江南大学。
物联网工程学院。
课程设计报告。
课程名称： 单片机原理及应用。
设计题目： 基于单片机的直流电机控制器设计
班级自动化0904
姓名： 郝君学号： 27
指导教师： 赵芝璞评分。
2012年06月27日。
一、设计目的3
二、设计要求3
三、设仪器备4
四、硬件线路图及主要芯片说明………4
五、系统工作原理9
六、程序流程图12
七、设计程序16
八、设计体会16
一、 设计目的。
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。
通过具体小型测试系统设计，实践单片机系统设计、上机调试及再设计的全过程，以加深对单片机内部结构、原理功能和指令系统的进一步理解，并进一步学习单片机开发系统的原理与应用以及一些外围芯片的接口和编程调试方法与技巧，初步掌握单片机系统的硬、软件设计技术及调试技巧。
本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、正反转控制还要进行转速控制。为以后复杂控制做为基础学习。
二、 设计要求。
1）电机转速可以平稳控制。
2）通过键盘和显示器可以设置电机的转速。
3）显示电机的速度趋势。
直流电机控制系统主要是以c8051单片机为核心组成的控制系统， 本系统中的电机转速与电机两端的电压成比例， 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比， 因此， 由mcu内部的可编程计数器阵列输出pwm波， 以调整电机两端电压与控制波形的占空比， 从而实现调速。实现对直流电动机转速的控制，可具体划分为2~3档，既低，中，高三个不同的转速等级。并通过开关作为转速选择。
当开关均处于打开时电动机停止；开关1闭合，开关2打开时电动机处于低速运行；开关1打开，开关2闭合时电动机处于中速运行；开关1闭合，开关2闭合时电动机处于高速运行。
三、 仪器设备。
四、 硬件线路图及主要芯片说明。
硬件线路如图所示，因为实验箱上直流电动机功率很小所以可以用单片机直接驱动。用导线连接a2去的p10与b8区的j78接口zdj_a，b8区j78接口的zdj_b连接到c1区的gnd并短接b8区jp18的电机电源跳线。同时将拨盘开关的连接到单片机，并将单片机、38译码器、与小灯连接以显示当前选择的转速模式。
芯片主要有mcs-51单片机芯片和74ls138。此次设计中我们只用到了译码器的低二位输入便可满足要求。输出端也仅仅用了4端。
1) 单片机**器、编程器、实验仪三合一综合开发平台。
a. 概述：
单片机**器、编程器、实验仪三合一综合开发平台是广州致远电子****设计的基于keil c51集成开发环境下的dp系列单片机**实验仪之一，是一套功能强大、性能完美的mcu综合实验开发系统。在dp-51pro的基础上增加了编程器和**器，形成了单片机**器、编程器、实验仪三者俱全的综合性开发平台。它支持全系列标准8051芯片**(包括最新推出的低电压v系列)，并且内部集成了一个51pro编程器，可以对单片机进行并行编程。
b. 功能特点：
单片机综合**实验仪集成有强大的硬件资源，并且为用户提供了多种选择，使用用户可以进行各种相关的实验。
自带5v、12v、-12v电源，其中5v电源可提供2a电流，12v可提供500ma，12v可提供300ma，含瞬时短路保护和过流保护；
配备tkstudy ice独立的实时硬件**器；
带有51pro编程器用于烧写51系列单片机和串行e2prom；
dip40脚圆孔座即可用于插放**头又可用于插放在51pro上烧写好的单片机；
灵活简单的138译码和373锁存电路，方便用户随意设置；
集成1路完全功能的can-bus现场总线接口；
集成1路usb1.1接口；
集成1路usb2.0接口(可供用户选配)；
集成1路tcp/ip以太网接口(可供用户选配)；
支持cpld实验，(可供用户任意选择，需要或不需要)；
带有128*64的点阵液晶模块及接口，和一个16*2字符型液晶模块的接口(可供用户任意选择)；
8×8led点阵模块；
步进电机、直流电机实验；
adc0809 并行ad、dac0832并行da实验，串行ad实验；
555实验电路；
由键盘显示芯片zlg7290控制的8个8段数码管和16个按键；
8个拨码开关、8个led、8个独立的按键；
接触式ic卡实验；
非接触式ic卡读卡模块实验(可供用户选配)；
lm324 四运放，可以搭建各种运放电路，做运放实验；
继电器驱动及控制电路，可做各种继电器控制实验；
i2c接口的eeprom和rtc实时时钟电路；
rs232和rs485接口电路；
交流蜂鸣器驱动控制电路；
pwm脉宽调制输出接口；
电位器电压调节电路；
8155 i/o口扩展实验；
74ls164串转并、74ls165并转串实验；
红外收发数据实验；
18b20单总线数字式温度传感器实验；
isd1420语音模块实验(可供用户选配)；
含有一个逻辑笔，可用于检查ttl电平的高低；
包含有一个12路输出的时钟源。
2) 原理图。
c5189c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperom—falsh programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的89c51是一种高效微控制器。89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
