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1、课程设计报告课程：运动控制系统实践题目：单片机直流电机PwM控制系统专业班级：机器人202目录一、引言1二、系统论述12. 1设计背景13. 2设计思路12. 3系统框架设计2三、PwM脉宽调制原理33. 1PwM调速原理33. 2PWM调速方法34. 3IyWM实现方式4四、系统硬件设计54.1 系统基本组成54.1.1硬件模块组成54. 1.2维片机盛个控制模块55. 2T89C52的简介64.2.1AT89C52主要性能64.2.2AT89C52主要功能列举64.2.3AT89C52各引脚功能介绍74.24AT89C52的内部资源错误!未定义书筌.4.31.298电机驱动模块104.3.
2、11.298电机驱动简介104.3.21.298内部的原理图104.3.31.298引脚符号及功能114.3.41.298的逻辑功能114.41.ED数码管显示124.4.11.ED简介124.4.21.ED七段数码管的结构134.4.3常见数字和字符的字段码144.4.41.ED数码管和单片机的连接144.4.5简单的程序流程154.5独立式键盘控制模块154.5.1键盘的功能及分类154.5.2独立式键盘164.5.3独立式展盘与单片机的徒接16五、系统软件设计175.1 流程图175.1.1 主程序流程图17心得体会18、引言早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固
3、有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低.随着计克机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越尚。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子潜件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于
4、控制电机提供r可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的,而性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业空产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。二、系统论述2.1设计背景近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范用广:过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现顼繁的无级快速起动、制动和反转:需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直潦电机的调速提出了较高的要求，改
5、变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PwM方式控制直流电机调速的方法应运而生.2.2设计思路直流电机叩I控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，并1可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制.主体电路：即直流电机PHM控制模块。这部分电路主要由AT89C52单片机的I/O端门、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过AT89C52单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到1.298驱动芯片来控制直流电机工作的，该直流电机PW
6、M控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制。设计控制部分：主要由AT89C52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PHY控制实现部分主要由一些二极管、电机和1.298直流电机耶动模块组成。设计显示部分：1.ED数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。2. 3系统框架设计1.ED数得管显示PWM占空比1.298电机驱动图1H流电机PeM调速方案方案说明：直潦电机PwM调速系统以AT89C52单片机为控制核心，由命令输入模块、1.ED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命
7、令的辘入，单片机在程序控制下，定时不断给1.298直潦电机驱动芯片发送P加!波形，H型驱动电路完成电机正，反转和急停控制：同时单片机不停的将PWY脉宽调制占空比送到1.ED数码管完成实时显示。三、PwM脉宽调制原理3. 1PWM调速原理我两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调PwM（脓冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负速、温度控制、压力控制等等7.在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电框上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小
8、的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置。如图2所示：t2图2PBM信号的占空比设电机始终接通电源时，电机转速最大为VmaX,设占空比为D=t1./T,则电机的平均速度为Va=VmaXD,其中Va指的是电机的平均速度：Vmax是指电机在全通电时的最大速度：D=1.T是指占空比由上面的公式可见，当我们改变占空比D=UfT时，就可以得到不同的电机平均速度Vd.从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。3.2PWM调速方法基于单片机类由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比D是一
