單片機課程設計-直流電機

1、<p><b>　　一、引言</b></p><p>　　直流電機調速逐步從模擬化向數字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調速技術進入到一個新的階段。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統的基礎。本設計是研究對直流電機調速的控制裝置，本課題主要是利用單

2、片機來構成控制系統。主要包括：單片機、霍爾元件速度采集電路、直流電機、DAC0832、鍵盤、顯示器等幾部分組成。首先對預定速度進行設置，并通過數碼管顯示出來。</p><p><b>　　二、設計原理</b></p><p>　　2.1 總體設計原理</p><p>　　系統的原理框圖如圖2.1所示，主要包括：單片機、霍爾元件速度采集電路、直流

3、電機、DAC0832、鍵盤、顯示器等幾部分組成。</p><p>　　圖2.1總體設計原理框圖</p><p>　　在電壓允許范圍內，直流電機的轉速隨著電壓的升高而加快，若加上的電壓為負電壓，則電機會反向旋轉。D/A轉換是把數字量轉換成模擬量的變換，實驗臺上D/A電路輸出的是模擬電壓信號。實驗室中的實驗儀的D/A變換器可輸出-8V~+8V的電壓，將電壓經驅動后加在直流電機上，使其運轉。通過

4、單片機輸出數據到D/A變換電路，控制電壓的高低和正負，觀察電機的旋轉情況。</p><p>　　2.2 D/A轉換電路</p><p>　　圖2.2 D/A轉換電路</p><p>　　DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉換芯片，集成電路內有兩級輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸

5、入、同步轉換等)。D/A轉換結果采用電流形式輸出，若需要相應的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現。運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內固有電阻，也可外接。實驗儀上提供了D/A轉換電路如圖2.2所示。我們可以通過軟件編程控制D/A轉換芯片DAC0832，輸出相應電流值，經過采樣電路取出模擬量電壓值，用電壓表測量電壓輸出端子，讀出電壓值。</p><p>　　2.3 電動機調速原理</p&g

6、t;<p>　　由直流電機的速度公式n=(Ua-IaRa)/CeΦ,其中n是電機轉速，Ua是電樞電壓，Ia是電樞電流，Ra是電樞回路總電阻，Ce是電極常數，Φ是電機的勵磁磁通。對于極對數是p，匝數是n，電樞支路數為a的電機來說Ca是常數。由于Ra為電樞回路電阻故其值很小，通過調節(jié)電阻改變轉速的效果不明顯。如果通過調節(jié)磁通量，對于它勵電機其有外接的電源電壓決定。故一般通過改變電樞電壓來達到調節(jié)轉速的目的。直流電機原理圖如下：

7、</p><p>　　圖2.3直流電機原理圖</p><p>　　2.4 霍爾轉速傳感器的工作原理</p><p>　　霍爾元件測速原理圖如下所示：</p><p>　　圖2.4 霍爾元件測速原理圖</p><p>　　霍爾轉速傳感器的主要工作原理是霍爾效應，也就是當轉動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時會引起電勢的變化

8、，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉速值?；魻栟D速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈，而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的?；魻柶骷怯邪雽w材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁場B，在沿l方向的兩個端面加以外電場，則有一定的電流經過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：</p><p><b>　　fl＝

9、qVB</b></p><p>　　式中：fl――洛侖磁力，q――載流子電荷，V――載流子運動速度，B――磁感應強度。</p><p>　　這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側面分別產生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側面間的電位差UH稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋?lt;/p><p>　　UH=RH×I×

10、;B/d(mV)</p><p>　　式中：RH ---霍爾常數，d---元件厚度，B---磁感應強度，I---控制電流</p><p>　　設KH= RH/d ，則UH=KH×I×B (mV)KH為霍爾器件的靈敏系數(mV/mA/T),它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度B反向時，霍爾電動勢也反向?；魻栟D速傳感器

11、就是通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應元件時，產生霍爾電勢?；魻栟D速傳感器的霍爾元件在產生霍爾電勢后，會將其轉換為交變電信號，最后傳感器的內置電路會將信號調整和放大，輸出矩形脈沖信號,其頻率和轉速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉速。</p><p>　　2.5 LED6位數字顯示器及4×6鍵盤</p><p>　　本實驗中LED顯示電路和鍵盤電路集成在一個集

12、成電路中。LED顯示和鍵盤的等效電路如圖2.5。顯示控制的位碼由74HC374輸出，經MC1413反向驅動后，做LED的位選通信號。位選通信號也可作為鍵盤列掃描碼，鍵盤掃描的行數據從74HC245讀回，74HC374輸出的列掃描碼經74HC245讀入后，用來判斷是否有鍵被按下，以及按下的是什么鍵。如果沒有鍵按下，由于上拉電阻的作用，經74HC245讀回的值為高電平，如果有鍵按下，74HC374輸出的低電平經過按鍵被接到74HC245的端

