單片機課程設(shè)計溫控直流電機轉(zhuǎn)速

1、 摘 要本論文要求使用單片機進行電路設(shè)計，同時單片機部分應(yīng)帶有顯示功能。單片機對某個位置進行溫度監(jiān)控，當外部溫度45時，電動機加速正轉(zhuǎn)，當溫度75時，電動機全速正轉(zhuǎn)；當外部溫度10時，電動機加速反轉(zhuǎn)，當溫度0時，電動機全速反轉(zhuǎn)；當溫度回到1045之間時電動機逐漸停止轉(zhuǎn)動。溫度采集模塊可以采用一只溫度傳感器 DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值， 利用單片機的一個I/O口的引腳，通過軟件對這個引腳不斷地輸出高低電平來實現(xiàn)PWM波的輸出，51系列單片機無PWM輸出功能，可以采用定時器配合軟件的方法輸出。對精度要求不高的場合，非常實用。所謂脈沖寬度調(diào)制是指用改變電機電樞電壓接通與斷

2、開的時間的占空比來控制電機轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。PWM驅(qū)動裝置是利用全控型功率器件的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，改變直流電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。對于直流電機調(diào)速系統(tǒng)，其方法是通過改變電機電樞電壓導(dǎo)通時間與通電時間的比值（即占空比）來控制電機速度。本次設(shè)計可以作為簡單控制向復(fù)雜控制的過度，實現(xiàn)直流電機啟動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進行轉(zhuǎn)速控制。為以后復(fù)雜控制設(shè)計做基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞： PWM；單片機；溫度控

3、制1 設(shè)計總說明1.1 引言在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用，無論在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是在日常生活中的家用電器，都在大量地使用著各式各樣的電動機。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有的90%以上的動力源來自于電動機，我國生產(chǎn)的電能大約有60%用于電動機。電動機與人們的生活息息相關(guān)，密不可分。隨著現(xiàn)代化步伐的邁進，人們對自動化的需求越來越高，使電動機控制向更復(fù)雜的控制發(fā)展。1.2 研究意義對電動機的控制可分為簡單控制和復(fù)雜控制兩種，簡單控制是對電動機進行啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制，復(fù)雜控制是對電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電

4、壓、電流等物理量進行控制。本次設(shè)計可以作為簡單控制向復(fù)雜控制的過度，實現(xiàn)直流電機啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進行轉(zhuǎn)速控制。為以后復(fù)雜控制做為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約

5、人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制，控制靈活性和適應(yīng)性好，無零點漂移，控制精密高，可提供人機界面，多機聯(lián)網(wǎng)工作。采用智能功率電路驅(qū)動比傳統(tǒng)的分立功率器件組成的驅(qū)動體積小，功能強；減少了電路元器件數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性；監(jiān)控更容易實現(xiàn)；集成化使電路的連線減少，減少了布線電容和電感以及信號傳輸?shù)难訒r，增加了系統(tǒng)抗干擾的能力；集成化使系統(tǒng)成本大大降低。1.3系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計將介紹一種基于單片機的溫度控制直流電機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用AT89C51單片機為核心，通過AT89C51 單片機驅(qū)動數(shù)字溫度傳感器DS18B20，進行溫度數(shù)據(jù)采集通過溫度的比較和溫度范圍設(shè)定的程

6、序控制產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號；通過L298驅(qū)動芯片來控制直流電機的啟動、速度、方向的變化；通過LM016L顯示溫度。論文包括對單片機的功能及各個管腳和晶振復(fù)位電路的介紹，整個電路設(shè)計包括溫度采集模塊，單片機控制模塊，溫度顯示模塊，和電機及電機驅(qū)動模塊。2系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)的設(shè)計要求及主要技術(shù)指標 本論文要求使用單片機進行電路設(shè)計，同時單片機部分應(yīng)帶有顯示功能。單片機對某個位置進行溫度監(jiān)控，當外部溫度45時，電動機加速正轉(zhuǎn)，當溫度75時，電動機全速正轉(zhuǎn)；當外部溫度10時，電動機加速反轉(zhuǎn)，當溫度0時，電動機全速反轉(zhuǎn)；當溫度回到1045之間時電動機逐漸停止轉(zhuǎn)動。2.2系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案

7、設(shè)計，如下圖1單片機溫度顯示溫度采集DS18B20PWM輸出電機驅(qū)動L298直流電動機系統(tǒng)供電圖1 系統(tǒng)總體方案圖2.3 總體方案論述 該系統(tǒng)采用AT89C51單片機為核心，通過DS18B20進行溫度采集，送入單片機，經(jīng)過軟件編程進行溫度的比較和范圍劃定，然后通過程序控制由單片機產(chǎn)生不同的PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號，送給電機驅(qū)動芯片L298的使能端口，通過L298驅(qū)動芯片來控制直流電機的啟動、速度、方向的變化；單片機將溫度數(shù)據(jù)傳送給LM016L顯示溫度。整個電路設(shè)計包括溫度采集模塊，單片機控制模塊，溫度顯示模塊，和電機及電機驅(qū)動模塊。3 硬件電路設(shè)計3.1 溫度采集模塊的電路連接DS18B20

