直流电机测速毕业设计报告

目录1.引言22.设计任务及要求22.1设计任务22.2设计要求23.系统总体设计23.1方案论证24.软、硬件设计44.1系统硬件设计44.1.1系统硬件原理图及工作原理说明44.1.2单元电路设计原理与元件参数选择44.1.3硬件PCB图74.2系统软件设计94.2.1软件系统总流程图及设计思路说明94.2.2软件各功能模块的流程图设计及子程序列表95.安装与调试115.1安装调试过程115.2故障分析116.结论127.收获、体会和建议128.使用仪器设备清单139.参考文献1410.附件141.引言 在现代工业自动化高速发展的时期，几乎所有的机械装备都离不开电机，形形色色的电机在不同领域发挥着很重要的作用。与之而来的问题是怎么控制好电机，对于不同的场合，对电机的要求是不同的，本文主要分析的是最典型、最实用的控制方法PWM调速，并采用霍尔效应原理测得电机的转速。单片机是单片微型计算机的简称,它是在一块半导体芯片上集成了CPU、半导体存储器、I/O（Input/Output）接口、中断系统和定时器等计算机必备部件，所构成的一个完整的数字电子计算机。STC89C52是内部有8KROM，512字节RAM，内带2K字节EEPROM存储空间，可通过串口下载。 本设计分为软、硬件，软件由段超负责，硬件由张文平负责，毕业设计报告与周记由两人共同完成。2.设计任务及要求2.1设计任务 以单片机为核心，设计一个直流电机测速的电子试验仪，该仪器能实时调速，并用液晶显示。2.2设计要求 采用霍尔传感器采集电机的速度； 单片机实现直流电机的PWM的控制与实时测速； 电机转速的实时显示； 实用又美观的作品外壳制作； 其他可选功能。 速度显示范围10转/秒100转/秒3.系统总体设计3.1方案论证测速方法模拟测速：即利用测速电机作为发电机，通过检测反电势E的大小和极性即可得到转速N和电机转向；采用这种方法直接可以得到转速N和输出电压的特性曲线，直观，但也有很多不足，比如在高速和低速情况下实际输出偏离理想特性。数字检测技术：即通过分析数字信号产生的一系列脉冲间接获取电机转速。这种方法不会受高低速的限制，通过比较所以选择数字检测技术。电源模块使用电压源供电，可提供较稳定，精确电源，缺点是电压源体积太大，不利于设计的小体积要求。使用220V转15V，再使用三端集成稳压芯片LM7912、LM7812、LM7805将电压稳定至所需，缺点是散热不易，需加装散热片，体积小。A/D模块串行：采用CMOS单通道8位逐次逼近A/D转换器TLC549，采用串行方法传输数据，分辨率为8位。优点：电路简单，缺点：单通道，速度慢。并行：采用8路模拟量输入8位并行数字输出的逐次逼近型A/D转换器ADC0809，分辨率为8位。优点：8通道，速度快，缺点：电路复杂。 显示模块采用数码管动态显示，但显示的内容有限，不丰富。采用LED点阵显示，但需要的I/O资源较多。采用LCD液晶显示，显示内容最丰富，只通过8条数据线和3条控制线与单片机连接。最终方案：采用数字的检测，220V降压，并行，液晶显示以上4个方案进行制作。3.2系统结构框图设计及说明 系统结构框图见图3-2-1图3-2-1 系统结构框图 整体方案选定后，设计思路为：由AD板控制电机转速，数据处理由单片机进行，然后利用霍尔效应原理，当电机每转动一圈的时候就会发出相应的脉冲信号，脉冲信号的检测及收集储存由单片机定时器T0进行处理，然后由定时器T1计时，每隔一秒钟对数据进行显示，从而即达到了实时现实的目的了，这些显示数据由单片机控制，液晶模块进行显示。4.软、硬件设计4.1系统硬件设计4.1.1系统硬件原理图及工作原理说明 硬件由电源部分、单片机最小系统、液晶显示、独立按键、电源端子、电源指示、并行AD及PWM调速电机等模块构成。 系统硬件原理图见附件原理图 4.1.2单元电路设计原理与元件参数选择电源部分提供整块板所需电源（12V及5V），其原理为将市电通过变压器转换成为15V电压，再通过三端集成稳压器7812及7912将电压稳定至12V，再将+12V经过7805稳至+5V。单片机最小系统由电源、复位电路及振荡电路构成。电源由电源模块提供，复位电路如原理图，它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当RST引脚端保持2个周期以上高电平时，单片机进入复位状态。振荡电路提供振荡周期，晶振频率为11.0592MHz,机周为1us。液晶显示模块用于显示测量值及数据。它由8条数据线和3条控制线构成。 