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提供全套毕业设计，欢迎咨询 四川理工学院毕业设计 直流电机控制系统设计 学 生： 学 号：10021020204 专 业：电子信息工程 班 级：2010.2 指导教师： 四川理工学院自动化与电子信息学院 二 o 一四年六月 邓贤彦：直流电机控制系统设计 i 摘要 本文基于at89c52单片机设计了一个直流电机调速系统，利用pwm技术对直流 电机进行调速控制。电路结构简单，控制精度高，成本低。系统通过了计算机软 件调试和仿真，经简单改进后即可运用于实际操作。 关键词：关键词：at89c52 单片机；pwm 技术；直流电机；调速控制 四川理工学院本科毕业设计 ii abstract at89c52 microcontroller designed to from the dc speed regulating system,this design uses the pwm technology.with a simple circuit configuration,a high precision control but low cost.ddbugged and simulated shrough computer software,it can be used for the actual control system with simple improvements key words: at89c52 microcontroller; speed regulating system;dc motor；pwm technology 邓贤彦：直流电机控制系统设计 目录 摘要摘要i abstract ii 第第 1 章章 引引 言言1 1.1 直流电机控制系统设计的背景 1 1.2 直流电机控制系统设计的发展历史1 1.3 直流电机控制系统设计的发展趋势 1 1.4 直流电机控制系统设计的要求 2 1.5 本章小结2 第第 2 章章 直流调速系统概述直流调速系统概述4 2.1 直流电机的工作原理4 2.2 直流电机的调速方法5 2.3 h 桥电机驱动的概述.8 2.4 本章小结 .9 第第 3 章章 设计方案选择设计方案选择.10 3.1 设计思路10 3.2 控制芯片的选择：10 3.3 信号输入模块的选择11 3.4 驱动电路选择12 3.5 液晶显示的的选择13 3.6 直流电机的选择13 3.7 本章小结14 第第 4 章章 硬件电路设计硬件电路设计.15 4.1 硬件电路总框图15 4.2 单片机的模块设计15 4.2.1 复位电路.15 4.2.2 时钟电路.16 4.3 信号输入模块设计17 4.4 液晶显示模块18 4.5 驱动电路模块设计20 四川理工学院本科毕业设计 4.6 电源模块设计22 4.7 整体电路图23 4.8 本章小结24 第第 5 章章 系统软件设计系统软件设计.25 5.1 系统软件设计分析25 5.2 主程序流程图25 5.3 系统初始化程序流程图26 5.4 定时器程序流程图27 5.5 独立按键外中断程序流程图27 5.6 本章小结29 第第 6 章章 系统调试及现象分析系统调试及现象分析30 6.1 protues 简介30 6.2 proteus 设计与仿真平台 31 6.3 proteus 设计与单片机传统开发过程比较.31 6.4 仿真结果32 6.5 本章小结 .35 第第 7 章章 结束结束36 致致 谢谢 .37 参考文献参考文献38 附附 录录 i 39 附附 录录 ii 41 附录附录 iii .48 邓贤彦：直流电机控制系统设计 1 第 1 章 引 言 1.1 直流电机控制系统设计的背景 随着人们对控制系统的要求越来越高,电机调速成了人们研究的课题,现在对 于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法.直流电动机转速的控制方 法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法.励磁控制法控制磁通,其控制功率虽 然小,但低速时受到磁饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而 且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以使用较少.电枢电压控制法总体上 可以分为两种,一种是调节电压,一种是调节电流.传统的调速系统是用模拟电子 电路来实现的,这种电路虽然响应快,但是灵活性较差,维修复杂.单片机作为一种 可编程控制器技术上已经比较成熟.通过单片机对普通直流电机进行调速的系统 已经存在.单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、 通用性强等突出优点. 1.2 直流电机控制系统设计的发展历史 无线数据采集系统产生于 20 世纪 50 年代，美国首先研究出了用于军事领域 的测试系统。20 世纪 70 年代后期，随着计算机的不断发展，诞生了有采集器、 仪表同计算机一起溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统性能优良， 超过了系统自动检测仪表和专用的数据采集系统，因此获得了惊人的发展。70 年 代起，数据采集系统的发展过程中逐渐分成两类，一类用于实验室数据采集系统， 一类用于工业现场数据采集系统。 20 世纪 90 年代至今，国际上技术先进的国家，数据采集系统已经成功运用 到了军事、航空电子设备以及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术不 断提高，出现了高性能，高可靠的单片机数据采集系统（das） 。数据采集技术 现已经成为了一种专门的技术，在很多领域得到了广泛的应用1。 