基于单片机的电动机正反转控制

课程设计报告题目：基于单片机的电动机正反转控制设计学生姓名：xxx学生学号：xxxxxxxxxxxx系别：电气信息工程学院专业：自动化届别：2013指导教师：xxx电气信息工程学院基于单片机的电动机正反转控制成绩学生：xxx指导教师：xxx电气信息工程学院自动化系1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务利用AT89C51单片机设计并实现电动机正反转控制及其相关功能。通过本次设计了解并掌握51系列的单片机的结构及其使用方法。1.2课程设计的要求该设计要求能够具有以下功能：（1）开启后器件没有任何反应。（2）闭合正转开关按钮电动机开始正转。（3）闭合反转开关按钮电动机开始反转。（4）闭合停转开关按钮电动机停止转动。1.3课程设计的研究基础该设计包括硬件和软件设计两部分。硬件部分包括：直流电动机，电磁继电器，7路反相器，6路反相器。软件部分包括：基于51单片机的c语言程序。设计中的相关研究部分介绍如下：（1）直流电动机部分：更改直流电动机的正负极就可以实现对直流电动机的正反转控制，更改可以使用继电器实现。（2）电磁继电器部分：通过更改电磁继电器的正负极可以实现对电磁继电器中电磁的有无进行控制。再间接通过电磁的有无控制继电器中开关的打开与闭合。（3）7路反相器部分：通过反相器可以更改输入电平的高低与其高低值（即当输入为高电压输出为低电压并且低电压为接地电压，当输入为低电压是输出为高电压并且电压强度与接com端相同）。其实质就是为了供给与继电器相适合的高低电压，所以如果没有该部分，则供给继电器的高低电压就有单片机提供，而单片机的输出高低电平为定值，因此需要此部分。（4）6路反相器部分：该部分是为了结合7路反相器部分使用的，因为负负得正，正正得正。2电动机正反转系统方案制定2.1方案提出方案一：使用开关直接控制电动机的正反转，此种设计非常简便易懂，便于修理与使用。缺点：该方案直接控制易产生火花电弧，会危害操作者生命安全。如图1所示：图1开关直接控制电动机正反转图1中的开关为单刀双掷开关，所以开关有左，中，右三个位置。方案一开关控制过程如下：将单刀双掷开关置向左边电动机开始正转，将开关置向右端电动机开始反转，将开关置向中间位置电动机停止转动。方案二：使用电磁继电器进行控制电动机的正反转。此种设计使用了电磁继电器为了是能让控制过程更安全可靠，顺利解决了方案一的不足。缺点：该方案不能够满足现代生活对自动化智能化的基本要求。如图2所示：图2继电器控制电动机正反转图2中的开关也是使用单刀双掷开关，所以开关部分同方案一一样有左，中，右三个位置，但是方案2由两个单刀双掷开关控制。通过控制开关的位置直接控制电磁继电器的磁性有无，再进行间接控制电磁继电器中的开关的位置。方案2开关控制过程如下：当开关左置时继电器开关亦左置，电动机正转；当开关右置时继电器开关亦右置，电动机反转；当开关中置时继电器开关亦中置，电动机停转。即继电器所控制的开关与原来所直接控制的开关反应完全相同。方案三：使用单片机控制电磁继电器驱动电动机的正反转。此种设计就满足此设计的要求，有电磁继电器部分，可以实现安全控制；控制部分由智能芯片单片机等部分组成，能够进行自动化智能化的远程智能控制。如图3所示：开始NNYYYY图3单片机控制继电器控制电机正反转2.2方案比较方案一：该方案并不实用，就如上面所说，设计要源于生活而设计，所以设计要考虑到实用时的安全性，而此种直接控制型的方式，在开关打开或关闭的瞬间可能产生电弧火花，不能保证操作人员安全操作！方案二：该方案依然有很大的缺点，就是控制系统完全由手动操作，而在现在的自动化丰富的生活中，难以满足对于现在这个时代的需求。方案三：间接控制保证操作安全，远程智能控制能够进行后续的现实生活设计，比如密码锁控制车库卷帘门开关，光照强度控制百褶窗帘的角度调室内最优化采光，智能遥控汽车后备箱的开启与闭合。电动机初始1c高2c低1c低2c低1c高2c高7位反相器反相并提供1c口，2c口适合的高低电平电机正传通过开关提供P20，P21，P22口高低电平P30，P31输出高低电平6位反相器反相高低电平电机反转电机停转END2.3方案论证由上面三种方案的比较分析得出，方案三能够包含前两种，并且能够进行前两者不能做到的功能，符合现实生活对于安全化，智能化，远控化的要求。2.4方案选择本设计的方案设计者选择第三种（即：使用单片机控制电磁继电器驱动电动机的正反转）进行研究。3电动机正反转系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计该设计分为控制模块，驱动模块，特殊功能开发模块。各功能模块介绍如下：（1）控制模块原理：三个开关控制单片机的输入高低电平，通过单片机的接口功能，设计程序控制输出电平的高低，最后达到控制电动机正反转的功能。控制模块的组成：开关，单片机。1）开关部分如图4所示：图4开关控制部分如上图4中所示：当某一开关按下时，该路的引脚就会接通地线，使本来为高电压的引脚突变为低电压，从而触发单片机相对应的反应，由此就可以控制整个电路的反应。