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1、科技学院单片机课程设计题 目 基于单片机的电机调速系统设计 学生姓名 专业班级 级电气工程及其自动化 班学 号 院 （系） 电气工程学院 指导教师 完成时间 年 月 日 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求12.1 设计任务12.2 设计要求13 课程设计方案与论证23.1 硬件方案23.2 方案论证34 总体硬件电路设计44.1 复位电路44.2 振荡电路44.3 驱动电路54.4 显示电路65 单元电路的设计（计算与说明）66 硬件制作与调试76.1 系统调试76.2 系统仿真87 总结9参考文献11附录1：总体电路原理图12附录2：实物图13附录3：元器件清单14附录4：程
2、序代码151 课程设计的目的直流电机具有良好的启动性能和调速特性，虽然各种类型的电机层出不穷，然而在自动控制系统、电子仪器设备等方面，直流电机的应用还是占有突出地位。直流电机调速平滑，调速范围广，过载能力强，可实现频繁的无级快速起动、制动、加减速和正反转。为了满足生产过程自动化系统化各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应用而生。PWM直流电机调压调速系统拥有需要的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好。通过此次课程设计的学习使我熟练掌握了这个调速系统，对我
3、们今后的工作有十分重要的意义。本课题是以单片机为主要控制核心，针对直流电机的调速系统进行设计，通过本次课程设计培养我们综合运用所学的知识和技能解决问题的本领，巩固和加深多所学知识的理解。2 课程设计的任务与要求2.1 设计任务1熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。2按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。3软件设计，编写程序。4实验室调试。2.2 设计要求1在系统中扩展直流电动机控制驱动电路ULN20003，驱动直流测速电动机。2设计两个按键：K1：“加速”。K2：“减速”。3手动控制。设置两个按键直流电动机加速
4、和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的档位改变。4测量；并在数码管上显示电动机转动的档位。5实现数字调速功能。3 课程设计方案与论证3.1 硬件方案本系统采用单片机89C52控制输出数据,按下按键后由单片机输出信号分别进入数码显示和驱动芯片ULN2003，通过ULN2003的带动与调速从而实现对电机速度的控制，根据不同需求的按下加减速按钮，调整I/O口的预定值，从而可以控制PWM波形的占空比，进而控制电压的大小。控制电机的加减速，并在数码管上显示出当前的档位，达到直流电机调速的目的。VCCSTC89C52数码显示ULN2003M按键X2图3-1 系统总体设计图ST
5、C89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，其基本结构组成如下图所示：振荡电路CPU程序储存器数据存储器I/O口串行口定时器图3-2 基本结构图中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：80C52芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器
6、就是指这前128个单元，简称内部RAM。内部程序存储器：80C52芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。定时器：80C52片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。3.2 方案论证这一步的工作要求是把系统的任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理图。方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务、要求和条件，完成系统的功能设计。在这个过程中要用于探索，勇于创新，力争做到设计方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进，并且对方案要不断进行可行性和优缺点的分析，最后设计出一个完整框图
7、。框图必须正确反映系统应完成的任务和各组成部分功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。4 总体硬件电路设计4.1 复位电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统稳定运行的基本模块和最重要的内部因素之一。复位电路如图3-1所示图4-1 上电复位电路4.2 振荡电路振荡电路是单片机系统工作的核心，它提供单片机工作的“动力”，并关系到单片机运行速度的快慢、应用系统稳定性的高低等。一般可以使用晶体或晶振来搭建，他们的主要区别在于晶体需要外接振荡电路才能够起振，而晶振只需要在相应的引脚上提供电源和地信号既可以发出脉冲信号。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能
8、。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取11.0592MHZ无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30PF陶瓷电容帮助起振。振荡电路如图3-2所示图4-2 振荡电路4.3 驱动电路本次设计采用达林顿管等驱动芯片来驱动直流电机。达林顿管又称复合管，原理是将两只三极管适当地连接在一起，组成一只等效的新三极管。放大倍数是两只三极管放大倍数之积，常常用于驱动较大驱动电流的器件。本次设计采用ULN2003驱动芯片驱动直流电机。驱动电路如图3-3所示。图4
9、-3 直流电机驱动电路4.4 显示电路本次设计中，因需要显示调速等级，故使用一位8段数码管用作显示。数码管是单片机系统常用的一种外围显示器件，可以显示一些简单的数字或字符。显示电路如图3-4所示图4-4 一位八段数码管显示电路5 单元电路的设计（计算与说明）单元电路设计：单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才能提高整体设计水平。每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详细拟订出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体设计时，可以模仿成熟的先进电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。对于电机的转速调整，我们是采用脉宽调制（PWM）办法，控制电机的时
10、候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样，改变电机输出方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小，从而改变了转速，51单片机内部没有PWM特殊功能寄存器，通过单片机内部的定时器加中断模拟PWM波形。T0定时器中断是让一个I0口输出高电平，在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1，而这个T1是让IO口输出低电平，这样改变定时器T0的初值就可以改变频率，改变定时器T1的初值就可以改变占空比。键盘控制PWM的占空