电源原理图见图4-1-2-1图4-1-2-1 电源原理图最小系统原理图见图4-1-2-2、4-1-2-3图4-1-2-2 最小系统原理图图4-1-2-3 最小系统原理图AD转换原理图见图4-1-2-4图4-1-2-4 AD转换原理图电机调速原理图见图4-1-2-5图4-1-2-5 电机调速原理图4.1.3硬件PCB图 最小系统PCB，见图4-1-3-1图4-1-3-1 最小系统PCB AD转换模块PCB，见图4-1-3-2图4-1-3-2 AD转换PCB4.2系统软件设计4.2.1软件系统总流程图及设计思路说明 总流程图，见图4-2-1-1图4-2-1-1 软件总流程设计思路：单片机上电运行后，通过读取AD的转换结果来控制电机的转速，霍尔元件发出的信号脉冲由单片机收集记录，并通过液晶显示模块显示出来。4.2.2软件各功能模块的流程图设计及子程序列表液晶模块流程图，见图4-2-2-1图4-2-2-1 液晶模块工作流程图设计思路：LCD模块三个引脚RS、RW和E的不同状态组合确定了单片机对LCD模块的4中基本操作：写命令操作读状态操作写数据操作读数据操作。 显示子程序流程图，见图4-2-2-2图4-2-2-2 显示子程序流程图设计思路：先是对液晶模块初始化，将显示的模式、样式定义完成，然后就是显示部分，固定字符的显示由查表得到（LCD标准字库表），实时显示数据由date3、date4、36H和37H寄存器读取，date3与date4的数据由CL将16进制数转成10进制子程序处理完成，36H与37H的数据由DTL占空比计算子程序处理完成。中断子程序流程图，见图4-2-2-3图4-2-2-3 中断子程序流程图设计思路：中断子程序的主要工作就是记录电机的转速值，每隔一秒钟将数据送出一次，时间由定时器1来完成，计数由定时器0来完成，当一秒钟时间到的时候将定时器0和定时器1全部关闭，直到显示数据处理完成再将定时器0和定时器1打开，并且将定时器0的数据清0，从而达到实时显示数据的目的。子程序列表，见表4-2-2-1表4-2-2-1 子程序列表名称功能入口参数出口参数adcon实现A/D转换无Ainitial设置LCD显示状态无无lcd_w_cmdLCD写命令COM无lcd_w_datLCD写数据DAT无lcd_r_statLCD读状态字无Adelay实现延时A无nop5实现1.5个NOP的延时无无delay1实现延时100us无无cl将16进制转换成BCD码VALUEH、VALUELDATE1- DATE4display计数值的处理显示DATE3、DATE4无dtl占空比的数据处理ADC36H、37Hcont中断子程序无VALUEH、VALUEL5.安装与调试5.1安装调试过程 本作品的主要由AD（模/数转换）功能模块、PWM调速电机模块、最小系统模块以及电源模块共同组成，安装调试的过程遵循由简到繁、由易到难的原则进行。 最小系统板的应用与调试，将一些外部器件，例如液晶模块安装到实验板上，并检测是否可用。电源板的制作与调试，本作品将会应用到+12V、-12V、+5V的电源，所以运用LM7912、LM7812、LM7805三块芯片获得此电压值。AD功能模块由主芯片ADC0809提供模/数转换，首先通过PROTUES软件仿真，仿真通过后再进行实物的制作，然后再进行调试直到通过为止。PWM调速电机模块由老师提供，本人只负责对该模块的学习了解以及使用，将以上模块准备完毕之后，再将此模块进行测试。5.2故障分析最小系统测试的时候，忽略了下载IO口有占用P1，一开始总会下载失败，后经同学讲解以及更换IO口得以解决。电源板的制作出现不少麻烦，一是稳压芯片通电时间过长以后容易发烫，后来安装了散热片得以解决，二是稳压芯片的稳压范围，例如LM7812能将+18V+13V的电压降为+12V，超出这个范围之后，+12V不稳定，后经使用220V15V的变压器得以解决。AD转换电路的PCB板制作以失败告终，原因是腐蚀电路板的时候FECL3放入的过多了，导致本应该保留的线路被腐蚀过度，造成整块电路无法在使用，后经老师同意改用万用板进行制作，AD转换电路的调试出现很大问题，一是对ADC0809的不熟悉，二是焊接时候的马虎造成一开始调试电路失败，后经上网查找资料以及再一次的检查电路使板顺利通过调试，还有之前就是时钟信号芯片有遗漏7脚、14脚的焊接，造成时钟信号芯片不工作，也致使AD板没有正常工作，后来也是通过上网查找资料得以解决。通过老师提供的资料，对PWM调速模块了一个基本全面的认识，例如速度的调试以及速度的测量，不过却是本次试验的一个小小遗憾，希望以后在条件允许的情况下自己动手做做这个PWM调速模块。6.结论与实验数据6.1实验数据比较 数据分析见表6-1-1PWM占空比周期T幅度U矩形波占空比快48%5ms/格*62V/格*25:6慢37%10ms/格*72V/格*26:7 表6-1-1实验数据比较6.2结论 作品基本完成，但是还有很多没有实现或者是瑕疵的地方，例如AD转换板的制作，调速模块的制作等等，希望以后有机会再次完善此作品，到目前为止自己对直流电机的测速也有了一个全新的认识，比如直流电机是一个不错的基样，在此基础上可以改进为测风速，测水速等等，从而得到一些与生活相关的实用信息，为人们的生活提供方便。7.