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1、职业技术学院毕业设计2012 届项目类别：毕 业 设 计项目名称：灌装饮料传送带控制专 业：班 级：姓 名：指导老师:摘要本次课程设计基于AT89C51单片机为核心，应用PWM技术对直流电机的速度进行精 确调节，并测量出电动机的转速，通过模数转换系统，使用LCD液晶显示器精确的显 示电动机的转速。本次课程设计的目的是更加熟练掌握单片机的工作原理与实际应 用，特别是单片机的编程语言，数模转换系统，PWM调节脉冲与LCD液晶显示器的工作 原理。关键字：51单片机；转速控制；模数转换；LCD液晶显示器；目录1前言12硬件部分的设计22.1硬件设计总体思路22.2 单片机控制直流电机部分的硬件设计32
2、.2.1直流电机组成原理32.2.2直流电机调速方案的设计42.2.3直流电机测速方案的设计62.2.4 PWM产生与控制部分方案的设计72.2.5 LCD显示部分方案的设计92.2. 6数模与模数转换部分方案的设计133各硬件部分的连接与接口 143.1 单 片 机 与 直 流 电 机 接 口部分143.2单片机与LCD显示模块通信接口部分163.3各部分硬件结合原理与构造174软件程序设计184.1系统软件设计的总体概述184.2系统各部分软件设计的思路215系统的调试与现象分析236设计总结24参考文献27单片机程序28单片机控制直流电机转速与温度测量程序33III / 391前言近年来
3、，随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入。在仪器仪表、 家用电器和专用装备的智能化以与过程控制等方面，单片机都扮演着越来越重要的角 色。将单片机的应用引入实际科技实践必将对微电子控制技术的研究与实践注入强大 活力。本次设计研究的直流电机转速控制与转速的LCD显示实验装置即以单片机作为 核心部件，它可完成对直流电机转速、方向的闭环控制，并应用LCD液晶显示装置显示 出转速。本文利用现代单片机和LCD液晶显示器的一切优点、组合实现功能的强大， 可方便以后电路的升级与扩展。本文结合LCD显示、电机控速、红外侧距、键盘操作 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。直流
4、电机调速性 能好，可靠性高，机械特性强，在自动控制中的应用极为广泛。直流电机的调速系统多种 多样，但系统复杂，控制精度和成品价格难以兼顾。本文使用价格低廉、应用广泛的MCS -51系列单片机为控制芯片，以PI调节控制算法为基础，完成对直流电机转速的调节， 达到了控制性能好，成本低的目的。本文重点阐述了该系统的基本工作原理、所采用的 相关技术等，进而交代了电机转速测量控制的实现方法。最后重点阐述了 LCD液晶显 示和按键部分。基于该系统在LCD上实现菜单控制系统在电路图设计比较方便，主要 分为四部分，电源部分、安键部分、LCD显示部分和控制部分；较复杂的是在控制软件 部分，软件控制部分分为三部分
5、，一部分是安键判断部分、菜单控制部分和显示部分。 液晶显示器（LCD）是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、 易于携带等优点。2硬件设计部分39383736353433323130292827262524232221s OQPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0EA/VPP ALE/PROG40C.O.123.45.6.7 mpo.po.po.po.po.po.popo.51系列单片机引脚图见图2-1，其优点是支持较为丰富而且简单的指令集，编程器通用且 兼容性好，具有单片机的典型代表性，因此该系列单片机在自动控制中应用最为广泛。23456
6、7891011121314151617IS1920PLO Pl.l Pl.2 PL3 Pl.4 Pl.5 PL6 Pl.7 RST/VPD RXDP3.0 TXD P3.1 INTO P3.2INTI P3.3 TO P3.4 T1 P3.5 WRP3.6 RDP3.7 XTAL2 XTAL1 VSS图2-1 8051 单片机引脚图2.1硬件设计总体思路根据本次课程设计的具体要求为：利用数模转换来改变直流电动机的转速，并使用LC D显示器系统显示出直流电机的具 体转速，并且单片机控制的电机实际转速与液晶显示器显示出的转速应该时时对应。这个硬件系统的隐含意义是，本系统应该具有数模和模数转换的部分
7、，因为这个模数 转换部分在这个系统中是不可缺少的，单片机控制的直流电机转速，在实际中无论是对电 机控制的信号，还是电机输出的信号都应该是数字信号，因为只有数字信号才能被单片机 所识别，而最重要的是，单片机控制的直流电机输出的转速的信号只有是数字信号时才能 被液晶显示LC。模块所识别，并最终准确的显示出直流电机的转速。在硬件电路的设计中，模块的组合要根据它们之间的控制和被控制的关系进行电路连 接。测速部分采用的是与被测电机同轴的测速发电机。它可以很方便快捷地将直流电机的 速度信号转换为可供CPU采集的模拟信号。CPUAT89S52是MCS-51系列单片机中用途比较广 泛的一种类型。8位输入输出数
8、据具有较高的运行速度。模数转换器CS-0832将模拟信号高 速转换为12位数字信号并将数字信号输出给CPU做数据处理。电动机驱动器件1293D是部自 带保护电路的电动机驱动芯片，置钳位二级管，拥有过电流保护和过电压保护功能。此外， 为避免在系统运行时出现飞车现象，专门设计复位电路。复位电路包括软件复位和硬件复 位2种，当软件复位无常控制复位时，可由硬件强行对其进行复位控制。系统可通过键盘 控制电机的转速方向和速率的改变，首先CPU不断对键盘进行扫描，当有按键按下时，CPU 将自动执行键盘程序对电动机进行转速控制。经过测速反馈电路进行实时检测转速可通过 LCD数码管显示电动机运行状态，使其运行在