1.3 直流电机控制系统设计的发展趋势 通过调节直流发电机的励磁电流的大小和方向即可方便地调节其输出电压大 小和方向，从而实现调压调速方法。调压调速方法常采用可控直流电源供电。早 期这种电源来自于旋转变流机组，但因其设备多，体积大，效率低，运行有噪音 等不足，在 20 世纪 50 年代已被静止变流装置取代。随着电力电子器件的发展， 四川理工学院本科毕业设计 2 静止变流装置主要有静止可控整流器和直流斩波或脉宽调制变换器两种调速系统。 (1)静止可控整流器又称之为晶闸管电动机调速系统(vm 系统)，通过 调节晶闸管触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而调节整流器输出直流 电压的大小和方向，实现平滑调速。这种调速系统响应快，功放大，经济可靠， 静止无噪声，但必须设置多种可靠的保护装置和符合散热条件，且易产生电力公 害，危及电网以及机械特性的不稳定性。 (2)直流斩波或脉宽调制变换器是利用开关器件的通断实现调压的。它具有效 率高，体积小，重量轻，成本低的特点。现在广泛应用于电力机车、电瓶车等电 力牵引设备的变速拖动中。其中，最主要的调速方法是脉宽调制(pwm)，即保持 通断周期 t 不变，只改变开关导通时间 ton。此调速系统响应速度快，动态抗干 扰性强，系统低速性能好，调速范围宽，损耗小，效率高，所需元件少。线路简 单，控制方便，但受容量的限制，pwm 调速系统目前只用于中小功率负载。 1.4 直流电机控制系统设计的要求 任务：单片机为控制核心的直流电机 pwm 调速控制系统设计的主要内容以 及技术参数： 功能主要包括： 1：直流电机的正转。 2：直流电机的反转。 3：直流电机的加速。 4：直流电机的减速。 5：直流电机的转速在液晶显示器上显示。 6：直流电机的启动 7：直流电机的停止。 1.5 本章小结 本章主要介绍了直流电动机控制系统的产生的历史背景、现状以及发展趋势。 概要讲解单片机控制电机系统响应速度快，动态抗干扰性强，系统低速性能好， 调速范围宽，损耗小，效率高，所需元件少。线路简单，控制方便、适用于中小 功率负载等优点。以及电机控制的两种发展趋势，并且提出本次直流电动机控制 邓贤彦：直流电机控制系统设计 3 系统设计的要求。 四川理工学院本科毕业设计 4 第 2 章 直流调速系统概述 调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调 速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许 多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速， 便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那 样结构简单、价格便宜、制造方便、 维护容易，但是长期以来，直流调速系统 一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我 国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高 层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且， 直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交 流调速系统的基础。因此，我们先着重讨论直流调速系统。 2.1 直流电机的工作原理 直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是由 电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。图 2-1 为直流电机的 物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动 部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气 隙。在电枢铁心上放置了由 a 和 b 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端 分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换 向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝 缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷 b1 和 b2，当电枢旋转时，电枢线圈 通过换向器和电刷与外电路接通。给两个电刷加上直流电源，如图 2-1(a)所示， 有直流电流从电刷 a 流入，经过线圈 abcd，从电刷 b 流出，根据电磁力定律， 载流导体 ab 和 cd 收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到 的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图 2-1(b)所示的位置， 电刷 a 和换向片 2 接触，电刷 b 和换向片 1 接触，直流电流从电刷 a 流入，在 线圈中的流动方向是 dcba，从电刷 b 流出。 邓贤彦：直流电机控制系统设计 5 图 2-1 直流电机的物理模型图 给两个电刷加上直流电源，如图 2-2(a)所示，有直流电流从电刷 a 流入，经 过线圈 abcd，从电刷 b 流出，根据电磁力定律，载流导体 ab 和 cd 收到电磁力的 作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子 逆时针转动；如果转子转到图 2-2(b)所示的位置，电刷 a 和换向片 2 接触，电刷 b 和换向片 1 接触，直流电流从电刷 a 流入，在线圈中的流动方向是 dcba，从电 刷 b 流出。