9、个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有一：种方法：A、定宽调频法：保持1.不变，只改变t,这样使周期（或频率）也随之改变卜B,调宽调频法：保持t不变，只改变H这样使周期（或频率）也随之改变,C、定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变1.和3前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电框两端电压.利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化
10、硬件电路，操作性强等优点。3. 3PWM实现方式方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这方式在精度上不及方案，特别是在引入中断后，将有一定的误差。故采用方案一。四、系统硬件设计3.1 系统基本组成4. 1.1硬件模块件成(1)单片机控制模块(2) 1298电机驱动模块(3) 1.ED显示模块(4)独立键盘控制模块3.3系统现件各模块电路4.1.2.单片机整个控制模块51小片机PWM控制H流电机.kH系统设计图3单片机整个控制模块这里利用定时计数器让单片机P2口的P2.6、P2.7引脚输出占空比不同的方波，然后经驱动
11、芯片1.298放大后控制直流电机。聊动芯片的输入电压是两引脚的电压差，在调速时一根引脚线为低电平，另一个引脚产生调速方波，这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。当需要改变电机转动方向时,两个引脚的输出相反。定时计数器若干时间(IUS)中断一次，就使P2.6或P2.7产生一个高电平或低电平。直流电机的速度分成100个等级，因此一个周期就有100个脉冲，周期为一百个脉冲的时间，速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占个周期总脉冲个数的百分数。个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大，加在电机两端的电压越大，电机转动越快。电机的平均速度等于在一
12、定的占空比卜电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。精确的讲，平均速度与占空比并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似看成线性关系。4.2AT89C52的简介4.2.1AT89C52主要性能T89C52是一种低功耗、海性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可编程F1.ash存储器。使用八tme1.公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和升脚完全兼容。片上F1.aSh允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程1.1.ash,使得AT89C52为众多嵌入式控制应
13、用系统提供高灵活、起有效的解决方案。与MCS-51单片机产品兼容：8K字节在系统可编程FIaSh存储器：100O次擦写周期；全静态操作：OHZ33Hz；三级加密程序存储器:32个可编程I/O门线：三个16位定时器/计数器;八个中断源:全双工UART串行通道：低功耗空闲和掉电模式:掉电后中断可唤醒：看门狗定时器：双数据指针：掉电标识符.4, 2.2AT89C52主要功能列举1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FIaSh2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）3、内部程序存储器（RoM）为8KB4、内部数据存储器（RAVD为256字节5, 32个可编程I/O门线6、8个中断向量
14、源7.，个16位定时器/计数器8、三级加密程序存储器9、全双工UART串行通道4.2.3AT89C52各引脚功能介绍P1.OVCCI11VkaK*n1*1.1A1.A1.VP1.JAD1.PO1.D1.1AaT111*1.JP1.4ADXPO.3P1.5AD4P0.4P1.6ADSPOSP!.7AD6P0.6iraT1rK51A1./*FU.1P3.0)!EatpIrrAfFPPAr.1.I.V11.X,.riKJP3.MINT0!PSENP33.!INT1.AISP2.7P34T0A14/P2.6P3.V1AB2.5P3&WRAI2/P2.4P3.7!WAiIg.3XT1.21O12.2XT
15、A1.IAPzP2IGNDA8/P2.026162517718J3192021图4A89C52VCC：AT89C52电源正端输入，接+5V.VSS：电源地端。XT1.1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAI.2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTA1.1.和XTA1.2上接上只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入20PF的小电容，可以使系统更稔定，避免噪声干扰而死机“RESET：AT89C52的重置引脚，高电平动作,当要对晶片重置时,只要对此引脚电平提升至电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统武置的各项动作，使得内部特殊功能寄存
16、涔之内容均被设成已知状态，并且至地址OOOOH处开始读入程序代码而执行程序。EVpp:EA为英文Externa1.Access”的缩写，衣示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平“此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21Y的烧录高压（Vpp）,A1.E/PR0G：A1.E是英文Fddress1.atchEnabIe”的缩写,表示地址锁存器启用信号.A
17、T89C52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如741.S373）,将端口0的地址总线（AgA71锁进锁存器中,因为AT89C52是以多工的方式送H1.地址及数据，平时在程序执行时A1.E引脚的输出频率约是系统工作频率的6,因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN:此为ProgramStOreEnabIe”的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=O）,会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89C52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部