9、正转、反转、加速、减速等不同的运行状态。 单片机控制电动机的系统总体结构如图1所示。我的硬件设计正是根据这个整体设计的思 路为指导进行的。调速系统的硬件设计原理方框图如图2-2所示，以AT89C51单片机为控制 核心，包括测速电路、PWM波形发生器和PWM功放电路以与LCD显示部分。图2-2硬件方框设计原理图2.2单片机控制直流电机部分的硬件设计2.2.1直流电机组成原理直流电动机结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称 为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷 装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，
10、是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕 组、换向器和风扇等组成。直流电动机的结构是由直流电源、直流电机、控制开关和调 速器组成。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电 刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定 则确定其工作原理不外乎就是用直流电源作为能量来驱动电机旋转。通过对三极管的截止 与导通进行控制，使其起到开、关和调速的作用。具体的操作为当直流电动机接上直流电 源时，使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电压。如直流电机控制原理图2-3图2-3直流电机控制原理1、当三极管的集极电压小于死区
11、电压时三极管截止，则电动机不转动；2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随着集极电压 改变，从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。具体原理为集极的电压 大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调速作用改变直流电动机的旋转速 度。2.2.2直流电机调速方案的设计本设计将采用电枢控制方法对电动机的速度和转向进行控制。电机调速控制模块的方 案假设：（1）直流电机转速调节：某些场合往往要求直流电机的转速在一定围可调节，例如，电车、机床等，调节围根据负 载的要求而定。调速可以有三种方法：（1）改变电机两端电压；（2）改变磁通；（3）在电 枢回路中，串联调节电
12、阻。采用第一种方法：通过改变施加于电机两端的电压大小达到调 节直流电机转速的目的。方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻 网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动 机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较 短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比 可调的开关状态，精确调整电动机转速。这
13、种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效 率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳 定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。(2)直流电机调速原理：图2-4所示电枢电压为Va ,电枢电流为Ia ,电枢回路总电阻为Ra ,电机常数Ca，励 磁磁通量是。r图2-4直流电机原理那么根据KVL方程：电机转速n=(Va-Ra)/c其中，对于极对数为p ,匝数为N ,电枢支路 数为a的电机来说：电机常数Ca = pN / 60 a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在Va - IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以Va - laRaVa。由此可
14、见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变。方案的确定：兼于直流电机工作原理，和以上所述的三种方案，由于方案三调速特性优良、调整平滑、调速围广、过载能力大，因此本设计的调速部分决定采用方案三。PWM调速工作方式：方式一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期，单片机两控制口各输出一个控 制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方式二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信 号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双5 / 39极性
15、工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。2.2.3直流电机测速方案的设计测速电路由附在电机转子上的光电编码盘与施密特整形电路组成。电脉冲的频率与电 机的转速成固定的比例关系，光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标准的TTL电平，输 入到单片机的两个外部中断：INT0和INT1,利用单片机部定时器/计数器T0和T1,以与部一 个寄存器作软计数器，循环地捕捉相邻两次速度脉冲，并由这两次触发所记录的时间差算 出其转速,再将这个转速与预置转速进行比较，得出差值,单片机通过对这个差值进行P |运 算，得出控制增量，在P010P013引脚送出控制信号改变PWM波形发生电路的占空比，最终 达到控制电机转速的目的。使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。当直流电机通过传动部分带动栅格圆盘旋转 时，测速光电门获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机两个定时/计数器配合使 用同，一个计数，一个定时。计算出单位时间的脉冲数m,经过单位换算，就可以算得直 流电机旋转的速度。直流电机转速计算公式：n=60 m/(N1TN)(rpm) 其中：n为直流电机转速，N为栅格数，N1为T0中断次数，m为计数器T
