【《单片机控制的单相电动机控制系统的硬件和软件设计案例》3400字】

-PAGE128--PAGE127-单片机控制的单相电动机控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2412单片机控制的单相电动机控制系统的硬件和软件设计案例 199281系统硬件电路设计 1104241.1单片机最小系统设计 187781.2独立按键控制模块电路设计 3202551.3报警模块电路设计 3299391.4显示模块电路设计 4214191.5串口通信模块电路设计 418751.6数据采集模块电路设计 5316441.7模数转换模块电路设计 6135542系统软件设计 7149932.1系统主程序设计 7307822.2系统子程序设计 8269542.2.1按键程序设计 858542.2.2电压电流监测程序设计 9202692.2.3定时器0中断程序设计 10229252.2.4串口中断程序设计 111系统硬件电路设计1.1单片机最小系统设计STC89C51单片机是在大学期间最熟悉和最了解的开发板，也是作为大学期间学习C语言最基本的应用。在本次设计之前，曾用过51单片机控制过直流电机、流水灯和开发板上的一些功能，大部分的课程设计也是基于单片机制作而成的，除了开发板上硬件设施，还需要清楚了解有各个功能作用，这样的话就需要借助一些文件和资料参考学习。使用任何一个开发板，最基本的就是要知道每个引脚的功能作用，51单片机的引脚图如图4-1所示。图4-1芯片STC89C51引脚图本次设计中主要利用了P1口八个引脚来控制电机的运转还有波形的输出和报警系统的灯显；P0口用于液晶的显示；用了P3.0和P3.1口与上位机进行通信；用了P2口的三个引脚应用于继电器控制和模数转化的通信；其他的引脚各有其固定的作用，用于驱动和构建单片机运算和工作的基础，例如有实现复位电路的复位引脚，实现晶振电路的两个相关引脚，还包括中断控制引脚、信号引脚和电源引脚等。复位电路：通过按键使复位引脚电平为高电平，这样就会拉高引脚的电平，实现单片机复位功能，使单片机工作状态回到开机时的初始状态。电路如图4-2所示为复位电路的设计。图4-2复位电路设计时钟电路：是电路的内部振荡器，用于给单片机提供工作需要的控制信号，起振电路是由一个11.0598MHz晶振和两个电容组成，在此设计中，采用33pf的电容作为起振，构成了单片机的时钟电路，这是整个单片机通信和运行的时间和频率的基础电路，此单片机一切的时间和频率计算都需要以此为基础。系统时钟电路如图4-3所示。图4-3系统时钟电路设计1.2独立按键控制模块电路设计本设计主要采用单片机上独立按键模块，通过P1.1/P1.2口来控制占空比的，P1.1口是加速控制，P1.2是减速控制，通过调节PWM从而调节运转电压电流的大小；P1.6口控制电机的停止，此时PWM全为低电平；P1.7口控制电机的启动，此时电机启动是按照占空比为1/2启动，是与开机状态一样的转速。如图4-4所示。图4-4独立按键模块电路设计1.3报警模块电路设计本设计的报警模块主要是利用单片机上的三个LED来显示何种故障的发生，由P1.3/P1.4/P1.5控制。P1.3控制的过电压故障报警，当电压超过最大限值220V，即可报警；P1.4控制的低电压故障报警，当电压低于最小限值180V，即可报警；P1.5控制的过电流故障报警，当电流超过最大限值，即可报警；可及时通知外部工作人员。如图4-5所示。图4-5报警模块电路设计1.4显示模块电路设计本设计的显示模块选用的是LCD1602，用于显示电压电流安全范围和实时测得的电压电流数据，用于观察和判断是否安全。在液晶屏幕上，所显示的内容以下，第一行是电压电流的限制，可以显示电压最大限值和最小限值，电流最大限值；第二行可以看到实时检测刷新的电压值和电流值的大小。把单片机上的P0口与液晶上的DB口对应连接，由P0口控制显示在液晶上的内容，液晶上的读引脚RS与单片机上的P2.6引脚相连接，液晶上的写引脚WR与单片机上的P2.5引脚相连接，液晶上的使能引脚EE与单片机上的P2.7引脚相连接，这样就可是控制液晶屏幕的显示工作。如图4-6所示。图4-6显示模块电路1.5串口通信模块电路设计串口通信模块采用的是UBS转RS-232模块，由上位机与单片机通信，从而达到控制电机的功能，实现的功能与按键控制模块一样。主要内容是，当上位机通过串口助手发送1时，电机停止运转，与P1.6口功能一样；当上位机通过串口助手发送2时，电机启动运转，与P1.7口功能一样且运转速度与开机时的转速一样；当上位机通过串口助手发送3时，电机加速，与P1.1口功能一样；当上位机通过串口助手发送4时，电机减速，与P1.2口功能一样。