此时载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定， 它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。电枢一经转动，由于换向器配合电刷 对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边 ab 和 cd 流入，使线圈边只要处于 n 极下，其中通过电流的方向总是由电刷 a 流入的方向，而在 s 极下时，总是从 电刷 b 流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这 样的结构，就可使电动机连续旋转2。如图 2-2 所示。 图 2-2 直流电机原理图 2.2 直流电机的调速方法 根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知， 直流电动机的调速方法有三种： 四川理工学院本科毕业设计 6 （1）调节电枢供电电压 u。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢 电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内 无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速 响应，但是需要大容量可调直流电源。 （2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱 磁通进行调速（简称弱磁调速） ，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所 需电源容量小。 （3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法， 设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软； 空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等 调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大， 往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制 的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配 合起来使用。 调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用 的可控直流电源有以下三种： （1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直 流电压。 （2）静止可控整流器（简称 v-m 系统） 。用静止的可控整流器，如汞弧整流 器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。 （3）直流斩波器（脉宽调制变换器） 。用恒定直流电源或不可控整流电源供电， 利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。 旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速 的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动 机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变， 所以 g-m 系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包 含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积 大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。 邓贤彦：直流电机控制系统设计 7 v-m 系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数， 半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。v-m 系统的缺点是晶闸管的 单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点 是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率 因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。如图 2-3 所示。 图 2-3 晶闸管电动机调速系统原理框图（v-m 系统） 直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源 电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值， 将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流直流变换器。它 具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、 城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。 图 2-4（a）为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中 vt 代表开关器 件。