基于单片机的直流电机转速控制.docx
- 文档编号:24513780
- 上传时间:2023-05-28
- 格式:DOCX
- 页数:44
- 大小:682.94KB
基于单片机的直流电机转速控制.docx
《基于单片机的直流电机转速控制.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的直流电机转速控制.docx(44页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的直流电机转速控制
基于单片机的直流电机转速控制
摘要
随着现代科技的不断发展,现在的电子产品越来越多,在早期,电子产品一般是纯硬件电路,没有使用单片机,电路复杂难以设计,也难以检查问题,随着微控制技术的不断完善和发展,集成芯片越来越多,单片机便出来了,换言之,单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。
具有划时代的意义。
以前人机界面一般采用LED数码二极管,随着LCD液晶显示器的出现,人机界面更加人性化、智能化,它能显示数字、汉字和图象,控制LCD液晶显示器也很方便,电路设计也比较简单,加上单片机,组合实现的功能也比较强大,还可方便以后电路的升级与扩展。
本文结合LCD显示等多种技术,实现了基于51单片机的电机转速测量控制系统的设计。
转速测控方法有频率法和周期法,由于本设计中电机转速较低,所以采用周期法进行计算,保证其精度。
在设计中采用光电传感器采集信号,这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲,然后用测量电路测出频率,由频率值就可知道所测转速值。
红外线发光二极管负责发出光信号,红外线三极管接受发出的光信号,产生电信号,每转过一圈,光的明暗变化经历了一个方波周期,即产生了脉冲电信号。
将处理好的信号接入单片机的T0计数口进行编程计数,最后在液晶显示器上显示结果。
关键词:
单片机;电机;转速测控;液晶显示器
Abstract
Withthedevelopmentofmodernscienceandtechnology,therearemoreandmoreelectronicproducts.Intheearlyperiod,electronicproductsusuallyusehardware.Withoutthesingle-chipprocessor,itistoocomplicatedtodesignthecircuitandfindtheproblem.Withtheimprovementanddevelopmentofmicro-controltechnique,therearemoreandmoresystemonchips.Single-chipprocessorhascomeup.Inotherwords,theapplicationofsinge-chipprocessorisarevolutionfortraditionalcontroltechnique,andhastimesignificance.Inmotorcontrol,italsodependsonpeople’ssense,withoutandconceptofspeedtest.BeforetheappearanceofLCDLiquidCrystalDisplay,human-machineinterfacegenerallyusesLEDdigitaldiode.Nowthehuman-machineinterfacehasdevelopedintomoreintelligenceandabilityandhumannaturally.Itcandisplaythenumber,word,andimage,controlLCDliquidcrystaldisplayisveryconvenientandeasytodesignthecircuit.Withthesingle-chipprocessor,thefunctionofcompositionismuchstronger,andeasytoupgradeandexpandforthecircuit.ThisthesiscombinestechniquesfortestingLCD,realizesthedesignofmotorspeedtestcontrolsystembasedon51single-chipprocessor.
Rotatingspeedmeasurementmethodandcyclefrequency,asthedesignofalowmotorspeed,sothecalculationmethodusingthecycletoensureitsaccuracy.Usedinthedesignofphotoelectricsensorsignalacquisition,thesensoristheaxisofrotationspeedofthepulseintoacorrespondingfrequency,andthenmeasuredthefrequencymeasurementcircuit,thefrequencyvaluecanbemeasuredtoknowthevalueofspeed.Responsiblefortheissueofinfraredlight-emittingdiodeopticalsignal,infraredtransistortoreceivetheopticalsignalsenttoproduceelectricalsignals,turningeverylap,thelightrayhasundergoneachangeinthesinusoidalcycle,thatis,producedasinusoidalelectricalsignalpulse.WilldealwithgoodaccesstoMCUsignalsT0Iprogramintheliquidcrystaldisplayonthefinalresultwillbedisplayed.
