直流电机控制原理及C程序

项目8键盘控制马达方向和速度培训目标终极目标您可以使用AT89S52单片机和独立键盘通过c语言程序控制步进电动机和直流电动机的速度和方向，并完成单片机输入和输出控制系统的设计、运行和调试。为目标做出贡献1.了解SCM产品开发流程了解步进电机和直流电机结构及工作原理。掌握步进电机和直流电机速度、方向控制的关键技术。掌握如何创建标题文档。5.如何掌握电机速度、方向控制的电路设计和编程；马达速度、方向控制使用单芯片I/O端口实现。8.1单片机产品开发单片机产品开发是为完成特定任务而开发的单片机应用系统，它提供了使用周边电路和软件确定任务、功能的实际应用系统。单片机产品的系统配置和软件因用途和要求而异，但开发过程和方法基本相同。8.1.1单片机产品结构Scm产品由硬件和软件组成。硬件由单片机、扩展内存、输入和输出设备等硬件组件组成，软件是各种操作程序的总称。典型的单片机产品结构如图8-1所示。图8-1典型的单片机产品结构在图8-1中，很容易确定单芯片微型计算机产品所需的一般配置。(1)微控制器。微控制器，如AT89C51、AT89C52、AT89S51和AT89S52。(2)人机交流设备。输入设备包括键盘和键，输出设备包括数字管、液晶屏模块和指示灯。(3)信号采集输入通道。出租车的距离测量装置、速度测量装置、温度控制系统的温度传感器、洗衣机的水位测量等装置。(4)向操作数发送各种控制信号的输出通道。控制空调启动压缩机开关电路、彩电的频道切换、颜色、音量等的接口电路。(5)为了与其他计算机系统或智能设备进行信息交换，还需要配置通信接口电路。RS-232、RS-485等。(6)有时需要扩展外部RAM和EEPROM以存储数据。存储彩色电视远程控制系统的系统数据的内存。8.1.2 SCM产品开发流程1.确定功能规格Scm产品开发过程从确定产品的功能和技术指标开始。首先要详细分析、研究实际问题，明确各项任务和要求，综合考虑系统的高级性质、可靠性、可服务性和成本、经济效益，制定合理可行的技术性能指标。单片机产品的总体设计在单片机产品的总体设计中，应根据单片机产品提供的各种技术性能指标，开发一系列提供最佳性价比的程序。首先要根据任务的复杂程度和技术指标要求选择机型。选择型号后，选择要用于产品的其他外围设备，如传感器、执行设备等。在整个场景设计过程中，软件和硬件的分工是首要任务。原则上，软件可以完成的工作尽可能使用软件完成，从而降低硬件成本并简化硬件结构。还应大致说明每个接口电路的地址、软件的结构和功能、上下通信协议、程序的驻留区域、作业缓冲区等。整个方案确定后，系统的大致大小和软件的基本框架就确定了。3.硬件设计硬件设计是指应用程序系统的电路设计，包括主机、控制电路、存储、I/O接口、A/D和D/A转换电路。在系统调试中修改硬件结构不容易，因此在硬件设计中要留出足够的馀地，考虑正确的电路设计。硬件电路设计应注意的几个问题：(1)程序内存可以选择较大容量的EPROM芯片，例如2728 (16kb)、27256(32 KB)或27512(64 KB)。最小容量的芯片组合，尽量避免扩展到大容量的内存，程序内存容量大，程序空间大，价格差异不会很大。(2)数据存储和I/O接口根据系统功能的要求，如果需要扩展外部RAM或I/O端口，则RAM芯片可以是6116(2 KB)、6264(8 KB)或62566 (32kb)，原则上应尽量减少芯片数量以简化解码电路。I/O接口芯片通常使用8155(具有256 KB静态RAM)或8255。这些芯片具有端口线，简单的硬件逻辑。如果端口线路要求低，只需要简单的输入或输出功能，则可以使用不可编程的TTL电路或CMOS电路。A/D和D/A电路芯片主要根据精度、速度和价格等进行选择，还应考虑与系统的连接是否方便。(3)地址解码电路一般来说，使用完全解码、部分解码或线路选择方法，应考虑充分利用存储空间和简化硬件逻辑的问题。MCS-51系统具有足够的存储空间(包括64 KB程序内存和64 KB数据存储)，因此在典型的控制应用程序系统中，主要考虑简化硬件逻辑非常重要。专用解码器74S138或74LS139可用于更多存储和I/O芯片的情况。