1、鄭州科技學(xué)院單片機課程設(shè)計題目基于單片機的電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名專業(yè)班級 2014級電氣工程及其自動化班學(xué)號2014院（系）電氣工程學(xué)院指導(dǎo)教師完成時間2017年6月2日目錄1 課程設(shè)計的目的 1.2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求 1.2.1 設(shè)計任務(wù) 1.2.2 設(shè)計要求 1.3 課程設(shè)計方案與論證 2.3.1 硬件方案 2.3.2 方案論證 3.4 總體硬件電路設(shè)計 4.4.1 復(fù)位電路4.4.2 振蕩電路4.4.3 驅(qū)動電路 5.4.4 顯示電路 6.5 單元電路的設(shè)計（計算與說明） 6.6 硬件制作與調(diào)試 7.6.1 系統(tǒng)調(diào)試 7.6.2 系統(tǒng)仿真 8.7 總結(jié) 9.參考文獻1.1.附錄1：

2、總體電路原理圖1.2附錄2：實物圖1.3附錄3：元器件清單1.4附錄4：程序代1.51 課程設(shè)計的目的直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機層出不窮，然而在自動控制系統(tǒng)、電子儀器設(shè)備等方面，直流電機的應(yīng)用還是占有突出地位。直流電機調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過載能力強，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動、加減速和正反轉(zhuǎn)。為了滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)化各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過PWM 方式控制直流電機調(diào)速的方法就應(yīng)用而生。PWM 直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需要的功率元件少、線路簡單、控制方便、

3、開關(guān)頻率高、低速性能好。通過此次課程設(shè)計的學(xué)習(xí)使我熟練掌握了這個調(diào)速系統(tǒng)，對我們今后的工作有十分重要的意義。本課題是以單片機為主要控制核心，針對直流電機的調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，通過本次課程設(shè)計培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)的知識和技能解決問題的本領(lǐng)，鞏固和加深多所學(xué)知識的理解。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求2.1 設(shè)計任務(wù)1熟悉課程設(shè)計任務(wù)及要求，查閱技術(shù)資料，確定設(shè)計方案。2按照確定的方案設(shè)計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計要有詳細論述。3軟件設(shè)計，編寫程序。4實驗室調(diào)試。2.2 設(shè)計要求1 .在系統(tǒng)中擴展直流電動機控制驅(qū)動電路 ULN20003,驅(qū)動直流測 速電動機。

4、2 .設(shè)計兩個按鍵：K1: “加速”。K2: “減速”。3 .手動控制。設(shè)置兩個按鍵一一直流電動機加速和直流電動機減速 鍵。在手動狀態(tài)下，每按一次鍵，電動機的轉(zhuǎn)速按照約定的檔位改變。4 .測量；并在數(shù)碼管上顯示電動機轉(zhuǎn)動的檔位。5 .實現(xiàn)數(shù)字調(diào)速功能。3課程設(shè)計方案與論證3.1 硬件方案本系統(tǒng)采用單片機89C52控制輸出數(shù)據(jù)，按下按鍵后由單片機輸出信 號分別進入數(shù)碼顯示和驅(qū)動芯片 ULN2003,通過ULN2003的帶動與調(diào) 速從而實現(xiàn)對電機速度的控制，根據(jù)不同需求的按下加減速按鈕，調(diào)整 I/O 口的預(yù)定值，從而可以控制PWM波形的占空比，進而控制電壓的大 小?？刂齐姍C的加減速，并在數(shù)碼管上顯

5、示出當(dāng)前的檔位，達到直流電 機調(diào)速的目的。圖3-1系統(tǒng)總體設(shè)計圖STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供 高靈活、超有效的解決方案，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，具基本結(jié) 構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，其基本結(jié)構(gòu)組成如下圖所 示：圖3-2基本結(jié)構(gòu)圖中央處理器CPU:它是單片機的核心，完成運算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：80C52芯片中共有256個RAM單元，能作為存 儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H7FH。通

