基于单片机的直流电机调速系统设计.doc

1、 目 录一、设计目的-二、设计要求-三、总体设计-1.直流电机调速原理 -2.直流电机调速设计方案-3.总体设计框图-四、各部分电路设计1.各种元器件- 80C51单片机简介- 晶振- D/A转换器-2.时钟电路-3.8位D/A转换芯片0832及其接口-4.按钮控制电路-五、整体电路图1.元件清单-2.调试与仿真-3.仿真的具体实现-六、设计总结1、 设计过程中遇到的问题及解决方法-2、 设计体会-3、 对设计的建议-七、参考文献-一、 设计目的 （1） 研究直流电机的调速性能 （2） 学会数模转换器的使用与连接二、 设计要求 通过改变输入来调节D/A输出，进而控制直流电动机的转速。具体的就是

2、通过改变开关的输入，然后通过80C51单片机中存储的程序的控制作用。三、 总体设计 直流电机调速原理 根据KVL方程：电机转速n=(Ua-IaRa)/Ca,其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说：电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以Ua-IaRa约等于Ua。由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变。图3-1所示电枢电压为a,电枢电流为，电枢电阻为,电机常数Ca，励磁磁通量是。所以直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法

3、来控制电动机的转速。直流电机调速方案下面作为控制直流电机的转速的方案做比较： 方案一：通过控制直流电机的电枢电压调速（即本实验所采用的方案），对于小容量的电机，当要求转速不太精确的情况下，采用控制直流电机的电枢输入电压或电流是一种十分方便而竞经济的方法，输入电压（电流）容易控制而又容易得到，所以采用本方案。 方案二：通过控制直流电机的激磁大小来控制直流电机的转速，此方案需要能调节激磁的直流电机，电路的气他部分则相同，然而对于这类电机，价格相对较贵，较之方案一则显得不那么经济，况直流电机调速本身是一种相对较小的系统，所以本方案较之方案一相对复杂且不经济。方案三：即将方案而二和三结合起来，此方案相

4、对来说则更为复杂和不经济，因此选择方案一。 具体地说本设计采用STC89C51做为主要芯片，输入汇编语言程序，采用DAC0832作为数模转换芯片，输出直流电机所需的电压，通过控制直流电机的输入电压来控制它的转速。 总体设计框图如下所示80C51DAC0832 转换器80C51时钟电路运算放大器按钮控制 电路直流电动 机 四 各部分电路设计 1 各种元器件 80C51单片机简介 80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能

5、寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 (1) 80C51单片机的构成 a微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。 b数据存储器 片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 c程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的

6、容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。 d中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。 e定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。 f串行口由1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。g P1、P2、P3、P4口为4个并行8位I/O口。80C51的四个I/O口在使用上的分工和特点 P0口: 可作通用I/O口用，也可作地址/数据线用。作通用I/O口用时，输出级为开漏极电路，在驱动外部电路时应接上拉电阻;在接有外部存储器时，P0口作地址/数据

7、线用，先输出低8位地址到外部地址锁存器，后输人指令代码或输人/输出数据。 Pl口: 是一个8位准双向口，作通用I/O口用。 P2口: 是一个8位准双向口，作通用I/O口用。当外部接有存储器时，可用于输出高8位地址。 P3口: 是一个多功能端口。其基本功能仍然是通用I/O口，使用时与Pl、P2口类似。其第二功能则是串行口，外部中断线，定时器/计数器的输入及外部数据存储器的选通信号等。 h特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。 8

8、0C51单片机的最小应用系统设计80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.1 80C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。 其应用特点：(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。 （2）80C51的时钟电路 80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内

9、部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。XTAL1：接外部石英晶体的一端，在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，它是片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间

10、选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF.在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（3）复位电路 80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就以实现自动上电复位。 晶振 晶振的作用和原理 ：每个单片机系统

11、里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方

12、法保持同步。 晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 下面就具体的介绍一下晶振的作用以及原理，晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。 D/A转换器D/A转换器：数/模转换器，它把数字量转换成电模拟量。即把二进制数字量转换为与其数值成正比的电模拟量。 DAC0832引脚图1.

