1、262383ydmzq基于单片机的直流电机转速测控系统设计基于51单片机的直流电机转速测控系统设计基于51单片机的多级菜单滚动显示内容提要：随着现代科技的不断发展，现在的电子产品越来越多，在早期，电子产品一般是纯硬件电路，没有使用单片机，电路复杂难以设计，也难以检查问题，随着微控制技术的不断完善和发展，集成芯片越来越多，单片机便出来了，换言之，单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。具有划时代的意义。在电机控制方面也是靠人的感觉，没有侧速和侧距的概念，以前人机界面一般采用LED数码二极管，随着LCD液晶显示器的出现，人机界面更加人性化、智能化，它能显示数字、汉字和图象，控制LCD液晶显示器也很
2、方便，电路设计也比较简单；加上单片机，组合实现的功能也比较强大，还可方便以后电路的升级与扩展。本文结合LCD显示、电机控速、红外侧距、键盘操作等多种技术，实现了基于51单片机的电机转速测量控制系统的设计。本文从第二章方案论证与选择开始，就阐述了该系统的基本工作原理、所采用的相关技术等，进而交代了电机转速测量控制的实现方法。最后重点阐述了LCD液晶显示和案键部分。 该设计经过测试，实现了在LCD上的菜单多级滚动显示，达到预期的设计效果。基于该系统在LCD上实现菜单控制系统在电路图设计比较方便，主要分为四部分，电源部分、安键部分、LCD显示部分和控制部分；较复杂的是在控制软件部分，软件控制部分分为
3、三部分，一部分是安键判断部分、菜单控制部分和显示部分。关键词： 单片机 电机 液晶显示器 按键 红外元件 Based on 51 DC motor speed monitoring and control of the Design and Implementation Multi-level menu scrolling display based on 51Student ：ZhouLiming instructor:： Mr Lei Summary: With the continuous development of modern science and technology, an
4、increasing number of electronic products, in the early days of electronic products in general are pure hardware circuit, to use a microcontroller, the circuit difficult to design complex, difficult to check the problem, with the micro-control Technology continues to improve and develop, more and mor
5、e integrated chips, SCM will come out, in other words, the SCM application of traditional control of a revolution.In motor control are also on the feeling of speed and no side from the side of the concept of human-computer interface before the general use of digital LED diodes.With the emergence of
6、LCD liquid crystal display, human-computer interface more humane, intelligent, and it shows that the number of Chinese Characters and plans Like, control LCD liquid crystal display also very convenient, circuit design is also relatively simple addition, SCM, combined to achieve the functions of rela
7、tively strong, but also facilitate the circuit after the upgrade and expansion. This paper LCD display, the electrical control speed, the red lateral distance, keyboard operation, and other technology, based on the realization of the 51 SCM motor speed measurement and control system design. . This a
8、rticle from the second chapter demonstration and selection of programmes, elaborated on the systems basic working principle, adopted by the relevant technology, and then explain the control of motor speed measurement method. Finally focus on expounded the LCD liquid crystal display and the key part.