18、的RAM与EPROM,使得数据存储器与程序存储器可以合并在起而共用64K的定址能围。PORTO（PO.0-P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（OPenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0,PO.1表示位1,依此类推。其他三个1/0端D（P1.,P2、P3）则不具有此电路组态,而是内部有提升电路，PO在当做I/O用时可以推动8个1.S的TT1.负孰如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储落），PO就以多工方式提供地址总线（八0八7）及数据总线（D0D7）.设计者必须外加锁存器将端口。送出的地址栓锁住成为AoA7,再配合端口2所送出的815合成一完整的16位
19、地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。PORT2(P2.0-P2.7)：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个1.S的TT1.负数，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89C52扩充外接程序存储器或数据存储蹲时，也提供地址总线的高字节A8-A15,这个时候P2便不能当做I/O来使用iU）共阴极共阳极管脚图图8数码管结构其中：图（八）为共阴极结构，8断发光二极管的阴极端连接在一起，阳极端分开控制，使用时公共端接地，要使哪根发光二极管，则对应的阳极端接高电平。图（b）为共阳极结构，8端发光二极管的阳极
20、端连接在起，阴极端分开控制，使用时公共端接电源。要使哪根发光二极管，则对应的阴极端接地.其中7段发光二极管构成7笔的字形“8”，1根发光二极管构成小数点。图“c”为引脚图，从a-g引脚输入不同的8位二进制编码，可显示不同的数字或字符。通常把控制发光二极管的7（或8）位二极管编制称为字段码。不同数字或字符其字段码不一样，对于同一个数字或字符，共阴极连接和共阳极连接的字段码也不一样，共阴极和共阳极的字段内互为反码。4.4.3常见数字和字符的字段码表3附见数字和字符的字段码显示字符共阴极字段码共阳极字段码示字符共阴极字段码共阳极字段码O3FHCOIIC39HC6H10611ronD5EHA1.1.1
21、.25BHA4HE79H86113IFHBOUF71H8EH1661199HP73H80156DII92HU3EHC1.H67DH82HT31HCEJ1.707HF8HY6EH911187FH80H1.38HC7H96FII90118.FFHOOHA77118811“灭”00FR1.B7CH83H4.4.41.ED数码管和单片机的连接图9I.ED数码管和单片机的连接电路的接法决定了必须采用逐位扫描显示方式.即从段选口送出某位1.ED的字型码，然后选通该位1.ED.并保持一段延时时间。然后选通卜.一位，直到所有位扫描完。4.4.5简单的程序流程图10程序淹程4. 5独立式键盘控制模块4.5. 1
22、键盘的功能及分类健盘是种最常用的输入设备,它是组按键的集合，从功能上可分为数字钺和功能链两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。键盘的分类（八）键盘按照接口原理可分为编码键就与非编码键盘两类。这两类键就的主要区别是识别篌符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别：非编码键盘主要是由软件来实现铺就的定义与识别。(b)键盘按照其结构可分为独立式键盘与矩阵式键盘两类。独立式键盘主要用于按键较少的场合,矩阵式键盘主要用按键较多的场合，也称行列式键盘4.5.2独立式键盘独立式键盘的按键相互独立，每个按键接根”0口线，-根1/0口线上的按键工作状态不会影
23、响其它I/O线的工作状态。因此，通过检测1.O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个便被按卜图11独立式键做4. 5.3独立式键盘与堆片机的链接停止PWM增1PWM减1正反转图12独立式犍盘与单片机桂接五、系统软件设计直接应用AT89C52的软件方法实现PWM信号输出，这比硬件实现PWM信号成本低。限制少。实现便捷。其流程图如下所示。5. 1流程图5.1.1主程序流程图图13系统主单片机总程序框图心得体会通过本次毕业设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门谡程产生了更大的兴趣。在本次课程设计过
24、程中，我学会/在网络上查找有关本设计的各饿件的资源，其中包括：直流电机PWM调速、AT89C52单片机、1.289引脚图及其用脚功能等，1.ED数码管显示，为本次课程设计提供了一定的资料。在做课程设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过求助于祁老师、赵老师、理清f思路。同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克/课程设计中的道道难题。通过本次科技创新实践，我学到了许多东西,知道光亮书本上的东西是不够的，需额外去查资料。无论是在饿件还是软件设计上，我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西如（PWM）。也锻嫉/我的ProteUS8Professiona1.画图能
25、力，以前学的时候元泯件都是给定的只要到库里面找出名字就可以，只要连线就可以，而这次是根据自己的设计需要去画，感觉不同。本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。总的感受有以下几方面：1、通过本次课程设计，我不但对单片机有了更为深入的r解，对一个课题如何画流程图，编程序等有了定的认识。2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。特别是深刻体会到J软件和馒件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做，只有这样，才能做好。