13、 D/A转换器的性能指标 1）分辨率：是指D/A能转换的二进制位数，位数越多，分辨率越高； 例：转换8位，若电压满量程为5V，则能分辨的最小电压为：5V/25620mV； 2）转换时间：指数字量输入到转换输出稳定为止所需的时间； 3）精度：指D/A实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位； 例：1/2LSB，若是8位转换，则精度是（1/2）（1/256）满度= 1/512满度。 4）线性度：当数字量变化时，D/A输出的电模拟量按比例关系变化的程度。 模拟量输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。 2. D/A和微机接口技术的关键 是数据锁存问题。 有些D/A芯片本身不带

14、数据锁存器，而CPU向D/A芯片输出一个数据只在DB上持续很短时间，所以必须用外部芯片，如用74LS273或8255A作为D/A转换的数据锁存器。 3 8位D/A转换芯片0832及其接口 0832芯片采用CMOS工艺，电流输出型D/A，8位，转换时间约1us。 主要性能 输入的数字量为8位； 采用CMOS工艺，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容； 数字了输入可以采用双缓冲，单缓冲或直通方式； 转换时间：1us； 精度：1LSB； 分辨率：8位； 单一电源，5V15V，功耗20mW； 参考电压：+10V-10V。 2）内部结构及引脚功能 DAC0832的内部结构框图和外部引脚参见图11.1。 内部结

15、构 a 8位输入寄存器：可作为输入数据第一级缓冲； b 8位DAC寄存器：可作为输入数据第二级缓冲； c 8位D/A转换器：将DAC寄存器中的数据转换成具有一定比例的直流电流。 d 逻辑控制部分：0832芯片内部有两个数据缓冲器，分别由两组控制信号控制，当ILE=1 =0 =0时，D7D0上的数据锁存到输入寄存器中。 当 =0 =0时，输入寄存器中的数据被锁存到DAC寄存器中。 引脚功能 (1)、DI7DI0 ：8位的数据输入端，DI7为最高位。 (2)、IOUT1 ：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。(3)、IOUT2

16、 ：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。(4)、RFB ：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5)、VREF ：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。(6)、Vcc ：芯片供电电压，范围为(+5 15)V。 (7)、ILE：数据输入锁存允许，高电平有效； (8)、AGND ：模拟

17、量地，即模拟电路接地端。 (9)、DGND ：数字量地。 利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、锯齿波等，以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。这些复合波形利用标准的测试设备是很难产生的。DAC0832转换器，它把数字量转换成电模拟量。即把二进制数字量转换为与其数值成正比的电模拟量。 此设计电路主要由DAC0832与80C51连接及其接口电路，按钮控制电路，80C51的时钟电路，DAC0832与运算放大器的连接电路以及直流电动机的连接电路等组成。 2 设计电路中的时钟电路 设计电路中的时钟电路由一个晶振，两个电容和一个电解电容组成为电路提供所需时钟脉冲。其中晶振的频率6Mhz，两

18、个电容为30pF主电路，80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用外部时钟方式。时钟电路的晶振一端接XTAL1，另一端接XTAL2，电解电容的正极端接C51的RST，保持低电平，保证单片机正常工作。3 DAC0832与80C51接口电路：采用一个80C51和一个DAC0832转换器来输出电路调节后的模拟信号，来供给直流电机，通过改变DAC0832的输入，进而改变DAC0832的输出进而对直流电动机进行调速。电路图如下 DAC0832与80C51接口电路图 电路由80C51单片机P0.1-P0.7口接

19、DAC0832的数据输入端D1.0-D1.7，即P0口输出八位电信号给DAC0823的D0D7作为数据输入端。单片机P2.7 口输出作为DAC0832转换器的片选信号和控制数据传输控制信号输入的信号，P3.6口作为DAC0832的写选通信号控制输入的信号和DAC0832的寄存器选通输入端的信号，同时有AGND 模拟量地即模拟电路接地端和DGND 数字量接地端共同接地。 DAC0832与80C51接口电路的连接时80C51单片机的输出作为DAC0832的输入，从而实现了80C51单片机的控制，进而达到控制DAC0832的输出，也就是控制直流电动机的输入。 4 按钮控制电路 按钮控制电路示意图按钮

