基于单片机的直流电机控制系统的设计.docx

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1、基于单片机的直流电机控制系统的设计基于单片机的直流电机控制系统的设计摘要本设计主要研究设计一款 PWM 直流电机调速系统。该系统能够利用单片机对用户通过按键输入的控制信号进行处理，然后利用驱动器对电机进行速度和方向的控制，同时把电机运行状态信息显示在 LCD 显示器上。在完成对系统的基本分析后，对硬件的电路进行了调试，然后对所有模块电路进行调试。只要有了整个系统的信号连接方式和全部电路的原理图设计就可以更方便的发掘硬件挑选方案的可行性和优点。给系统就提供了空间平台。这是整个系统的的核心部分，也是本篇设计的核心。最后将整个检测系统进行软硬件联调，根据已经设计完成的电路图和系统功能需求， 完成硬件

2、电路的制作与软件程序的开发。在对整个系统完成测试后确定了系统设计的有效性。关键词：单片机；硬件电路设计；系统仿真；系统调试The design of dc motor control system based on single chip microcomputerABSTRACTThis design mainly study design a PWM dc motor speed control system. The system can use single chip microcomputer control of the user through the pressed key i

3、nput signal processing, and then use the drive control of motor speed and direction, at the same time, the motor running state information display on the LCD display.In the completion of basic analysis of the system, the hardware circuit debugging, and then to all module circuit debugging. Have the

4、schematic diagram of the whole module design and system of signal connection mode can be more easily explore feasibility and advantages of hardware selection scheme. To the system provide a space platform. This is the core of the part of the whole system, is also the core of this design.Will last th

5、e whole test system of software and hardware alignment, have done design according to the circuit diagram and system functional requirements,completethehardwarecircuitandsoftwareprogram development. After complete the test of the whole system to determine the effectiveness of the system design.Keywo

6、rd：Single chip microcomputer; The hardware circuit design; System simulation; System debugging目录一、 绪论0本课题的研究目的及意义0直流电机调速方法1设计内容1二、系统主要硬件介绍32.1 8051 单片机3简介32.1.2 8051 单片机特点42.2 L298N4三、系统电路硬件设计6系统电路总体设计6主控电路设计6显示电路7按键控制电路8电机驱动电路9程序下载电路10电源电路10四、系统软件设计及仿真12系统软件总体方案12系统初始化程序设计13PWM 发生程序设计14按键控制程序15系统仿真

7、17五、PWM 直流调速系统硬件联调21系统硬件制作调试21系统软件下载及调试22结论23参考文献24致谢错误!未定义书签。一、 绪论本课题的研究目的及意义直流电机很早就被应用于人们生活当中。经历了多次的变革更新，现今已被普遍应用在交通工具，工程设备，电气自动化以及航天航空等。最早的直流电机调速电路很复杂，将运算放大器和非线性电路，还有模拟器件组合而成,因此早期的直流电机缺点很多，比如功能有很大限制,改装很繁琐,成本费用高等。严重影响了直流电机的应用。近年来,由于PWM技术的出现,使直流电机的发展发挥到了极致，使其在应用范围扩大了不少。PWM调速系统的基本原理就是控制开关的导通和断开,直流电压

8、会根据开关的导通或者断开而产生变化，当开关导通 ,电流就会流向直流电机，当开关断开,就没有电流流向直流电机。利用这个方法, 想要改变输出的平均电压值，就要改变开关的导通和断开用它来实现电压脉冲的频率。在直流电机调速系统中利用单片机控制直流电机的技术却是最为耀 眼的一个，虽然控制系统和微机技术还有电力电子技术用的也不少，但是在应用上还是单片机控制直流电机用的更多一些。在直流电机调速中单片机的作用是将输出脉冲信号和控制其他逻辑电路，不光如此，单片机还有质量轻，体积小，成本低，灵活应用，控制能力强等优点。所以会优先选择单片机作为直流电机调速系统控制芯片。就是因为PWM技术的优点多,直流电机被获得青睐

