直流电机测速毕业设计报告

 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。STCC52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，通过比较所以选择数字检测技术。

电源模块

    ①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。

②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

    ①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。

②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

    ①采用数码管动态显示，但显示的内容有限，不丰富。

    ②采用LED点阵显示，但需要的I/O资源较多。

    ③采用LCD液晶显示，显示内容最丰富，只通过数据线和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、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PCB

4.2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

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220V~15V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6-1-1

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

表8-2 元器件

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，2009

2 张永枫等.单片机应用实训教程.北京：清华大学出版社，2008

3 张迎新等.单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，2010

4  .www.21icsearch.com

10.附件

系统硬件原理图见图10-1

图10-1

PCB图见图10-2

10-2

实物图见图10-3、10-4

10-3

10-4

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    equ  暂存TH0的值

        valuel    equ  暂存TL0的值

    暂存计数值的BCD码

  equ  h

  equ  h

  DATE4 equ  h

        adc      equ    40h         ;A/D转换值暂存

   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

    p1      

        org   001bh

  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 tl0,#00h

   th0,#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   tr1

 mov  adc,a  读取A/D转换结果

 setb  pwm  输出

   a,adc

  delay

    pwm

  a,#255

   a,adc

  delay

      ;lcall   initial

loop1: lcall   display 

;;;;;;;;;读取A/D转换结果;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

adcon:     p2.3

     p2.3

     p2.3

     p2.4,$

     p2.3

     p0,#0ffh

     a,p0

;;;;;;;;;LCD初始化子程序;;;;;;;;;;

initial:  mov   com,#3ch        ;LCD工作方式设置

    mov   com,#01h        ;清屏

    mov   com,#06h        ;输入方式设置

    ;mov   com,#0ch        ;显示方式设置

;;;;;;;;LCD显示子程序;;;;;;;

display:  mov      com,#0ch

   lcd_w_cmd

    mov     com,#80h       

    lcd_w_cmd

      dptr,#tab 

    lcd_w_dat

    lcd_w_dat

    mov     a,date3

    movc    a,@a+dptr

    mov     a,date4

    movc   a,@a+dptr

    mov     dat,a

    mov     dat,#"r"

    lcall   lcd_w_dat

    lcall   dtl

    mov     com,#0c0h       

    mov    dptr,#tab1

    mov     r2,#11

    mov     r3,#00

wrin:   mov     a,r3

       movc    a,@a+dptr

       mov     dat,a

    lcd_w_dat

       inc      r3

     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

;;;;;;;;;;;占空比计算;;;;;;;;;;;;

d 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

;;;;;;;;;;;;读状态子程序LCD_R_STAT;;;;;;;;;;;;;;;;;

lcd_r_stat:

;;;;;;;;;;;;;写命令字子程序LCD_W_CMD;;;;;;;;;

lcd_w_cmd:

lcd_w_cmd_a:

lcd_w_cmd_b:

;;;;;;;;;;写显示数据子程序LCD_W_DAT;;;;;;;;;;;;;;

lcd_w_dat:

lcd_w_dat_a:

lcd_w_dat_b:

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

c m th1,#3ch

        mov    tl1,#0b0h   

        inc     sec

        mov    a,sec

        cjne    a   ;判断是否有到1秒钟

        mov    sec,#00h

   TR0   ;关闭定时器

  CLR     ;关闭计数器

  MOV   存放计数值

  MOV    VALUEH,TH0

    cl              

 mov     th0,#00h

  mov tl0,#00h

  setb tr1

;;;;;;将16进制数转成10进制并且把4位数依次存入DATE1至DATE4;;;;

c    R2,VALUEH

     R3,VALUEL

     A 

     R4,A

     R5,A

     R7,#10H

n    C

     A,R3

     A

     R3,A

     A,R2

     A

     R2,A

     A,R5

     A,R5

     A

     R5,A

     A,R4

     A,R4

     A

     R4,A

     R7,next

SJ:     R0,#DATE4

      A,R5

     A,#0FH 

     @R0,A

  ;;;;;;

     A,R5

     A

     A,#0FH

     @R0,A

     R0           ;;;;;;;;;;;;

     A,R4

     A,#0FH

      @R0,A

     R0           ;;;;;;;;;;;;

     A,R4

     A

     A,#0FH

     @R0,A

     R0           ;;;;;;;;;;;;

     A,R3

     A,#0FH

     @R0,A

     R0           ;;;;;;;;;;;;

     A,R3

     A

     A,#0FH

     @R0,A

     R0          ;;;;;;;;;;;;;

     A,R2

     A,#0FH

     @R0,A

  ret

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

tab:    db 30h,31h,32h,33h,34h,35h,36h,37h,38h,39h

delay:  mov r6,#1

d1:  djnz r6,d1

  djnz acc,d1

  ret

  ret

   end