課程設(shè)計---直流電機速度控制

1、<p><b>　　直流電機速度控制</b></p><p><b>　　1設(shè)計內(nèi)容及要求</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計目的</b></p><p>　　設(shè)計制作和調(diào)試一個由MCS51單片機組成的直流測控系統(tǒng)。通過這個過程學(xué)習(xí)熟悉鍵盤控制和七段數(shù)碼管的使用，掌握直流電機的速

2、度控制和測試方法。</p><p><b>　　1．2預(yù)習(xí)與參考</b></p><p>　　MCS51單片機匯編程序語言、計算機控制技術(shù)、自動控制原理、</p><p>　　1.3 設(shè)計（設(shè)計）要求設(shè)計指標</p><p>　　1．在顯示器上顯示任意四位十進制數(shù)</p><p>　　2．將8個鍵

3、定義鍵值為0~7，按任意鍵在顯示器上顯示對應(yīng)鍵值</p><p><b>　　3．實現(xiàn)功能：</b></p><p>　?。?）定義鍵盤按鍵：5個為數(shù)字鍵0～4；3個功能鍵：設(shè)置SET、清零 CLR、開始START；</p><p>　?。?）顯示器上的四位可顯示每分鐘的速度；</p><p>　?。?）通過鍵盤的按鍵，

4、設(shè)置直流電機每分鐘的速度值；</p><p>　　（4）按START鍵啟動電機開始轉(zhuǎn)動，按SET鍵停止；按CLR鍵清零。</p><p><b>　　2控制芯片選擇</b></p><p>　　根據(jù)實驗要求選擇80C31芯片。選擇該芯片可以根據(jù)控制開關(guān)按鈕的開關(guān)狀態(tài)，控制數(shù)碼管的數(shù)字顯示以及變頻直流電動機的轉(zhuǎn)速。</p><

5、p>　　80C31單片機，是8位高性能單片機，具有40根引腳。屬于標準的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，標準MCS-51單片機的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 80C31內(nèi)置中央處理單元、128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、32個雙向輸入/輸出(I/O)口、2個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。</p><p>　　40

6、根引腳按其功能可分為四類： </p><p><b>　　1. 電源線2根 </b></p><p>　　VCC：編程和正常操作時的電源電壓，接+5V。 </p><p><b>　　VSS：地電平。 </b></p><p><b>　　2. 晶振：2根 </b></p

7、><p>　　XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。 </p><p>　　XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。 </p><p>　　3. I/O口有p0、p1、p2、p3共四個8位口，32根I/O線，其功能如下： </p><p>　　P0.0～P0.7 （

8、AD0～AD7） 是I/O端口O的引腳，端口O是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時內(nèi)部上拉電阻有效）。</p><p>　　P1.0～P1.7 端口1的引腳，是一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 </p><p>　　P2.0～P2.7 （A8～A15） 端口2的引腳。端口2是一個帶內(nèi)部上拉電阻

9、的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8～A15 </p><p>　　P3.0～P3.7 端口3的引腳。端口3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，該口的每一位均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結(jié)構(gòu)與操作與P1口完全相同，第二功能如下示： </p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口） </p><

10、p>　　P3.1 TXD（串行輸出口） </p><p>　　P3.2 （外部中斷） </p><p>　　P3.3 （外部中斷） </p><p>　　P3.4 T0（定時器0外部輸入） </p><p>　　P3.5 T1（定時器1外部輸入） </p><p>　　P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） <

11、/p><p>　　P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） </p><p>　　圖2-1 8031管腳圖</p><p>　　3方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　3.1矩陣式鍵盤</b></p><p>　　3.1.1矩陣式鍵盤設(shè)計</p><p>　　根據(jù)實驗要求

12、通過按鍵開關(guān)可以控制數(shù)碼管的顯示，并且可以通過80C31芯片控制變頻直流電動機的轉(zhuǎn)速，所以設(shè)計一種鍵盤式的按鈕開關(guān)矩陣。</p><p>　　矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 ，確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。</p><p>　　行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，介紹過程如下。</p><p>　　1、判斷鍵盤中有

13、無鍵按下 將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與行線相交叉的按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 </p><p>　　2、判斷閉合鍵所在的位置 在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若