Keywords:
Single-chipprocessor;Motor;Speedtest;Liquidcrystaldisplay
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1设计背景与选题1
1.2设计内容和技术关键2
第2章方案论证3
2.1基于嵌入式单片机的设计方案3
2.2基于EDA为核心的设计方案3
2.3方案选择4
第3章硬件模块设计5
3.1电源设计6
3.2LCD液晶显示设计6
3.2.1LCD概述及特点7
3.2.2LCD1602字符型模块7
3.2.3LCD显示数字9
3.2.4LCD显示设计9
3.2.5LCD液晶显示模块11
3.3CPU应用系统设计11
3.3.1ATMEL89C51单片机介绍12
3.3.2晶振电路设计18
3.3.3复位电路设计19
3.4CPU控制模块19
3.5红外测速模块设计20
3.6键盘设计21
3.7加热控制电路设计22
第4章软件设计23
4.1显示驱动软件设计23
4.2控制软件设计24
第5章电路的焊接与调试26
5.1硬件电路的焊接与分布26
小结27
致谢28
[参考文献]:
29
附录A程序源代码30
附录B电路图35
附录C实物图37
第1章绪论
1.1设计背景与选题
在工农业生产和工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合,例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要测量和显示其转速。
测控转速的方法分为模拟式和数字式两种【1】。
模拟式采用测速发电机为检测元件,得到的信号是模拟量。
数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件,得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用,单片机技术的日新月异,特别是高性能单片机的出现,以其功能强大,价格低廉的显著特点,在测控转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点,越来越受到企业用户的青睐。
转速测控普遍采用以单片机为核心的数字式测控方法,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,使系统能达到更高的性能。
随着计算机辅助设计技术、微机电系统技术、光纤技术、信息理论以及数据分析算法不断迈上新的台阶,传感器系统正朝着微型化、智能化和多功能化的方向发展。
转速测量是机械产品的研究开发、测试分析、质量检验、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。
转速是旋转机械动力输出的重要指标,是检验产品是否合格的标志之一,是计算机械功率和效率的必需参数。
随着电子技术以及应用需求的发展,单片机技术得到了迅速的发展,在高集成度,高速度,低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。
伴随着科学技术的发展,电子技术有了更高的飞跃,单片机系统的应用开发给现代工业领域带来了一次新的技术革命,自动化、智能化都离不开单片机的应用,单片机具有集成度高,处理能力强,可靠性高,系统结构简单,价格低廉的优点,因此被广泛应用于各种家电产品、智能化仪表、工业控制系统和过程控制系统中,转速测控系统则是单片机在工业生产中的一个典型的应用【2】。
将单片机控制方法应用到转速测控系统中,组合实现的功能比较强大,可以保证测控的精度和抗干扰性,还可方便以后电路的升级与扩展。
转速测控方法有频率法和周期法,这两种测控方法都是对脉冲进行测量,且各有优势。
周期法测量的是单位脉冲所需的时间,该方法在被测转速较低(相邻两转速脉冲信号间隔时间较大)时,才有较高的测量精度,其测量精确度随转速的增大而降低,适于低速测控。
1.2设计内容和技术关键
本系统设计用光电传感器采集信号,这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲,然后用测量电路测出频率,由频率值就可知道所测转速值。
红外线发光二极管负责发出光信号,红外线接收三级管负责接收发出的光信号,产生电信号,每转过一个齿,光的明暗变化经历了一个周期,即产生了脉冲电信号【3】。
然后经过与参考数据作比较,显示在LCD上。
该转速系统的特点如下:
1.硬件电路简单;
2.程序编程简单和运算速度快;
3.测速范围宽,抗干扰性好。
设计主要的性能要求如下:
1.用LCD液晶显示电机每秒的转速;
2.设计中被测电机的转速控制在90~1700r/min;
3.设置USB电源接口装置,可以插电脑上接电;
4.设置轻触按钮,分别为电源开关键、复位键。
第2章方案论证
2.1基于嵌入式单片机的设计方案
方案一:
采用单片机控制。
利用单片机丰富的IO端口,及其控制的灵活性,实现基本的LCD液晶显示功能。
电机采用继电器控制,可实现低压电平控制高压电平,以防止高压电对CPU的影响,损坏单片机。
图2.1基于嵌入式单片机的设计方案
