基于单片机和DAC0808的直流电机调速器设计方案.doc

基于单片机和DAC0808的直流电机调速器设计方案绪论在现代电子产品中，自动控制系统、电子仪器设备、家用电器、电子玩具等方面，直流电机都得到了广泛的应用。直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式环流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机。直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑，经济的调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。电子技术的高速发展，促使直流电机的调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，是直流电机的调速技术进入了一个新阶段。传统的晶闸触发器多数还是采用分立元件组成的，这使得控制回路的硬件设备极其复杂，安装调试困难，相对故障率较高。而采用单片机控制的调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。本设计使用价格低廉应用广泛的MCS51系列单片机AT89C51作为控制芯片，以PI（比例积分）调节控制算法为基础，完成对直流电机转速的调节，达到了较好的控制性能，而且成本低廉。现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）， 单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。本课程设计所使用的是AT89C51型号的单片机。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8为单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。本次课程设计用于直流电动机的控制，同时与DAC0808配合使用。长期以来，自动调速电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。第1章 课程设计的方案1.1 概述本次课程设计主要是综合运用所学知识，设计小型直流电机的调速器，并在实践中对自己所学的知识进行一次全面的检查，全面的了解各个电子器件的引脚、原理与作用，并锻炼自己的设计能力跟动手实践的能力。（1）根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件，并编写相应控制程序。（2）D/A转换采用DAC0808实现，与单片机的接口为P0口，采用运放电路输出电压模拟量对直流电动机调速。（3）直流电动机有6挡转速，分别由6个按键通过连接单片机的P1口控制，6个按键K1-K6，转速依次升高，K1按键转速最大，其中K6按键为直流电动机停转键。（4）直流电动机的转速由LED数码管显示。1.2 设计要求及技术指标1.2.1 设计要求1、分析设计要求，明确性能指标，确定设计方案；2、完成单片机最小系统电路设计；3、完成键盘电路、数码管显示、DAC0808电路、电机驱动电路的设计；4、编写系统工作流程图和相应程序，并加注释；1.2.2 技术参数1、电机参数：型号GW31ZY、额定电压DC12V、空载转速1400r/min、输出扭矩30Kg.cm、额定电流：1.7A、重量0.38Kg；2、精度误差小于2%。1.3 系统组成总体结构直流电机调速系统硬件以AT89C51单片机为控制核心，包括电源电路、键盘控制电路、单片机控制、数模转换、电机驱动电路、转速显示等部分。硬件电路设计系统框图如下图所示。89C51复位电路键盘电路显示驱动器时钟电路D/A转换执行机构图2.1 系统总体结构框图第2章 硬件设计2.1 单片机系统2.1.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器。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MCS-51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，它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。AT89C51功能性能:与MCS-51成品指令系统完全兼容；4KB可编程闪速存储器；寿命：1000次写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UART通道；片内震荡器和掉电模式。2.1.2 AT89C51各引脚功能AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP封装形式，引脚配置如图3.1所示。图3.1 AT89C51引脚图AT89C51芯片的各引脚功能为：P0口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是89C51不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是89C51带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。P0口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。P1口：这8个引脚和P0口的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。P2口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像P0口那样传送存储器的读/写数据。P3口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表3.1所示：表3.1 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0RXT（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2(外部中断0输入）P3.3(外部中断1输入)P3.4T0（定时器/计数器0的外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1的外部输入）P3.6（片外数据存储器写允许）P3.7（片外数据存储器读允许）Vcc为+5V电源线，Vss接地。ALE：地址锁存允许线，配合P0口的第二功能使用，在访问外部存储器时，89C51的CPU在P0.0-P0.7引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，89C51自动在ALE线上输出频率为1/6震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。:片外存储器访问选择线，可以控制89C51使用片内ROM或使用片外ROM,若=1，则允许使用片内ROM, 若=0，则只使用片外ROM。：片外ROM的选通线，在访问片外ROM时，89C51自动在线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。RST：复位线，可以使89C51处于复位(即初始化)工作状态。通常89C51复位有自动上电复位和人工按键复位两种。XTAL1和XTAL2：片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接89C51片内OSC(震荡器)的定时反馈回路。2.2 复位电路和时钟电路2.2.1 复位电路设计单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，本系统采用的是51系列单片机常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。