13、口上，這樣從74HC245讀回的數據就會有低位，根據74HC374輸出的列信號和74HC245讀回的行信號，就可以判斷哪個鍵被按下。LED顯示的段碼由另一個74HC374輸出。實驗時，將KEY/LED_CS接到片選端CS0上，則位碼輸出的地址就為08002H，段碼輸出的地址就是08004H，鍵盤行碼讀回的地址為08001H。</p><p><b>　　三、設計說明</b></p>

14、;<p>　　3.1 時鐘、復位電路的選擇</p><p>　　（1）此系統采用內部時鐘方式，其原理圖如圖4所示。MCS-51單片機允許的晶振可在1.2~24MHz之間選擇，此系統選12MHz。則一個機器周期為1μs 。C3、C4大小為30pF。</p><p>　　圖3.1 內部方式時鐘電路</p><p>　　（2）此系統復位電路采用上電按鈕復位電

15、路，如圖5所示。復位端高電平有效。C的典型值為10μF。當按下開關一定時間，電容相當于短路，電容開始充電，RST為高電平，單片機復位，當電容兩端電壓等于5V時，RST呈現低電平，復位完成。</p><p>　　圖3.2上電與按鈕復位電路</p><p><b>　　3.2 鍵盤說明</b></p><p>　　鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，

16、它是最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤可輸入數據和命令，實現簡單的人機對話。此處用的鍵盤是矩陣式鍵盤，對鍵的識別用掃描方法完成：首先判斷鍵盤中有無鍵按下，將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測列線的狀態(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4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 然后，判斷閉合鍵所在的位置 在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行

17、線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，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。 </p><p><b>　　3.3 LED顯示</b></p><p>　　由課題的要求，要求用霍爾軟件采集到直流電動機的轉速后，向單片機輸出相應的脈沖，計算出電動機轉速并顯示在LED

18、顯示器上。在單片機應用系統中，顯示器是最常用的輸出設備。在此選用兩個共陰極數碼管顯示脈沖數，采用動態(tài)掃描顯示，即用掃描的方法一位一位輪流點亮顯示器的各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次，利用人眼的視覺暫留效應可以看到整個動態(tài)顯示，只要速度夠快，字符不會閃爍。 </p><p><b>　　四、程序結構流程圖</b></p><p>　　圖4.1直流電機

19、控制流程圖</p><p>　　圖4.2鍵盤掃描控制流程圖</p><p>　　圖4.3 LED顯示流程圖</p><p><b>　　五、設計總程序</b></p><p>　　IN equ 08001h ; 鍵盤讀入口</p><p>　　OUTBIT eq

20、u 08002h ; 位控制口</p><p>　　OUTSEG equ 08004h ; 段控制口</p><p>　　cs0832 equ 9000h</p><p>　　ledbuf equ 70h ; 顯示緩沖區(qū)</p><p><b>

21、　　org 0000h</b></p><p>　　ljmp start</p><p>　　delay1: mov r7,#255 ; 延時子程序1</p><p>　　deloop1:mov r6,#255</p><p><b>　　nop</b></p>&l

22、t;p><b>　　djnz r6,$</b></p><p>　　djnz r7,deloop1</p><p><b>　　ret</b></p><p>　　delay2: mov r7,#12 ; 延時子程序2</p><p>　　deloop2:mov

23、r6,#249</p><p><b>　　djnz r6,$</b></p><p>　　djnz r7,deloop2</p><p><b>　　ret</b></p><p>　　LEDtable: ; 八段管顯示碼</p><

24、;p>　　db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h</p><p>　　db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71h</p><p>　　DACtable:db 00h,80h,80h,80h,80h,00h</p><p>　　db 60h,80h,80h,80h,8

25、0h,60h</p><p>　　db 0c0h,80h,80h,80h,80h,0c0h</p><p>　　db 0ffh,80h,80h,80h,80h,0ffh</p><p>　　keyloop:acall key</p><p>　　cjne a,#0fh,keyloop0</p><p>　　acall

26、delay2</p><p><b>　　ljmp key</b></p><p>　　keyloop0:acall delay2 ;鍵盤去抖動</p><p><b>　　acall key</b></p><p>　　cjne a,#0fh,keyb</p&

27、gt;<p>　　ljmp keyloop</p><p>　　keyb:mov r1,#0dfh</p><p>　　mov r5,#00h</p><p>　　L0:mov dptr,#OUTBIT ;位控，選中鍵盤第一列</p><p><b>　　mov a,r1</b>