6、常說的內(nèi)部數(shù) 據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM o內(nèi)部程序存儲器：80C52芯片內(nèi)部共有4K個單元，用于存儲程序、 原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部 ROM。定時器：80C52片內(nèi)有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù) 功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。3.2 方案論證這一步的工作要求是把系統(tǒng)的任務(wù)分配給若干個單元電路，并畫出 一個能表示各單元功能的整機原理圖。方案選擇的重要任務(wù)是根據(jù)掌握 的知識和資料，針對系統(tǒng)提出的任務(wù)、要求和條件，完成系統(tǒng)的功能設(shè) 計。在這個過程中要用于探索，勇于創(chuàng)新，力爭做到設(shè)計方案合理、可 靠、經(jīng)濟、功能齊全、技術(shù)先進，并且對方案要不斷進行可行性

7、和優(yōu)缺 點的分析，最后設(shè)計出一個完整框圖。框圖必須正確反映系統(tǒng)應(yīng)完成的 任務(wù)和各組成部分功能，清楚表示系統(tǒng)的基本組成和相互關(guān)系。4總體硬件電路設(shè)計4.1 復(fù)位電路復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基本模塊和最重要的內(nèi)部因素之一。復(fù)位電路如圖3-1所示-ccC1 < RSTR1圖4-1上電復(fù)位電路4.2 振蕩電路振蕩電路是單片機系統(tǒng)工作的核心，它提供單片機工作的“動力”，并關(guān)系到單片機運行速度的快慢、應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定性的高低等。一般可以 使用晶體或晶振來搭建，他們的主要區(qū)別在于晶體需要外接振蕩電路才 能夠起振，而晶振只需要在相應(yīng)的引腳上提供電源和地信號既可以發(fā)出 脈沖信號。高頻率

8、的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采 樣率，從而實現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大， 運行環(huán)境苛刻。考慮到單片機本身用在控制，并非高速信號采樣處理， 所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都 有好處，本次設(shè)計選取11.0592MHZ無源晶振接入XTAL1和XTAL2引 腳。并聯(lián)2個30PF陶瓷電容幫助起振。振蕩電路如圖 3-2所示- XTAL1CY1：XTAL2圖4-2振蕩電路4.3 驅(qū)動電路本次設(shè)計采用達林頓管等驅(qū)動芯片來驅(qū)動直流電機。達林頓管又稱復(fù)合管，原理是將兩只三極管適當(dāng)?shù)剡B接在一起，組成一只等效的新三 極管。放大倍數(shù)是兩只三極管放

9、大倍數(shù)之積，常常用于驅(qū)動較大驅(qū)動電 流的器件。本次設(shè)計采用ULN2003驅(qū)動芯片驅(qū)動直流電機。驅(qū)動電路如 圖3-3所小。圖4-3直流電機驅(qū)動電路4.4 顯示電路本次設(shè)計中，因需要顯示調(diào)速等級，故使用一位8段數(shù)碼管用作顯示。數(shù)碼管是單片機系統(tǒng)常用的一種外圍顯示器件，可以顯示一些簡單 的數(shù)字或字符。顯示電路如圖 3-4所示| ,PO,l/ ：_P0.2L I -po.r / r-P0.4V nw/圖4-4 一位八段數(shù)碼管顯示電路5單元電路的設(shè)計（計算與說明）單元電路設(shè)計：單元電路是整機的一部分，只有把各單元電路設(shè)計 好才能提高整體設(shè)計水平。每個單元電路設(shè)計前都需明確本單元電路的 任務(wù)，詳細擬訂出單

10、元電路的性能指標，與前后級之間的關(guān)系，分析電 路的組成形式。具體設(shè)計時，可以模仿成熟的先進電路，也可以進行創(chuàng) 新或改進，但都必須保證性能要求。對于電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整，我們是采用脈寬調(diào)制（PWM）辦法，控制電 機的時候，電源并非連續(xù)地向電機供電，而是在一個特定的頻率下以方 波脈沖的形式提供電能。不同占空比的方波信號能對電機起到調(diào)速作用， 這是因為電機實際上是一個大電感，它有阻礙輸入電流和電壓突變的能 力，因此脈沖輸入信號被平均分配到作用時間上，這樣，改變電機輸出 方波的占空比就能改變加在電機兩端的電壓大小，從而改變了轉(zhuǎn)速，51單片機內(nèi)部沒有PWM特殊功能寄存器，通過單片機內(nèi)部的定時器加中斷模擬 PW

