单片机控制直流电机调速系统设计论文

1、单片机控制直流电机调速系统设计摘要随着社会的发展，电机可调速广泛的应用于工农业、交通运输业以及我们的日常生活。早起的电机调速主要基于模拟电路的调速。模拟电路的设计一方面难度大、调试复杂，另一方面加之元器件易老化，这对于调速系统广泛普及起到一定的制约作用。随着电力技术、微处理器技术、自动控制技术的发展，使得PWM脉宽调制技术得到空前的发展。本系统的设计正是PWM脉宽调制技术在直流电机调速的应用。研究这一技术，对于生产和生活有着积极意义。本文首先对系统架构进行介绍，让读者从宏观上把握系统的设计思想。然后分别介绍构成系统的各个模块的内容和选型。接着介绍硬件电路的设计和软件程序的设计思想。最后对系统的

2、功能进行测试，并记录测试结果。关键词PWM；微处理器；自动控制技术； Single chip microcomputer control dc motor speed control system designAbstractWith the development of the society, adjustable speed motor is widely used in industry and agriculture, transportation, and our daily life. Getting up early is mainly based on the analog

3、circuit of motor speed control. Analog circuit design on the one hand, difficult andcomplex debugging, aging, on the other hand, combined with the components for the speedcontrol system widely popularize played a role. As the electric technology, microprocessortechnology, the development of automati

4、c control technology, the PWM pulse width modulation technology get unprecedented development. The design of this system is the PWM pulse width modulation technology in the application of dc motor speed control. Research the technology, has a positive meaning for production and life.This paper intro

5、duces the system architecture, let the reader from on macroscopic to grasp thedesign ideas of the system. Then introduced respectively constitute the content of each module and the choice of the system. Then introduces the design of hardware circuit and software program design thought. Finally test

6、the function of the system, and record test results.Key wordsPWM； microprocessor；automatic control technology;目录绪论1（一）本课题研究的背景及意义1（二）本课题拟要解决的问题与预期达到的目标1（三）本课题的行文结构安排2一、系统架构与方案选择2（一）系统架构2（二）方案选择性3二、硬件电路设计6（一）单片机系统电路设计61.单片机最小系统电路设计62.液晶显示电路设计10（二）电机驱动电路与光电计数电路设计11（三）按键电路设计12三、软件设计14（一）软件总流程图14（二）LCD1

7、602程序设计15四、系统测试17（一）按键面板定义17（二）系统测试17五、结论18致谢19参考文献20绪论（一）本课题研究的背景及意义电气传动可以简单的分为两大类，第一类是直流电气传动，第二类是交流电气传动。电机作为一种动力装置，在直流电气传动与交流电气传动中扮演重要角色。交流电气传动，顾名思义，就是用交流电机作为动力输出装置的电气传动，直流电气传动是采用直流电机作为动力输出装置的电气传动。交流电机，由于无需换向器的设计，因此使得结构简单，这对于生产和使用普及、维护维修方面都优于直流电机。但是交流电机本身不能进行调速，必须借助变频设备得以调节转速。直流电机由于其构造机理与交流电机不同，使得

8、直流电机能进行平滑的调速，而且重要的一点是无需增加额外的调速装置，只要改变直流电机励磁电压即可实现速度的调节。随着社会的发展，电机可调速广泛的应用于工农业、交通运输业以及我们的日常生活。早起的电机调速主要基于模拟电路的调速。模拟电路的设计一方面难度大、调试复杂，另一方面加之元器件易老化，这对于调速系统广泛普及起到一定的制约作用。随着微处理技术的发展，使得数字化的调速成为现实。微处理器，可以进行复杂的逻辑分析、处理，强大的数据处理能力，这些使得模拟电路不能与之媲美，同时让数字电路在一定范围内更加真实的接近模拟电路。微处理器，由于其自身的集成性，使得在很大程度上不受外界因素，如温度、湿度、噪音等影