8、 有三個管腳：GND 為電源地，DQ 為數(shù)字信號輸入/輸出端，VCC 為外接供電電源接入端（用寄生電源方式時接地）。在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時VCC、GND接地，I/O接單片機I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻。本系統(tǒng)中DS18B20的DQ口與單片機的 P3.3口連接，GND 接地。Protues軟件仿真圖如圖2所示。圖 2 DS18B20的Protues仿真圖3.2轉(zhuǎn)速控制模塊設(shè)計A（IN1）、B(IN2)分別與AT89C51單片機的P1

9、.0、P1.1相連接，輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)。ENA與單片機的P1.2口相連接，P1.2口輸出控制電動機轉(zhuǎn)速的PWM信號，來控制電動機的加速、減速，啟動、停止。由于我們使用的電機是線圈式的，在從運行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止狀態(tài)和從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀態(tài)時會形成很大的反向電流，在電路中加入二極管的作用就是在產(chǎn)生反向電流的時候進行泄流，保護芯片的安全。上面接電源那個是當VS斷電后，電機的產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生很大的電動勢保護電機(因為電機可能正傳或者反轉(zhuǎn)，所以兩個方向均要設(shè)計二極管)，接地那個作用在于保護單片機等元件。圖 3 轉(zhuǎn)速控制模塊protues仿真的電路圖3.3 溫度顯示模塊設(shè)計數(shù)據(jù)手冊

10、中可能介紹LM1602內(nèi)部D0D7已有上拉，可以使用P0口直接驅(qū)動。在Proteus里LM016L內(nèi)部可能沒有,應(yīng)該人為加上拉電阻。圖 5 溫度顯示模塊設(shè)計proteus仿真圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件構(gòu)架端口初始化液晶顯示程序DS18B20函數(shù)初始化讀取溫度值并顯示延時開啟中斷T0定時器控制電動機正/反轉(zhuǎn)，并通過PWM信號控制電動機轉(zhuǎn)速等待中斷開始返回圖 6系統(tǒng)軟件總框圖5 元器件清單表 2 元器件清單學(xué)名稱型號畢數(shù)量備注單片機AT89C511二極管1N40071 電容CAP2220pF2100nF電解電容CAP-ELEC110uF晶振CRYSTAL112MHZ溫度采集器DS18B201

11、電機控制元件 L2981LCD顯示器LM016L1電機轉(zhuǎn)子MOTOR-DC1 電阻排阻RESPESPACK11110K4.7K6電路設(shè)計仿真圖 7 設(shè)計電路的proteus仿真結(jié)論本方案實現(xiàn)了單片機通過對溫度的采集和比較對直流電機進行轉(zhuǎn)速控制，以及利用軟件模擬實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速的方法。以AT89C51單片機為控制核心，通過DS18B20進行溫度采集，送入單片機，經(jīng)過軟件編程進行溫度的比較和范圍劃定，然后通過程序控制由單片機產(chǎn)生不同的PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制信號，送給電機驅(qū)動芯片L298的使能端口，通過L298驅(qū)動芯片來控制直流電機的啟動、速度、方向的變化實現(xiàn)了對普通直流電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，為

12、進一步研究和優(yōu)化直流電機控制方法提供了基礎(chǔ)。達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求：單片機對某個位置進行溫度監(jiān)控，當外部溫度45時，電動機加速正轉(zhuǎn)，當溫度75時，電動機全速正轉(zhuǎn)；當外部溫度10時，電動機加速反轉(zhuǎn)，當溫度0時，電動機全速反轉(zhuǎn)；當溫度回到1045之間時電動機逐漸停止轉(zhuǎn)動。從這次的設(shè)計中，我真真正正的意識到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當中，學(xué)習(xí)單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次設(shè)計中的最大收獲。參考文獻1 王之道,周靖,劉旭,一種基于AT89C2051單片機的直流電機調(diào)速裝置, J機械工程與自動化2009(5) 2 茹占軍,謝家興

13、,基于AT89S52單片機直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計, J.軟件導(dǎo)刊2010, 9(8)3 趙鴻圖,基于單片機AT89C51的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)J.電子技術(shù) ，2008, 45(10)4 周潤景,張麗娜.基于Proteus的電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006. 5 寧成軍,張江霞.基于Proteus和Keil接口的單片機外圍硬件電路仿真J.現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(18):142-143,146. 6 陳良光，管聰慧.由數(shù)字式傳感器 DS18B20 構(gòu)成的多點測溫系統(tǒng)J.傳感器世界, 1999, 9.7 杜洋,DS18B20溫度傳感器應(yīng)用解析,2007.3

14、.168 馬忠梅，張凱，等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(第四版).北京航空航天大學(xué)出版社實驗程序#include#include#difine uchar ；unsigned char#difine uint ；unsigned int#define delayNOP() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();sbit DQ =p33;sbit LCD_RS=p20;sbit LCD_RW=p21;sbit LCD_EN=p22;sbit MA =P10;sbit MB =p11;sbit PWM1 =p12;uchar code temp_DISP_Title =C