9、 The design has been tested, and in the LCD menu on the multi-rolling, to achieve the desired effect of the design. Based on the system to achieve in the LCD menu control system in circuit design more convenient, are divided into four parts, power part of the key parts, LCD display and control of so
10、me parts of the more complicated part is in control software, software-controlled part of divided into Three parts, is part of the key judgments of the menu and display some of the control. Key words: MCU Motor LCD button infrared devices 基于PIC单片机的直流电机转速测控系统设计基于51单片机的多级菜单滚动显示一 、引言 随着现代科技的不断发展，现在的电子产
11、品越来越多，在早期，电子产品一般是纯硬件电路，没有使用单片机，电路复杂难以设计，也难以检查问题，随着微控制技术的不断完善和发展，集成芯片越来越多，单片机便出来了。在电机控制方面也是靠人的感觉，没有侧速和侧距的概念，所以用单片机控制直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。以前人机界面一般采用LED数码二极管，用LED数码二极管只能显示零到九数字和小数点，显示太单纯，内容不丰富，难以满足用户的需求，而且显示所占的地方太大，电路设计难，电路图较复杂，随着LCD液晶显示器的出现，人机界面更加人性化、智能化，它能显示数字
12、、汉字和图象，控制LCD液晶显示器也很方便，电路设计也比较简单；加上单片机，组合实现的功能也比较强大，还可方便以后电路的升级与扩展。本系统设计并制作一台以51单片机为CPU核心板，用44键盘控制直流电机的转速、LCD液晶显示器的显示、红外线侧距和时钟显示等。本论文的第一部分介绍系统总体方案分析设计；第二部分说明系统各硬件模块的作用；第三部分为系统的软件设计；后面几个部分为系统的实验结果和总结。二、方案论证（一）基于嵌入式单片机的设计方案方案一：采用单片机控制。利用单片机丰富的IO端口，及其控制的灵活性，实现基本的LCD液晶显示功能。电机采用继电器控制，可实现低压电平控制高压电平，以防止高压电对
13、CPU的影响，损坏单片机。图 1基于嵌入式单片机的设计方案（二）基于EDA为核心的设计方案采用FPGA应用控制，FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 应用FPGA设计该系统的框图如下：图 2基于ED
14、A为核心的设计方案（三）方案选择通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，也比较方便，对控制系统的要求也不是很高，价格也比较底，电路设计也比较方便，软件指令简单，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用第一种方案三、结构设计 在这里，本系统我们选用了方案一（基于嵌入式单片机的设计方案）。总体设计框图如下：图 3 总系统图CPU控制模块采用MCS51单片机（单片机又称单片微控制器）,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜等。 单片机内部也
15、用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做
16、到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！它有集成度高，存储量大，性能高，速度快，抗干扰性强，指令丰富等特点。此类型单片机的封装型号很多，我们采用DIP40脚封装，对与该系统已经够用了，MCS51单片机中有 时针模块、中断模块、串口、并口等。存储空间大，寻址范围宽，数据存储有64KB地址空间，程序存储有64KB寻址空间。中断有优先级
17、别控制，采用5V供电。外围元件少等优点，下面是51单片机结构图和外围元件图：图 4 CPU核心板 图5 44行列键盘键盘是人操作本系统的唯一通道。键盘设计采用44行列键盘，十个数字键，上下左右键4个，还有确定键，取消键。采用单片机的P0到P7端口控制。数字键可设定电机的转速、设定时钟、设定温度等。上下左右键用于菜单的选择控制，让菜单跟随上下左右键上下滚屏翻动，实现菜单滚屏显示。确定键用于菜单中所选项目的启动。如启动电机按照规定速度转动，启动红外侧距功能、启动秒表等。取消键：取消键和确定键的功能相反，即停止某项功能。图6 LCD液晶连接图 在以往的人机对话界面中用LED数码灯，LED数码二极管只