9、响，极大的提高了系统的稳定性。更重要的一点是基于微处理器的系统，能更好的自动化控制，解放劳动了，提高生产效率。单片机是微处理器的一大分支，从早期的8位单片机发展今天的16位，甚至32位。从早期CPU外围需搭载较多复杂的功能电路到今天的一片单片机即是一个系统。基于单片机控制的直流电机调速系统，使得电机调速由模拟走向数字化，这使得电机调速又进了一个新的台阶。随着电力技术、微处理器技术、自动控制技术的发展，使得PWM脉宽调制技术得到空前的发展。本系统的设计正是PWM脉宽调制技术在直流电机调速的应用。研究这一技术，对于生产和生活有着积极意义。（二）本课题拟要解决的问题与预期达到的目标本课题，主要有一下

10、几点需要解决的问题（1）针对系统的难易程度、控制方便、性价比等因素选型单片机，学习单片机的相关理论知识、开发流程、开发言语、开发工具等。（2）研究PWM脉宽调制技术理论知识，结合单片机的硬件资源，用编程语言实现PWM脉宽调制，最终对直流电机的速度进行调节。（3）一般单片机IO口的驱动能力有限，不能直接驱动直流电机，因此就要设计直流电机驱动电路，在设计中，要充分考虑系统的功能，如直流电机的正反转、起停等进行电路设计。本课题预期达到的目标能通过键盘输入装置改变电机枢电压的波形的占空比，从而实现调速。能在电机运行的过程中实现正反转的切换、能在任何时候实现电机的起停。能在液晶上实时显示直流电机转速和当

11、前枢电压的占空比（PWM）。（三）本课题的行文结构安排1系统架构与方案选择：从整体上把握系统架构的设计，使读者在研究本论文的伊始能有一个较为清晰的系统概念。同时这也是至上而下、模块化的设计思想。对系统中设计的模块进行分析说明。2硬件电路设计：在分析完系统架构中每个模块的功能后，针对具体的功能进行具体的电路设计。3软件设计：在搭好的硬件平台上进行软件设计，进行软硬件的联合调试，不断修改设计，最终满足设计要求。4系统测试：系统设计完成以后要对功能呢进行评估、测试。一、系统架构与方案选择（一）系统架构图1：基于单片机的直流电机调速系统架构图如上图所示为本系统主要由六个模块组成，分别是单片机系统模块、

12、液晶显示模块、按键模块、电机驱动模块、直流电机模块、光电技术模块。单片机系统模块：为本系统的核心。这也是是嵌入式系统的共性之一，将微处理器嵌入到系统之中，系统的功能可裁剪。可以根据不同的应用领域需用不同架构、不同等级的单片机。在本系统中，单片机主要用于产生PWM波形，通过改变占空比，使得电机枢电压的平均值改变，从而达到调速的目的。同时，本系统需要对电机速度进行检测，这就要求单片机具有测速功能。一个系统需要具有良好的交互性和用户体验，故本系统设置有按键输入，用户可以通过按键切换不同的功能。同时，用户可以通过液晶显示屏，实时的观察直流电机枢电压的占空比以及电机当前的速度。键盘模块：一个良好的嵌入式

13、设计需要具有输入输出系统，键盘模块即使本系统的输入系统。当用户按下按键，单片机IO通过检测按键的状态（电平值）得知用户触发的是哪一个按键，继而转向对应的功能。拥有键盘的设计，还能在软件调试起到很大的帮助，可以通过按键改变程序的流向，通过按键的触发，知道程序运行到哪里了。液晶模块：为输出系统。单独一个单片机，虽然在运行着，但是却不能向外界传达直观信息，这样的系统是需要改进的。用于液晶显示屏的系统，可以将必要的信息实时的显示在液晶屏上，用户一是可以获取信息，二是可以判断系统的运行状态。电机驱动模块：因为单片机IO口的驱动能力很小，不能直接驱动直流电机，所以必须设计电机驱动电路。电机驱动电路属H桥电

