at89c51对直流电动机的驱动的课程设计

单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）1单单片片机机课课程程设设计计实实验验报报告告课程设计名称：AT89C51对直流电动机的驱动的设计课程设计姓名：12信Y1蒋志明（12120511）设计目标：1、利用AT89C51单片机，外加ADC0808和直流电机，设计一个直流电动机驱动电路设计系统。2、通过改变电位器RV1电阻的阻值采集电压信息，并通过ADC0808转换为8位数字信号。3、将数字信号输入到AT89C51单片机，PWM信号由单片机产生，输出到电动机驱动电路，进而驱动电动机转动。4、通过改变RV1的阻值，从而改变直流电机电枢上电压的“占空比”，控制电动机的转速。5、用Proteus仿真AT89C51系列及其外围电路，用它与Keil开发工具结合，搭建单片机开发平台。单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）2一、系统硬件设计本设计中“AT89C51对电流电动机驱动电路设计”，采用控制电位器，实现直流电机的调速。系统设计的总方框图如图1所示。单片机A/D转换MVCCVCCRV1图1总方框图电位器RV1采集电压信号；用转换器ADC0808对输入电压信号进行数模转换，转换成单片机可以识别的数字信号；用总线将ADC0808的OUT8~OUT1口与单片机AT89C51的P1口相连接，实现数字信号的传送；随着单片机输入相应控制指令，AT89C51的P3.7口输出与转速相应的PWM脉冲；经两个同向跟随器OP07输出到三极管Q1；由三极管放大电流输出到电动机驱动电路，实现电动机转速的控制。当调节电位器RV1的占空比时，判断PWM是高电位还是低电位，将A/D转换后的数据变换成延时常数，电位器阻值发生变化时，ADC0808输出的值也会变化，进而调节单片机输出的脉冲宽度的占空比，实现电动机转速的控制。硬件电路中用P1口作为通用IO准双向动态端口，输入控制指令（延时常数）。用P3.7口作为输出控制信号（输出脉冲），控制OP07的3端的信号输入。用RV1采集电压信息，IN0作为电压模拟信号输入。OUT8为最低位，OUT1为最高位，OUT端口作为数字信号的输出，将OUT8~OUT1分别接到单片机的P1.0~P1.7。电路为12MHZ晶振频率工作。1、直流电机驱动电路设计（1）直流电机的转速直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生洛伦兹力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中。目前广泛应用的是通过改变电机电枢单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）3保持高电平接通时间与通电时钟周期的时间的比值D（占空比）来控制电机的转速。这种方法称为脉冲宽度调制即PWM控制。R5200R21KR11KQ1NPNQ2NPNVCCM图2直流电机驱动电路设计虽然不同励磁方式的电机机械特性不同，但他们的转速n都是由公式(1-1)计算而得：aaaEURInC(1-1)式中Ua——电枢供电电压（V）；Ia——电枢电流（A）；——励磁磁通（Wb）；Ra——电枢回路总电阻（Ω）；CE——电势系数。其中，电势系数CE又表示为：60EpNCa（1-2）式中p——电磁对数；a——电枢并联支路数；N——导体数。由式可见，直流电动机的调速方法可以分为：a、电枢回路串电阻的调速方法；b、调节励磁磁通的励磁控制方法；c、调节电枢电压的电枢控制方法。本设计中，通过改变电机两端电压的方法，采用脉冲控制PWM，改变占空比，单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）4从而改变电机两端电压，调节转速。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制电流。（2）电机的平均速度设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D，则电机的平均速度为：maxdVVD（1-3）式中，Vd——电机的平均速度；Vmax——电机全通电时的速度（最大）；其中，占空比为D=t1/T。由公式1-3可见，当我们改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度Vd与占空比D=t1/T并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。由此可看出，改变占空比D的值有三种方法：①调宽调频法：保持t不变，只改变t1，这样使周期（或频率）也随之改变。②定宽调频法：保持t1不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。③定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变t1和t。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。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枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。（3）三极管的使用三极管是电子电路中最重要的器件，采用NPN三极管是因为它的电流放大和开关的作用，而两个三极管串联复合成高电流放大系数的电路，它们把系统生成的微弱的电信号变成一定强度的信号，从而稳定电机电流。2、同向跟随器OP07（1）器件选择本设计中，需要采用输出电压与输入电压是相同的电压跟随器来恒定电压电流，单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）5稳定输出，并且对前后级电路进行隔离。