当开关 vt 接通时，电源电压 u。加到电动机上；当 vt 断开时，直流电源 与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图 2- 4（b）所示。 图 2-4 直流斩波器原理电路及输出电压波型 （a）原理图 （b）电压波型 采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受 相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机 四川理工学院本科毕业设计 8 上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压 接近于零。脉冲宽度调制（pulse width modulation） ，简称 pwm。脉冲周期不变， 只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速3。 与 v-m 系统相比，pwm 调速系统有下列优点： （1）由于 pwm 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以 获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围 较宽，可达 1：10000 左右。由于电流波形比 v-m 系统好，在相同的平均电流下， 电动机的损耗和发热都比较小。 （2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很 宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。 （3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较 高。 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称 pwm 变换器。脉宽调 速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。目前，受到器 件容量的限制，pwm 直流调速系统只用于中、小功率的系统 2.3 h 桥电机驱动的概述 采用 pwm 进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用 端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。如图 2-5 所示。 图 2-5 h 桥式电机驱动电路 上图所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“h 桥式驱动电路” 是因为它的形状酷似字母 h。4 个三极管组成 h 的 4 条垂直腿，而电机就是 h 中 的横杠（上图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图） 。电路中， h 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角 线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右 邓贤彦：直流电机控制系统设计 9 至左流过电机，从而控制电机的转向，如图 2-6 所示。 图 2-6 h 桥式驱动电机顺时针转动 如上图所示，当 q1 管和 q4 管导通时，电流就从电源正极经 q1 从左至右穿 过电机，然后再经 q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱 动电机顺时针转动。当三极管 q1 和 q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从 而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向） 。当三极管 q2 和 q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机 周围的箭头表示为逆时针方向） ，如图 2-7 所示。 图 2-7 h 桥式驱动电机逆时针转动 驱动电机时，保证 h 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三 极管 q1 和 q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。 此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最 大值（该电流仅受电源性能限制） ，甚至烧坏三极管4。 2.4 本章小结 本章首先对直流电机控制系统进行了概述。然后阐述了 3 种直流电机调速方 法，以及介绍了多种常用直流电源，并与 v-m 系统相比，突出 pwm 调速系统的 优点。最后对 h 桥电机驱动的原理及元器件的注意事项作了简单说明。 四川理工学院本科毕业设计 10 第 3 章 设计方案选择 3.1 设计思路 根据要求我计划将本设计分为两个部分。第一部分控制直流电机转速就是单 片机的信号传送到驱动模块，经驱动模块放大进而驱动直流电机转动。第二部分 则为电动机转动的转向、转速、模式的显示，此部分可直接通过单片机完成。此 次设计的系统框图如下图 2-1 所示 电动机 信号输入 模块 单片机 显示模块 驱动模块 电源电路 图 3-1 直流电机设计框图 3.2 控制芯片的选择： 方案一： 采用 msp430 芯片来作为整体系统的控制处理芯片。 msp430 系列单片机是美国德州仪器 1966 年开始推向市场的一种 16 位超低 功耗，具有精简指令集的混合信号处理器。msp430 系列单片机的各系列都集成 了比较丰富的片内外设集成。