18、能显示零到九数字和小数点，显示太单纯，内容不丰富，难以满足用户的需求，而且显示所占的地方太大，电路设计难，电路图较复杂，随着液晶显示技术的进步，高质量的液晶显示模块会被日趋广泛地应用于各种嵌入式系统中。在系统的整体设计中，人机交互界面的设计往往占据着很大一部分工作。 图7 电源图一个系统如果没有电就不能工作，如果没有稳定的电源也不能正常工作，所以电源在系统的设计中是站着非常重要的作用。电源模块中为系统输出正5V和正3.3V电源，5V为本系统的主电源，3.3V是为红外模块提供电源。 （五）红外侧距模块现在红外元件的用途很多，例如红外侧温、红外侧距、红外感应等。在这里我们应用了红外感应，感应轮子转
19、动的圈数。便可知道跑了好远的距离（距离等于轮子周长乘以轮子的圈数）（六）PWM电机控制模块 系统控制速度逻辑框图如下： 图 8 PWM电机控制图 电机控制模块中用的是直流电机，可把直流电机换成步进电机，但步进电机太贵（价格在100元左右），主要用单片机控制直流电机的转速，测量电机转动的圈数，这样可以侧距（圈数乘以轮子周长就等于所走动的距离）PWM信号发生器是通过改变直流电机电枢上脉动直流电的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。电枢电压的平均值为：Umg= .Vcc=Vcc, = 称为占空比，其值由固定频率调节脉冲宽度的方法来调节。四、各硬件模块设计设计总电路原理图 图 9 系统
20、各模块电路原理图 时钟模块、红外模块、PWM电机控制模块。(一)电源设计 MCS51单片机采用5V直流稳压电源，直流稳压电源基本组成框图如下： 图 10 直流稳压电源基本组成框图根据这一原理，该系统的电源电路设计如下 图 11 电源电路该电源电路采用78L05三端固定式正压稳压器，它有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。78表示78系列，05表示稳压器输出的电压值，L为稳压器最大输出电流为100MA。C19和C25为大容量滤波电流，C20和C26为小容量，C20用于抑制78L05芯片自激振荡，C26用于压榨芯片的高频带宽，减小高频噪声。LED灯为电源指示灯。SPX1117-3.3
21、为3.3v备用电源电路。（二）键盘设计键盘由多个按键组成，一般将其排列成阵列形式，如下图图 12 阵列式键盘示意图从图可看出，当没有键按下时，行线和列线之间是不相连的，若第N行第M列的键被按下，那么第N行与第M列的线就被接通。如果在列线上加上信号，根据行线的状态，便可得知是否有键按下。如果在列线上逐行加上一个扫描信号，就可以判断按键的位置。在H1到H4接四个10K的上拉电阻。（三）LCD液晶显示设计1 LCD概述及特点液晶显示器（LCD，liquid crystal display），具有体积小、质量轻、功耗低等优点，是电子信息产品的重要显示器件之一。LCD作为电子信息产品的主要显示器件，相对
22、与其他类型的显示部件来说，有其自身的特点，概要如下：低电压微功耗LCD的工作电压一般为35V，每平方厘米的液晶显示屏的工作电流为uA级，所以液晶显示器件为电池供电的电子设备的首选显示器件。平板型结构LCD的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒子。这种结构具有使用方便、生产工艺简单等优点。使用寿命长LCD器件本身几乎没有什么劣化问题，如能注意器件防潮、防压、防止划伤、防止紫外线照射、防静电等，同时注意使用温度，则LCD可以使用很长时间。被动显示对LCD来说，环境光线越强显示内容越清晰。人眼所感受的外部信息90以上是外部物体对光的反射，而不是物体本身发光，所以被动显示更适合人的视觉习惯，更不容易引起
23、疲劳。这在信息量大、显示密度高、观看时间长的场合更为重要。显示信息量大且易于彩色化LCD与CRT相比，由于LCD没有荫罩限制，像素可以做得很小，同时液晶易于彩色化，方法也很多。无电磁辐射CRT工作时，不仅会产生X射线，还会产生其他的电磁辐射，影响环境。LCD则不会产生这类问题。点阵字符型LCD的特性我们已经知道，点阵字符型LCD是专门用于显示数字、字母、汉字、图形符号及少量自定义符号的液晶显示器。这类显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器、显示体及少量的阻容元件等集成为一个液晶显示模块。鉴于字符型液晶显示模块目前在国际上已经规划，其电特性和接口特性是统一的。字符型液晶显示模块的控制器大多
24、数为日立公司生产的HD44780及其兼容的控制电路，本系统用HD44780，下面我们介绍HD44780的接口技术。HD44780似的引脚信号HD44780的外部接口信号一般有14条，有的型号显示器使用16条，本系统采用16条接口，与MCU的接口有8条数据线、3条控制线。见下表 管脚号 符号 电平 方向 引脚含义说明 1 VSS 电源地2 VDD 电源（5V）3 V0 液晶启动电源（05V）4 RS H/L 输入 寄存器选择：1数据寄存器 0指令寄存器5 R/W H/L 输入 读写操作选择：1读操作 0写操作6 E H/L 输入 使能信号：R/W=0，E下降沿有效HL R/W=1，E=1有效71