14、某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。</p><p>　　在這次課程設(shè)計中要求有8個按鍵，其中包過0-4這5個數(shù)字按鍵，以及3個功能鍵：設(shè)置SET、清零 CLR、開始START。所以我們將這些鍵按照兩行 三列來排列。其中的數(shù)字鍵我們可以按照基本的逐行掃描查詢法經(jīng)行按鍵識別。 </p><p>　　其中的0-3數(shù)字鍵的

15、一端與80C51 的P1.0，其余的另一端分別連接80C51單片機的P1.4，P1.5，P1.6，P1.7相連。設(shè)置SET功能鍵分別連接P1.2和P1.6，開始START功能鍵分別連接P1.3，P1.4，而剩下的功能鍵CLR則分別連接P1.2，P1.7，這樣就可以利用按鈕開關(guān)和80C51芯片構(gòu)成簡單的矩陣式鍵盤。</p><p>　　圖3-1 矩陣式鍵盤</p><p>　　3.1.2

16、矩陣式鍵盤程序及程序流程圖</p><p>　　在80C51單片機的程序編寫上，采用C語言的程序編寫方法。鍵盤設(shè)計部分的程序流程圖如下：</p><p>　　C語言編寫的應(yīng)用于80C31控制數(shù)字鍵盤使其實現(xiàn)功能的程序如下：</p><p>　　void key()</p><p><b>　　{</b></p>

17、;<p>　　uchar i,temp,lie,hang,shu;</p><p>　　for(i=0;i<4;i++) //求出按鍵值</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=~chose[i];</p><p><b>　　temp=P1;</b&

18、gt;</p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　hang=i;</b></p><p>　　if(temp==0xe0)</p>

19、;<p><b>　　lie=1;</b></p><p>　　else if(temp==0xd0)</p><p><b>　　lie=2;</b></p><p>　　else if(temp==0xb0)</p><p><b>　　lie=3;</b>&

20、lt;/p><p>　　else if(temp==0x70)</p><p><b>　　lie=4;</b></p><p>　　break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　} </b></p>

21、<p>　　shu=hang*4+lie;//數(shù)為對應(yīng)的按鍵</p><p>　　switch(shu)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 1: if(!flag)yishu(0);break;</p><p>　　case 2: if(!flag) yishu(

22、1);break;</p><p>　　case 3: if(!flag) yishu(2);break;</p><p>　　case 4: if(!flag) yishu(3);break;</p><p>　　case 5: if(!flag) yishu(4);break;</p><p>　　case 6: flag++;fl

23、ag1++; break;</p><p>　　case 7: sv=0;miaoshu=0;flag=0;flag1=0;break;</p><p>　　case8: flag1++; break;</p><p>　　default: break;</p><p><b>　　}</b></p>&

24、lt;p>　　while(temp!=0xf0)//放鍵檢測</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　temp=P1;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　for(i=0;i<10;i++)</p&g

25、t;<p>　　display(sv,miaoshu);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//按鍵檢測程序</b></p><p>　　void keyscan()</p>

26、<p><b>　　{</b></p><p>　　uchar temp;</p><p><b>　　P1=0xf0;</b></p><p><b>　　temp=P1;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p>&

27、lt;p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(5);//消除抖動</p><p><b>　　P1=0xf0;</b></p><p><b>　　temp=P1;</b></p>&l

28、t;p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　key();</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>

29、　　void pid(void) //PID 計算輸出量</p><p><b>　　{</b></p><p>　　ek=sv-miaoshu;</p><p>　　uk=uk_1+q0*ek+q1*ek_1+q2*ek_2;</p><p>　　ek_2=ek_1;</p><p><

30、b>　　ek_1=ek;</b></p><p><b>　　uk_1=uk;</b></p><p>　　if(uk>501)</p><p>　　uk=501; //限定輸出上限</p><p><b>　　if(uk<1)：</b></p><

31、p>　　uk=1; //限定輸出下限</p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.2數(shù)碼管轉(zhuǎn)速顯示</p><p>　　LED數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。</p><p&

32、gt;<b>　　圖3-2數(shù)碼管</b></p><p>　　數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 </p><p>　　靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)

33、驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O端口來驅(qū)動，要知道一個89S51單片機可用的I/O端口才32個呢：），實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 </p><p>　　數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp&

