单片机控制直流电机正反转及调速

单片机控制直流电机正反转、调速及显示摘要：本次课程设计主要研究了利用单片机控制直流电机正反转及调速系统，通过控制PWM信号实现对直流电机速度的开环控制。本系统单片机为STC89C52,釆用L293作为放大电桥驱动电机运转，通过霍尔元件检测转速并显示在液晶屏LCD1602上。本论文详细介绍了PWM调速控制原理以及如何通过程序编程控制，并在Proteus上仿真进行软件调试，最后对实物成品进行硬件调试。关键词：单片机；直流电机：PWM调速；仿真。课程设计任务概述1.1课程设计任务描述本小组选择的课题任务是利用单片机控制直流电机正反转及调速，利用按键进行手动控制，并在液晶屏上显示速度。1.2拟达到的设计目标设计五个按键K2~K6,功能分别是：开始/暂停；正转；反转；加速；减速。当按下不同功能键时，系统单片机能根据预先烧录的程序执行相关指令，使电机按操作正常运转。同时检测电机转速，并输入到液晶屏上进行显示。1・3拟采用的技术手段、方法调速采用PWM调速原理，通过控制脉冲占空比的大小来改变电机电枢的平均电压，从而实现对转速大小的控制。PWM采用定频调宽法，如图1所示，在保持周期T不变的条件下，同时改变h和七的大小，占空比D=W电枢平均电=Umax-D。改变PWM输出引脚状态的延时时间，控制周期内导通与截止时间，得到不同的占空比，实现电机的转速控制。转速通过霍尔元件进行检测。在电机两叶片上安装磁铁，电机转动时通过霍尔元件产生脉冲电压，进而通过单片机计算电机转速。软件编程方面，采用定时中断的方式。单片机上电后，当检测到按钮的低电平有效后执行相关程序。

Atl1Umax5r■ AT ►图1PWM调速原理图系统方案设计2.1系统总体方案设计、系统原理框图本系统主要结构包括单片机、驱动芯片、按键控制模块、测速模块和显示模块。单片机作为系统控制中心，通过驱动芯片与直流电机连接，其引脚接口发出PWM信号控制电机速度。测速元件检测速度并通过与单片机连接引脚传输速度数据，单片机再将数据传递到显示模块进行显示。图2系统原理图2.2系统主要模块工作原理、各模块间的关系系统主要包括单片机最小系统模块、按键控制模块、电机控制模块、测速模块和液晶显示模块。单片机最小系统包括晶振电路与复位电路，是保证单片机能独立工作所必须的外围电路，连接单片机并上接电源。按键控制模块采用独立式键盘结构，利用单片机I/O口读取接口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接单片机I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。单片机程序不断查询此DO口的电平状态就可以知道是否有按键动作。电机控制模块包括单片机、驱动芯片和直流电机。山于单片机电流较小无法直接驱动电机。因此中间需要一个放大电桥。当单片机检测到按键控制模块中任一功能键被按下时，利用与驱动芯片连接的两个引脚发出相应信号，实现对电机控制。测速模块采用霍尔元件，电机转动时带动磁铁运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输入到单片机，通过单片机预定程序进行转速计算；液晶显示模块包括一块液晶显示芯片以及并联的上拉排阻。液晶显示屏与单片机连接用于传输数据并显示。2.3主要器件选型及其主要参数单片机采用国产8位芯片STC89C52,8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线，内置4KBEEPROM,MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口。驱动芯片采用L293,提供双向驱动电流高达1A,输出电压范围从4.5V至36V,16引脚，引脚排列如下图所示。EN1VSSIN1IN4OUT1OUT4GNDGNDGNDGNDOUT2OUT3IN2IN3VSSEN2图3 L293引脚排列图显示模块采用液品显示屏LCD1602,显示的内容为16x2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。芯片工作电压4.5V~5.5V,工作电流2.0niA,16引脚，引脚排列如下图所示。

图4LCD1602引脚排列图测速模块采用霍尔元件ES3144,工作电压范围3.8V~24V,工作电流5mA,3引脚。直流电机为816空心有刷直流电动机，额定电压3.4V,额定电流0.142A,额定转速47000i-pm,额定转矩0.0046N・m,外形尺寸8*16mim硬件设计3.1总体硬件设计总体硕件分为：晶振电路与复位电路、按键控制电路、电机控制电路、测速电路、液晶显示电路，如下图5所示。WUOI*K小 xW—IXIK>士gBF图5总体硬件设计VW•AW<0.144

WUOI*K小 xW—IXIK>士gBF图5总体硬件设计VW•AW<0.1443.2晶振电路与复位电路晶振Y1采用11.0592MHz,电容Cl、C2电容值30pF,接单片机XTAL1、XTAL2引脚，如图6所示。该电路的功能是为单片机提供11.0529MHz的时钟。C1HIC1HI川卜o—11.0592MHzC230pF图6晶振电路复位电路电源为+5V,极性电容C3釆用典型值10uF,电阻R1为10kQ,接单片机RST引脚。该电路为单片机复位端口提供一定时间的高电平，当单片机发生异常时可以通过按键K1使单片机复位，然后重新运行程序。R110KR110K冲君岛图7复位电路3.3按键控制电路根据系统的功能，采用5个按键来控制直流电机的启停，设置直流电机的正反转和转速档位加减，各按键的功能如图8所示。电路采用独立式键盘结构，按键一端连接单片机P1.0~P1.4引脚，另一端串联接地，构成独立结构。