14、路较为常见，采用H桥电路，使得电路的换向更加方便。直流电机模块：电机作为PWM脉宽调制的对象，可以模拟该技术真实环境下的使用，同时可以验证本系统的设计是否正确。光电计数模块：当前较为常用的测速的方式有测周法与测频法。不管哪一种方式，都需要在直流电击上取得反馈信息。光电技术模块上有一对红外光电对射管、一个编码盘，这样电机转动的时候就是让光电技术模块对外输出脉冲。通过技术或者测量脉冲宽度即可达到测速的目的。（二）方案选择性1微处理器选型：方案一：ARM：ARM既是一个公司的名字，也是该公司推出的一种微处理器架构。早期ARM公司也出售ARM架构的芯片，后来将这一方案出售给各大公司，使得ARM架构的芯

15、片百花齐放，涌现出ARM7、ARM9、ARM11等系列产品。ARM是RISC（精简指令集）设计，本身属于32位的微处理器，但其兼容16位指令集。单周期指令、流水线执行、大多数据都在寄存器中执行等特点使得ARM具有更高的处理速度。ARM应用于高端的嵌入式、教育、移动应用等领域。ARM虽说有这么对有点，但是开发在一定程度上有难度，开发周期较长，且相对于中低端的嵌入式领域，ARM没有性价比方便的竞争力。方案二 FPGA：FPGA是在可编程器件的基础上发展起来的新型产物，作为一种半定制电路出现的，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芯片具有容量大、集成度高、灵活性

16、强等优点，可以完成极其复杂的时序和组合逻辑电路功能。在信号处理方面、数据传输方面、视屏图像处理等领域中得到广泛的运用。不过FPGA的开发投资大，只适用于产品研发验证阶段，不适合量产。且同样具有开发平台搭建复杂、开发难度较大等不足。方案三 单片机：是将计算机的功能部件裁剪后在一块半导体硅片上集成CPU、存储器、各种输入输出接口的芯片，结构框图为图二所示。单片机产生于20世纪70年代，从当时的4位8位单片机发展到现的16位、32位。单片机已经渗透到我们生活的各个图2单片机内部结构框图领域，有它作为控制核心开发的产品比比皆是。单片机具有体积小，重量轻，抗干扰能力强，对运行环境要求不高，价格低廉，可靠

17、性高，灵活性好，在我国的应用经久不衰，积累了丰富的开发经验。不仅如此，现在部分高档的单片机，已经将诸如ADC模块、SPI模块、IIC模块等实用电路集成到一块芯片中，系统的集成度有很大的提升，也方便了用户的开发，只要一块芯片即可完成复杂的逻辑控制。开发平台较为容易搭建、开发难度小、周期短。综上所述，选择单片机作为本系统的微处理器。集体选用宏晶公司的STC系统中的STC89C52单片机，其具体的资源以及电路设计将在硬件电路部分做说明。2液晶显示方案选型：方案一：数码管：数码管是一系列LED发光二极管的集合。目前七段、八段居多。数码管是根据点亮不同的LED点来显示数字和简单的字符。数码管又有共阴极与

18、共阳极之分。共阴极就是将所有LED灯的阴极接在一起，共阴极接低电平，这样只要在某个LED的阳极给高电平，就可以点亮某个LED灯，不同的点亮的LED灯的组合可以构成数字或者简单字符的图形。共阳极就是将所有LED灯的阳极连在一起，共阳极接高电平，这样只要在某个LED的阴极给低电平，就可以点亮某个LED灯，不同的点亮的LED灯的组合可以构成数字或者简单字符的图形。但是由于数码管的显示原理，决定了它只能显示数字和简单英文字符，显示信息有限，只适用于低端的、显示信息不多的设备上。方案二：液晶显示：LCD通过控制像素点偏振光出射与否而达到显示目的。一般LCD像素点很多，可以通过像素点组合成任意字符和简单图