例如有看门狗（wdt） 、模拟比较器 a、定时器 a0（timer_a0） 、定时器 a1（timer_a1） 、定时器 b0（timer_b0） 、硬件乘法器、 液晶驱动器、10 位/12 位 adc、16 位 - adc、dma、i/o 端口、基本定时器 （basic timer） 、实时时钟（rtc）和 usb 控制器等若干外围模块的各种不同组 合。其中，看门狗可以让程序失控的时候迅速复位；模拟比较器可以进行模拟电 压的比较，配合定时器，可以设计出 a/d 转换器；16 位定时器（timer_a 和 timer_b）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可以用于事件计数、时 序发生、 pwm 等；有的器件更是具有可以实现异步、同步和多址访问串行通信 接口可很方便的实现多机通信等应用；它具有较多的 i/o 端口，p0、p1、p2 端 邓贤彦：直流电机控制系统设计 11 口都能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12 位硬件 a/d 转换器有着较 高的转换速率，最高的可达 200kbps ，能够满足大多数的数据采集应用；能够直 接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 d/a 转换等8。msp430 系列单片 机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。但是尽管有如此多 的优点，但它有着高昂的价格，复杂的操作等问题，另很多人望而却步。 方案二： 采用 at89c52 芯片来作为整体系统的控制芯片 at89c52 芯片是现如今工业上用的最多的一款控制芯片，也是如今各种系列 单片机比较基础，比较易学的一款单片机控制芯片，基本上可以说，52 单片机芯 片是所有学习单片机控制的必学芯片。它是一款 8 位的单片机芯片，它共有个 32 个双向 i/o 口，输出+5v 电压，有 8 个中断源，3 个 16 位可编程定时/计数器中断， 虽然，52 芯片的 i/o 口，定时计数器，中断等没有 msp430 芯片多，在功耗和运 行速度上比不上 msp430 芯片，但是，它有着价格低廉，易学，稳定性良好等特 点，被很多人所认可。 方案选择： 比较方案一和方案二，可以看出，方案一在运行速度和功能上优于方案二， 但在价格和易操作性，稳定性等方面。却不如方案二。相比之下，我选择方案二， 因为方案二在功能和速度上已经足以满足我这次的系统设计，并且，方案二有着 价格低廉，易操作等有点，这无疑降低了系统开发难度和开发周期，开发经费。 由于以上的三个原因，所以我选择了方案二。 3.3 信号输入模块的选择 方案一：红外线信号输入 遥控器由红外接收及发射电路、信号调理电路、中央控制器 8031.程序及数 据存储器、键盘及状态指示电路组成。 遥控器有两种状态：学习状态和控制状态。当遥控器处于学习状态时，使用 者每按一个控制键，红外线接收电路就开始接收外来红外信号，同时将其转换成 电信号，然后经过检波、整形、放大，再由 cpu 定时对其采样，将每个采样点 的二进制数据以 8 位为一个单位，分别存放到指定的存储单元中去，供以后对该 设备控制使用。当遥控器处于控制状态时，使用者每按下一个控制键，cpu 从指 定的存储单元中读取一系列的二进制数据，串行输出（位和位之间的时间间隔等 四川理工学院本科毕业设计 12 于采样时的时间间隔）给信号保持电路，同时由调制电路进行信号调制，将调制 信号经放大后，由红外线发射二极管进行发射，从而实现对该键对应设备功能的 控制。 方案二：采用按键信号输入 按钮是一种人工控制的主令电器。主要用来发布操作命令，接通或开断控制 电路，控制机械与电气设备的运行。按钮的工作原理很简单（见下图 2-2) 按键 ab c 图 3-2 按钮工作原理示意 对于常开触头（图 a）,在按钮未被按下前,电路是断开的,按下按钮后,常开触 头被连通,电路也被接通；对于常闭触头（图 b） ，在按钮未被按下前，触头是闭 合的，按下按钮后，触头被断开，电路也被分断。由于控制电路工作的需要，一 只按钮还可带有多对同时动作的触头(图 c)。 按钮的用途很广，例如车床的起动与停机、正转与反转等；塔式吊车的起动， 停止，上升，下降，前、后、左、右、慢速或快速运行等，都需要按钮控制。 方案选择：虽然红外遥控更方便，但价格通常较高，而按键电路比较便宜， 一般为大众接受，故选择第二种方案。 3.4 驱动电路选择 方案一：自搭硬件驱动电路 应用所学的模拟电路知识，用三极管，电阻，电容，做一个 h 桥电机驱动， 从而驱动电机的运转，这种电路在很多地方都能找到，采用这种方案，能极大的 巩固和提高我们所学知识。. 方案二：芯片 l298 驱动 邓贤彦：直流电机控制系统设计 13 l298 是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连 接标准 ttl 逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、dc 和步进电机） 。 l298 提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用 l298 器件。l298 低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用 来连接一个外部感应电阻。l298 还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可 以工作在更低的电压下。 方案选择： 方案一可以很好的锻炼我们的基础知识，能够巩固我们所学的数模电知识， 但是，经过实践证明，第一种方案存在很多的问题，首先，就是自己搭建的电路 在稳定性上存在很大的问题，并且要设计一个完整的驱动电路，需要庞大的电路， 这无疑增加了开发周期，而且，使整个系统规模变得庞大。