2.2基于EDA为核心的设计方案
采用FPGA应用控制,FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点【4】。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
应用FPGA设计该系统的框图如下:
图2.2基于EDA为核心的设计方案
2.3方案选择
通过比较以上两种方案,单片机方案有较大的活动空间,也比较方便,对控制系统的要求也不是很高,价格也比较底,电路设计也比较方便,软件指令简单,不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能,而且还可以方便的对系统进行升级,所以我们采用第一种方案。
第3章硬件模块设计
设计中选用了方案一(基于嵌入式单片机的设计方案)。
总体设计框图如图3.1:
图3.1总系统图
设计总电路原理图如图3.2。
图3.2系统各模块电路原理图
从总体电路图上看,整个系统结构简单,模块清晰,采用双面PCB板。
3.1电源设计
一个系统如果没有电就不能工作,如果没有稳定的电源也不能正常工作。
所以电源在系统的设计中是站着非常重要的作用。
电源模块中为系统输出正5V。
该系统的电源电路设计如图3.3:
图3.3电源电路
3.2LCD液晶显示设计
3.2.1LCD概述及特点
液晶显示器(LCD,liquidcrystaldisplay),具有体积小、质量轻、功耗低等优点,是电子信息产品的重要显示器件之一【5】。
LCD作为电子信息产品的主要显示器件,相对与其他类型的显示部件来说,有其自身的特点,概要如下:
1、低电压微功耗
LCD的工作电压一般为3~5V,每平方厘米的液晶显示屏的工作电流为uA级,所以液晶显示器件为电池供电的电子设备的首选显示器件。
2、平板型结构
LCD的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒子。
这种结构具有使用方便、生产工艺简单等优点。
3、使用寿命长
LCD器件本身几乎没有什么劣化问题,如能注意器件防潮、防压、防止划伤、防止紫外线照射、防静电等,同时注意使用温度,则LCD可以使用很长时间。
4、被动显示
对LCD来说,环境光线越强显示内容越清晰。
人眼所感受的外部信息90℅以上是外部物体对光的反射,而不是物体本身发光,所以被动显示更适合人的视觉习惯,更不容易引起疲劳【3】。
这在信息量大、显示密度高、观看时间长的场合更为重要。
5、显示信息量大且易于彩色化
LCD与CRT相比,由于LCD没有荫罩限制,像素可以做得很小,同时液晶易于彩色化,方法也很多。
6、无电磁辐射
CRT工作时,不仅会产生X射线,还会产生其他的电磁辐射,影响环境。
LCD则不会产生这类问题。
7、点阵字符型LCD的特性
我们已经知道,点阵字符型LCD是专门用于显示数字、字母、汉字、图形符号及少量自定义符号的液晶显示器。
这类显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器、显示体及少量的阻容元件等集成为一个液晶显示模块。
鉴于字符型液晶显示模块目前在国际上已经规划,其电特性和接口特性是统一的【4】。
3.2.2LCD1602字符型模块
1602字符型模块的性能:
●总量轻:
<100g;
●体积小:
<11mm厚;
●功耗低:
10~15mW;
●显示内容:
192种字符、可自编8种字符;
●指令功能强:
可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求;
●接口简单方便:
可与8位微处理器或微控制器相联;
●RAM功能:
有8×8Bit存储容量;
●工作温度:
0-50℃;
●可靠性高:
寿命为50000小时(25℃)。
1602字符型模块的读写时序如图3.4、图3.5,时序参数如表3.1
图3.4读操作时序
图3.5写操作时序图
表3.1LCD时序参数
3.2.3LCD显示数字
LCD显示数字的原理跟显示汉字是一样的,在此就不在赘述。
主要讲一下的是数字是如何显示的,因为我们对LCD的显示只能是一次显示一个数据,所以当我们要显示多个数据的时候就要循环显示。
比如要显9999首先要取出最高位,然后是百位,十位,个位,如何实现数据的显示工程,分析如下:
取千位就是对它除以1000,因为设置的数据类型是整型,所以会把小数部分自动去掉,取百位就是除以1000的余数再除以100,以此类推直到取完数据的个位为止。
然后调用一个循环语句一位一位的移出【7】。
因为要显示内容的汉字部分是不变的,所以以后每次要更新的只是数据的值,就不再调用汉字显示程序了。
3.2.4LCD显示设计
在显示部分我们使用LCD1620液晶显示器,它是利用液晶经处理后能改变光线的传输方向的特性实现显示信息的。
液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点,在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。
其外观如图3.6所示。
图3.6LCD1602液晶显示器