19、案。现在LCD已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分的普及。由于液晶是以像素点来成像，决定了它可以显示很多信息。综上所述：由于本系统显示字符信息比较多，所以选用液晶显示器作为本系统的显示模块。具体选用LCD1602，其硬件电路将会在硬件电路设计部分做说明。3 输入系统方案的选择方案一：红外遥控：是基于红外线通信原理的无线按键输入方式。将待发送的基带信号加载到38K载波信号上进行调制传输，接收时对信号进行解调操作，提取基带信号。红外遥控在很多场合有着实用意义。红外遥控器为了区分按键，将每个按键编码传输，这就要接收部分有解码的模块，一般是软件解码，解码部分的程序设计比较复杂。方案二

20、：按键输入：如图，当K1按下，按键闭合，将单片机P1.0IO口拉低至低电平。单片机内通过读取P1.0的电平状态，即可知道此时是否有按键触发，即是否有外界信息的输入。图3 按键触发原理图综上所述：选择硬件电路和软件实现方便的机械按键作为本系统的输入模块。4 测速方案的选择 方案一 ：M法：M法即是测量在闸门时间内光电计数的脉冲数。单片机计数器最大的技术范围为65535次，假设闸门时间为1S，最大的计数频率为1秒钟65535次，本系统使用的光电编码有四个孔，即是电机转一圈可以产生4个脉冲。这样可以算出能测的电机的最大转速为：983025 RMin。该方案实用于高速转速的电机，且闸门时间设置越长，测

21、量精度越高。 方案二：测T法：测量两个脉冲之间的时间，从而计算出频率，继而得出转速。 综上所述：测M硬件电路实现比较简单，编程也方便，在一定误差范围内选择测M法4 电机驱动的选型 方案一 ：继电器控制：通过控制两个继电器断开与关闭，可以实现电机的正反转控制，继电器也应用在一些电机转向控制的项目中。由于继电器是弱点控制强电的装置，电压电流在继电器断开后处于绝对关闭状态，所以其适应范围广。但是继电器触点与弹片接触需要一定时间，这在高速应用场合显得不足，特别是在PWM调速的应用中，需要其具有很快的开关速度。 方案二：基于晶体管或者MOS管的H桥电路：H桥是经典的电机驱动电路，可以使用4个晶体管或者M

22、OS管搭建该电路。由于晶体管或者MOS管快关速度非常快，可以在一定范围内实现平滑的速度控制。电路简单，性价比高。 综上所述：选择H桥电路作为本系统的电机驱动方案。 二、硬件电路设计（一）单片机系统电路设计1.单片机最小系统电路设计图4 STC89C52系列单片机内部结构图如上图所示，为STC89C52单片机的内部结构图，单片机内部采用单总线的结构设计，分别是地址总线、数据总线和控制总线。STC89C52单片机属于增强型8051单片机，可以在6时钟每机器周期和12时钟每机器周期中选择，其完全兼容低版本的8051单片机。有四个通用输入输出IO口，即是P0口、P1口、P2口、P3口。可以方便的实现数

23、据读和写，这些IO在工业自动化控制方面起到很高的作用。其中P0作为地址总线使用的时候是真正的双向口，无需在单片机外部增设上拉电阻。但是在将P0口作为通用输入输出口使用时，由于P0口内部无上拉电阻，所以要在其外部设计上拉电阻。P1口、P2口、P3口是准双向IO口，其内部都设置了上拉电路，无需在单片机外部增设上拉电阻。P3除了具有通用IO的功能，其引脚还会根据程序的设计变为特种IO口，如全双工异步串行通信的发送口与接收口，外部中断触发口、计数器计数脉冲输入口等。STC89C52内设两个外部中断，可以通过软件编程设置中断触发模式，分别可以设置低电平触发和下降沿触发。即是当打开外部中断，单片机就开始检