图3.2 复位电路2.2.2 时钟电路设计单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路只需要一个晶振和2个电容即可。设计电路如下图。图3.3 时钟电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了30pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。2.3 按键电路及LED数码管显示2.3.1 按键电路的设计在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统输入一些命令或数据，因此应系统中应设有键盘，这些键包括数字键、功能键和组合控制键等。这些按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。此系统共有6个按键K1-K6控制直流电动机转速，各转速按键控制转动速度依次降低，K6为直流电动机转动停止按键。电动机转速通过LED数码管显示。按键电路如图3.4所示。图3.4 按键电路2.3.2 LED数码管显示设计LED数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字形的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个比划，公共电机，数码管实际上是由七个发光二极管组成8字形构成的，加上小数点就是8个，这些字段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发光，以显示出数。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源正极的称为共阴数码管。数码管控制器可以单独控制，也可以多台联机控制，数码管安排编排方式任意，适合各种复杂工程需求。此设计中LED数码管接P1口，显示电路如下图3.5所示：图3.5 LED数码管显示电路2.4 DAC0808及直流电机的控制2.4.1 DAC0808简介DAC0808的管脚图及各引脚功能：图3.6 DAC0808引脚图DAC0808是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个D/A芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0808结构： A1A8：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。2.4.2 直流电机的控制微型直流电机可以根据负载大小，自动降速，来达到极大的启动扭矩，这一点交流电机就比较困难，另外直流电机比较容易吸收负载大小的突变，电机转速可以自动适应负载大小。选择D/A转换器时，主要是考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换器的技术指标要求，在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。DAC0808是与微处理器完全兼容的、具有8位分辨率的D/A转换集成芯片，具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。6个按键K1-K6控制直流电动机转速，各转速按键控制转动速度依次降低，K6为直流电动机转动停止按键。电动机转速由LED显示器显示。图3.7 直流电机控制电路图第3章 软件设计3.1 主程序流程图系统开始运行，先进行系统初始化，然后单片机判断按键是否按下。如果按下，执行D/A转换，然后再驱动电机转动，并显示档位值，如果没有，直接结束程序。主程序的流程图如图4.1所示： 图4.1 主程序流程图3.2 系统程序ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INSERORG 0030HMAIN: SETB EX0 SETB IT0 SETB EA MOV P0,0 MOV P1,#0FFHHERE: SJMP HEREORG 0200HINSER: JNB P1.0,L0 JNB P1.1,L1 JNB P1.2,L2 JNB P1.3,L3 JNB P1.4,L4 JNB P1.5,L5JNB P1.6,L6 JNB P1.7,L7L0: MOV A,#00H MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIL1: MOV A,#1EH MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIL2: MOV A,#3CH MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIL3: MOV A,#5AH MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIL4: MOV A,#78H MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIL5: MOV A,#96H MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIL6: MOV A,#0B0H MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIL7: MOV A,#0F0H MOV P0,A MOV P1,#0FFH RETIORG 0000HAJMP STARTORG 0003HAJMP PITOORG 0030HSTART: CLRP1.7CLR P1.3CLR P1.5SETB P1.6MOV R4,#00HMOV SP,#60HMOV PSW,#00HMOV R0,#20HMOV R7,#60HML:MOV R0, #00HINC R0DJNZ R7,MLCLR IT0MAIN:LCALL GET_TEMPERSS:LCALL GET_TEMPERLCALL DISPLAYLCALL BIJIAOLCALL XIAOYULCALL JIXIANJNB DEYUCLR P1.3SETB P1.6CLR DEYULCALL GET_TEMPERLCALL DISPLAYAJMP TT2LCALL DISPLAYMUN: PUSHPSWMOV R0,#7AHMOV A,R0SWAP ADEC R0ADD A,R0MOV R1,AANL A,#0F0HSWAP AMOV B,#10MUL ABMOV R2,AMOV A,R1ANL A,#0FHADD A,R2MOV 38H,AMOV R0,#78HMOV 39H,R0POP PSWRETBIJIAO:MOV A,29HMOV 40H,AMOV A,38HCLR CCJNE A,40H,L1MOV A,39HCJNE A,30H,L1SETB DEYUSJMP L2L1:JC L2SETB DAYUSJMP L2L2: RET END第4章 课程设计总结用DAC0808设计直流电动机调速器基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次用Keil和Proteus实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus和Keil软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。本系统采用电压表测量电动机的转速，用单片机对直流电机的转速进行控制，用DAC0808芯片实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计