而同向电压跟随器OP07就有这样的特点，并且它比较适合高增益放大电路，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器还有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。因为电压跟随器对前后级电路进行隔离，所以当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，使前、后级电路之间互不影响。电压跟随器常用利用这一特点作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在电机两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是OP07来稳定电压电流，利用电压跟随器输出电压与输入电压相同的特点。电压跟随器OP07的显著特点就是输出电压与输入电压相同，输入阻抗高，而输出阻抗低。一般来说，输入阻抗可以达到几兆欧姆，而输出阻抗低，通常只有几欧姆，甚至更低。超低偏移：50μV最大。低输入偏置电流：1.8nA。低失调电压漂移：0.5μV/℃。超稳定，时间：2μV/month最大高电源电压范围：±3V至±22V。同向跟随器OP07电路设计图如下图图3所示。R310kR410K2374618U4OP072374618U3OP07C41nF输出输入-15V15V图3同向跟随器OP07电路设计（2）OP07芯片的简单介绍OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）6OP07芯片引脚功能说明：1脚、8脚是用来偏置平衡（调零端）的；2脚、6脚相连，2脚为反向输入端（6脚为输出端）；3脚为正向输入端；4脚接地，5脚为空脚；7脚接电源最大额定值。（3）OP07电路的使用将OP07的输入端口与AT89C51的盘P3.7端口相连接收电压信号，采用两个OP07电路相连即增加了电路电压的稳定性，同时减小了输出阻抗，增加了电流，非常适合放大微小信号的电路。3、AT89C51部分设计分析单片机AT89C51的P1口以总线方式与ADC0808的OUT1~OUT8相连接，实行数据模拟信号的传送；AT89C51中的数据通过这条线把原始的数字量数据传到ADC0808进行转化，转化成电流模拟信号；当单片机输入相应控制指令，电流模拟信号就从AT89C51的P3.7口输出转变成与转速相应的PWM脉冲。4、ADC0808部分设计分析（1）器件选择本设计中A/D转换器使用的是ADC0808，是将模拟信号（电压或是电流的形式）转换成数字信号。因为A/D转换器要与AT89C51的P1.0~P1.7引脚相连，AT89C51的P1口有8为引脚。而ADC0808采样的分辨率为8位，内部有一个8通道多路开关，它的OUT1~OUT8八位引脚正好与AT89C51的P1口的8位引脚相连。（2）简介ADC0808ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时一般采用ADC0808进行A/D转换。实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。ADC0808是以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。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。上文提到过，ADC0808转换器是将模拟信号（电压或是电流的形式）转换成数字信号的芯片，这种数字信号可让仪表、计算机外设接口或是微处理机来加以操作使用。A/D转换器与单片机接口具有硬、软件相依性。一般来说，A/D转换器与单片机单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）7的接口主要考虑的是数字量输出线的连接、ADC启动方式、转换结束信号处理方法以及时钟连接等。该芯片是由26个引脚组成。1～5和26～28（IN0～IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和17～21：8位数字量输出端，和AT89C51的P1.0~P1.7引脚以总线方式相连。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（START）：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。7（EOC）：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10（CLOCK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。12（VREF（+））和16（VREF（-））：参考电压输入端。23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。RV1POT2CLOCK10START6IN026IN127IN228IN31IN42IN53IN64IN75VREF(+)12OE9ADDA25ADDB24ADDC23ALE22VREF(-)16EOC7OUT121OUT220OUT319OUT418OUT58OUT615OUT714OUT817CLOCK10START6IN026IN127IN228IN31IN42IN53IN64IN75VREF(+)12OE9ADDA25ADDB24ADDC23ALE22VREF(-)16EOC7OUT121OUT220OUT319OUT418OUT58OUT615OUT714OUT817U2ADC0808图5ADC0808部分电路设计（3）ADC0808的使用本设计中，ADC0808芯片的A/D转换是整个设计系统的中专部分，电位器RV1单片机课程设计实验报告12信Y1蒋志明（12120511）8与ADC0808的IN0口相连，实现将调节RV1的占空比采集电压信息的数字信号转换成模拟信号；AT89C51的P1.0~P1.7引脚与AD