34、quot;的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點

35、亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。 </p><p>　　在本次課程設(shè)計中需要用到4個數(shù)碼管在靜態(tài)顯示的工作狀態(tài)下工作，用80C31來驅(qū)動數(shù)碼管正常工作。為了使數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的時候穩(wěn)定準確，一般是接在80C

36、31單片機的P0口上接一個RESPACK-8排阻，因為P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，不能輸出高電平，所以要接上拉電阻。排阻就是好多電阻連載一起，他們有一個公共端 。</p><p>　　在用80C31控制4個7位數(shù)碼管的時候后我們還要用到74HC240。74花癡40是一款高速CMOS器件，引腳兼容低功耗雙八線反響緩沖線路驅(qū)動器，具有三態(tài)輸出，該三臺輸出有時能斷控制，任意NOE上的高電平將使輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)。74HC24

37、0在電路中起緩沖保護作用。</p><p><b>　　數(shù)碼管顯示流程圖：</b></p><p><b>　　數(shù)碼管顯示子程序：</b></p><p>　　void display(uint a,uint b)</p><p><b>　　{</b></p>

38、<p><b>　　char i;</b></p><p>　　shu[0]=a/100;</p><p>　　shu[1]=a%100/10;</p><p>　　shu[2]=a%10;</p><p>　　shu[3]=b/100;</p><p>　　for(i=0;i<

39、4;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P2=chose[i];</p><p>　　P0=table[shu[i]];</p><p>　　delay(3);</p><p><b>　　}</b></p><p&

40、gt;<b>　　}</b></p><p>　　3．3電動機驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　直流電動機調(diào)速的驅(qū)動電路部分，選擇采用基于L298的直流電動機PWM調(diào)速方法。</p><p>　　PWM調(diào)速裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開 ，并根據(jù)需要來調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)接通和斷開的時間的長短，

41、通過改變直流電動機上電樞電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　在整個PWM調(diào)速器中，CPU既是運算處理中心，又是控制中心，是最關(guān)鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS一5l系列完全兼容的80C31單片機，它是一種低功耗、高性能、CMOS八位微處理器。</p><p>　　3.3.1驅(qū)動電路程序流程圖</p><p><b>

42、　　流程圖如下 ：</b></p><p>　　3.3.2驅(qū)動電路子程序</p><p>　　void t0(void) interrupt 1 using 0 //定時T0中斷服務(wù)函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tcnt++; //每過250ust tcnt 加一</

43、p><p>　　if(tcnt==40) //計滿40 次（1/100 秒）時</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tcnt=0; //重新再計</p><p><b>　　sec++;</b></p><p>　　if(sec==10) //定時0.

44、1 秒，在從零開始計時</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　sec=0;</b></p><p>　　TH0=0x06; //對TH0 TL0 賦值</p><p><b>　　TL0=0x06;</b></p><p>

45、　　miaoshu=count;</p><p><b>　　count=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　vo

46、id sdf(void) interrupt 2 using 0 //計數(shù)T1中斷服務(wù)函數(shù)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　count=count+1;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//左移一位</b>&

47、lt;/p><p>　　void yishu(uchar num)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar bai,shi,ge;</p><p>　　bai=sv%100/10;</p><p>　　shi=sv%10;</p><p><

48、;b>　　ge=num;</b></p><p>　　sv=bai*100+shi*10+ge;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.4芯片80C31在電路中的控制</p><p>　　80C31芯片是整個電路中最重要的部分，它需要讀取矩陣式鍵盤按鈕開關(guān)的信息，并通過編碼程序

49、進行一定的數(shù)字編碼，然后輸出控制直流電動機和八位數(shù)碼管顯示，達到完整控制直流電動機調(diào)速。</p><p>　　控制編碼部分子程序：</p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　q0=Kp*(1+T/Ti+Td/T);//先算出PID的

50、計算參數(shù)</p><p>　　q1=-Kp*(1+2*Td/T);</p><p>　　q2=Kp*Td/T;</p><p><b>　　p30=0;</b></p><p><b>　　EX0=1;</b></p><p><b>　　IT1=1;</b&

51、gt;</p><p>　　TMOD=0x02; //定時器T0工作在方式2 自動重裝方式,計數(shù)器T1工作在方式2 自動重裝方式</p><p>　　TH0=0x06; //對TH0 TL0 賦值</p><p><b>　　TL0=0x06;</b></p><p>　　TR0=1; //開始定時</p>

