基于PCF8591的直流电动机转速控制课程设计

基于PCF8591的直流电动机转速控制课程设计 中北大学课程设计说明书 课 程 设 计 说 明 书 学生姓名: 学 号: 学 院: 信息商务学院 专 业: 电气及其自动化 题 目: 基于PCF8591的直流电动机转速控制 指导教师: 职称: 讲师 指导教师: 职称: 讲师 2013年6月1日 中北大学课程设计说明书 目录 1 引言 ...................................................................................................................... 1 1(1设计任务与要求 .............................................................................................. 1 2设计过程 ............................................................................................................... 1 2. 1设计过程及步骤 ............................................................................................. 1 2(1(1芯片的介绍 ................................................................................................ 1 2(1(2设计思路……..…………..…………………………………………..……………………………………4 2(1(3电路设计 .................................................................................................... 5 3测试 ....................................................................................................................... 8 4 ....................................................................................................................... 9 附录A 源程序 ....................................................................................................... 10 参考文献: ............................................................................................................ 19 中北大学课程设计说明书 1 引言 现在工业生产中，电机是主要的驱动设备，目前在直流电机拖动系统中已大量采用晶闸管装置控制电机的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电机-电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促进使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速又进入了一个新的阶段，智能化，高可靠性已成为它的发展趋势。直电机调速基本原理是比较简单的(相对于交流电机)，只要改变电机的电压就可以改变转速了。 1(1 设计任务与要求 设计一个基于PCF8591的直流电动机转速控制电路，在相应的软件控制下可以完成要求的功能，即使用具有IIC接口的PCF8591模数与数模转换芯片，使用1602LCD液晶显示屏显示PCF8591模数与数模转换芯片上的4个通道的模数转换结果，同时，0通道的转换结果再通过PCF8591转换为模拟信号，经过放大后调控直流电动机的转速。 2 设计过程 2. 1 设计过程及步骤 1 芯片介绍 2(1( 1)PCF8591 PCF8591 是一种具有 I2C 总线接口的 8 位 A/D D/A 转换芯片，在与 CPU的信息传输过程中仅靠时钟线 SCL 和数据线 SDA 就可以实现。 I2C 总线是Philips (飞利浦)公司推出的串行总线，它与传统的通信方式相比具有读写方便，结构简单 ，可维护性好， 易实现系统扩展， 易实现模块化标准化设计， 可靠性高等优点。 