15、urrent temp : ;uchar current_temp_Display_Buffer=TEMP: ;/溫度字符uchar code_temperature_char8 =0x0C,0x12,0x12,0x0C,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,;/ 溫度小數(shù)位對照表uchuar code df_Table =0,1,1,2,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9 ;uchar CurrenT = 0; /當前讀取的溫度整數(shù)部分char Signed_Temp = 0; /有符號溫度值uchar Temp_Value = 0x00,0x00; /從DS18

16、B20讀取溫度值uchar Back_Temp_Value = 0xFF,0xFF; /溫度數(shù)據(jù)備份uchar Display_Digit = 0,0,0,0; /待顯示的各溫度數(shù)位bit DS18B20_IS_OK = 1; /傳感器正常標志uint tCount = 0;/-/延時 1/-void DelayXus(int x) uchar i; while(x-) for (i=0;i200;i+);/-/液晶控制函數(shù)-/uchar LCD_Busy_Check() reentrant/void Write_LCD_Command (uchar cmd)/void Write_LCD_D

17、ata (uchar data)/void LCD_Initialise ()/void Set_LCD_POS (uchar pos)/void Write_NEW_LCD_Char ()/-/-/延時2/-void Delay(unit x)while (-x);/-/初始化DS18B20/-uchar Init_DS18B20() uchar DQ=1; Delay(8);DQ = 0;Delay(90); DQ=1; Delay(8);status = DQ;Delay(100);DQ=1; return status; /初始化成功返回0/-/讀一字節(jié)/-uchar ReadOneB

18、yte() uchar i,dat = 0; DQ = 1; _nop_(); for (i=0;i=1;DQ=1; _nop_();_nop_(); if(DQ) dat1=0x80;Delay(30);DQ=1; return dat;/-/寫一字節(jié)/-void WriteOnebyte (uchar dat) uchar i; for (i=0;i=1; /-/讀取溫度值/-void Read_Temperature() if(Init_DS18B20() = 1) /DS18B20故障 DS18B20_IS_OK = 0; else writeoneByte(0xCC); /跳過序列號

19、 writeoneByte(0x44); /啟動溫度轉(zhuǎn)換 Init_DS18B20(); writeoneByte(0xCC); writeoneByte(0xBE); /讀取溫度寄存器 Temp_Value0 = ReadOneByte(); /溫度低8位 Temp_Value1 = ReadOneByte(); /溫度高8位 DS18B20_IS_OK = 1; /-/在LCD上顯示當前溫度/-void Display_Temperature() uchar i; uchar t=150;/延時值 uchar ng = 0;/負數(shù)標識 /如果為負數(shù)則取反加1，并設(shè)置負數(shù)標識 if（Temp

20、_Value1 & 0xF8） =0xF8） Temp_Value1 = Temp_Value1; Temp_Value0 = Temp_Value0 + 1; if(Temp_Value0 =0x00) Temp_Value1+; ng= 1; /查表得到溫度小數(shù)部分 Display_Digit0 = df_Table Temp_Value0 & 0x0F ; /獲取溫度整數(shù)部分（無符號） Current = (Temp_Value0) & 0xF0)4) | (Temp_Value1 & 0x07)4); /獲取有符號溫度值（忽略小數(shù)位） Signed_Temp = !ng ? Curre

21、nT : - CurrenT; /將整數(shù)部分分解為三位待顯示數(shù)字 Display_Digit3 = CurrenT / 100; Display_Digit2 = CurrenT % 100/10; Display_Digit1 = CurrenT % 10; /刷新LCD顯示緩沖 Current_Temp_Display_Buffer11 = Display_Digit0 + 0; Current_Temp_Display_Buffer10 = .; Current_Temp_Display_Buffer 9 = Display_Digit1 + 0; Current_Temp_Displa

22、y_Buffer 8 = Display_Digit2 + 0; Current_Temp_Display_Buffer 7 = Display_Digit3 + 0; /高位為0時不顯示 if (Diplay_Digit3 = 0) Current_Temp_Display_Buffer7 = ; /高位為0且次高位為0時，次高位不顯示 if (Display_Digit2 = 0 & Display_Digit3 = 0) /負數(shù)符號顯示在恰當位置 if (ng) if (Current_Temp_Display_Buffer8 = ) Current_Temp_Display_Buffer8 = -; else if (Current_Temp_Display_Buffer7 = ) Current_Temp_Display_Buffer7 = -;) else (Current_Temp_Display_Buffer6 = -; /在第一行顯示標題 Set_LCD_POS(0x00); for(i = 0; i16; i+) Write_LCD_Data( Temp_Disp_Titlei ); /在第二行顯示當前溫度 Set_LCD_POS(0x40); for(i = 0; i=45時加速正轉(zhuǎn)，75時全速運行 if ( Signed_