52、<p>　　ET0=1; //允許T0 產(chǎn)生中斷</p><p><b>　　EA=1;</b></p><p><b>　　EX1=1;</b></p><p><b>　　EA=1;</b></p><p><b>　　sec=0;</b>

53、</p><p>　　SCON=0x90; //MODER1,REN=1;</p><p>　　PCON=0x00;</p><p>　　miaoshu=0;tcnt=0;count=0;sv=0;</p><p><b>　　flag=0;</b></p><p><b>　　whil

54、e(1)</b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　eleyscan();</p><p>　　if(flag==2)</p><p><b>　　p30=0;</b></p><p>　　if(flag1==2)</p>

55、<p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint i;</b></p><p><b>　　pid();</b></p><p>　　if(ek>100)</p><p><b>　　{</b></p>

56、<p><b>　　p30=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(ek>=0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　p30=1;</b></p>

57、<p>　　display(sv,miaoshu);</p><p><b>　　p30=0;</b></p><p>　　delay(50-uk/10);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(ek<0)</p><p

58、><b>　　p30=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　display(sv,miaoshu); </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></

59、p><p>　　4直流電動機調(diào)速控制電路仿真</p><p>　　本次課程設(shè)計采用proteus7.7軟件進行仿真電路的設(shè)計與制作。</p><p>　　Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。此次課程設(shè)計主要用

60、到proteus軟件的原理圖布局和電器電路仿真。</p><p><b>　　4.1原理圖布局</b></p><p>　　此次設(shè)計的完整電路圖包括矩陣式鍵盤部分，數(shù)碼管數(shù)字顯示，電動機的PWM調(diào)速控制以及整個電路設(shè)計中的核心芯片80C31芯片。</p><p>　　圖4-1直流電動機速度控制原理圖布局</p><p>

61、　　圖4-2 直流電動機速度控制仿真效果</p><p><b>　　5結(jié)束語</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，加深了對計算機控制技術(shù)中的51系列單片機的認識和理解，對其應(yīng)用有了更深沉的了解，特別是在51系列單片機的編程和數(shù)字控制方面的學(xué)習(xí)。在對電路進行原理圖布局和仿真的過程中，了解并學(xué)會使用了仿真軟件proteus，對其基本用法和一些擴展功能有所了解

62、。在以后的電路仿真中或用到此次課程設(shè)計所積累的經(jīng)驗。其次就是在對電路進行連接的過程中，加強了實際動手操作能力，和應(yīng)對突發(fā)問題的處理能力。</p><p>　　矩陣式鍵盤設(shè)計方面，通過網(wǎng)絡(luò)和書籍基本了解了矩陣式鍵盤的設(shè)計方法和原理，對矩陣式鍵盤有了一定的了解。可以連接比較簡單的數(shù)碼管顯示電路，通過80C31單片機可以達到對數(shù)碼管的控制顯示輸出，在這方面獲得了更多的知識。再就是直流電動機轉(zhuǎn)速控制方案的選擇以及電路圖的

63、設(shè)計，結(jié)合電力電子技術(shù)方面的知識，達到多種知識的相互結(jié)合運用，對以后的學(xué)習(xí)將會有更多的幫助！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1 】張波《計算機控制技術(shù)》 中國電力出版社，2010年版</p><p>　　【2 】孫增圻《計算機控制理論及應(yīng)用》 清華大學(xué)出版社 1989年版</p><p&

64、gt;　　【3 】于海生《微型計算機控制技術(shù)》 清華大學(xué)出版社1999年版</p><p>　　【4 】黃一夫《微型計算機控制技術(shù)》 機械工業(yè)出版社 1988年版</p><p>　　【5 】戴冠中《計算機控制原理》 國防工業(yè)出版社 2005年版</p><p>　　【6 】王兆安 黃俊 《電力電子技術(shù)》 西安交通大學(xué)出版社,2005年版</p>&l

65、t;p>　　【7 】郭天祥《51單片機C語言教程》</p><p>　　【8 】王兆安 劉進軍《電力電子技術(shù)》 機械工業(yè)出版社 2009年版</p><p>　　【9 】Binmal k.bose 《power electronics and motor driver》 Elsevier Science</p><p>　　【10】John G 《Princ