PCF8591 为单一电源供电(2.5 6 V)典型值为 5 V，CMOS 工艺 PCF8591 有 4 路 8 位 A/D 输入，属逐次比较型，内含采样保持电路; 1 路 8 位 D/A 输出，内含有 DAC的数据寄存器 A/D D/A 的最大转换速率约为 11 kHz，但是转换的基准电源需由外部提供 PCF8591 的引脚功能如图2.1所示 1 中北大学课程设计说明书 图 2.1 PCF8591引脚功能 在 PCF8591 内部的可编程功能控制字有两个，一个为地址选择字，另一个为转换控制字 PCF8591 采用典型的I2C总线接口的器件寻址方法，即总线地址由器件地址引脚地址和方向位组成 Philips (飞利浦)公司规定 A/D器件高四位地址为 1001，低三位地址为引脚地址A0A1A2，由硬件电路决定，地址选择字 3格式具体描述如2 所示 因此 I2C 系统中最多可接 2=8 个具有总线接口的 A/D 器件 地址的最后一位为方向位 R/W，当主控器对 A/D 器件进行读操作时为 1，进行写操作时为 0 总线。操作时，由器件地址 引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。 图2.2 地址选择字格式描述 D0:读写控制位，对转换器件进行读操作时为1 ，进行写操作时为0。D1,D2,D3:引脚硬件地址设置位，由硬件电路设定该PCF8591的物理地址。D7,D6,D5,D4:器件地址位固定为1001.PCF8591的转换控制字存放在控制寄存器中，用于实现器件的各种功能 总线操作时为主控器发送的第二字节 转换控制字的格式功能具体描述如图2.3所示 2 中北大学课程设计说明书 图2.3 转换控制字格式描述 D0,D1:通道选择位。00 :通道 0; 01:通道1 ; 10:通道2; 11:通道3。D2:自动增量允许位，为 1时，每对一个通道转换后自动切换到下一通道进行转换，为0 时不自动进行通道转换，可通过软件修改进行通道转换D3:特征位，固定位0。D4,D5:模拟量输入方式选择位 。00:输入方式0 ，四路单端输入;01 :输入方式 1，三路差分输入;10 :输入方式2，二路单端输入，一路差分输入; 11:输入方式3 ，两路差分输入。D6:模拟输出允许位，A/D 转换时设置为 (地址选择字D0 位此时设置为1 )，D/A 转换时设置为 1(地址选择字 位此时设置为 )。D7:特征位，固定为0。PCF8591的A/D 转换为逐次比较型，在 A/D转换周期中借用 DAC及高增益比较器 对 PCF8591进行写读操作后便立即启动 A/D转换，并读出A/D 转换结果 在每个应答信号的后沿触发 转换周期，采样模拟电压并读出前一次转换后的结果。A/D转换中，一旦 A/D采样周期被触发，所选择通道的采样电压便保存在采样，保持电路中，并转换成8 位二进制码(单端输入)或二进制补码(差分输入)存放在ADC数据寄存器中等待器件读出。如果控制字节中自动增量选择位置 1，则一次A/D 转换完毕后自动选择下一通道 。读周期中读出的第一个字节为前一个周期的转换结果 。上电复位后读出的第一字节为80H。PCF8591的A/D 转换亦使用的是I2C 总线的读方式操作完成的 。其数据操作格式如图 2.4所示。 图2.4 A/D转换数据操作格式 其中data0~datan 为 A/D的转换结果，分别对应于前一个数据读取期间所采样的模拟电压。A/D 转换结束后，先发送一个非应答信号位A 再发送结束信号位P。 灰底位由主机发出，白底位是由PCF8591 产生。 上电复位后控制字节状态为00H ，在 A/D转换时须设置控制字，即须在读操作之前进行控制字节的写入操作。逻辑操作波形时序图如图2.5所示。 3 中北大学课程设计说明书 图2.5 A/D转换逻辑操作波形时序图 2)LCD1602 LCD1602液晶显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明:1为高电平、0为低电平)指令1:清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2:光标复位，光标返回到地址00H。指令3:光标和显示模式设置 I/D:光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4:显示开关控制。 D:控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C:控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B:控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5:光标或显示移位 S/C:高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6:功能设置命令 DL:高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N:低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7:字符发生器RAM地址设置。指令8:DDRAM地址设置。指令9:读忙信号和光标地址 BF:为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10:写数据。指令11:读数据。 2(1(2设计思路 本次设计要求设计利用带有IIC接口的PCF8592模数与数模转换芯片，实现对直流电机转速的控制。