LCD1602是一款字符型液晶模块,使用2行16个字的5*7点阵图形来显示字符,它采用标准的16脚接口,各引脚情况如表3.2。
表3.2LCD1620液晶引脚分布
第1脚
VSS电源地
第9脚
D2双向数据线
第2脚
VDD+5V电源
第10脚
D3双向数据线
第3脚
VEE液晶显示偏压信号
第11脚
D4双向数据线
第4脚
RS数据/命令选择端
第12脚
D5双向数据线
第5脚
R/W读/写选择端
第13脚
D6双向数据线
第6脚
E使能端
第14脚
D7双向数据线
第7脚
D0双向数据线
第15脚
BLA背光源正极
第8脚
D1双向数据线
第16脚
BLK背光源负极
LCD1620与单片机的数据端和指令端可以直接与单片机的I/O口相连接,其中第3脚为液晶对比度调节端口,接地时对比度最强【3】;接电源时对比度最强;因此,我们可以连接一个10K的滑动变阻器来调节液晶的对比度;在15脚的背光地接一个小电阻进行限流;则TS1602与单片机的连接如图3.7示。
图3.7单片机与LCD1602液晶的连接电路图
LCD1602的内部结构主要由DDRAM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大规模集成电路组成【7】。
DDRAM为数据显示用的RAM,用以存放LCD显示的数据,只要将标准的ASCII码放入DDRAM,内部控制线路就会自动将数据传送到显示器上,并显示出该ASCII码对应的字符;
CGROM为字符产生器ROM,它存储了192个5*7的点阵字型,但只能读出不能写入;
CGRAM为字型、字符型的RAM,可供使用者存储特殊造型的造型码,但它最多只能存8个造型;
IR为指令寄存器,负责存储MCU要写给LCD的指令码,当RS及R/W引脚为0且E由1变为0时,D0~D7引脚上的数据会存入到IR寄存器中;
DR为数据寄存器,它负责存储微机要写到CGRAM或DDRAM的数据,因此可将DR看成一个数据缓冲器;
BF为忙碌信号,当BF=1时,不接收微机送来的数据或指令;当BF=0时,接收外部数据或指令,所以在写数据或指令到LCD之前,必须查看BF是否为0;
AC为地址寄存器,负责计数写入/读出CGRAM或DDRAM的数据地址,AC依照MCU对LCD的设置值而自动修改它本身的内容【4】。
3.2.5LCD液晶显示模块
键盘是人操作本系统的唯一通道,系统收到人对它的操作没,就在LCD液晶显示模块中体现,所以LCD液晶显示模块是人和该系统的直接对话窗口。
图3.8LCD液晶连接图
在以往的人机对话界面中用LED数码灯,LED数码二极管只能显示零到九数字和小数点,显示太单纯,内容不丰富,难以满足用户的需求,而且显示所占的地方太大,电路设计难,电路图较复杂,随着液晶显示技术的进步,高质量的液晶显示模块会被日趋广泛地应用于各种嵌入式系统中。
在系统的整体设计中,人机交互界面的设计往往占据着很大一部分工作。
3.3CPU应用系统设计
在这里,我们采用了MCS—51单片机,下面对它作一些介绍:
ATMEL89C51单片机电路接口如图3.9所示。
图3.9ATMEL89C51主体电路
3.3.1ATMEL89C51单片机介绍
(1)主要性能
●与MCS-51单片机产品兼容
●8K字节在系统可编程Flash存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作:
0Hz~33Hz
●三级加密程序存储器
●32个可编程I/O口线
●三个16位定时器/计数器
●八个中断源
●全双工UART串行通道
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
●掉电标识符
图3.10ATMEL89C51内部结构图
(2)功能特性描述
ATMEL89C51内部结构图如图3.10所示。
ATMEL89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程FLASH存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容【8】。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止【9】。
(3)ATMEL89C51引脚结构如图3.11所示。
图3.11ATMEL89C51引脚结构图
(4)ATMEL89C51各管脚作用
VCC:
电源
GND:
地
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻【5】。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如表3.3所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
表3.3引脚P1口功能表
引脚号
第二功能
P1.0
T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址【10】。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 直流电机 转速 控制