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直流電機調速仿真課程設計報告及單片機匯編程序

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電氣工程學院

單片機課程設計報告

班    級：電134

姓    名：王*旭

學    號：1312021108

設計題目：直流電機調速系統設計

設計時間：12.22~12.28   

評定成績：

評定教師：

摘要：

近年來，隨著科技的進步，電力電子技術得到了迅速的發展，直流電機得到了越來越廣泛的應用。直流它具有優良的調速特性，調速平滑、方便，調速范圍廣；需要能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊運行要求，從而對直流電機的調速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調速，改變電樞電壓調速等技術已遠遠不能滿足要求，這時通過PWM方式控制直流電機調速的放大應運而生。

本課程設計主要是通過按鍵調整PWM信號實現直流電機的調速。并實現電路仿真。設計中，采用了AT89C51單片機作為整個控制系統的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅動模塊，實現對電動機轉速的計算和顯示。

目錄

設計要求  ………………………………………………………  4

總體方案  ………………………………………………………  5

硬件設計  ………………………………………………………  7

軟件設計  ………………………………………………………  8

調試過程  ………………………………………………………  11

設計總結  ………………………………………………………  13

其他      ………………………………………………………  14

  • 設計要求

    直流電機調速控制

實現具有電機速度設定、控制及顯示的調速系統，功能及指標如下：

  • 電機控制

   要求電機能進行速度設定，速度調控以及正反轉功能

  • 數碼管顯示

   數碼管的顯示要準確，不可出現異常符號

  • 鍵盤的輸入

   本設計方案中采用鍵盤輸入，要求繪圖連線準確，按鍵無異常響應

  • 程序要求

   程序應盡可能的模塊化，對每個模塊的功能及作用進行標注

  • 繪圖

  繪圖的功能要全面，連線盡量少交叉，整體美觀。

  • 總體方案

2.1 文獻綜述

   直流電機的調速方法

  • 電樞回路串電阻調速：調速平滑性差，低速時損耗大、效率低，串入電阻值越大穩定性越差
  • 降低電源電壓調速：調速平滑性好，調速前后機械斜率不變穩定性好調速范圍廣，調速損耗小調速經濟性好。
  • 改變勵磁磁通調速：調節平滑，勵磁電流小能量損耗小經濟性好，轉速穩定。

芯片選擇：DA芯片、mc1413芯片、uln2003芯片等等

分析：在直流電機調速方法中，從性能上選擇，應選降低電樞電壓調速和改變勵磁磁通調速。但從實行的難易程度上看應選擇降低電源電壓調速。

在芯片的選擇上，DA芯片、mc1413芯片和uln2003芯片。前者為數字模擬量轉換芯片，后兩者功能均為放大電壓和電流。這三個芯片均可以設計直流電機的調速控制。從成本上考慮，DA芯片價格超后者，后兩者功能都較為相似，但ULN2003便宜少許所以選擇ULN2003芯片。

2.2 方案設計

   本方案基于性價比高的原則來設計。通過按鍵控制PWM信號占空比控制輸入電壓的幅值來控制直流電機的轉速。使用ULN2003芯片來驅動電機。


按鍵：按鍵分為停止鍵，1~10檔位調節，正轉反轉調節及每個檔位上的轉速微調

數碼管顯示轉速：由占空比計算得轉速并加以顯示在數碼管上

PWM信號：PWM信號占空比控制輸入電壓的幅值

ULN2003驅動電路：ULN2003 放大信號 通過H橋電路來驅動電機可正反轉

直流電機：被控制對象

單片機：用于接收按鍵值處理并發出相應的PWM信號以及顯示轉速在數碼管上

三、硬件設計

3.1 電路原理圖

3.2 器件選擇
   考慮單片機無法驅動直流電機所以用了ULN2003這個放大電壓的芯片，因為ULN2003最高輸出電壓為50V完全可以滿足所選擇電機。且在設計中需要正反轉，所以電路選擇了H橋電路通過切換輸出PWM信號的端口可實現電機的正反轉。



F0為輸出高電平還是低電平的標志位

JG為定義的數組

JG與JG+1里面分別存儲了PWM信號高電平與低電平的次數

FLAG 正反轉標志位

IS_BUFF數碼管緩沖顯示單元首地址

   鍵盤主要是用線反轉法，先給列線全賦0，行線全賦1.有行按下，對應行為0,。同理再給列線全賦1，行線全賦0。哪一列為0則為該列按下。由此可得是哪一個鍵按下

ULN2003：

ULN2003 的每一對達林頓都串聯一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 采用DIP—16 或SOP—16 塑料封裝。
它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據以上參數估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。

五、調試過程

5.1 軟硬件調試

用Proteus跟Keil聯調。將Proteus跟Keil設置好以后，先運行寫的程序，沒有錯誤后進入DEBUG模式，點擊運行Proteus做出響應。

遇到的問題：

    在仿真過程中我發現按鍵電機轉速并未有變化。在進行聯調后，按下按鍵，單步運行發現鍵盤程序始終在按鍵掃描部分跳轉，修改了程序，解決了問題。

5.2 運行效果

電機停轉

電機正60轉

電機反轉150轉

六、設計總結

    通過本次設計，加強了我對知識的掌握，使我對設計過程有了全面的了解。為了完成這次設計，我查閱了相關資料，學會了許多知識，培養了我獨立解決問題的能力。同時在對電路設計的過程中，鞏固了我的專業知識，使我受益匪淺。