利用PCF8591芯片通道0采集到的模拟量，再次由AD转换成模拟量输出去控制直流电机的转速，由于D/A输出的的电流普遍偏小，而此不能直接驱动电机，要加上放大电路，而选用的直流电机是12V的DA的最大输出电压是5V，因此要先进行电压放大，采用LM358运放，将电压放大两倍， 4 中北大学课程设计说明书 这样最高输出电压是10V，由于运放的驱动能力还是很弱，因此要进行电流放大， 这边采用三极管进行电压放大，以射极跟随器的方式进行放大。 2(1(3电路设计 由设计思路在Ptotues上面画出总的电路图如下: 图2.6 总的电路图 2)放大电路及直流电机驱动电路如 图2.7 5 中北大学课程设计说明书 图2.7 放大电路 如图所示PCF8591的D/A输出经过电阻R6接到运放LM358的同向输入端，设DA的输出电压为VDA，LM358运放的输出电压为VDA*(1+R5/R4)=2*VDA，所以LM358对PCF8591的D/A输出电压放大两倍，LM358输出的电压经过三极管S8050组成的射极跟随器后的输出到直流电机的电压为2*VDA-Vbe(三极管基极和发射极的导通电压)。这样就组成了对D/A输出的电压，进行电压放大和电流放大，最后去驱动直流电机的驱动电路。 3)PCF8591应用电路如下图2.8 6 中北大学课程设计说明书 图2.8 PCF8591应用电路 PCF8591应用电路如上图所示，IIC接口SCL，SDA各接一个10K的上拉电阻。A0、A1、A2接地，这样对PCF8591写话地址为0x90,对PCF8591写的话地址为0x90。PCF8591的VREF参考电压引脚接+5V，这样A/D的最大输入电压是5V，D/A的最大输出电压也是5V，PCF8591的四个A/D道道接四个可调电阻，用来改变输入电压的大小。 4)单片机最小系统电路 7 中北大学课程设计说明书 图2.9 单片机最小系统电路 单片机最小系统电路主要包含两个部分，一个是由电阻电容组成的上电复位电路，让单片机在上电时先复位一下，再继续工作，另外一部分是由无源晶振和瓷片电容组成的时钟电路，为单片机提供工作时的必要的时钟信号。 3 测试 实验的结果测试如图所示在A0电压为5V时，电机转速为235 图3.1 在A0电压为5V时电机的转速 如图3.2在A0通道电压为3V时电机的转速为205 8 中北大学课程设计说明书 图3.2 在A0电压为3V时电机的转速 如图3.3在A0通道电压为1.3V时，电机的转速为80.2转 图3.3 在A0通道电压为1.3V 时电机的转速 4 总结 采用PCF8591对A0-A3的四个通道模拟量的采样，并在LCD1602液晶上面显 9 中北大学课程设计说明书 示，对应的值，并将A0通道采集到到值输出给D/A去控制直流电机的转速，由 于D/A的驱动能力很弱，因此加上了由LM358组成的电压放大电路，和由S8050 三极管组成的电流放大电路再去驱动直流电机，通过在Protues仿真验证此 是合理可行的。 附录A 源程序 #include //PCF8591相关定义 sbit SCL=P2^0;//时钟脉冲 sbit SDA=P2^1;//双向输入输出数据端 #define SCL_SET SCL=1 #define SCL_CLR SCL=0 #define SDA_SET SDA=1 #define SDA_CLR SDA=0 #define AddWr 0x90 //写数据地址 #define AddRd 0x91 //读数据地址 #define adCon 0x40 //AD控制字节 //LCD1602相关定义 sbit RS=P2^6; sbit RW=P2^5; sbit E=P2^7; #define setRS RS=1 #define clrRS RS=0 #define setRW RW=1 #define clrRW RW=0 #define setE E=1 #define clrE E=0 10 中北大学课程设计说明书 unsigned int time=0; unsigned char ADFlag=0; unsigned char str[8]="Ai n.mv "; //延时1US void delay(unsigned int cnt) { while(--cnt); } //延时1MS void delayms(unsigned int time) { unsigned int i; for(i=0; i1) disStr(i*8-16, 1, str); else disStr(i*8, 0, str); } } void main() { unsigned char i=0; unsigned char vot[4]; lcdInitial(); while(1) { vot[3]=read(0); vot[0]=read(1); vot[1]=read(2); vot[2]=read(3); DAC(vot[0]);//DA转换函数，A0的模拟量值送到DA输出 dis(vot); 18 中北大学课程设计说明书 delayms(5); } } 参考文献: [1] 彭伟. 单片机C语言程序设计实训――基于8051+Protues仿真[M].电子工业出版社.2010 [2] 徐玮,徐富军,沈建良. C51单片机高效入门[M].机械工业出版社.2010 19