11、M 波形。 T0 定時器中斷是讓一個I0 口輸出高電平，在這個定時器T0的中斷當(dāng)中起動定時器T1,而這個T1是讓IO 口輸出低電平，這樣改變定時器T0 的初值就可以改變頻率，改變定時器T1 的初值就可以改變占空比。鍵盤控制PWM 的占空比，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，具體原理是， 鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過IO 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM 脈沖， 由 ULN2003 芯片控制電動機地端，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。定時器周期是 20ms,當(dāng)按鍵按下時，PWM占空比增加 6/20，電機速度增加。電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三”，其

12、它三位為電機轉(zhuǎn)速。每次電動機啟動后開始顯示。參數(shù)計算：為保證單元電路達到功能指標要求，就需要用電子技術(shù)知識對參數(shù)進行計算。例如，放大電路中各阻值、放大倍數(shù)的計算；振蕩器中電阻、電容、振蕩頻率等參數(shù)的計算。只有很好地理解電路的工作原理，正確利用計算公式，計算的參數(shù)才能滿足設(shè)計要求。6 硬件制作與調(diào)試6.1 系統(tǒng)調(diào)試安裝調(diào)試：安裝與調(diào)試過程應(yīng)按照先局部后整機的原則，根據(jù)信號的流向逐塊調(diào)試，使各功能塊都要達到各自技術(shù)指標的要求，然后把它們連接起來進行統(tǒng)調(diào)和系統(tǒng)測試。調(diào)試包括調(diào)整與測試兩部分，調(diào)整主要是調(diào)節(jié)電路中可變元器件或更換器件，使之達到性能的改善。測試是采用電子儀器測量相關(guān)點的數(shù)據(jù)與波形，以便準

13、確判斷設(shè)計電路的性能。裝配前必須對元器件進行性能參數(shù)測試。在程序編寫的過程中，出現(xiàn)了很多問題，雖然問題不是很大，但是一個很簡單的指令錯誤，運行結(jié)果總是失敗，同一種效果，不同的方法卻不同。在解決這些問題的時候，我不斷的查閱資料。經(jīng)過多天的努力探索，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實現(xiàn)應(yīng)該實現(xiàn)的功能, 這讓我很著急。后來經(jīng)過一點一點的調(diào)試，并認真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題其 實在編寫中斷處理程序時出現(xiàn)了錯誤，修改后即可實現(xiàn)直流電機調(diào)速的 目的?？偨Y(jié)這次軟件調(diào)試，讓我認識到了做軟件調(diào)試的基本方法：1 .認真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤。2 .逐段子程序進行設(shè)計，找出錯誤出現(xiàn)的部分，重點排查。3 .

14、找到合適的方法，仔細檢查程序，分步調(diào)試直到運行成功。6.2 系統(tǒng)仿真1 .初始狀態(tài)，直流電機半速運轉(zhuǎn)。如圖 5-1所示2 .按下加速鍵，直流電機運行狀態(tài)如圖5-2所示圖6-2直流電機加速3.按下減速按鍵，直流電機運行狀態(tài)如圖5-3所示圖6-3直流電機減速7總結(jié)通過本次課程設(shè)計，使我學(xué)會了單片機的功能以及直流電機調(diào)速系 統(tǒng)的電路設(shè)計，讓我了解了，單片機調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平 滑調(diào)速，PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率， 從而改變單片 機來實現(xiàn)電機調(diào)整，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法， 實現(xiàn)對電機進行調(diào)整，它能夠充分發(fā)揮單片機的效能，對于簡易速度控 制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一