MAX232的T2I引脚与单片机上的P3.1引脚相连接，MAX232的R2O引脚与单片机上的P3.0引脚相连接，这样就构成了232芯片与单片机之间的通信；MAX232的T2O引脚与USB上的RXD引脚相连接，MAX232的R2I引脚与USB上的TXD引脚相连接，这样就通过USB串口实现了232芯片与上位机之间的通信，以232芯片作为中介，就可以实现单片机与上位机之间的通信。电路原理图如图4-7所示。图4-7串口通信模块电路图1.6数据采集模块电路设计本设计的数据采集主要是对电压电流的实时采集，用到了电压互感器模块和电流互感器模块。电流互感器是一个环形的霍尔电流检测模块，把与电机串联的线路串入到环中，即可得到此时交流电流的模拟信号，因为此信号为交流信号，所以使用了AD737芯片交直流转化芯片，使交流信号转化为直流信号，以供PFC8591模数转化使用，加上358放大器可以有效的放大模拟信号，可以使直流信号达到一定的放大范围内，输出口I0与PCF8591的模拟输入端I0连接，方便检测小信号的变化，便于控制观察。电路图如图4-8所示。图4-8电流互感器模块电路图电压互感器使用的是ZMPT101模块，当并入电机运行时的电压，输出端会输出所测量电压的模拟信号，因为此时的输出信号也是交流信号，所以也需要一个AD737芯片把测量到的交流电转化为直流电，以供后面的模数转化使用，并且输出端和电流测量模块一样，需要接一个放大器，以放大测量到的小信号，输出口U0与PCF8591的模拟输入端U0连接，便于观察和控制。电路图如图4-9所示。图4-9电压互感器模块电路图1.7模数转换模块电路设计本设计选用PCF8591作为AD数据转换处理器，PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8位CMOS数据获取器件。具有四个模拟输入端和一个模拟输出端和一个串行I2C总线接口。三个地址引线A0/A1/A2可用于硬件地址编程，双线双向I2C总线串行传输。本次设计中，只需要输入电压电流的模拟量，所以只需要两个AIN口，并且需要连接SCL和SDA与单片机进行通信，测量到的模拟信号经过一定比例的放大，显示在液晶屏上，便于我们观察和控制电机的运转。电路图如图4-10所示，实物图如图4-11所示。图4-10PCF8591模块电路图图4-11PCF8591模块实物图2系统软件设计2.1系统主程序设计单片机上电，会调用初始化程序，对电流电压模拟信号采集、PCF8591取样转换，并将取样的信息送往LCD1602液晶显示器。初始化后，系统开始正常的工作，对电压电流监测以及数据的发送显示，通过按键可以调节电压电流的大小，如果超出范围，会通过LED报警。软件部分功能有：单片机能对电压电流进行监测、能对电压电流控制、能将电压电流模拟电压信号转化为数字信号、能动态显示采集到的电压电流值，能进行LED报警和控制继电器的工作。其流程图如图5-1所示。图5-1主流程图2.2系统子程序设计2.2.1按键程序设计按键与单片机的I/O口相连，在编写程序时定义引脚,就能实现单片机对按键的控制，按键被按下后，会产生低电平，单片机判断低电平的信号由哪个按键产生，延时一段时间消抖，然后确定是哪个按键被按下，本设计中有四个独立按键，分别控制着不同的功能，P11按键和P12按键分别控制电机的加速和减速，P16按键和P17按键分别控制着电机的停止和启动。按键程序流程图设计如图5-2所示。图5-2按键流程图2.2.2电压电流监测程序设计由外部互感器读取实际的电压电流数据信息，将转化出来的输出直流电压信号接入到PCF8591的两个模拟输入引脚，经模数转换成数字信号，然后经过一定的放大比例，使测量的模拟信号转化成的数字信号放大至与实际应有的电压电流大小一致，这样就可以监测电压电流信息。与设定的安全范围比较，如果超出安全范围，便发生报警，对应的报警灯会发光，继电器会工作，发出报警通知并断开继电器的常闭触头，电机停止工作。流程图如图5-3所示。图5-3电压电流监测流程图2.2.3定时器0中断程序设计定时器0是设计的重点，用于控制PWM的占空比来控制电机转速，dj是占空比的控制值（0-100），用count代表dj增加的终值，当dj=count时，输出电平反转，高电平变成低电平，当dj大于等于100时，这时候就需要把dj赋值0，这样就构成了一个完整的PWM波的循环，可以产生一个PWM波，这样就改变了电机工作的占空比，从而改变电机转速。并且每三秒进行一次安全扫描，当电压电流超出安全范围