9、，在生活中被得到广泛的应用。在工业领域中PWM技术占据着举足轻重的作用，他利用电路结构简单，价格便宜，控制灵活的特点与数字信号可以相互通信，使工业化的发展更上一层楼。这样看来，PWM技术可能会对我们的工作生活起到作用， 所以我们要去多学习PWM技术。通过L298N电机驱动电路，本设计就选择51单片机来实现对直流电机 的调速控制,通过本次设计可以使我们对所学到的知识得到进一步的巩固和加深，在我们以后的生活工作当中得到充分的表现有很大的意义。直流电机调速方法直流电机基本的调速方法主要有4种。1. 最早的直流电机调速系统想要实现直流电机的调速是要改变电机的内阻的大小而使直流电机两端的电压产生变化。这

10、种调速系统电路有很多的缺点，比如调速精度较低,不能精确调节电机的转速。但是这种调速系统操作起来比较容易，电路也很简单而且工艺的制造也不麻烦。2. 发电机一电动机调速，这种调速系统一般由电磁放大器,电机扩大器, 闸流管等器件构成。这种方法相对以前的方法有相当大的突破，一改以往的精度低，调速低的缺点，把直流电机带到了一个新的高度。但是这个系统还是存在些许不足，比如电力设备以及电子元器件较多，价钱也比较昂贵，其中的连线接线线路并不简单,使得这个系统太过繁琐,不易于制造。3. 基于泵浆变流器的调速方式。这种调速方法在平时用的不多，调速功能比之前也有很大的提高，调速精度也比较高，不会出现调速精度低和调速

11、不稳定的问题。但是这种调速方法是基于泵浆变流器的，系统中的会挥发处不良气体，会对人体产生伤害，这就是不常用的原因，所以也就不便去推广引用了。4. PWM调速。这种方法利用调整半导体开关的通断从而改变电机两段平均电压的形式改变调整电机转速。早期的半导体开关利用三极管，但是三极管的载流较小，通常只能驱动功率较小的电机。直流电机有了相当大的进步是当第一只晶闸管成功出世，将它应用到直流电机调速系统中 ,确实有着不匪的表现，而且在今后的很长时间内都是被主要应用，这种调速系统比之前的更小更精致,调速精度更高,价格更低。欧美国家在调速系统这部分则更有话语权,比较有实力的公司西门子、通用电气等他们拥有更多不同

12、种类的调速设备，他们的设备性能很高，他们的产品不会应用在精度和稳定性相对较低的地方，他们对这方面要求很严格。设计内容设计了一个基于PWM调速方法的调速系统。整个系统由主控，电机驱动电路，按键控制电路，显示电路等构成。并将转速级别显示于LCD显示器上。系统的主控采用51单片机，电机驱动采用L298N电机驱动电路。系 统具有成本低廉，构造简单，容易操作的优点。二、系统主要硬件介绍本章主要介绍 8051 单片机的由来和它的特性，还有将利用 L298N 作为实验工具来进行实验研究。2.1 8051 单片机简介8051是一种单芯片微控制器，在 1981年INTEL公司制造出来的。很多公司也在做 8051

13、型号的单片机比如爱特梅尔公司， Philips公司， Deep lianhua公司等公司，他们很多都研发了性能更好，应用更广泛的产品，他 们之所以会有之后的成就，也是因为最早通过 Intel公司授权得来的MCS51 核心技术。8051单芯片是同步式的顺序逻辑系统，它的系统内部时脉信号发生变 化时整个系统才会健康的运行起来，很多信号和动作都是通过他发出来 的。8051单片机内部有一个时钟产生器，一般和电容还有石英提谐振器等 还有很多振荡器相连才能使用，系统就会产生时钟信号是系统正常的运 转。8051比平常的的微处理器多了38BRAM、8KB的ROM和4个8位的串行 口还有不少特殊功能的寄存器，单

14、片机只用于对系统的控制设计，而微处理器多数情况用于对系统内的数据进行运算，所以单片机在控制能力上是非常强大的，是微处理器所不具备的。图2.1 8051单片机原理图8051 单片机特点体积小适用于多数系统、集成度非常高、用起来也非常可靠。单片机将人类的智慧发挥到了极致，它的每一个功能部件都集中在了一块晶体芯片上，体积非常小，自然集成度也非常高，单片机芯片内部的线路很短， 在日常的工业当中，机器产生的噪声很大，他的抗噪声的能力首屈一指， 进入到工厂中，明显感觉耳根比之前舒服了好多，大多数CPU都没有他强， 因为他本身设计的时候就是根据工业上的噪声环境来打造的。在一个芯片内有很多的信号通道，他保护了