图8按键控制电路3.4电机控制电路电机控制电路包括驱动芯片L293和直流电机，驱动芯片使能端EN1接单片机P2.6引脚，INI、IN2接单片机P2・7、P2.5引脚，两输出端连接直流电源两极。U1STC89CY2PIO?l.l?12?13PL4Pl.5?1.6PL.7RSTP30(RXD)P3PIO?l.l?12?13PL4Pl.5?1.6PL.7RSTP30(RXD)P31CTXD)P32QNT0)P3.3(INT])P34fT0)PS.5CT1)P56邀)P37(RD)XTAL?XTAL1G\Dvcc(ADO)PO.O(ADl)PO.lC^D2)P0.2<AD3)P0.3(AD4)P04(AD5)P0.5<AD6)P0.6(AD7)?0.7EAArFPALEPROGPSEN(A15JP27(A14JP26(A13)P25(AI2)P24(A11JP23(A10)P22(A9)P2.l(A8)P2.O-I-fH-fIt图9电机控制电路3.5测速电路3.5测速电路测速元件采用霍尔元件，引脚1接5V电源。阻连接单片机P3.3(INT1),电路如下图所示。引脚2接地，3号串联上拉电1厂h'GND1厂h'GND勺J1 R410K—#——1 1 jvcc图10测速电路3.6液晶显示电路采用1602液晶显示屏实时显示直流电机的运行状态，电路如图11所示。数

据引脚接单片机的P0口，同时并联一个上拉排阻。寄存器选择端（RS）、读写信号线（R/W）、使能端（E）三个控制引脚分别接单片机的P2.0-P2.2引WoLCD1602液晶显示屏的第一行显示直流电机当前的运行状态，第二行显示PWM调速时的占空比。U3LCD1W2VI5TC3K52亠±±=4干TF=f¥-fFPIOMlM：?UU3LCD1W2VI5TC3K52亠±±=4干TF=f¥-fFPIOMlM：?UPUFt5fibFl7RSIF3C»yXD)■…F3IfTXPjA1XB555nxlNTl)(A15JP2?P3KTS(AUIP24F3Ml) (A15JP25P3CCKK> CM3IP24W?CRD)CA1UFUXTAL23CIALIGNDC5P20VCCIAWjHO(ADtlKt(AP2JPCJ(AD5IPC3(AIMIPC4(AD5|KS(AWlPOd(APZJPC7Favpp图11液晶显示电路3.7其他电路该系统还需要一些其他电路，比如烧录电路以及供电电路。烧录电路负责向单片机烧录程序，烧录接口接单片机P3.0（RXD）、P3.1（TXD）o供电电路负责向整个系统供电，如图12所示。图12供电电路算法及软件开发4.1算法分析与选择本系统要实现的功能包括通过键盘控制电机正反转及调速，并且计算转速并进行显示。因此程序包括初始化程序、中断与定时器程序、键盘扫描程序以及延时程序、PWM调速程序、转速计算程序和显示程序。4.2软件框图主程序流程图如下：开姑■/图14主程序流程图PWM调速程序流程图如下:开始中斷刑s图15开始中斷刑s图15流程图完整程序请在附录中查看。系统调试、实验及结果分析程序编写完成后，我们首先利用Proteus软件进行仿真测试，对程序进行初步调试。仿真时发现键盘控制并不理想，按下相关按钮时电机并未响应相关操作,经过对程序屡次更改，将延时程序中的延时时间减少，仿真运行正常。电路板焊接完成后，同样遇到了许多困难。首先无法烧录程序，推测是电路板上液晶屏分压过多导致单片机电压不足，后断开电路板上液晶屏A、K接口的供电，烧录成功。实际操作时，电机与液晶屏无法同时工作，推测是电机所需电压过大，致使液晶屏供电不足。后更换电机类型，电机111RF-300FA-12350更换成816空心杯，系统正常运行。为了键盘消抖，设置了延时函数，但在实物上，偶尔会出现键盘失灵的情况，为了避免失效，乂提高了延时函数的延时时间，但带来的问题是调节占空比时会出现变化较大的问题。6•总结与感想本次课程设计以直流电机控制系统为研究对象，基于单片机STC89C52、L293驱动模块和LCD1602显示模块，构建直流电机调速控制系统，对直流电机的转动和转速进行有效的控制和调节。电路系统实现了对电机转动的简单控制以及对转速的动态实时调节和显示，具有操作简单、灵活、安全的特点。在整个课程设计的过程中，我们遇到了许多困难，比如无法烧录成功等，但最终在小组的共同努力下成功克服，不过仍然存在一些问题。通过此次课程设计，对单片机以及编程有了更深的理解和掌握，同时学习了Proteus,Keil,AltiumDesigner等软件。7.参考文献胡乾斌，.单片微型讣算机原理与应用[M].华中科技大学出版社.陈丁惠.基于51单片机的温度采集与直流电机控制[J].信息技术与信息化，2018(07):24-26.谢承.基于双单片机控制直流电机的系统设计[