25、0 DB0DB3 三态 8位数据总线的低4位1114 DB4DB7 三态 8位数据总线的高4位1516 E1E2 输入 上下两行使能信号，只用于一些特殊型号2 LCD液晶显示器硬件设计在以往的人机对话界面中用LED数码灯，LED数码二极管只能显示零到九数字和小数点，显示太单纯，内容不丰富，难以满足用户的需求，而且显示所占的地方太大，电路设计难，电路图较复杂，随着LCD液晶显示器的出现，人机界面更加人性化、智能化，它能显示数字、汉字和图象，控制LCD液晶显示器也很方便，电路设计也比较简单；近年来，LCD显示器的普及和微处理器向大容量的发展使嵌入式系统的人机交互功能得到了显著的提高。在下图中，有八
26、个上拉电阻，电阻R25可调节LCD屏幕的亮度的。图 13 LCD原理图（四）CPU硬件设计 在这里，我们采用了MCS51单片机，下面对它作一些介绍：1 51单片机的内部结构 它的内部结构如下图所示。按功能划分，它由微处理器（CPU）、存储器、I/O端口、定时器/计数器和中断系统等5部分组成。其中微处理器是单片机内部的核心部件，它决定单片机的主要功能特性，微处理器由运算器、控制器和专用寄存器图 14单片机的内部结构图图1-2 51单片机的内部功能模块2 51单片机存储器在物理上，MCS51有4个存储器空间：片内程序存储器和片外程序存储器，以及片内数据存储器和片外数据存储器。程序存储器用来存放原程
27、序和表格常数，程序存储器是以程序计数器（PC）作地址指针的。MCS51单片机的程序计数器（PC）为16位，因此可以寻址到的地址空间为64KB，CPU访问片内和片外程序存储器可以由EA引脚所接的电平来决定，EA引脚接高电平时，程序开始从片内程序存储器开始执行，即访问片内程序存储器，当PC直超出片内ROM的容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行程序。EA为底电平时，将迫使单片机只能执行片外程序存储器中的程序。图 15单片机存储器图图1-3 51单片机存储器映像图3 CPU硬件原理图 在此系统中CPU硬件原理图设计如下：图16 单片机模块工作原理图在CPU核心板中较重要是时钟，时钟是单片机能协调工
28、作的时间基准。时钟电路有两种形式，一种是内部方式时钟电路，另一种是外部方式时钟电路。在这里采用内部方式时钟电路。内部方式时钟电路由内部振荡器产生的震荡信号接至内部时钟电路，由由内部时钟电产生的二分频信号构成了单片机的时钟，并向CPU提供P1和P2两相时钟信号。内部振荡器由内部反向放大器通过引脚XTAL1和XTAL2与外接的晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，产生出晶体振荡信号，此晶振信号接至内部的时钟电路。晶振频率可在212MKZ之间，外接晶体时，电容C1和C2通常选30PF。对外接电容值没有严格要求，但电容的大小会影响振荡频率、震荡器的稳定性和起振的速度。振荡器的这些特性对单片机的应用影
29、响很大，因此在设计印刷电路板时，应使晶体和电容尽可能与单片机靠近，以保证稳定可靠。（五）时钟模块我选用的时钟芯片是DS1302，它价格比较底，使用方面，下面对DS1302作一定的介绍：图 17 时钟模块图DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1 RES 复位2 I/O 数据线3 SCLK
30、串行时钟时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mWDS1302 是由DS1202 改进而来增加了以下的特性双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1 为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域下面将主要的性能指标作一综合实时时钟具有能计算2100 年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年调整的能力31 8 位暂存数据存储RAM 串行I/O 口方式使得管脚数量最少 宽范围工作电压2.0 5.5V 工作电流2.0V 时,小于300nA 读/写时钟或R
31、AM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式 8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配 简单3 线接口 与TTL 兼容Vcc=5V 可选工业级温度范围-40 +85 与DS1202 兼容在DS1202 基础上增加的特性对Vcc1 有可选的涓流充电能力、双电源管用于主电源和备份电源供应、备份电源管脚可由电池或大容量电容输入、附加的7 字节暂存存储器（六）红外测速模块图18 红外测速模块原理图测速电路用的是光耦测量转动圆盘引起的脉冲宽度，从而可得单片机的实时速度，精度很高，可达千分之一。用的是外部中断的，在电机带动转盘的时候，转盘上有一个狭缝，只有当转盘到达狭缝的时候，红外线传感器是导通的，平常的时候传感器都处于断开的状态，利用这一特点，我采用外部中断的方式，每次断开的时候采集一个信号，发生中断，每发生一次中断，就让计数器计数一次，以这样的方式来测量电机的转速。具体电路图下：（七）电机模块图 19电机模块从上图可知，该模块采取的是单片机高电模块驱动，由于单片机的高电平输出的电信号的驱动能力很底，采用了电流放大电路（三极管都是电流信号放大元件，如果在输出的地方接一负载电阻就可以变为电压放大），就可以实现由弱电平驱动直流电机。上面的四个二极管是对放大三极管起保护作用，对直流