15、单片机的常数，表格还有程序指令等固化， 使得他们在ROM成功地保留下来，因此它的可靠性非常高。控制能力也较强。单片机有着极强的控制功能，能及时地将分支转移， 还有端口操作能力和位处理能力，这是他独到的一面，这便是单片机指令系统能对对象控制的要求充分地满足的原因。易于扩展。计算机能正常运行都是通过单片机提供计算机所需的部件， 计算机应用系统有好多种规模，他是由单片机芯片外部有很多串行接口， 管脚和三总线构成，系统利用这些部件很容易构成。优异的性价比。单片机开始使用新技术，比如DSP和RSTC等技术，就是为了运算速度能更上一层楼。单片机寻址能力更是突飞猛进，不仅将64KB成功突破，还有许多已经达到

16、1MB和16MB，令人惊诧 ，片内的ROM 的容量更是可以达到60M。单片机价格便宜令他在许多地方广为受用，所以具有性价比高的特点。2.2 L298N本次设计将选取 L298N 来进行操作。简单介绍一下 L298N。它是意法半导体公司生产的一种电机驱动芯片，它具有高电压、高电流的特点， 工作效率很高。该芯片采用 15 脚封装.主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V 输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A； 额定功率 25W。内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；该芯片有两个控制

17、端，再不受外界条件下不管器件是否工作有一个逻辑电源输入端，在低电压的中让逻辑电路正常工作；可以外接检测电阻，将变化信息反馈给控制电路。三、系统电路硬件设计系统电路总体设计验实硬件系统图如下：电源电路按键控制电路STC89C52 单片机驱动电路LCD 显示图 3.1 系统模式图主控电路设计本设计的电路将使用 51 单片机，因为51 单片成本低廉也比较符合系统的功能需求，选取的型号为 STC89C52。STC89C52 单片机的内部构造十分简单，主控电路由于是用它的芯片搭建的，因此也比较简单。晶振电路，复位电路和 i0 电路就组成了主控电路。下图为主控电路设计图。图 3.2 主控电路图S2 按键，

18、10K 殴和 22uF 电容组成了图中的复位电路。当按键闭合时， 主控的 RST 引脚被转化为高电平，系统便成功复位。晶振电路是一个后续， 它的构成是一个无源晶体振荡器和两个 20pF 的电容。时钟信号可以稳定的输入主控芯片为主控芯片。整个系统可以正常的运行就是靠这两个部 分。显示电路用户通常要获得信号采集值都是通过显示屏的形式输出之后。显示屏通常有两种选择，有LED 数码管和 LCD 液晶屏。在低端系统中，LED 数码管可以充分的显示设计，在高端一点就不行了，LED 数码管有很多缺点， 比如体积太大，只能单一的显示数字，显示形态太普通还有耗能非常高等。本次设计针对的人群是学生，本文使用 LC

19、D 液晶屏作为显示器件，所以需要整个系统美观并且具有体积小耗能低的，因此本文采用 LCD 液晶屏作为显示器件。本次设计采用 LCD1603 液晶屏，这种屏幕的显示内容，功耗还有电压比较符合。这种屏幕在工业当中叫做字符型液晶，有许多种组合的点阵字符，字符和字符之间的距离，行距都对显示屏有影响。距离把握的合适会显的字符美观大方。不仅能显示英文字符，也能很好的显示中文字符。是一种使用的液晶显示屏。下图为显示模块的原理图。图 3.3 LCD 显示电路从图 LCD 显示电路中看出，整个显示屏模块功能强大，本身带有驱动电路。供电回路由 VEE，VCC,VSS 构成，噪声对显示屏影响是非常大的，为了保证显示