收获、体会和建议 经过多个星期的努力，终于把作品基本完成了，回想整个过程自己真是学到了很多知识，像是什么程序方面了，电路制作了，元器件应用的处理了等等，这其中的喜悦不言而喻，更不用说学到了更多的知识，而且更是锻炼了自己，这才是最宝贵的，懂得了做事的时候一定要事先做好准备，把准备工作做的细致才会使自己在事情进行的时候得心应手，在这就是遇事不急不燥，静下心来想想到底哪里除了问题，还有就是这次同学与老师给的帮助还是蛮大的，自己应该铭记，接下来呢，就是准备答辩的事宜了，希望也能顺利通过，这样自己的大学生活就此应该画一个句号了，不会留下什么遗憾，未来才会有更多的精力去奋斗，用自己三年的知识去创造自己的一片天。8.使用仪器设备清单仪器设备，见表8-1表8-1 仪器设备仪器设备、工具清单名称作用Proteus用于硬件仿真Keil程序编写及调试STC_ISP_V480将程序从计算机下载到电路板串口线将计算机数据传送给电路板电源线用于下载程序时为电路板提供5V电信号发生仪器为调试电路板频率计功能模块提供一定频率信号电压源仪器为调试电路板电压功能模块提供0V5V之间的电压示波仪器检测电路板信号发生功能模块的输出情况数字式万用表用于调试电路板时测试部分器件的电压值电烙铁、焊锡用于焊接电路板元件清单，见表8-2表8-2 元器件名称规格（型号）数量芯片STC89C52RC1ADC08091LM78121LM79121LM78051747417402174001插槽40脚128脚114脚316脚液晶插槽1排针53按键7晶振11.05921串口端子1发光二极管9二级管IN40014液晶LCD16021自锁开关1三极管9013110122011K105K1410K101K排阻1电容电解220uF3电解100uF2瓷片1044瓷片10339.参考文献1 张迎新等.单片机初级教程单片机基础（第2版）.北京：航空大学出版社，20092 张永枫等.单片机应用实训教程.北京：清华大学出版社，20083 张迎新等.单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，20104 10.附件系统硬件原理图见图10-1图10-1PCB图见图10-210-2实物图见图10-3、10-410-310-4作品程序： com equ 20h ;LCD指令寄存器 dat equ 21h ;LCD数据寄存器 rs bit p2.0 ;LCD指令数据控制线 rw bit p2.1 ;LCD读写控制线 e bit p2.2 ;LCD片选信号 pwm bit p3.7 valueh equ30h ;暂存TH0的值 valuel equ 31h ;暂存TL0的值DATE1 equ 32h ;暂存计数值的BCD码DATE2 equ 33hDATE3 equ 34h DATE4 equ 35h adc equ 40h ;A/D转换值暂存 single equ 50h sec equ 51h ;秒读数寄存器 speedl equ 52h ;速度值十位暂存器 speedr equ 53h ;速度值个位暂存器 lcd_port equ p1 org 0000h ljmp main org 001bh ljmp contmain: mov sp,#60h movtmod,#15h ;T1设置为定时器，T0设置为计数器 mov th1,#3ch ;为T1、T0设置初始值 mov tl1,#0b0h movtl0,#00h movth0,#00h mov ie,#8ah ;定义与中断有关的寄存器 lcall initial setb tr0 ;启动定时器0、1 setb tr1loop: lcall adcon mov adc,a ;读取A/D转换结果 setb pwm ;PWM输出 mov a,adc lcall delay clr pwm mov a,#255 subb a,adc lcall delay ;lcall initialloop1: lcall display sjmp loop;读取A/D转换结果;adcon:setbp2.3nopnopclrp2.3nopnopsetbp2.3jbp2.4,$clrp2.3nopnopmovp0,#0ffhmova,p0ret;LCD初始化子程序;initial: mov com,#3ch ;LCD工作方式设置lcall lcd_w_cmdmov com,#01h ;清屏lcall lcd_w_cmdmov com,#06h ;输入方式设置lcall lcd_w_cmd;mov com,#0ch ;显示方式设置;lcall lcd_w_cmdret;LCD显示子程序;display: mov com,#0chlcall lcd_w_cmdmov com,#80h lcall lcd_w_cmd mov dptr,#tab mov dat,#Vlcall lcd_w_datmov dat,#3DHlcall