2）单片机部分如图5所示：图5AT89C51单片机AT89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，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。主要特性○1MCS-51兼容○24K字节可编程闪烁存储器○3寿命：1000写/擦循环○4数据保留时间：10年○5全静态工作：0Hz-24Hz○6三级程序存储器锁定○7128*8位内部RAM○832可编程I/O线○9两个16位定时器/计数器○105个中断源○11可编程串行通道○12低功耗的闲置和掉电模式○13片内振荡器和时钟电路管脚说明○1VCC：供电电压。○2GND：接地。○3P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。○4P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。○5P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。○6P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。○7RST：位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。○8ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。○9PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现○10EA非/VP：当EA非保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA非将内部锁定为RESET：当EA非端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。○11XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。○12XTAL2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。（2）驱动模块原理：由被继电器直接控制的高电压接入直流电机的正负极驱动电动机的正反转，满足即能使用危险电压电流又能使控制安全；由内接的时钟部分发出稳定的时钟频率触发，驱动单片机的正常运转。驱动模块的组成：电动机驱动，单片机驱动。1）电动机驱动部分如图6所示：图6电动机驱动电动机驱动部分为上图中下端的接地端与接+12v端，而图中右边的接+12v端与2c端是连接的控制端部分。通过控制部分控制继电器部分的磁性有无来选择开关置向接地端或接+12v端，从而驱动电动机正反转或者停转。2）单片机驱动部分如图7所示：图7单片机驱动系统采用内部时钟方式。51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1、XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器X1、及电容C1、C2连接起来并接地，就构成了内部自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲，驱动单片机正常运转。（3）特殊功能模块：通过对于导入单片机软件的应用，开发出生活中需要的自动控制系统。电路设计如图8所示：图8电路设计图3.2电路参数的计算及元器件的选择（1）继电器：G2R-1E-DC12的电磁继电器的额定电压是+12v,为了保持相对应的可变磁性有无所以ULN2003A也必须输入额定电压为+12v。因此ULN2003A的com端接+12v的电压。（2）电动机：G2R-1E-DC12的电磁继电器的输出电压为+12v，并且其输出电压供应直流电动机的输入电压，因此该直流电动机的额定电压应该为+12v。（3）反相器：为了使继电器得到合适的电压使用了ULN2003A，所以还应需要另外一组反相器用来产生反向电压。3.3特殊器件的介绍（1）ULN2003AULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。共16个端口，其中1~7口为输入端口，相对应16~10口为输出端口。8号口9号口为地与com端口。图9ULN2003A内部电路图（2）G2R-1E-DC12G2R-1E-DC12是一个电磁继电器并且带供电作用。电路由电磁部分和开关部分组成，电磁部分有两个接口，其中一端接入受控制的高低点，另一端直接接入高电压或低电压。开关部分为一个单刀双置开关，开关所选择的两端分别接高电压与低电压，从而可以通过电磁部分对开关进行选择高电压或低电压，从而对负载部分进行供给。图10G2R-1E-DC12电路图（3）74LS1474LS14（有施密特触发器）是一个6反向器的非门芯片,引脚定