15、種有效的途徑。變負載兩端的電壓，進而達到控 制要求的一種電壓調(diào)整方法，而在軟件方面，采用 PLD算法來確定閉環(huán) 控制的補償量，也是由數(shù)字電路組成的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)所不能及 的。曾經(jīng)也試過用單片機直接產(chǎn)生波形，但其最終效果并不理想，在使 用了少量的硬件后，單片機的壓力大大減小，程序中有充足的時間進行 閉環(huán)控制的測控和計算，使得軟件的運行更為合理可靠。另外，在進行 仿真的時候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒有錯誤，但是仿真通不過的情況，這些 原因是出在管腳定義上，很多系統(tǒng)仿真的問題都出在這。經(jīng)過這段時間 的努力，使我對仿真軟件以及系統(tǒng)設(shè)計電路有了更深一步的認識。通過這次設(shè)計，我懂得了學(xué)習(xí)的重要性，了解到理論

16、知識與實踐相 結(jié)合的重要意義，學(xué)會了堅持、耐心和努力，這將為自己今后的學(xué)習(xí)和工作做出了最好的榜樣。我覺得作為一名自動化專業(yè)的學(xué)生，單片機的課程設(shè)計是很有意義的。更重要的是如何把自己平時所學(xué)的東西應(yīng)用到實際中。雖然自己對于這門課懂的并不多，很多基礎(chǔ)的東西都還沒有很好的掌握，覺得很難，也沒有很有效的辦法通過自身去理解，但是靠著這一個多禮拜的“學(xué)習(xí) ”，在小組同學(xué)的幫助和講解下，漸漸對這門課逐漸產(chǎn)生了些許的興趣，自己開始主動學(xué)習(xí)并逐步從基礎(chǔ)慢慢開始弄懂它。我認為這個收獲應(yīng)該說是相當(dāng)大的。覺得課程設(shè)計反映的是一個從理論到實際應(yīng)用的過程，但是更遠一點可以聯(lián)系到以后畢業(yè)之后，從學(xué)校轉(zhuǎn)到踏上社會的一個過程。

17、小組人員的配合、相處，以及自身的動腦和努 力，都是以后工作中需要的。參考文獻1 李 學(xué) 龍 . 使 用 單 片 機 控 制 的 智 能 遙 控 電 風(fēng) 扇 控 制 器 J. 電 子 電 路 制 作 , 2003,9:1315.2 藍厚榮 . 單片機的PWM 控制技術(shù)J. 工業(yè)控制計算機, 2010,23(3):97983 郭天祥 . 新概念 51 單片機 C 語言教程M. 北京： 電子工業(yè)出版社.2009.3423444 胡漢才 . 單片機原理及其接口技術(shù)(第2 版) M. 北京：清華大學(xué)出版社 .2004.4977.5 胡全 . 51 單片機的數(shù)碼管動態(tài)顯示技術(shù)J. 信息技術(shù)，2009,13

18、:25266 馬云峰 . 單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20 的接口設(shè)計J. 計算機測量與控制 ,2007,10(4)： 278280附錄1 :總體電路原理圖r= -EXI】Mir I:H一fiyp f.i.c n I if 河氐vr、l： ""TTTTT附錄2:實物圖附錄3:元器件清單序號名稱型號規(guī)格數(shù)量1單片機STC89C5212數(shù)碼管W8U3A13電阻10K14電阻4.7K15按鍵開關(guān)26達林頓反相器ULN200317電解電容10Uf/50v18晶振11.0592MHZ19電容30PF210導(dǎo)線11直流電機5V112穩(wěn)壓二極管1N414814：程序代碼#includ

19、e<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int uchartmr,k,l;char j=0;/sbit motor=P2A0;sbit motor2=P2A4;/sbitmo=P2A1;sbit a=P1A1;sbit b=P1A2;sbit c=P1A4;sbit d=P1A5;sbit e=P1A7;sbit f=P1A0;sbit g=P1A3;sbitdian=P1A6;sbit k1=P2A1; /+sbit k2=P2A3; /-void delay()uchari=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;