lcd_w_dat mov a,date3 movc a,a+dptrmov dat,alcall lcd_w_dat mov a,date4 movc a,a+dptr mov dat,alcall lcd_w_dat mov dat,#r lcall lcd_w_datmov dat,#2fhlcall lcd_w_datmov dat,#slcall lcd_w_dat lcall dtl mov com,#0c0h lcall lcd_w_cmd mov dptr,#tab1 mov r2,#11 mov r3,#00wrin: mov a,r3 movc a,a+dptr mov dat,a lcall lcd_w_dat inc r3 djnz r2,wrin mov dptr,#tab mov a,36h movc a,a+dptr mov dat,a lcall lcd_w_dat mov a,37h movc a,a+dptr mov dat,a lcall lcd_w_dat mov dat,#25H lcall lcd_w_dat ret;占空比计算;dtl: mov a,adc mov b,#100 mul ab mov a,b mov b,#10h div ab mov 36h,b mov b,#16 mul ab add a,36h mov b,#10 div ab mov 36h,a mov 37h,b ret ;读状态子程序LCD_R_STAT;lcd_r_stat:setb rwacall nop5clr rsacall nop5setb eacall nop5mov a,lcd_portacall nop5clr eacall nop5clr rwret ;写命令字子程序LCD_W_CMD;lcd_w_cmd:push acclcd_w_cmd_a:lcall lcd_r_statjnb acc.7,lcd_w_cmd_blcall delay1sjmp lcd_w_cmd_alcd_w_cmd_b:clr rwlcall nop5clr rslcall nop5setb elcall nop5mov a,commov lcd_port,alcall nop5clr elcall nop5setb rwpop accret;写显示数据子程序LCD_W_DAT;lcd_w_dat:push acclcd_w_dat_a:lcall lcd_r_statjnb acc.7,lcd_w_dat_blcall delay1sjmp lcd_w_dat_alcd_w_dat_b:clr rwlcall nop5setb rslcall nop5setb elcall nop5mov a,datmov lcd_port,alcall nop5clr elcall nop5setb rwpop accret;cont: mov th1,#3ch mov tl1,#0b0h inc sec mov a,sec cjne a,#14h,fh ;判断是否有到1秒钟 mov sec,#00h CLR TR0 ;关闭定时器 CLR TR1 ;关闭计数器 MOVVALUEL,TL0 ;存放计数值 MOVVALUEH,TH0 lcall cl mov th0,#00h mov tl0,#00h setb tr0 setb tr1fh: reti;将16进制数转成10进制并且把4位数依次存入DATE1至DATE4;cl: MOVR2,VALUEHMOVR3,VALUELCLR A MOVR4,AMOVR5,AMOVR7,#10Hnext: CLRCMOVA,R3RLCAMOVR3,AMOVA,R2RLCAMOVR2,AMOVA,R5ADDCA,R5DAAMOVR5,AMOVA,R4ADDCA,R4DAAMOVR4,ADJNZR7,nextSJ:MOVR0,#DATE4 MOVA,R5ANLA,#0FH MOVR0,ADECR0 ;MOVA,R5SWAPAANLA,#0FHMOVR0,ADECR0 ;MOVA,R4ANLA,#0FH MOVR0,ADECR0 ;MOVA,R4SWAPAANLA,#0FHMOVR0,ADECR0 ;MOVA,R3ANLA,#0FHMOVR0,ADECR0 ;MOVA,R3SWAPAANLA,#0FHMOVR0,ADECR0 ;MOVA,R2ANLA,#0FHMOVR0,A ret;tab:db 30h,31h,32h,33h,34h,35h,36h,37h,38h,39htab1: db PWM duc is delay: mov r6,#1d1: djnz r6,d1 djnz acc,d1 retdelay1: mov r7,#24del: nop nop djnz r7,del retnop5: nop nop nop nop nop ret end21