    這次的設計也有不足之處。在測量轉速上，我并未用反饋的方法來顯示轉速，而是通過計算得到轉速。這使得轉速與真實值有一定的偏差。這主要是因為我一開始所做的準備工作不充分。并未注意到這一部分。這是本次設計給我教訓，在以后的工作中一定要對課題做好充分的了解以及準備工作。

參考文獻

【1】張毅剛，單片機原理及其應用，高等教育出版社

【2】張毅剛，基于Proteus的單片機課程的基礎實驗與課程設計，人民郵電出版社

【3】羌予踐，電機與電力拖動基礎教程，電子工業出版社

【4】谷腰欣司，直流電動機實際應用技巧，科學出版社   


單片機源程序如下:
  1. FLAG BIT 00H      ;正反轉標志位
  2. DIS_BUFF EQU 30H  ;數碼管緩沖顯示單元首地址
  3. JG  EQU 40H       ;PWM信號占空比數值 & 數碼管位選循環次數存儲地址
  4. ORG 0000H
  5. LJMP MAIN
  6. ORG 000BH
  7. LJMP IT0P
  8. ORG 0100H
  9. MAIN:MOV SP,#60H
  10.      MOV TMOD,#02H ;T0 方式2
  11.          MOV TL0,#0FEH
  12.          MOV TH0,#0FEH
  13.          MOV JG,#0    ;占空比為0%
  14.          MOV JG+1,#1
  15.          MOV JG+3,#1  ;數碼管位選循環1次
  16.          MOV R5,JG
  17.          SETB P2.5    ;輸出PWM信號（p2.5為信號輸出，將p2.5給p2.7為正轉，將p2.5給p2.6為反轉）
  18.          SETB F0
  19.          SETB ET0
  20.          SETB EA
  21.          SETB TR0
  22. LOOP:
  23.      LCALL KEY    ;按鍵掃描
  24.          LCALL DISPLAY;數碼管動態顯示
  25.          LJMP LOOP
  26. IT0P:DJNZ R5,PWM0
  27.      JB F0,S_LOW
  28.          SETB P2.5
  29.          SETB F0
  30.          MOV R5,JG
  31. PWM0:JB FLAG,PWM1;置1為反轉，置0為正轉
  32.      JB P2.5,S1
  33.      CLR P2.7
  34.          RETI
  35. S1:         SETB P2.7
  36.          RETI
  37. PWM1:JB P2.5,S2
  38.          CLR P2.6
  39.          RETI
  40. S2:         SETB P2.6
  41.          RETI
  42.          
  43. S_LOW:CLR P2.5
  44.      CLR F0
  45.          MOV R5,JG+1
  46.          
  47. EXIT:RETI

  49. KEY: MOV P1,#0FH   ;列線（p1.4~p1.7）為0，行線（p1.0~p1.3）為1
  50.      MOV A,P1
  51.      CJNE A,#0FH,T;檢測是否有行按下
  52.          RET
  53. T:   LCALL DELAY   ;延時消抖
  54.      CJNE A,#0FH,H0;是否真的有按鍵按下
  55.          LJMP LOOP
  56. H0:  JB P1.0,H1    ;檢測哪一行按下（為0）
  57.      MOV R3,#0
  58.          LJMP L_SCAN
  59. H1:  JB P1.1,H2
  60.      MOV R3,#4
  61.          LJMP L_SCAN
  62. H2:  JB P1.2,H3
  63.      MOV R3,#8
  64.          LJMP L_SCAN
  65. H3:  JB P1.3,L_SCAN
  66.      MOV R3,#12
  67. L_SCAN:MOV P1,#0F0H;列線（p1.4~p1.7）為1，行線（p1.0~p1.3）為0
  68. L0:  JB P1.4,L1    ;檢測哪一行按下（為0）
  69.      MOV R2,#0
  70.          LJMP JS
  71. L1:  JB P1.5,L2
  72.      MOV R2,#1
  73.          LJMP JS
  74. L2:  JB P1.6,L3
  75.      MOV R2,#2
  76.          LJMP JS
  77. L3:  JB P1.7,JS
  78.      MOV R2,#3
  79. JS:  MOV A,R3      ;計算行列值
  80.      ADD A,R2

  82.          