(4)总线驱动器功能MCS-51系列单片机的外部扩展功能强大，但四个8位并行端口的负载能力有限。P0端口可以驱动8个TTL电路，而P1到P3端口只能驱动4个TTL电路。在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载容量的70%，以保持一定的剩馀量。满载时，系统的抗干扰性降低。当外部负载较大时，如果负载是MOS芯片，由于负载消耗电流较小，因此影响不大。如果要驱动更多的TTL电路，则需要使用总线驱动电路来提高端口驱动功能和系统的抗干扰能力。数据总线应使用双向8路3路缓冲区74LS245作为总线驱动器，地址和控制总线应使用单向8路3路缓冲区74LS244作为单向总线驱动器。(5)匹配系统速度MCS-51系列微控制器时钟频率可以从2 MHz到12 MHz之间选择。在不影响系统技术性能的情况下，时钟频率选择较低一点比较好，从而降低了对组件运行速度的系统要求，提高了系统的可靠性。4.抗干扰措施单片机产品的工作环境通常是有多种干扰原因的现场，抗干扰措施在单片机产品设计中尤为重要。根据引入干涉因素的方式，可以从以下两个方面考虑抗干扰措施：(1)电源系统为了克服电网和系统内部其他部件的干扰，可以采用绝缘变压器、交流电压调节器、线路过滤器、电压调节器电路级过滤器等抗干扰措施。(2)电路注意事项为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计中，必须采取一系列抗干扰措施：1)大型IC芯片电源侧VCC应添加高频滤波电容，并根据负载电流在各个级别为电源节点添加足够容量的解耦电容。2)交换机I/O通道与外部环境的隔离需要采用隔离措施，特别是与光电子耦合设备、继电器、晶闸管等相关联的通道。3)使用CMOS设备可以提高工作电压(15 V)，因此干扰阈值也相应增加。4)传感器后端级发射机采用可能的电流型传输方式，因为电流型比电压型抗干扰能力强。5)电路必须有合理的布线和接地方法。6)与环境干扰的隔离可以使用屏蔽措施。5.软件设计单片机产品的软件设计是产品开发过程中最繁重的工作，困难重重。对于某些复杂的应用程序，除了组件语言外，还必须使用高级语言。单片机产品的软件主要由两部分组成。用于管理单芯片微计算机操作的显示器和执行实际特定任务的功能程序。对于显示器，应尽可能利用开箱即用的显示器。最新的单片机开发系统具有相当强大的监控软件功能，以满足各种应用的需要，具有丰富的实用子程序，如键盘管理程序、显示程序等，可以直接调用。因此，在设计系统硬件逻辑和确定应用系统的工作方式时，必须充分考虑这一点。这大大减少了软件设计的工作量，提高了编程效率。对于功能程序，必须根据产品的功能要求对程序进行编程。例如，外部数据收集、控制算法实现、外围驱动程序、故障诊断和警报程序。Scm产品的软件设计差异很大，没有集成模型。尽可能使用模块化结构设置软计时。根据系统软件的总体设想，首先根据粗粒度的方法，将整个系统软件分为功能独立、大小适当的模块。必须明确规定每个模块的功能，使每个模块的功能尽可能单一，每个模块之间的接口信息简单、完整，接口关系单一，从而最小化模块之间的连接。这样就可以独立设计、准备和调试每个模块，并将每个程序模块连接到一个完整的程序中，进行完全调试。Scm产品调试Scm产品开发必须经过调试阶段，才能发现问题，更正错误，最终完成开发工作。事实上，对于更复杂的程序，资深的设计者也不能一次性成功调试。Scm产品调试包括硬件调试和软件调试。硬件调试的任务是解决系统的硬件电路故障，包括设计错误和流程错误。软件调试是使用开发工具进行的在线模拟调试，除了发现和解决程序错误外，还会发现硬件错误。程序调试通常按模块执行，子程序按子程序调试，最后一起调整。利用开发工具的单个阶段和断点工作机制检查应用程序系统的CPU现场、RAM和SFR内容、I/o端口的状态，以确定程序的运行结果和系统I/o设备的状态变化是否正常，从而确定程序的逻辑错误、传输地址错误和随机输入错误等。还可以发现硬件设计和过程错误和软件算法错误。调试过程中不断调整、修改，直到系统的硬件和软件正确。