单片机课程设计说明书
目 录
1引言 ................................................................ 1 2 设计任务与要求 ..................................................... 1 2.1 设计任务 ........................................................ 1 2.2 设计要求 ........................................................ 1 3 本课程设计的意义 ................................................... 1 4 应用软件介绍 ....................................................... 2 4.1 Proteus仿真软件 .................................................. 2 4.2 Keil软件 ......................................................... 2 5 直流电动机转速控制系统硬件设计 ..................................... 3 5.1 电机测速即驱动部分 ............................................... 3 5.2电路供电系统 ...................................................... 3 5.3 显示部分 ......................................................... 4 5.4 数模转换 ......................................................... 4 6 设计方案 ........................................................... 5 6.1 直流电动机的工作原理 ............................................ 5 6.2 调速系统硬件设计原理 ............................................. 6 6.3 转速的测量原理 ................................................... 6 6.4 直流电动机转速控制系统的工作原理 ................................. 7 7 直流电动机转速控制系统软件设计 ..................................... 7 7.1 编程思路 ......................................................... 7 7.2 系统流程图 ....................................................... 8 8 结束语 ............................................................. 9 参考文献 ............................................................ 10 致 谢 ............................................................... 11
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1引言
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的不断进步，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的稳定性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
2 设计任务与要求
2.1 设计任务
温度控制直流电动机转速。 2.2 设计要求
（1）、使用ATC51单片机为核心，使用4位集成式数码管显示当前温度，温度传感器使用DS18B20，使用L298驱动直流电动机。
（2）、用4位集成式数码管显示当前温度，当温度在45C时，直流电动机在L298
00驱动下加速正转，温度在75C全速正转；当温度10C时，直流电动机加速反转，温000度0C时，直流电动机全速反转；温度10C~45C之间时，直流电动机停止转动。
0（3）、控制程序在Keil软件中编写，编译，整个控制电路在Proteus仿真软件中连接调示。
3 本课程设计的意义
直流电动机作为一种高效率速度控制电动机引人注目、但市场的知名度还小高。许多用户在设备用电动机的选择上经常出现不合理的现象。比如为了实现设备的功能、当变频器控制的异步电动机满足不了要求时就盲目的选用昂贵的伺服电动机、其中有些情况完全可以用价格较低的直流电动机来实现。
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采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。
采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；控制电路哈尔功率电路集成在一起，使监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。
4 应用软件介绍
4.1 Proteus仿真软件
Proteus是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。
该软件的特点：
（1）全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。
（2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。③ 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。④ 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。 4.2 Keil软件
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
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5 直流电动机转速控制系统硬件设计
5.1 电机测速即驱动部分
电机选用美国史普拉格公司生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部有稳压电路，霍尔电视发生器，放大器，施密特触发器和集成开路输出电路，具有工作电压范围宽，可靠性高，外电路简单，输出电平可与各种数字电路兼容等特点。
图5.1 直流电机驱动电路
5.2电路供电系统
电路通过6V电源供电，由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号送到单片机C51的P3．5脚，作为T1计数器计数使用，得到的计数值与设定的值进行比较形成偏差。根据比较结果通过Po端口送给DAC0832进行数／模转换，从而使得输出电压增大或者减少，得到模拟电压输出给功率放大电路放大，再去控制电机的转速。
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图5.2系统电源
5.3 显示部分
采用74LS1串入并出的移位寄存器给出串行口扩展的3位LED显示接口电路。
图5.3 LED显示接口电路
5.4 数模转换
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位D/A转换器，其内部结构如图5.4所示：
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图5.4 DAC0832内部结构图
芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲，单缓冲和直通三种输入方式，以便适与各种电路的需要。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，课通过一个告输入阻抗的线性运算放大器实现这个功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。
该片罗技输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接。
6 设计方案
6.1 直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理 一般了解1、直流电动机的构造分为两部分：定子与转子。记住定子与转子都是由那几部分构成的， 注意：不要把换向极与换向器弄混淆了，记住他们两个的作用。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。2、直流电动机的励磁方式直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电动机的励磁方式有4种：直流他励电动机、直流并励电动机、直流串励电动机和直流复励电动机。掌握4种方式各自的特点：直流他励电动机: 励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。直流并励电动机: 并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。直流串励电动机：励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁
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场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。直流复励电动机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。 6.2 调速系统硬件设计原理
图6.1 调速系统硬件原理框图
直流电机调速系统硬件原理框图如图6.1所示，以C51单片机为控制核心，包括车速电路，电源电路，数模转换电机驱动电路，显示电路和键盘控制电路。 6.3 转速的测量原理
转速是电机的一个最常用参数，电机的转速常以每分钟的转数来表示，其单位为r／min。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。
霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面(沿厚度d)方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为
式中：fl—洛仑磁力；q—载流子电荷；V—载流子运动速度；B—磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面问的电位差 称为霍尔电压。
霍尔电压大小为：
式中：—霍尔常数；d—元件厚度；B—磁感应强度；I—控制电流
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设
，则
为霍尔器件的灵敏系数(mV／mA／T)，表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
6.4 直流电动机转速控制系统的工作原理
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来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时，DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法。控制规律：
式中：Y—比例调节器输出；Kp—比例系数；K1—积分系数；e(t)—调节器的输人，一般为偏差值。
系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快(无滞后)，积分部分使系统消除静差。
7 直流电动机转速控制系统软件设计
7.1 编程思路
控制系统程序的功能是用C51单片机的，ID端El作为定时器、Tl作为霍尔元件产生脉冲输入的计数器，将两者的数值进行运算得出电动机的实际转速，并与给定值进行比较。如果测量值比设定值大，则Po端口的输出值减l送出给DAC0832控制电机转速减速。如果测量值比设定值小，则P0端口的输出值加1送出给DAC0832控制电机转速加速。运行过程中不断的调整，直到电机的转速达到设定为止。
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图7.1 直流电流电机转速控制系统原理图
7.2 系统流程图
图7.2 直流电动机转速控制系统流程图
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8 结束语
本系统用单片机构成直流电动机转速的控制系统，采用比例积分调节器算法，效率高转速稳定，电路简单。
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参考文献
[1]吴金戌. 沈庆阳，等．8051单片机实践与应用[M]．清华大学出版社 [2]苏家健. 曹柏荣，等．单片机原理及应用技术[M]．高等教育出版社 [3]肖兰. 马爱芳．电机与拖动[M]．中国水利水电出版社 [4]胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M]。北京：清华大学出版社 [5]孙虎章. [6]杨兴姚. 自动控制系统[M]。北京：广播电视大学出版社 电动机调速的原理及系统[M]。北京：水利电力出版社
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致 谢
感谢我的指导老师,课程设计是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。这么多天来，老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在课程设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进去课题到课程设计的顺利完成，有多少可敬的师长，同学，朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！
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