20、屏的正常工作，降低噪音就是一个必须要做的工作，就要通过并通过 C3,C4 两颗退藕电容滤除电源噪声，避免显示屏产生异常情况。器件通过 DB0DB7 八个引脚与单片机交换数据，并在 RS,R/W 和 E 引脚的控制下，正常的完成信息交互，这三个引脚分别完成寄存器类型选择，读写切换和芯片使能的工作，使得数据能够在正确的时序下传输。整个液晶显示电路不仅很好的完成了系统的要求，还降低了系统的能耗和电路面积，该液晶显示电路起到了至关重要的作用。按键控制电路本系统对按键要求很高，系统中的3 个按键分别连接到单片机STC89X52RC 的引脚上。连接方式为按键一端连接到单片机引脚，另一端右侧接地。在程序中对

21、键盘才去键盘扫描模式来判断这四个独立按键的状态:低电平的检测是通过单片机对计算机进行扫描函数，如果单片机和按键连接的引脚就是低电平,当按键被按下,系统就进入处理程序,单片机发出指令,就可以操控直流电机进行一系列操作：正向运转、反向运转和加速、减速和启动、停止。当程序扫描了按键的状态，那程序就进入子程序进行下一项动作，系统就会自动复位，那就表明按键已被按下;同样，当程序只执行主程序或其他的子程序，那么程序会继续之前的操作，不会扫描按键状态，那程序一定没有进入键盘扫描程序，那么按键就没有按下才导致了这样的情况 , 如果出现了这种情况，系统会反应给单片机，这时单片机就会扫描与按键相连的引脚，即主程序

22、每执行一次都会对键盘扫描子程序的入口条件进行一次判断。图 3.4 按键控制电路3.5 电机驱动电路本系统电机驱动采用 L298N 电机驱动器，如图中 L298N 的 OUT1 和OUT2 输出端直接和电机相连，用于拖动电机。L298N 的 IN1 和 IN2 端直接和 STC89C52 单片机相连，用于接收来自 PWM 波控制信号，从而对L298N 的输出电压进行控制。当单片机给予高电平时，相应的输出管脚输出高电平，为电机提供驱动电流；当单片机给予低电平时，相应管脚输出低电平，无法为电机提供驱动电流，电机停止转动。利用单片机输出 PWM 波，从而使得 L298N 在一定频率下反复通断，从而控制

23、电机的转速。图 3.5 电机驱动电路3.6 程序下载电路STC89C52 可以进行编程，它里面的芯片有一种编程模块。在编程时将数据整理好，通过串口传输给 STC89C52，STC89C52 将数据接受处理完成后，剩下的工作就留给芯片去自动进行 FLASH 烧写，效率自然高了不少。由于数据都是通过 PC 输出，为了建立统一方便的适用接口，本设计采用 USB 输出(考虑到大多数电脑不再拥有 RS232 串口接口)。因此系统中需要用于 USB 转串口的电路。下图为本课题设计的 U 转串电路。图 3.6 程序下载电路该电路的主要构成模块是 PL2303 芯片和一个 12Mhz 的晶体产生电路。旺久公司

24、生产了一种集成度很高的接口转换器名字叫 PL2302，它可以让 USB 接口和 RX233 全双工异步串行通信装置成功连接。按照该芯片手册提出的要求，为其搭建需要的外围电路，就构成了系统的下载电路。上图中 D+和 D-就是数据输入接口，接到系统的输入 USB 接口上，与 PC 通信。3.7 电源电路系统中主要存在两种电源。一个是用于为 STC89C52 单片机供电的 5v 电源。另一种是为电机供电的12V 电源。为了实现这两种电源，分别采用LM7805 和 LM7812 实现。7805 是一种常见的三端稳压电路集成电路。一般要想用 7805 系列三端稳压将外围元件组成几乎没有，有保护电路的进行

25、调整管，过热还有过流的电路，用起来相对安全，便捷，而且性能也不差。可以实现至少 1A 以上的输出电流，这种器件在实际应用中用途很多，可以将本地噪声污染消除。该芯片具有三个接口，输入电平，输出电平和公共地电平，使用时只需再输入和输出端分别并上一个电容用于电源滤波，此外不需要其他的外围器件。因此电路设计较为容易。LM7812 与 7805 类似，也是一种三端稳压器。其输出电压为3.3v，最大输出电流为 1A。工作结温范围：-40125C 输入最大电压：12V。是一种高效率线性稳压器发表开关电源稳压器。该芯片具有三个接口，输入电平，输出电平和公共地电平。设计中输入电平由 5v 电源提供，公共地信号为

