单片机控制直流电机并测速（电压AD、DA转换以及pwm按键调速正转反转）

单片机原理及应用

课程设计报告书

题 目：用单片机控制直流电动机并测量转速

姓 名：徐银浩 学 号：1110702225 专 业：电子信息工程 指导老师：沈兆军 设计时间：2014年 11月

信息工程学院

目 录

1. 引 言....................................................................................................................... 1

1.1 设计意义.......................................................................................................... 1 1.2 系统功能要求.................................................................................................. 1 2. 方案设计................................................................................................................. 1 3. 硬件设计................................................................................................................. 3

3.1 AT89C51最小系统 .......................................................................................... 3 3.2 按键电路.......................................................................................................... 4 3.3 A/D转换模块 ................................................................................................... 4 3.4. D/A转换模块 .................................................................................................. 6 3.5 电机转速测量电路.......................................................................................... 7 3.6 显示电路 ........................................................................................................ 8 3.7 总电路图 ...................................................................................................... 10 4. 软件设计............................................................................................................. 111

4.1 系统主程序设计............................................................................................ 12 4.2 按键扫描程序设计........................................................................................ 12 4.3 显示子程序.................................................................................................... 12 4.4 定时中断处理程序...................................................................................... 12 4.5 A/D转换程序 .............................................................................................. 13 5. 系统调试............................................................................................................... 14 6. 设计总结............................................................................................................... 16 7. 参考文献............................................................................................................... 17

8. 附 录A；源程序 ................................................................................................. 18 9. 附 录B；电路原理总图、作品实物图片 ......................................................... 23

用单片机控制直流电动机并测量转速 单片机原理及应用课程设计

用单片机控制直流电动机并测量转速

1 引 言

1.1. 设计意义

电动机作为最主要的动力源，在生产和生活中占有重要地位。电动机的调速控制过去多用模拟法，随着计算机的产生和发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化，本系统利用直流电机的速度与施加电压成正比的原理，通过滑动变阻器向ADC0809输入控制电压信号，经AD后，输入到AT89C51中，AT89C51将此信号转发给DAC0832，通过功放电路放大后，驱动直流电机。 1.2. 系统功能要求

单片机扩展有A/D转换芯片ADC0809和D/A转换芯片DAC0832。

通过改变A/D输入端可变电阻来改变A/D的输入电压，D/A输入检测量大小，进而改变直流电动机的转速。

手动扩展。在键盘上设置两个按键——直流电动机加速键和直流电动机减速减。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。

用显示器LED或LCD显示数码移动的速度，及时形象地跟踪直流电动机转速的变化情况。

2 方案设计

为了使用单片机对电动机进行控制，对单片机的基本要求应有足够快点速度；有捕捉功能。总体设计方案如图所示

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数码驱动 单片机 ADC0808 数码显示 按键控制 DAC0832 信号放大

电压信号

图2.1总体设计方案

驱动电机 光电管脉冲计数

（1）键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P3.0口输出信号，该编码通过DAC0832译成相应的模拟电压，经过信号放大实现电动机转向与转速的控制。

（2）可变电阻接ADC0808转变成相应电压的数字信号，单片机通过P1口读取，再由P2口输出与转速相应的8位BCD编码与DAC0832相接。电动机的运转状态则通过四位数码管显示出来。

（3）电机的测速显示，采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。

（4）通过Max7219驱动器驱动4位共阴极LED灯，这样节省了许多I/O口。

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3硬件设计

3.1AT89C51最小系统

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51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。

图3.1 单片机最小系统的设计

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AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.2 按键电路

单片机的P3.6和P3。7口分别接一个按键用于控制电机。当按下“叫”键时，电机转速提高，进入加速状态；当按下“减”键时，电机转速减慢，进入减速状态。通过“加”“减”两个按键可以达到键盘控制电机的作用。 3.3 A/D转换模块 （1）ADC0808

ADC0808是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式

A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。 主要特性

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时） 4）单个+5V电源供电。

5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。 7）低功耗，约15mW。 ADC0809的工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿

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启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式

对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0808的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

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图3.3 AD转换电路的设计

（2）工作原理

如图3.3所示，外部电源通过滑动变阻器向ADC0808输入控制电压信号，经

A/D处理后，输入到AT89C51中，交由AT89C51处理，进行下一步动作。

3.4 D/A转换模块

（1）DAC0832

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA

芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

主要特性参数

1.分辨率为8位； 2.电流稳定时间1us；

3.可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

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4.只需在满量程下调整其线性度； 5.单一电源供电（+5V～+15V）；

6.低功耗，20mW。 DAC0832的工作方式

DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。 第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使 和 都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、 处于低电平，这样，当 端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。

第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。就是使和为低电平，LE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。

图3.4 DA转换电路的设计

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（2） 工作原理

如上图3.4所示，电压信号输入后经过AD转换输入到AT89C51，由单片机通过P1口输出与转速相应的8位BCD编码，该编码通过DAC0832译成相应的模拟电压，经过信号放大实现电动机转向与转速的控制。

3.5电机转速测量电路

图3.5光电传感器测速设计

采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。

3.6 显示电路

（1） MAX7219

MAX7219/MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64

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个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。 MAX7221与SPI?、 QSPI?以及 MICROWIRE?相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI（电磁干扰）。 一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。 每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219/MAX7221同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。 整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。

功能特点：

1、10MHz连续串行口 2、独立的LED段控制 3、数字的译码与非译码选择 4、150μA的低功耗关闭模式 5、亮度的数字和模拟控制 6、高电压中断显示 7、共阴极LED显示驱动