  85. KEY0:CJNE A,#0,KEY1;關閉電機
  86.          CLR TR0
  87.          SETB P2.5
  88.          MOV JG+3,#1
  89.          MOV DIS_BUFF,#0H
  90.          SETB P2.7
  91.          SETB P2.6
  92.          LJMP LOOP
  93. KEY1:CJNE A,#1,KEY2;一檔30轉
  94.      SETB TR0
  95.          MOV JG,#208    ;PWM占空比
  96.          MOV JG+1,#30         
  97.          LJMP SCREEN
  98. KEY2:CJNE A,#2,KEY3;二擋60轉
  99.      SETB TR0
  100.          MOV JG,#178
  101.          MOV JG+1,#60         
  102.          LJMP SCREEN
  103. KEY3:CJNE A,#3,KEY4;三擋90轉
  104.      SETB TR0
  105.          MOV JG,#148
  106.          MOV JG+1,#90         
  107.          LJMP SCREEN
  108. KEY4:CJNE A,#4,KEY5;四擋110轉
  109.      SETB TR0
  110.          MOV JG,#128
  111.          MOV JG+1,#110        
  112.          LJMP SCREEN
  113. KEY5:CJNE A,#5,KEY6;五檔130轉
  114.      SETB TR0
  115.          MOV JG,#108
  116.          MOV JG+1,#130         
  117.          LJMP SCREEN
  118. KEY6:CJNE A,#6,KEY7;六檔150轉
  119.      SETB TR0
  120.          MOV JG,#88
  121.          MOV JG+1,#150
  122.          LJMP SCREEN
  123. KEY7:CJNE A,#7,KEY8;七檔170轉
  124.      SETB TR0
  125.          MOV JG,#68
  126.          MOV JG+1,#170         
  127.          LJMP SCREEN
  128. KEY8:CJNE A,#8,KEY9;八檔190轉
  129.      SETB TR0
  130.          MOV JG,#48
  131.          MOV JG+1,#190         
  132.          LJMP SCREEN
  133. KEY9:CJNE A,#9,KEY10;九檔210轉
  134.      SETB TR0
  135.          MOV JG,#28
  136.          MOV JG+1,#210                  
  137.          LJMP SCREEN
  138. KEY10:CJNE A,#10,KEY11;滿轉（由于關閉T0，手動裝入數值顯示）
  139.       CLR TR0
  140.           CLR P2.5                  
  141.           MOV JG+3,#3      
  142.           JNB FLAG,MINUS1     ;檢測正反轉
  143.           MOV JG+3,#4
  144.           MOV DIS_BUFF+3,#0AH
  145. MINUS1:                        
  146.       MOV DIS_BUFF,#8H
  147.           MOV DIS_BUFF+1,#3H
  148.           MOV DIS_BUFF+2,#2H
  149.           JB FLAG,PWM3
  150.           CLR P2.7
  151.          
  152.           LJMP LOOP
  153. PWM3: CLR P2.6
  154.       LJMP LOOP
  155. KEY11:CJNE A,#11,KEY12
  156.                         
  157.       CLR FLAG          ;標志位置0 正傳
  158.           MOV A,#00H
  159.           LJMP KEY0

  161. KEY12:CJNE A,#12,KEY13
  162.       SETB FLAG         ;標志位置1 反轉
  163.           MOV A,#00H
  164.           LJMP KEY0


  167. KEY13:CJNE A,#13,KEY14 ;微調占空比  增加轉速
  168.       CLR C
  169.           SETB TR0
  170.       MOV A,JG+1
  171.       SUBB A,#239
  172.           MOV A,#10
  173.           JNC KEY10
  174.           MOV R0,#JG+1
  175.       INC @R0
  176.           MOV R0,#JG
  177.       DEC @R0
  178.          
  179.           LJMP SCREEN

  181. KEY14:CJNE A,#14,KEY15  ;微調占空比 減少轉速
  182.       CLR C
  183.       SETB TR0
  184.       MOV A,JG+1
  185.       SUBB A,#1
  186.           MOV A,#11
  187.           JC KEY11
  188.       MOV R0,#JG
  189.           INC @R0
  190.           MOV R0,#JG+1
  191.       DEC @R0
  192.          
  193.           LJMP SCREEN
  194. KEY15:LJMP LOOP
  195.         
  196. SCREEN:
  197.        MOV A,JG+1      ;計算轉速      
  198.        MOV B,#64H
  199.            DIV AB  
  200.            MOV DIS_BUFF+2,A
  201.            MOV A,B
  202.            MOV B,#0AH
  203.            DIV AB
  204.            MOV DIS_BUFF+1,A
  205.            MOV DIS_BUFF,B
  206.            MOV R1,#33H
  207.            

  209. LOOP0: MOV DIS_BUFF+3,#00H;計算位選循環次數
  210.        CJNE @R1,#00H,FZ
  211.            DEC R1
  212.            CJNE R1,#2FH,LOOP0
  213. FZ:    JB FLAG,MINUS      
  214.        MOV A,R1
  215.        SUBB A,#2FH
  216.        MOV JG+3,A
  217.        LJMP LOOP

  219. MINUS: INC R1             ;顯示負號
  220.        MOV @R1,#0AH
  221.        MOV A,R1
  222.        SUBB A,#2FH
  223.                      
  224.        MOV JG+3,A
  225.        LJMP LOOP           
  226. DISPLAY:MOV R1,#DIS_BUFF ;動態顯示程序
  227.         MOV R4,JG+3
  228.                 MOV B,#10H
  229. ……………………

  231. …………限于本文篇幅 余下代碼請從51黑下載附件…………
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