop Debug Session”選項(xiàng)，進(jìn)入程序調(diào)試環(huán)境。按“F5”鍵，順序運(yùn)行程序。調(diào)出“Proteus ISIS”界面，調(diào)解電位器，觀察直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。</p>

39、<p><b>　　5.2 仿真結(jié)果</b></p><p>　　在Protuse sp3 下進(jìn)行仿真，在Protuse環(huán)境下輸入源程序，把源程序代碼生成目標(biāo)代碼后，將其加載到電路里，設(shè)置單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz，電路即可開(kāi)始工作。通過(guò)改變RV1的阻值，可以看到ADC0808的輸出端相應(yīng)位輸出高低不同的電平。單片機(jī)接收到此數(shù)據(jù)后，控制輸出端P3.7 輸出PWM信號(hào)。RV1的改

40、變可以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，PWM輸出波形如圖8</p><p><b>　　a高占空比</b></p><p><b>　　b低占空比</b></p><p>　　圖8 PWM輸出波形</p><p><b>　　6 課程設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>

41、;　　經(jīng)過(guò)兩星期的努力，終于完成了課程設(shè)計(jì)。在 Protuse和Keil c中仿真了出來(lái)，同時(shí)也做出了實(shí)物，基本上實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路控制。</p><p>　　本次單片機(jī)的課程設(shè)計(jì)用戶到了AT89C51數(shù)模轉(zhuǎn)換電路還有復(fù)位、晶振電路。如果說(shuō)在過(guò)去一學(xué)期里，我們的學(xué)習(xí)是一個(gè)知識(shí)的積累過(guò)程，那么現(xiàn)在的課程設(shè)計(jì)就是對(duì)過(guò)去所學(xué)的知識(shí)的綜合應(yīng)用，是對(duì)理論進(jìn)行深化和重新認(rèn)識(shí)的實(shí)踐活動(dòng)。首先，學(xué)習(xí)能力和解決問(wèn)題的信心都得

42、到了提高。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了很多困難，但是在查閱了很多有關(guān)書(shū)籍和向同學(xué)請(qǐng)教后終于解決了。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我不僅對(duì)理論有了更深一步的認(rèn)識(shí)，還培養(yǎng)了自學(xué)能力和解決問(wèn)題的能力，更重要的是，培養(yǎng)了克服困難的勇氣和信心。其次，我們的課程設(shè)計(jì)之所以能基本完成，要深深地感謝我們的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和幫助。。知識(shí)固然得到了鞏固和提高，但我相信在實(shí)踐中的切身體會(huì)將會(huì)使我在以后的工作和學(xué)習(xí)中終身受用。</p><p>&l

43、t;b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　李朝青 單片機(jī)原理及接口技術(shù)。北京航空航天大學(xué)出版社，2005年</p><p>　　李群芳 肖看 單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用。清華大學(xué)出版社，2005年</p><p>　　陳汝全 電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)。機(jī)械工業(yè)出版社，2004年</p><p>　　蔣輝平，基

44、于proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究，2009年</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在這里首先要感謝我的導(dǎo)師老師。老師平日里工作繁多，但在我做課程設(shè)計(jì)的時(shí)期，給予了我很大的關(guān)心。然后還要感謝老師為我們打下電氣專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次課程設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。 </p>