11、比，从而控制电机的转速，具体原理是，键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过IO其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，由ULN2003芯片控制电动机地端，实现电动机转速的控制。定时器周期是20ms，当按键按下时，PWM占空比增加6/20，电机速度增加。电动机的运转状态通过数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示。参数计算：为保证单元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。例如，放大电路中各阻值、放大倍数的计算；振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的计算。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，
12、计算的参数才能满足设计要求。6 硬件制作与调试6.1 系统调试安装调试：安装与调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐块调试，使各功能块都要达到各自技术指标的要求，然后把它们连接起来进行统调和系统测试。调试包括调整与测试两部分，调整主要是调节电路中可变元器件或更换器件，使之达到性能的改善。测试是采用电子仪器测量相关点的数据与波形，以便准确判断设计电路的性能。装配前必须对元器件进行性能参数测试。在程序编写的过程中，出现了很多问题，虽然问题不是很大，但是一个很简单的指令错误，运行结果总是失败，同一种效果，不同的方法却不同。在解决这些问题的时候，我不断的查阅资料。经过多天的努力探索，大部分
13、问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。总结这次软件调试，让我认识到了做软件调试的基本方法：1认真检查源代码，看是否有文字或语法错误。2逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查。3找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功。6.2 系统仿真1初始状态，直流电机半速运转。如图5-1所示图6-1 初始状态下直流电机运行状态2按下加速键，直流电机运行状态如图5-2所示图6-2 直流电机加速3按下减速按键，直流电机运行状态如图5-3所示图6-3
14、直流电机减速7 总结通过本次课程设计，使我学会了单片机的功能以及直流电机调速系统的电路设计，让我了解了，单片机调速系统可实现对直流电动机的平滑调速，PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变单片机来实现电机调整，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法，实现对电机进行调整，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法，而在软件方面，采用PLD算法来确定闭环控制的补偿量，也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。曾经也试过用单片机直接产生波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片
15、机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行更为合理可靠。另外，在进行仿真的时候，也经常出现程序没有错误，但是仿真通不过的情况，这些原因是出在管脚定义上，很多系统仿真的问题都出在这。经过这段时间的努力，使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步的认识。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一名自动化专业的学生，单片机的课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，
16、觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。我认为这个收获应该说是相当大的。觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后，从学校转到踏上社会的一个过程。小组人员的配合相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。参考文献1 李学龙. 使用单片机控制的智能遥控电风扇控制器J. 电子电路制作, 2003,9:1315.2 蓝厚荣. 单片机的PWM控制技术J. 工业控制计算机, 2010,23(3):97983 郭天祥. 新
17、概念51单片机C语言教程M. 北京：电子工业出版社.2009.3423444 胡汉才. 单片机原理及其接口技术（第2版）M. 北京：清华大学出版社.2004.4977.5 胡全. 51单片机的数码管动态显示技术J. 信息技术，2009,13:25266 马云峰. 单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计J. 计算机测量与控制,2007,10(4)：278280附录1：总体电路原理图附录2：实物图附录3：元器件清单序号名称型号规格数量1单片机STC89C5212数码管W8U3A13电阻10K14电阻4.7K15按键开关26达林顿反相器ULN200317电解电容10Uf/50v18晶振11.
18、0592MHZ19电容30PF210导线若干11直流电机5V112稳压二极管1N41481附录4：程序代码#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar tmr,k,l;char j=0;/sbit motor=P20;sbit motor2=P24;/sbit mo=P21;sbit a=P11;sbit b=P12;sbit c=P14;sbit d=P15;sbit e=P17;sbit f=P10;sbit g=P13;sbit dian=P16;sbit k1=P21; /+sbit
19、k2=P23;/-void delay()uchar i=200;while(i-);/ void shuzi1()/ a=1;/ b=1;/ c=1;/ d=1;/ e=0;/ f=0;/ g=1;/ dian=1;/ void shuzi2()/ a=0;/ b=1;/ c=0;/ d=0;/ e=1;/ f=0;/ g=0;/ dian=1;/void shuzi3()/ a=0;/ b=1;/ c=1;/ d=0;/ e=0;/ f=0;/ g=0;/ dian=1;/void shuzi()/ a=1;/ b=1;/ c=1;/ d=1;/ e=1;/ f=1;/ g=1;/ dia
20、n=0;/void dingshi()TMOD=0X01;TH0=0xfc;/1msTL0=0x66;TR0=1;ET0=1;EA=1;void main()tmr=0;dingshi();/ P1=0x18 ; / 48while(1)uchar k=1,l=1,o=100;if(k1=0) /第一次按下+&l=1delay();if(k1=0)/&m=0 &l=1j=j+6;if(j=18)j=18;while(k1=0|o-);if(k2=0) /第二次按下 +&l=2delay();if(k2=0)/&m=0 &l=2j=j-6;/ l=3;if(j=2)j=0;while(k2=0|o-);if(tmr=20)tmr=0;23