所以，并不可取，第 二种方案，有着稳定性好，使用简单的优势，功能完善等优势，虽然，在价格上 比方案一要贵，但由于它的优势远远超过了他的劣势，所以我选择方案二。 3.5 液晶显示的的选择 方案一：采用液晶 lm016l lmo16l 是一款最简单的液晶。它是一款工业型的字符液晶，能够同时显示 个字符。很少的系列带有中文字库。 方案二：采用液晶 12864 是 128*64 的液晶模块，它能够显示 128x64 个字符。带中文字库的液 晶能够显示 32 个中文字符。 方案选择： 经过方案一和方案二的比较可以看出，方案一能够实现显示要求，并且接线 较为简单，所以选择方案一。 3.6 直流电机的选择 方案一：大功率直流电机 大功率直流电动机是将电能转化为机械能的设备，而直流电动机则是将直流 电能转化为机械能的设备。由于直流电动机具有优良的调速特性以及超大的过载 能力，另外还能实现快速起动、制动和逆向运转，所以其在冶金工业、交通运输、 航空、国防中得到了极为广泛的应用。 四川理工学院本科毕业设计 14 方案二：小功率直流电机 直流电动机一般用在低电压要求的电路中，直流电源可以方便携带如电动自 行车就是用直流电动机，又如电脑风扇、收录机电机、电动小车等 方案选择： 大功率直流电机在各方面性能上都优于小功率直流电机但是从经济角度出发， 本次直流电机的选择即为小功率直流电机。即方案二。 综上所述，我们此次设计选择单片机为 at89c52 芯片，选用桥式整流滤波 电路作为电源电路，驱动用 l298，显示器用 lm016l,输入电路选用独立按键， 而直流电机选用小功率直流电机。 3.7 本章小结 本章根据设计要求初步设定设计方案。通过元件的性能、价格、适用特点对 比选定器件。本系统的电源由桥式整流滤波电源电路为整个系统提供，通过按键 输入信号控制单片机发出信号经 l298 芯片放大驱动小功率直流电动机实现各种 设计所要求的功能，并由 lm016l 液晶显示器显示出当前电动机的转动情况。 邓贤彦：直流电机控制系统设计 15 第 4 章 硬件电路设计 4.1 硬件电路总框图 根据设计要求及上文方案选择，本文设计选用桥式电源电路作为电源，信号输 入模块采用独立按键，单片机选用 at89c52，显示器采用 lm016l 芯片，驱动模 块采用 l298 芯片，电动机采用 5v 小功率直流电动机。总体框图如图 4-1。 5v直流电 动机 按键输入 模块 单片机at89c52 lm016l显 示芯片 l298驱动 模块 桥式电源 电路 图 4-1 直流电机控制系 首先电源模块有桥式电路将 220v 的交流电转化为 5v 直流电，以 5v 直流电 为 at89c51 单片机，l298 驱动芯供电。at89c52 为主要控制芯片，将程序输入 at89c52 芯片中，驱动电路驱动直流电机转动，按键电路通过不同按键控制电动 机的正转，反转，正转加速，反转加速，开启，停止等功能。 4.2 单片机的模块设计 控制电路采用 at89c52 芯片来完成。该芯片包括了 32 个 i/o 口，+5v 电源 供电，具有复位，中断，定时器，串口，并口等。要让该芯片能够正常运行，需 要给该芯片配置外置时钟电路。并且也要配置复位电路，让芯片具有复位功能。 同时，由于该芯片的 p0 口是高阻态，需要给该口外接一个上拉电阻，大概在 10k 左右，一般取 10k,采用 9 脚的排阻来完成。同时，由于我们不引用外置程序存储 器，使用 89c52 内置的片内存储器，所以我们给 ea/vp 置高电平。 4.2.1 复位电路 51 系列的单片机外置复位电路有 4 种，上电复位电路，外部复位电路，上电 外部复位电路，抗干扰复位电路。我选择上电外部复位电路来作为该控制电路的 四川理工学院本科毕业设计 16 复位电路。如图 4-2 所示。 +5 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 30pf r2 1k r3 200 c4 1uf 图 4-2 复位电路 在 51 系列单片机中，在振荡信号正常运行的情况下，只要 reset 脚保持两 个机器周期以上时间的高电平，系统就能够复位。在按下按键时，电容开始充电， 由于电容足够大，能够持续给 reset 两个机器周期以上的高电平，足够给单片 机复位。 4.2.2 时钟电路 单片机要能够运行程序，必须要给单片机一个时钟，既时序，让程序能够按 照时间来执行。mcs-51 系列单片机的时钟电路可以有 2 种产生方式，分别为内 部方式和外部方式。我选择采用外部方式，利用晶振和电容配合，提供稳定有效 的时钟。如图 4-3 所示。 xtal2 18 xtal1 19 u1 x1 crystal c2 30pf c3 c4 图 4-3 时钟电路图 如图，如果晶振选择为 12mhz 左右，那么，电容选择为 30pf 左右，过高和 过低，不能产生稳定的时钟，所以电容选择要慎重，才能提供良好的时钟电路5。 邓贤彦：直流电机控制系统设计 17 综上所述单片机时钟、复位的总体电路如图 4-4 所示。 +5 xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p1.0/t2 1 u1 x1 crystal c2 30pf c3 30pf r2 1k r3 200 c4 1uf 图 4-4 单片机时钟、复位电路图 4.3 信号输入模块设计 独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根 i/o 口线，一根 i/o 口线上的 按键工作状态不会影响其它 i/o 口线的工作状态。因此，通过检测 i/o 口线的电 平状态，即可判断键盘上哪个键被按下，如图 4-5 所示。 