PAGE畢業設計（論文）說明書設計（論文）題目基于單片機控制的直流電機調速系統設計系電子信息工程系專業班級09電氣自動化技術2班姓名學號指導教師基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第1頁。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第1頁。摘要主要通過PWM信號對直流電轉速進行控制。首先預設電機轉速，單片機將此轉速按照固定的比例轉化為一定占空比的脈沖信號輸出到直流電機驅動模塊。與直流電機同軸的光電旋轉編碼器采集脈沖信號，將此脈沖信號輸入到單片機，單片機對脈沖信號分析處理得到電機實時轉速，將此轉速與預設轉速進行比較得出差值。將差值轉化為一定占空比，此占空比與預設轉速占空比的和的脈沖繼續輸出到直流電機驅動模塊，循環次過程。該系統用STC89C52RC型號單片機為主控芯片，L298N芯片為直流電機驅動，LCD1602液晶顯示屏顯示實時轉速。本系統硬件電路設計可靠，抗干擾能力強，調速快、波動范圍1%。關鍵詞：單片機，電機驅動，液晶顯示，轉速設定基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第2頁。

ABSTRACT基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第2頁。ThespeedofDCmotorsismainlycontrolledbyPWMsignalsinmyGraduationproject.Firstapresetspeedwillbetransferredtosingle-chipcomputer.Thenthespeedwillbefixedintoacertainproportionofthedutycycleofthepulsesignalbysingle-chipcomputer.ThesignalistransferredtoDCmotordrivermodule.AxisphotoelectricrotaryencoderwithDCmotorscollectionpulse,thepulseinputsignaltoasingle-chip,chipforpulsesignalanalysisandprocessingtobemotorspeedinrealtime,comparethisspeedwiththepresetspeedonbusinessvalue.Turningdifferenceintocertaindutycycle,thisdutywithpresetspeeddutycycleandthepulsecontinuestooutputtoDCmotordrivingmodule,cyclicprocess.TheSTC89CKeyword:SCM,motors,LCDdisplay,setspeed基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第3頁。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第3頁。目錄第一章緒論 11.1設計背景 11.2設計要求 11.3設計內容 2第二章基于單片機控制的直流電機調速系統方案的比較擇 32.1調速方案一 32.2調速方案二 42.3方案選擇 4第三章基于單片機的直流電機調速系統設計 53.1總體設計 53.2元件簡介 63.2.1STC89C52RC單片機 63.2.2L298N芯片 73.2.3S38-J3V100光電旋轉編碼器 83.2.4LCD1602液晶顯示屏 83.2.5直流電機 93.4電路設計 93.4.1CPU單元原理圖 93.4.2按鍵單元原理圖 103.4.3L298N驅動部分原理圖 103.4.4液晶接口電路 113.5電路板焊接 123.6單片機程序編寫及燒錄 123.6.1程序設計軟件簡介 123.6.2基于單片機控制的直流調速系統程序設計 133.6.3單片機程序燒錄 14第四章基于單片機控制的直流電機調速系統性能測試 164.1調速系統調試步驟 164.2調速系統數據記錄及性能分析 16結論 20參考文獻 21附錄 22基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第4頁。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第4頁。PAGE9第一章緒論1.1設計背景直流電機廣泛應用于各種便攜式的電子設備或器具中，如錄音機、VCD機、電唱機、電動按摩器及各種玩具，也廣泛應用于汽車、摩托車、電動自行車、蓄電池車、船舶、航空、機械等行業，在一些高精尖產品中也有廣泛應用，如錄像機、復印機、照相機、手機、精密機床、銀行點鈔機、捆鈔機等。在舞臺燈光方面，永磁直流電機，特別是小型永磁直流齒輪電機的用量非常大。計算機行業中的打印機、掃描儀、硬盤驅動器、光盤驅動器、刻錄機、冷卻風扇等都要用到大量的永磁直流電機。直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速系統最早采用恒定直流電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行、設備制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調速性能。該法只適用在一些小功率且調速范圍要求不大的場合。脈沖寬度調制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。一種模擬控制方式，根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。