运用AT89C51单片机对直流电动机转速的控制设计-大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料

摘要本次课程设计基于AT89C51单片机为核心，利用天皇教仪三合一实验箱。

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及实际应用，特别是单片机的编程语言，数模转换系统，PWM调节脉冲及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；目录1前言 (1)2 硬件部分的设计 (2)2.1硬件设计总体思路 (2)2.2单片机控制直流电机部分的硬件设计 (4)3 各硬件部分的连接与接口 (15)3.1 单片机与直流电机接口部分 (15)3.2单片机与LCD显示模块通信接口部分 (17)3.2各部分硬件结合原理及构造 (18)4 软件程序设计 (19)4.1系统软件设计的总体概述 (19)4.2系统各部分软件设计的思路 (22)5 系统的调试与现象分析 (24)6课设总结 (26)参考文献 (27)附录Ⅰ (27)附录Ⅱ (33)1前言近年来,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及过程控制等方面,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及转速的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，本文重点论述该实验装置的硬件组成,软件设计以及控制方案的实施。

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。

在电机控制方面也是靠人的感觉，没有侧速和侧距的概念，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、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液晶显示和案键部分。

该设计经过测试，实现了在LCD上的菜单多级滚动显示，达到预期的设计效果。

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，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。

液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同。

LCD是基于液晶电光效应的显示器件。

包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。

液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。

由于显示器件可用来重现图像图形、显示信号波形和参数，因此对显示器来说最重要的是显示彩色图像的质量。

目前CRT显示器件以其高的性能价格比和高性能的图像质量仍占据着大部分的显示市场，而LCD显示器以其不断下降的价格和不断提高的图像质量已作为平板显示器件的代表填补了CRT显示器件推出的市场，并且还在扩充者市场。

2 硬件部分的设计MCS-51 系列单片机是由Intel 公司早期研发的单片机产品,后来很多厂商以各种方式与Intel 合作,也推出了同类型的单片机。

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。

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，使用LCD显示出直流电机的转速，我们由题目可以既第一个部分应该为，用单片机控制直流电机的转速，并且系统应提供直流电机驱动、测速电路，使用单片机驱动直流电机，测量直流电机的转速，控制直流电机稳定运行在一个范围内。

其二，可以分析出第二个部分应该为，使用LCD显示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。

其三，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，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LCD模块所识别，并最终准确的显示出直流电机的转速。

系统总体结构设计是首先要完成的工作，在思想上有了好的设计方案并形成一个系统框图才能更好的进行下一步工作，用语言和图示来说明设计思想，条理更清晰明了。

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是内部自带保护电路的电动机驱动芯片，内置钳位二级管，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，当软件复位无法正常控制复位时，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，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，让操作者首先了解电动机的运行状态，方便控制电动机的运动。

使其运行在正转、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功放电路以及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，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电压时三极管截止，则电动机不转动；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直流电动机的转速控制方法可以分为2大类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法。

其中励磁控制法在低速时受磁饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制。

并且励磁线圈电感较大，动态性能响应较差，所以这种控制方法用的很少，多使用电枢控制法。

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：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范围内可调节，例如，电车、机床等，调节范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。

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Φ。

图2-4直流电机原理那么根据KVL方程:电机转速n=(Va -Ra)/CaΦ,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 - IaRa≈Va 。

由此可见我们改变电枢电压时,转速n 即可随之改变。