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 k4 k3 k2 k1 k5 u5 and_5 图 4-5 按键电路图 四川理工学院本科毕业设计 18 如图 4-5 所示，开关 k1 连接单片机的 p3.4 口、开关 k2 连接单片机的 p3.5 口、开关 k3 连接单片机的 p3.6 口、开关 k4 连接单片机的 p3.7 口、开关 k5 连 接单片机的 p3.2 口，单片机的 p3.3 口连接一个七口与门，与门的其中两口接电 源，另外五个接口分别接五个开关。 4.4 液晶显示模块 lm016l 的结构及功能: lm016l 液晶模块采用 hd44780 控制器，hd44780 具有简单而功能较强的指 令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，lm016l 与单片机 mcu 通讯可采用 8 位或 4 位并行传输两种方式，hd44780 控制器由两个 8 位寄存器，指令寄存器 （ir）和数据寄存器（dr）忙标志（bf） ，显示数 ram（ddram） ，字符发生 器 roma（cgorom）字符发生器 ram（cgram） ，地址计数器 ram(ac)。 ir 用于寄存指令码，只能写入不能读出，dr 用于寄存数据，数据由内部操作自 动写入 ddram 和 cgram,或者暂存从 ddram 和 cgram 读出的数据，bf 为 1 时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，ddtam 用 来存储显示的字符，能存储 80 个字符码， cgrom 由 8 位字符码生成 5*7 点阵 字符 160 中和 5*10 点阵字符 32 种.8 位字符编码和字符的对应关系，可以查看参 考文献（30）中的表 4. cgram 是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64 字节，可以自定义 8 个 5*7 点阵字符或者 4 个 5*10 点阵字符，ac 可以存储 ddram 和 cgram 的地址，如果地址码随指令写入 ir,则 ir 自动把地址码装入 ac，同时选择 ddram 或 cgram 但愿，lm016l 液晶模块的引脚功能如下表 4-1 所示 。 引脚说明： 1602 字符型 lcd 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 lcd，多出来的 2 条 线是背光电源线 vcc(15 脚)和地线 gnd(16 脚)，其控制原理与 14 脚的 lcd 完全一样，其中： 表 4-1 lcd016l 引脚功能表 引脚符号功能说明 1vss一般接地 邓贤彦：直流电机控制系统设计 19 2vdd接电源（+5v） 3v0 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地 电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以 通过一个 10k 的电位器调整对比度）。 4rs rs 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 5r/w r/w 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时 进行写操作。 6e e(或 en)端为使能(enable)端， 写操作时，下降沿使能。 读操作时，e 高电平有效 7db0低 4 位三态、 双向数据总线 0 位（最低位） 8db1低 4 位三态、 双向数据总线 1 位 9db2低 4 位三态、 双向数据总线 2 位 10db3低 4 位三态、 双向数据总线 3 位 11db4高 4 位三态、 双向数据总线 4 位 12db5高 4 位三态、 双向数据总线 5 位 13db6高 4 位三态、 双向数据总线 6 位 14db7 高 4 位三态、 双向数据总线 7 位（最高位）（也是 busy flag） 15bla背光电源正极 16blk背光 电源负极 液晶显示模块采用 ml016l 芯片，其连接原理图如图 4-6 所示。液晶模块的 第一脚为 gnd,所以，我把接口的 1 脚连接地。第 2 个引脚和第三个引脚为电源， 由于我是用 51 系列单片机控制，所以，我把接口的 2、3 两个脚用单片机的 vcc 连接。第 4 脚为并行的数据/指令选择信号，串行传输的片选信号，第 5 脚为并行 方式的写读选择信号，串行方式的数据口，第 6 脚为并行方式的使能信号，串行 四川理工学院本科毕业设计 20 方式的同步时钟，因为我用的是并行方式，所以 4,5,6 脚我分别接在单片机的 i/o 口上，分别为 p0.5，p0.6,p0.7 这 3 个接口上，因为 at89c51 是高电平触发，我 外接在一个 10k 的排阻在 p0 口。液晶的 715 引脚为数据 i/o 口，接在单片机的 p2.0p2.7 口，这样，液晶部分的电路设计就完成了。 +5 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p2.7/a15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 2 3 4 5 6 7 8 9 1 rp1 respack-8 d7 14 d6 13 d5 12 d4 11 d3 10 d2 9 d1 8 d0 7 e 6 rw 5 rs 4 vss 1 vdd 2 vee 3 lcd1 lm016l +5 图 4-6 液晶连接原理图 4.5 驱动电路模块设计 l298 是 sgs 公司的产品，l298n 为 15 个管角的单块集成电路，高电压，高 电流，四通道驱动，设计用 l298n 来接收 dtl 或者 ttl 逻辑电平，驱动感性负 载(比如继电器，直流和步进马达)和开关电源晶体管。内部包含 4 通道逻辑驱动 电路，其额定工作电流为 1 a，最大可达 1.5 a，vss 电压最小 4.5 v，最大可达 36 v；vs 电压最大值也是 36 v。l298n 可直接对电机进行控制，无须隔离电路， 可以驱动双电机。