本文通過基于單片機實現PWM，由于其輸出電壓無法直接驅動本設計所使用的直流電機，所以設計加入了直流電機驅動模塊，使電機調速更準確快速。1.2設計要求(1)輸入轉速范圍0n/min～600n/min；(2)直流電機，普通直流電機，額定電壓12V；(3)直流電機驅動模塊，能夠驅動額定電壓36V以下的直流電機(4)光電旋轉編碼器，與直流電機同軸，能夠準確采集到與電機轉速成正比的脈沖信號；基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第5頁。(5)單片機，能夠對按鍵輸入轉速并進行處理并輸出一定的脈沖信號啟動電機，能夠對編碼器輸入的脈沖信號進行處理并轉化為相應的轉速，并與輸入轉速進行比較并調整偏差，偏差調節后繼續輸出一定的脈沖信號控制電機，循環操作。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第5頁。1.3設計內容本設計將設定的轉速通過STC89S52單片機轉換為特定占空比的脈沖信號到L298N電機驅動芯片，L298N將此脈沖信號放大驅動24V直流電機，電機按一定轉速啟動。通過與電機同軸的光電旋轉編碼器采集電機轉速，并輸出固定比例的脈沖信號反饋到單片機I、O輸入端口。單片機將此脈沖信號轉化為電機轉速，再對次轉速進行的數據處理輸出一定占空比脈沖信號給L298N驅動芯片，循環以上操作，最終電機轉速會在設定轉速左右波動。調速時，與單片機相連的LCD1602液晶顯示屏會顯示設定轉速與直流電機實時轉速，SET+←+→+↑+↓+EXIT按鍵設定轉速。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第6頁。

第二章基于單片機控制的直流電機調速系統方案的比較擇基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第6頁。2.1調速方案一如圖2-1所示，該方案是通過設定轉速與實時轉速相比較，并根據大小關系在設定轉速轉化而來的占空比基礎上，逐個加減一個單位占空比，最終調速到設定轉速。“設定轉速改變時執行一次”部分可使電機轉速快速到達設定轉速附近，有利于快速調速。電機調速過程中與單片機相連的LCD1602顯示實時轉速與設定轉速。圖2-1方案一2.2調速方案二基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第7頁。如圖2-2所示，該方案是通過設定轉速與實時轉速相減，得到兩者代數差值，將按比例關系轉化為差值占空比。設定轉速按比例關系轉化而來的占空比與之和得到實時占空比。再將此占空比的的脈沖信號加到驅動電路上驅動直流電機。循環往復，得到設定轉速。同樣，電機調速過程中與單片機相連的LCD1602顯示實時轉速與設定轉速。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第7頁。圖2-2方案二2.3方案選擇分析發現方案一較方案二有以下缺陷：1.占用單片機資源較多，導致單片機處理其它操作的速度變慢；2.由于調速是通過逐個加減單位占空比方式進行調速，調速速度較慢，且波動較大，抗干擾能力不強；穩定性較高。所以從快速性和穩定性兩方面考慮，本設計選擇方案二。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第8頁。

第三章基于單片機的直流電機調速系統設計基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第8頁。3.1總體設計圖3-1系統設計分為五個部分，包括按鍵輸入部分、單片機CPU部分、直流電機驅動部分、直流電機與同軸光電編碼器部分、液晶顯示屏部分。按鍵部分可輸入0-9的數字，SET+EXIT鍵確定轉速輸入（轉速0r/min～600r/min）；單片機CPU部分處理轉速輸入，脈沖信號輸入輸出，并控制液晶顯示屏顯示字符；直流電機驅動部分采用L298N芯片，接收單片機脈沖信號并驅動24V直流電機；液晶顯示屏部分采用LCD1602，可顯示設定轉速與實時轉速。總體結構如圖3-1。3.2元件簡介3.2.1STC89C52RC單片機基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第9頁。STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘、機器周期和6時鐘、機器周期可以任意選擇。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第9頁。⑴主要特性如下：增強型8051單片機，6時鐘、機器周期和12時鐘、機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統8051工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）、3.8V～2.0V（3V單片機）工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz用戶應用程序空間為8K字節片上集成512字節RAM通用I/O口（32個），復位后為：P1、P2、P3、P4是準雙向口、弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I、O口用時，需加上拉電阻。ISP（在系統可編程）、IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD、P3.0、TxD、P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片具有EEPROM功能具有看門狗功能共3個16位定時器、計數器。