8、限制回转电流的段驱动来减少EMI（MAX7221） 9、SPI, QSPI, MICROWIRE串行接口（MAX7221） （2） 工作原理

如图3.6所示，可变电阻接ADC0808转变成相应电压的数字信号，单片机通过P0口读取，再由P1口输出与转速相应的8位BCD编码到MAX7219。经由MAX7219处理后通过四位数码管显示出来。采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。

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图3.6 显示电路的设计

3.7 总电路图

由各子模块设计给得出总硬件电路设计如下图3.7所示

图3.7硬件总电路图

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4 软件设计

4.1 系统主程序设计

本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别、ADC0809读取和DAC0832输出、脉冲计数以及数码管显示等部分的设计。

开始

系统初始化

N 按键是否按下

Y 读取键值 减速 加速

电机减速 电机加速 电机转动产生脉冲

脉冲计数

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调用 MAX7219 驱动 显示速度 返回

图4.1 主程序流程图

4.2 按键扫描程序设计

按键扫描程序采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识别、按键功

能执行。要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加/减少一定的占空比。 4.3显示子程序

Max7219驱动显示子程序用于处理DAC0832处理出来的8位BCD，利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8位，分别存放各个数码管要显示的值。流程图如下图4.3所示

初始化 MAX7219 开始

读取计数数据 调用显示子程序 12

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8附 录A；源程序

#include #include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char

#define da1_7 P2 //da转换口 #define ad1_7 P0 //ad转换口

sbit ST=P1^3; sbit OE=P1^7;

sbit EOC=P1^6; //ad转换完成标志 sbit LOAD=P1^1; //max7219 load sbit DIN=P1^0; //max7219输入 sbit CLK=P1^2; //max7219clk sbit Motor=P3^0;

sbit Inc=P3^6; //速度增加 sbit Dec=P3^7; //速度减小 uchar flag_add=0,flag_dec=0; uchar speed=90,t=0;

uint motorspeed,counter=0,calsp; uint temp; uchar disp[4];

uchar code dispaly_list[]= { 0x00,0x01,0x02,0x03,0x04, 0x05,0x06,0x07,0x08 } ; void key();

void display(); //max7219显示 void calspeed(); //速度计数 void delay(uint z); //延时 void InitDis(); //max7219 初始化 void init_timer0(); //中断初始

void w_max7219(unsigned char addr,unsigned char wdata);

void main (void ) {

InitDis(); init_timer0();

while(1){ key();

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ST=0; ST=1;

ST=0; //start 降 ，AD开始转换 delay(10); OE=0;

while(EOC==0); //等待转换结束 OE=1; temp=ad1_7;

da1_7=temp; // OE=0; // display(); calspeed(); } }

/*******按键检测函数 ***********/ void key() //按键检测函数 {

if(flag_add==0) {

if(!Inc) //p3.6 加 {

flag_add=1; //标志 speed+=5;

if(speed>=100)

speed=100; } }

if(Inc)

flag_add=0; if(flag_dec==0) {

if(!Dec) {

flag_dec=1; speed-=5; if(speed<=5) speed=5; } } if(Dec)

flag_dec=0;

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}

/*******初始化 定时**************/ void init_timer0() { EA=1; EX0=1;

IT0=1; //外中断1 TMOD=0X01;

TH0=(65535-10000)/256; //10MS TL0=(65535-10000)%6; TR0=1; //定时1 ET0=1; }

/******脉冲计数**********/ void calspeed() {

if(calsp>=100) //100*10ms=1s {

motorspeed=counter; counter=0;//计数清零 calsp=0; //标志清零 } }

void _timer0 () interrupt 1 //硬件调用 { TH0=(65535-10000)/256; //10MS TL0=(65535-10000)%6;

calsp++; //定时次数 等待100次 及1s ////

t++; //10ms加1 if(t>=100) {

t=0; }

if(t

Motor=0; }

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void _INT0() interrupt 0

{counter++;} //外中断计数

void delay(uint z) //延时 {

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--) for(y=19;y>0;y--); }

/*------------------------------------------------- MAX7219初始化

-------------------------------------------------*/ void InitDis (void) {

w_max7219(0x0b,0x07); /*设置扫描界限*/ w_max7219(0x09,0xff); /*设置译码模式*/ w_max7219(0x0a,0xf5); /*设置亮度*/

w_max7219 (0x0c,0x01); /*设置电源工作模式*/ }

void w_max7219(unsigned char addr,unsigned char wdata) { unsigned int ADS,j,i; LOAD=0; i=0;

while(i<16) { if(i<8) ADS=addr;

else ADS=wdata;

for(j=8;j>=1;j--) {

DIN=ADS&0x80; ADS=ADS<<1; CLK=1; CLK=0;} i+=8; } LOAD=1;}

/***************调用显示****************/ void display( ) {

uint i;

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disp[0]=motorspeed; //求速度个位值，送到个位显示缓冲区 disp[1]=(motorspeed/10); //求速度十位值，送到十位显示缓冲区 disp[2]=(motorspeed/100); //求速度百位值，送到百位显示缓冲区 disp[3]=motorspeed/1000; //求速度千位值，送到千位显示缓冲区 for(i=0;i<4;i++) {

if(i==0) //显示个位 {

w_max7219(0x04,dispaly_list[disp[0]]); delay(10); }

else if(i==1) //显示十位 {

w_max7219(0x03,dispaly_list[disp[1]]) ; delay(10); }

else if(i==2) //显示百位 {

w_max7219(0x02,dispaly_list[disp[2]]); delay(10); }

else if(i==3) //显示千位 {

w_max7219(0x01,dispaly_list[disp[3]]);

delay(10); } } }

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9附 录B；电路原理总图、作品实物图片

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