在线调试正常运行后，将软件固定在EPROM中，脱机运行，将实际工作投入生产现场，检查其可靠性和抗干扰能力，直到SCM产品完全满足后，开发才能成功。8.2工作模块21步进电机控制系统的设计与实现任务任务使用AT89S52微控制器和单个键盘控制步进电动机的速度和方向。独立键盘有反转、加速、减速和正键。步进电动机电气参数：工作电压4.5至6.5v，步进角度18。8.2.1步进电动机控制技术步进电机的结构和基本知识点已经在工作模块5中介绍，这里只介绍实现步进电动机速度和方向控制的关键技术。1.速度控制技术此工作模块使用的步进电动机的步进角度为18，步进电动机旋转角度与输入脉冲数成正比，因此输入20个脉冲信号后，步进电动机将旋转20个步进角度，精确旋转一圈(2018=360)。那么如何控制步进电动机的速度呢？下面我们来分析一下步进电动机转速为30转/分钟、转速为60转/分钟的方法。(1)转速30转/分钟旋转一次的时间为60s/30 rotation=2s，旋转一次步进角度的时间为2s/20=100ms(每圈20步进角度)。也就是说，通过给出脉冲信号，旋转一个步长角度，延迟100毫秒，给出脉冲信号，旋转一个步长角度，延迟100毫秒，可以获得30转/分钟。(2)转速60转/分钟旋转一次的时间为60s/60 rotation=1s，旋转一次步进角度的时间为1s/20=50ms(每个车轮20个步进角度)。和转速为30转/分钟比较的脉冲信号之间的延迟时间为50毫秒，延迟时间缩短，速度增加。根据上面的分析，我们可以通过改变脉冲信号之间的延迟时间，即改变每个步骤之间的延迟时间，来控制步进电动机的速度。延迟时间越短，速度越高；延迟时间越长，速度越慢。注意：步进电动机的负载扭矩与速度成反比，速度越快，负载扭矩越小，速度达到其极限时步进电动机不再旋转。所以每一步，都要推迟一段时间。2.方向控制技术此工作模块使用一相女子序列的4种女子状态为一个周期。只要改变励磁顺序，就可以改变步进电机的旋转方向。(1)正旋时的一相女子顺序为a b c d (2)反转时，单相女子顺序为：d c b a 8.2.2步进电机控制系统电路设计根据工作要求，步进电动机控制系统电路包括AT89S52单片机最小应用系统、步进电动机驱动电路、键盘电路等。1.键盘模块设计步进电机控制系统有四个功能，可以用四个键完成：反向、加速、减速和正向。由于按键较少，键盘模块设计为独立键盘。这四个键连接到P2端口上的p2 P2.0、P2.1、P2.2和P2.3针脚，并连接到反转、加速、减速和正键。如图8-2所示。图8-2键盘电路步进电动机驱动模块设计由于步进电动机的功率更大，因此有关步进电动机驱动电路设计高电压、大电流ULN2003A、ULN2003A的详细介绍，请参阅项目2技术扩展部分。P3端口上的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3的四个端号通过步进电动机驱动电路分别连接到步进电动机的a、b、c和d。如图8-3所示。图8-3步进电动机驱动电路通过前端键盘模块电路和步进电动机驱动模块电路设计运行Proteus软件，创建新的步进电动机控制系统设计文件。放置和编辑AT89S52、CRYSTAL、CAP-elec、RES、MOTOR-STEPPER、ULN2003A、74LS04和BUTTON等组件，如图8-2和图8-3所示步进电机控制系统电路设计完成后，进行电气规则测试，直到测试成功。如图8-4所示。8.2.3步进电机控制系统编程步进电动机控制系统程序由main.h头文件、头文件中包含和定义全局变量、步进电动机执行函数run()和主函数组成。1.创建main.h头文件为了便于程序的可读性和编程，在main.h头文件中明确定义使用的数据类型、P3的步进电动机、P3嘴中的键等。宏定义如下：#ifndef _MAIN_H_#define _MAIN_H_#define uint unsigned int#define uchar unsigned char# definedstep _ moto _ port P3#define FZ_KEY(！(P2_0)#defi