26、系统地信号。下图为系统供电电路的原理图。图 3.7 电源电路四、系统软件设计及仿真系统软件总体方案电机调速系统的软件系统有三大部分，分别为输出 PWM 波，初始化进程和接收按键输入。输出 PWM 波用于控制电机转速；各个模块要进行正常的准备状态就要通过系统初始化；按键输入模块用于处理用户输入的调速信息。下图为系统的软件流程图。开始LCD 初始化显示当前速度信息否按键是否按下是调整电机速度图 4.1 系统软件流程图下面分模块介绍各个软件子模块的设计方案。系统初始化程序设计void main (void)TMOD=0x21;/设置定时器模式TL0=(65535-1000)%256;/向计数器中低位

27、装入数据数据TH0=(65535-1000)/256;/向计数器中高位装入EA=1;/中断控制使能ET0=1;/定时器 0 中断使能LCD_Init();三个 Init 函数中的主要内容是根据芯片手册提供的硬件操作方法，在其工作准备之前，要整理硬件初始数据，调整工作状态，在都完成了之后， 系统后面程序的运行效率会增加。以 LCD_Init()为例，下面是该函数实现部分。void lcd_init()LCD_RW=0;LCD_RS=0;write_com(0x36); write_com(0x0c); write_com(0x38); write_com(0x06);. write_com(0x

28、01); write_com(0x80);/Void lcd init 表示让 LCD 开始工作，并且处于输入状态，将数据输入， 再进行下一项。LCD_RS 表示将要对内部进行置换，并不是显示数据，因为输入的是配置数据。4.3 PWM 发生程序设计PWM波的发生利用单片机定时器功能实现。其基本原理是设置好单片机的定时器功能，然后根据设定的电机转速，调整不同的PWM占空比，即输出高电平的脉宽，从而模拟出PWM波形。在本系统中，设置PWM波的频率为2000HZ，即每个周期为，将电机转速分为五个等级，分别对应0%、20%、40%、60%、80%和100%的占空比。下面是电机控制的程序。if(sys_

29、dir = 1)dianjif =0;if(time = sys_speed) dianjiz = 0;else if(time = sys_speed) dianjif = 0;else if(time sys_speed) dianjif = 1;time+; if(time=5)time=0;程序中定时器计数周期设置为，每触发一次中断服务函数。Time变量 自加1。当time小于Sys_speed时，dianjiz引脚给高电平。当time达到5时，time 又重新置零，这样便形成了一个周期，sys_speed从而表示占空比。而sys_dir 用于表示电机转动方向。当sys_dir为1时，

30、dianjiz引脚输出PWM波形，dianjif 引脚常为低电平；当sys_dir为0时，dianjif输出PWM波形，dianjiz引脚常为低电平。按键控制程序系统中一共设计了三个按键，分别控制电机转速和方向。在程序中用key0、key1和key2表示。当key0被按下时，与单片机相连的管脚检测的低电平发生，于是执行if(key0 = 0)语句。在该语句中，首先进行延时delay_ms(100)操作，此操作是软件消抖。由于按键按下后，程序执行很快， 可能会反复多次执行if语句，因此需要进行延时操作。Key0按键的作用是降低电机转速，因此接下来执行sys_speed = sys_speed 1

31、语句。Sys_speed 表示电机转速，执行完该语句，则将电机转速降低一个等级。Key1的原理与key0类似，用于提高电机转速，不再赘述。Key2是控制电机转动方向的按键。因此当该按键被按下后，执行sys_dir = !sys_dir;语句。sys_dir表示电机转动方向，执行完该语句，在完成了电机方向的转换。if(key0 = 0) delay_ms(100);sys_speed = sys_speed - 1; if(sys_speed 5) sys_speed = 5;if(key2 = 0) delay_ms(100); sys_dir = !sys_dir;F+系统仿真图4.2 系统