28、</p><p>　　movx @dptr,a</p><p>　　mov dptr,#IN</p><p>　　movx a,@dptr</p><p>　　jb Acc.3,L1 ;檢查是否有鍵位被按下</p><p><b>　　mov a,#0</b&g

29、t;</p><p><b>　　jmp keyc</b></p><p>　　L1:jb Acc.2,L2</p><p><b>　　mov a,#6</b></p><p><b>　　jmp keyc</b></p><p>　　L2:jb Ac

30、c.1,L3</p><p><b>　　mov a,#12</b></p><p><b>　　jmp keyc</b></p><p>　　L3:jb Acc.0,next</p><p><b>　　mov a,#18</b></p><p>&l

31、t;b>　　jmp keyc</b></p><p>　　key:mov dptr,#OUTBIT ;位控清零，鍵盤讀入到a的低四位</p><p>　　mov a,#00h</p><p>　　movx @dptr,a</p><p>　　mov dptr,#IN</p><

32、p>　　movx a,@dptr</p><p>　　anl a,#0fh</p><p><b>　　ret</b></p><p>　　keyc:mov dptr,#DACtable</p><p>　　movc a,@a+dptr</p><p>　　mov dptr,#cs0832&

33、lt;/p><p>　　movx @dptr,a</p><p>　　call delay2</p><p><b>　　ret</b></p><p>　　next:mov dptr,#cs0832</p><p>　　mov a,#80h</p><p>　　movx @d

34、ptr,a</p><p>　　call delay2</p><p><b>　　ret</b></p><p>　　xianshi:mov TH1,#00h ;定時器清零</p><p>　　mov TL1,#00h</p><p><b&g

35、t;　　setb TR1</b></p><p>　　call delay1 </p><p><b>　　mov a,TL1</b></p><p>　　mov b,#0ah ;將轉速十位、個位分別放入寄存器a、b</p><p><b>　　div ab</b&

36、gt;</p><p><b>　　acall led</b></p><p>　　mov r0,#LEDBUF</p><p><b>　　mov @r0,a</b></p><p><b>　　mov a,b</b></p><p><b>

37、;　　acall led</b></p><p><b>　　inc r0</b></p><p>　　mov @r0,a </p><p><b>　　LED1:</b></p><p>　　mov r0, #LEDBUF </p><p>　

38、　mov r2, #00000010b ;選中6位顯示管的低2位管顯示轉速</p><p>　　Loop2: mov dptr, #OUTBIT</p><p>　　mov a, r2</p><p>　　movx @dptr, a </p><p>　　mov a, @r0</p><p

39、>　　mov dptr, #OUTSEG ；段控，顯示對應的數字</p><p>　　movx @dptr, a</p><p>　　call delay2 </p><p>　　mov a, r2</p><p><b>　　rr a</b></p><p>　　

40、mov r2, a</p><p>　　inc r0 </p><p>　　mov dptr, #OUTBIT</p><p><b>　　mov a, r2</b></p><p>　　movx @dptr, a</p><p>　　mov a, @r0</p>&l

41、t;p>　　mov dptr, #OUTSEG</p><p>　　movx @dptr, a </p><p>　　call delay2</p><p><b>　　ret </b></p><p>　　Led:mov dptr,#LEDtable</p><p>　　movc a

42、,@a+dptr</p><p><b>　　ret</b></p><p>　　start:mov sp,#70h</p><p>　　mov TMOD,#50h</p><p>　　mov IE,#8ch </p><p>　　loop:acall keyloop</p>

43、<p>　　loop1:acall xianshi </p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　六、總結</b></p><p>　　本設計以MCS-51單片機為控制核心，設計了直流電機調速控制系統。用8255A芯片進行I/O口擴展，用DAC0832芯片進行D/A轉換和I/V轉換

44、輸出電壓從而對直流電機進行轉速控制，利用霍爾元件對直流電機的轉速進行采集，并送到單片機。用鍵盤對電機狀態(tài)進行控制，并用八段數碼管顯示。</p><p>　　通過一周的課程設計，是我對單片機的工作和原理有了根深刻的認識，深入進行系統的編程使我對匯編語言的邏輯性有一定了解，學會了偉福軟件的軟硬件的調試方法，并加深了的對課本知識的理解。</p><p><b>　　七、參考文獻<

45、/b></p><p>　　[1] 張淑清 單片微型計算機接口技術及其應用 國防工業(yè)出版社 2001.5</p><p>　　[2] 張淑清 單片機原理及應用技術 國防工業(yè)出版社 2010.8 </p><p>　　[3] 王秋爽 曾昭龍 單片機開發(fā)基礎與經典設計實例 機械工業(yè)出版社 2008.3<