20、控制电路是该直流电动机调速设计电路中的控制部分，也就是通过该按钮控制电路实现直流电动机的调速。80C51单片机的P1.4和P1.6的输入接按钮的一端，按钮的另一端接地，这样的连接实现了通过按钮的0和1状态使80C51单片机的输入发生改变。5 DAC0832与运算放大器以及电动机的接口电路 DAC0832的IOUT1端即模拟电流输出端1和IOUT2端即模拟电流输出端2分别与运算放大器的反相输入端和正向输入端相连接。运算放大器的输出端与直流电动机的一端相连接，而直流电动机的另一端接地。 五 整体电路图 整体电路设计图1元件清单： 1 两个电容， 2 一个电解电容 3 四个按钮 4 80C51单片机

21、 5 DAC0832转换器 6 运算放大器LM358 7 直流电动机 8 欧姆电阻 9 晶振源 10 15V直流电源2 调试与仿真 硬件调试：连接电路后，运行PROTUES软件 软件调试：通过运行KEIL软件实现对软件的调试 设计的软件程序为 源程序： ORG 0000H START: LJMP MAIN ORG 0030H MAIN: MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#00H MOVX DPTR,A LOOP1: JNB P1.0,LOOP1 LOOP2: JNB P1.2,INCD JNB P1.4,DECD JNB P1.6,STOP SJMP LOOP2 INCD: ADD

22、 A,#20H MOVX DPTR,A CJNE A,#0E0H,LOOP2 MOV A,#00H SJMP LOOP2 DECD: CLR C SUBB A,#50H MOVX DPTR,A CJNE A,#00H,LOOP2 MOV A,#00H SJMP LOOP2 STOP: MOV A,#00H MOVX DPTR,A JNB P1.0,STOP SJMP LOOP2 END 3仿真的具体实现 加速：按上面的按钮即可实现电动机的加速 减速：按下面的按钮即可实现电动机的减速 仿真中的电动机的加速运行如下图所示 仿真电机加速运行图 六、设计总结 1 设计过程中遇到的问题及解决方法： （1

23、 80C51的功能引脚图和接线方法不是很了解，但是在设计过程中运用参考书和通过向老师咨询的一解决。 （2）在焊接的过程中由于不太熟练焊接技术造成焊接时间花费很多，后来由于焊接的次数多了，焊接的方法也逐渐的熟悉起来，。 2 设计体会 单片机是现代化的硬件设备，为我们的生活带来了很多便利，随着科学技术的日新月异，现代化的设备逐渐向自动化迈进，而单片机技术是自动化的必备手段，他方便实用，为自动化生产带来了很多便利，因此学好单片机技术显得有为重要，而在单片机的学习中实验和实践则是更必不可少，动手操作可以使我们对书本知识更加了解，同时为我们将来在实际生产中的世纪应用也是大有裨益，对网络和书本知识的检索

24、能力也得到提升。基于单片机应用系统设计比较的难,从未接触过任何的应用系统的设计,对老师要求我们做的应用系统的设计根本无从下手,于是从图书馆借了几本有关单片机的应用系统的实例书籍，并且在网上参考了较多本实例的应用知识，了解了系统设计报告的写法和结构。参考了网上较多的实例，实在话，让我自己亲手动手去做实在不能完成，只有通过图书馆借的书和通过网络才可完成。这一定程度上也提高了网上搜索信息的能力。在借鉴了网上的信息，同时添加了自己借的书中的一些内容，整合成了这篇设计。 3 对设计的建议 希望以后这种的设计会更多，让我们的书本知识和实际操作联系起来，让书本知识活跃在我们的生活中，那样我们的书本知识学着就不再那么枯燥乏味。七 参考文献 1单片机原理及应用（杨恢先 黄辉先主编）人民邮电出版社 2.单片微型计算机原理及应用，张毅坤陈善久裘雪红，西安电子科技大学出版社 3.单片机课程设计实例指导，李光飞，北京航天航空大学出版社，2004 4.机原理及接口技术（第3版），李朝青，北京航空航天大学出版社，2002 5.单片机C程序设计及应用实例，胡伟，人民邮电出版社，2003 6.51单片机c语言教程，郭天祥，电子工业出版社，200917