32、电路图上C5五 FC4 J_了 丁五 F+- +-LI I I I I I I I上上上g个C11 汕4P口凸A(P口，1 廿心 1 P口3 A云“3AmP口小AI巴Jf 土勹，心七TO还| 守P 口S AC5P口丘A芘 归PC / IA价 玉1工贰吓P己凸“ 2p 1/ 心P立 凡1日P立 凡1 1 P:Z. 凡 l:Z P 罕 凡 IP 洼 Al 心P2iif4.I!iiZ1立已商.r:L. 寸 已平t:巳, 1J七TE 伞I,U1P它 E,.LE氐P1 Il P1.1 P12 P1J P1 . P1S P1 5P1 1声S1P 了 几 R PJ.1rr:I P311l.lD P3 玉 l

33、. T1P3” P351P工叩P3.? 1陨！言 tI T 玩I 叮 巳 ，CT I 勺.=I 叮响OIT1 卜+ +。飞OIT4-OITI8匕宝T巨平亡T E守七 T巨守 t- t- t- t-.t t户一F- F-F-. t- t- t- t-:：t十.l t t t: tt tt: : l十|.,. +- +-+- +- +- +-+- +- +- +-+ +-+ +-+- +- + + +- +- +- +-+ + +- +- +- +-+-：+- +- | + + + + +一: t：:： lE d9 E d n Eg-E g甘E d甘E d,. E d-已E dJ 日 L九a.一a

34、”. L0g卜“. .了卜i“卜5 -”.P“一H L 了.L0亡为-。m5q H L.“ g户l_Ur ”g亡r- H口dh m中i T 讷r 口5 i T 访己lI i n. n d E I W E 已l d“ I W 百口d了r- 一口d闪 口i TK 口昂 L话_1u“卜亡a:n打开电源，如闪图所示。电机默认速度为2，方向为顺时针方向。当按下加速按钮后，电机加速运行，并且从LCD中可以看到速度变为2。“I可可 二1p;F仁oooog令lI圈 lllI|，图4.4 速度为3方向为顺时针按下换向按钮后，电机运行方向改变，并且可以看到LCD中dir显示为0。通过以上对比分析可以看出，功能符合

35、预期系统设计正确。五、PWM 直流调速系统硬件联调本章介绍根据已经设计完成的电路图和功能需求，完成硬件电路的制作与软件程序的开发。完成硬件及软件系统后，验证了系统的电机驱功能， 显示功能和按键输入功能。验证显示系统工作稳定，设计正确。系统硬件制作调试印刷电路板对于系统来说十分重要。印刷电路板将全部的硬件固定到他的身上，等到硬件安装固定完毕，他的印刷走线会将系统的各个信号连接，系统才会稳定运行。本系统电路结构复杂，由供电电路，显示电路， 下载电路，键盘控制电路和主控电路构成，在设计的时候要多观察，操作上也会有不小的难度。有 3 个方面需值得注意：1. 元件布局。如何进行元件布局直接对系统产生影响

36、，例如信号完整性和电磁辐射会随之发生变化。如果各部分信号能够稳定的将信号一直传递下去，相互没有干扰，这就是一个好的元件布局。元件布局在操作上要求比较严格，有一些需要注意的几个细节。比如容易发热的器件需要放在空间大通风好的位置，周围更不能摆放电子器件，否则会引起不利的影响。为了将信号传递的更快效率更高，要将高速信号缩到相当短的距离。还有就是在板的四周安置高速器件，这样能保证能更快更无阻碍的运行。2. PCB 板层数确定。多数情况下走线简单的电路，表面布线布通率就相对高一些，这样的电路就会比较简单，所以多数情况会采用单层板设计。但这个电路比较复杂，就得选用多层板设计。就现今来说，板层结构有双层的，四层的，还有六层的，层数不同，所用的地方也不一样。基于双层板价钱相对低廉也比较适合本系统电路，就选用双层板制板工艺。3. 布线。如何布线是整个设计中比较困难的问题，由于信号和信号之间传输的频率快，他的传输效率很高，但可能会有不利影响，比如在