24、测外部中断输入口，当引脚上出现低电平或者下降沿的时候，即触发外部中断，单片机停止当前执行的程序，转去执行外部中断程序代码，待外部中断程序执行完成以后，单片机又回到起初停止的地方继续执行。这就是一个完整的中断过程。STC89C52还设置了三个定时计数器，其中定时计数器3是增强型8051单片机特有的。定时计数器0和定时计数器1是传统单片机所固有的。定时计数器0和定时计数器1可以设置四种工作方式，最大的定时时间为65.535ms,最大的计数个数为65535次。定时计数器的实质就是一个加1计数器，当选用内部时钟作为计数脉冲源时，比如在12M晶振模式下，就知道每计数一个所需的时间，这样当计数完成后就知道

25、计数完成所需的时间。当选用外部脉冲作为计数时钟源时，可以实现对外部事件的计数。STC89C52自带一个通用异步串行输入输出口即UART，可以异步全双工与外界进行同行，这使得单片机的应用由单机本地工作模式转向多级联网工作模式，扩展了单片机的应用范围，使得其应用更加广泛和灵活。单片机最下系统主要包含三个部分：电源电路、晶振电路、复位电路图5 STC89C52系列单片机最小系统图（1）电源电路单片机的地20脚与第40为电源脚，其中第40脚接3.8V-5V的电源Vcc，第20脚为电源地。31脚EA脚为内外存储器选择脚，低电平有效，当接高电平时，单片机选用内部存储器，当接低电平时，单片机可选用外部存储器

26、。由于本系统不加外部程序存储器，所以将EA接高电平。（2） 晶振电路 单片机之所有能有条不紊的运行着，得益于晶振电路。本系统使用的为11.0592Mhz的晶体振荡器，该振荡器给单片机提供时钟基准，单片机的运行严格的按照时钟基准执行。如下图所示，30PF的电容是辅助晶振起振，是一个经验值。图6 STC89C52系列单片机晶振电路（3） 复位电路图7 STC89C52系列单片机复位电路 系统上电，由于电容两端电压不能突变，故一开始单片机复位脚为高电平。然后电容通过R21形成回路进行充电，待冲完电后，电容两端为“上正下负”，即单片机复位脚为低电平。这个过程即为上电复位。单片机运行过程中，可以按下按键

27、，强制给复位引脚两个机器周期以上的高电平，使单片机复位。所谓复位，是指让单片机从初始状态开始运行。因为有时程序会进入死循环，不通过复位，无法继续执行程序。2.液晶显示电路设计图8 液晶电路图9 LCD1602引脚说明根据LCD1602的规格书设计电路，其中RS、R/W、EN为控制引脚，DB0DB7为数据引脚。在V0输出接一个10K的电位器，可以调节背光亮度。（二）电机驱动电路与光电计数电路设计图10 电机驱动电路与光电计数电路电机驱动电路主要部分是L9110，L9110是专用马达控制芯片。其内部具有两通道推挽式放大器，其特点是将分立元件集成于芯片之中，使得无需搭建复杂的外围电路，使得驱动电路的

28、性能得到提高。两个通道兼容TTL/COM电平，每同担具有800mA的电路输出能力，峰值电流高达1.5A。两通道的切换，可以很好的实现电机正反转的控制。L9110内部实质就是一个H桥电路，一个H桥电路由四个晶体管管或者MOS管组成。图11 典型H桥电路如图所示为H桥电路的示意图，要使电路M转动，必须使处于对角线上的两个三极管导通，这样，只要对H桥电路提供两个控制信号，就可以很方便的实现电机正反转的控制。当控制信号为PWM信号时，就可以进行速度调节控制。电机枢电压的计算公式可以简单的看做是U = K×Vcc，其中K为枢电压波形占空比，Vcc为电源电压，占空比可在1-100%中进行变化，这