内部原理图入下图 4-7 所示，l298 银角符号及功能入下表 4-2 所示，l298 的逻辑功能如表 4-3 所示。 邓贤彦：直流电机控制系统设计 21 图 4-7 l298 内部的原理图 表 4-2 l298 引脚符号及功能 引 脚功 能 sensa、sensb分别为两个 h 桥的电流反馈脚，不用时可 以直接接地 ena 、enb使能端，输入 pwm 信号 in1、in2、in3、in4输入端，ttl 逻辑电平信号 out1、out2、out3、o ut4 输出端，与对应输入端同逻辑 vcc逻辑控制电源，4.57v vss电机驱动电源，最小值需比输入的低电平 电压高 gnd地 表 4-3 l298 的逻辑功能 in1in2ena电机状态 xx0停止 101顺时针 011逆时针 000停止 110停止 当使能端为高电平时，输入端 in1 为 pwm 信号,in2 为低电平信号时,电机正 转；输入端 in1 为低电平信号，in2 为 pwm 信号时,电机反转;in1 与 in2 相同时,电 机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。 四川理工学院本科毕业设计 22 在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(l298)在使用上可以 分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式。 半导体功率器件工作在线性区优点是控制原理简单，输出波动小，线性好， 对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。开 关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（pwm）来控制电 动机的电压，从而实现电动机转速的控制6。驱动电路如图 4-8 所示 +5 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 at89c52 in1 5 in2 7 ena 6 out1 2 out2 3 enb 11 out3 13 out4 14 in3 10 in4 12 sensa 1 sensb 15 gnd 8 vs 4 vcc 9 u2 l298 图 4-8 驱动电路设计 l298 芯片的 4、9 两个管脚接 5 伏电压，1、8、15 管脚接地。l298 的第 6 管脚为使能信号输入端，本设计由单片机的 1.0 口输入。电动机的控制信号由 p1.1 和 p1.2 两个端口输出，输入 l298 芯片的第 7 和第 5 个管脚。并由 l298 芯 片的 2、3 接口驱动电机。 4.6 电源模块设计 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，变压器改变 电压，整流电路完成交流直流转化，滤波电路的作用是将脉动电压的大部分波纹 加以滤除，得到较为平滑的直流电压。由于输出电压受到负载输入电压以及温度 是影响不稳定，为得到更稳定的电压，因而添加稳压电路。 邓贤彦：直流电机控制系统设计 23 控制芯片的 89c52 的标准供电电压为 5v,可以使用线性电压调整芯片 7805 来 稳压。7805 的最大输出电流为 1.5a，内部具有过热保护、内部短路电流限制， 典型输入电压为 720v，输出电压为 4.95.1v，静态电流经典值 4.2ma，压差 2v 以上。电源部分。电源从接口两端引入，输入的电压为 220v 交流电，故需要 经过变压器降压以及二极管整流之后变为直流电，其中 c5 为输入稳定电容，其 作用是减小文波、消振、抑制高频和脉冲干扰，c5 采用 0.2uf。c7 为输出稳定电 容，作用是改善负载的瞬时响应，大小为 0.2uf。电路图如图 4-9 所示。 +5 tr1 tran-2p2s vi 1 vo 3 gnd 2 u4 7805 c1 2000uf br1 bridge c5 1nf c6 1nf d1 diode r1 10k v1 vsine c7 2000uf 图 4-9 5v 电源电路图 4.7 整体电路图 整个电路是由变压器将 220v 交流电降压再由桥式电路整流为有效值为 5v 的 直流电给整个电路供电。控制命令由按键输入，单片机处理后把信号发给 l298 芯片，放大电流驱动电动机，同时显示器显示电机状态。 四川理工学院本科毕业设计 24 +5 +5 +5 +5 +5 xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 p2.7/a15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 u1 at89c52 2 3 4 5 6 7 8 9 1 rp1 respack-8 in1 5 in2 7 ena 6 out1 2 out2 3 enb 11 out3 13 out4 14 in3 10 in4 12 sensa 1 sensb 15 gnd 8 vs 4 vcc 9 u2 l298 x1 crystal c2 30pf c3 30pf r2 1k r3 200 c4 1uf d7 14 d6 13 d5 12 d4 11 d3 10 d2 9 d1 8 d0 7 e 6 rw 5 rs 4 vss 1 vdd 2 vee 3 lcd1 lm016l +5 u3 and_7 tr1 tran-2p2s vi 1 vo 3 gnd 2 u4 7805 c1 2000uf br1 bridge c5 1nf c6 1nf d1 diode r1 10k v1 vsine c7 2000uf k4 k3 k2 k1 k5 图 4-10 总体电路图 4.8 本章小结 本章为硬件电路设计。利用 proteus 软件画出设计电路中的桥式整流滤波电 源电路，为整