引脚简单说明：
电源引脚。vcc（40脚）：典型值＋5v。
vss（20脚）：接低电平。
外部晶振：x1、x2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，x2接振荡信号，x1接地。
输入输出口引脚：
p0.0-p0.7：p0口的8个引脚。在不接片外存储器与不扩展i/o接口时，可作为双向输入/输出接口。
p1.0-p1.7：p1口的8个引脚。可作为准双向i/o接口使用。
p2.0-p2.7：p2口的8个引脚。一般可作为准双向i/o接口。
p3.0-p3.7：p3口的8个引脚。除作为准双向i/o接口使用外，还具有第二功能。
控制引脚：
ale/prog:地址锁存有效信号输出端。
psen：片外程序存储器读选通信号输入端。
rst/vpd：复位端。
ea/vdd：片外程序存储器选用端。
五、 系统工作原理。
1、 直流电动机工作原理。
直流电机电路模型如图2.2所示，磁极n、s间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
2、 直流电机pwm调速原理。
1）直流电机转速。
直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势ea的正方向与电枢电流ia的方向相反，ea为反电动势；电磁转矩t的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩t2及空载转矩t0均与n相反，是制动转矩。
图2.3 直流电机的数学模型。
根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：
u=ea-ia（ra+rc式1.1
式1.1中，ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；
rc是外接在电枢回路中的调节电阻。
由此可得到直流电机的转速公式为：
n =ua-ir/ce式1.2
式1.2中，ce为电动势常数，φ是磁通量。
由1.1式和1.2式得。
n=ea/ce式1.3
由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0v时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。
2）pwm电机调速原理。
对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在t不变的情况下，改变t1和t2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。
图2.3 施加在电枢两端的脉动电压。
设电机接全电压u时，其转速最大为vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为d=t1/t，则电枢的平均电压为：
u平=u·d式1.4
由式1.3得到：
n =ea/ceφ≈u·d/ ceφ=kd
在假设电枢内阻转小的情况下式中k= u/ ceφ，是常数。
图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。
图2.4 占空比与电机转速的关系。
由图看出转速与占空比d并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。
由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机pwm调速原理。
3、 设计思路。
若要实现直流电机pwm调速，就必须产生pwm波。由于51单片机不能自行产生pwm，所以我们就要通过中断和定/计时器来完成pwm波形的产生和调制。同时调节高低电平进行pwm调制可以迅速，高效的对电机转速实现调节。
但确无形中给系统、程序增加了相当的复杂度，难于在短时间实现。所以我选择了利用定时器0来产生固定的高峰值，用定时器1来控制波形的低电平段。这样便可实现对占空比的调制，进而完成对电动机转速的控制。
虽然损失了一定的灵活度，确给编程降低了难度和压力，并且易于实现。
通过对拨盘开关的控制选择不同的转速等级实现对电机的控制。拨码开关状态通过单片机的p1.1和p1.
2送入。p1.0用于控制pwm的输出。
通过对不同的输入既高低电平识别，从而实现调速，具体说来就是使p1.2 、p1.1分别为：
00（空速状态），01（低速），10（中速），11（高速）。
通过对d1区j53的sw2、sw1按键进行置1或置0改变p1.2、p1.1的输出，即改变占空比，实现调速。
六、程序流程图。
主程序流程图。
子程序流程图。
七、 设计程序。
单片机课程设计
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目录。内容提要2 关键词2引言3 一 硬件电路设计3 一 电路板原理3 二 电路元器件3 二 软件设计3 一 秒钟设计方案3 二 时钟设计方案4 结语7单片机时钟设计。内容摘要 一 在实验板上用动态扫描显示00 59秒钟，具体要求如下 一 6m晶振 二 l9 l10显示00 59十进制数并循环，间隔...
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