29、样就会导致最终到电机两极的电压发生变化，这枢电压的变化，将直接使电机速度发生变化。这一个过程就称为PWM脉宽调制技术在直流电机速度调节方面的应用。PWM脉宽调制，就是改变电机枢电压的波形的占空比，使得枢电压平均值可以改变，这样我们只要改变占空比，就可以使得速度可调节。电路中一大一小的电容为滤波电容，470UF的电容滤除外界5V电源的低频成分，104PF的电容滤除外界5V电源的高频成分，这样尽可能的让后面整个用电系统得到干净的、稳定的电源供电。在电机上安置一个带槽的编码盘，这样当槽刚好达到光电对射管处，光电三极管接收到来着红外发光二极管发出的光，从而导通接地，对外则输出一个高电平的脉冲。本系统编

30、码盘上设置有四个槽，这样电机转一圈，可以产生4个脉冲，在一闸门时间内对这些脉冲计数，再将这些数据在单片机中进行运算，最终得出速度。本系统的设计将闸门时间设为1S，这样使用计数器计数在1S时间内光电计数器传来的脉冲信号，用总的脉冲信号（三）按键电路设计图12 按键电路本系统使用的按键电路也叫独立按键，这个命名是区别于矩阵键盘，矩阵键盘在这里不做介绍。如图所示，按键的一端接单片机IO口，另外一端接低电平。这样当有按键按下时，IO口被拉低为低电平，单片机内部检测IO口状态，某一时刻发现某一IO口被拉低，则证明该IO口所接的按键被按下，则执行相应的操作。一个按键对应一个功能，按键按下即为触发，单片机执

31、行按键按下后的程序代码段即为响应。由于是机械式键盘，在按键按下或者松开的过程，会有抖动，如果不加以处理，会让单片机出现误判断。这种情况可以通过软件或者硬件电路加以解决。本系统使用软件消抖的方式，即是当按键按下，单片机读取IO口状态，初步确定按键按下了，然后延时10ms，再次读取IO口状态，如果还是表示按键按下，最后判定按键确实按下了，这段延时就消除了按键抖动。三、软件设计（一）软件总流程图图13 单片机控制直流电机调速系统程序流程图总图如图所示，在开始的开始部分，进行各种初始化，本系统只要设计液晶模块的初始化和单片机内部资源的初始化，内部资源的初始化主要是定时计数器0和定时计数1的初始化。程序

32、设计中，将定时技术器0设置为定时模式，定时时间为1ms。定时计数器1设置工作在计数模式，最大的计数范围为65535次。在程序设计中，采用软件定时形成1s的闸门时间，1s的定时时间到，读取计数数值，将这个计数数值除以4，得出电机在1秒钟所转的圈数。再将1秒钟所转的圈数乘以60就可以得出1分钟电机所转过的圈数。转速的定义刚好就是1分钟电机所转的圈数。对于PWM控制电机转速的程序设这样设计的。将一个脉冲波形的周期设置为1ms × 10 = 10ms，转换成频率就是100Hz，这个频率可以使电机速度更加平稳，切换速度更加平滑。在程序设计中设置一个占空比变量，改变占空比，就是改变这个变量的值，

33、这个变量的值在1-10，对应的占空比就为1-100%。一开始，单片机IO口输入高电平给电机驱动电路，控制电机朝一个方向转动，定时器开始计时。与此同时在程序中一直判断是否到改变电平状态的点，若达到，则控制单片机IO口输出低电平。然后以这种方式不断循环，最终产生连续不断的PWM波形。（二）LCD1602程序设计 图14 液晶初始化流程图如图所示，完成LCD1602的一些列的初始化设置。其中显示模式可以设置光标是否显示移动，是否闪烁，显示内容是否显示移动。图15 LCD1602读操作时序图图16 LCD1602写操作时序图对LCD1602进行读操作的时候，读操作分为读数据寄存器和读指令寄存器。当RS为高电平时为读数据寄存器