即定時器T0、T1、T2外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現多個UART工作溫度范圍：-40～+85℃（工業級）、0～75℃PDIP封裝⑵STC89C52RC單片機的工作模式掉電模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續執行原程序空閑模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第10頁。掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統及便攜設備基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第10頁。圖3-2STC89C52RC引腳圖3.2.2L298N芯片L298簡介：L298N為SGS-THOMSONMicroelectronics所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片(DualFull-BridgeDriver)，內部包4信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內含二個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調節輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號。L298N實物圖、引腳圖、原理圖如圖3-3（a）、（b）、（c）。圖3-3（a）圖3-3（b）基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第11頁。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第11頁。圖3-3（c）3.2.3S38-J3V100光電旋轉編碼器技術參數特點：通用型，體積小，多種輸出方式可選，使用壽命長，低價格等；應用范圍：紡織行業、包裝機械、工業流水線等工業自動化控制；外形尺寸：外徑Φ38mm，厚度為34mm，軸徑6mm（D徑口）；分辨率：可達400P/R；電源電壓：DC5V；防護等級：IP50&IP65；線長：1000mm；重量：約120g。S38-J3V100為電纜線測出，A+B+Z三相輸出，采用電壓輸出方式，每轉每相脈沖為100。本設計只采集其中A相脈沖，即電機每轉一圈，編碼器輸出一百個脈沖。其實物圖如3-4所示圖3-4光電旋轉編碼器3.2.4LCD1602液晶顯示屏1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔每行之間也有也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以他不能顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第12頁。目前市面上字符液晶絕大多數是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。其實物圖如圖3-5。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第12頁。圖3-5LCD1602正反面1602LCD的特性+5V電壓，對比度可調內含復位電路提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能有80字節顯示數據存儲器DDRAM內建有160個5X7點陣的字型的字符發生器CGROM8個可由用戶自定義的5X7的字符發生器CGRAM本設計采用16X2雙行顯示模式，不顯光標。3.2.5直流電機本設計使用通用24V直流電機，最高轉速600n/min3.4電路設計3.4.1CPU單元原理圖如圖3-5：基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第13頁。圖3-6CPU控制器原理圖基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第13頁。單片機使用5V電源供電，晶振為12MHz。雙列24個引腳分別引出并接到排針上方便引出接線。由原理圖可知，單片機所有I/O引腳接上拉電阻，所以接受信號低電平有效，可有效避免干擾輸入。3.4.2按鍵單元原理圖如圖3-6：,本設計使用SW8，SW12，SW16，SW20，SW9，SW13，SW17，SW21，分別對應按鍵為SET，左移，EXIT，加1，右移光標，減1鍵。當按鍵按下時，則向對應端口輸入低電平信號。圖3-74*4矩陣鍵盤3.4.3L298N驅動部分如圖3-7：圖3-8基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第14頁。電路中為保護L298N芯片不被電機產生的感應電壓擊穿或燒壞，以并聯的方式接入八個續流二極管到電機兩端，并與其形成回路，使其產生的高電動勢在回路以續電流方式消耗，從而起到保護電路中的L298N芯片不被損壞。該驅動模塊可同時驅動兩個直流電機進行不同動作。本設計只用其中一路。從P1端輸入單片機控制信號，電機接在電機接線端子1、2端口。該模塊可實現電機正反轉及調速；啟動性能好，啟動轉矩大；工作電壓可達到36V，4A。其功能對應如下表基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第14頁。信號電機運行狀態1高電平，2高電平，3低電平正轉1低電平，2高電平，3高電平反轉1高電平，2低電平，3低電平不轉1低電平，2低電平，3高電平不轉3.4.4液晶接口電路如圖3-8：圖3-9LCD1602原理圖液晶顯示屏顯示兩行，上行顯示設定轉速，下行顯示實時轉速。3.5電路板焊接本設計單片機與L298N驅動部分需焊接，LCD1602與單片機采用插槽插線連接，電機用導線接到驅動的電機接線端子，編碼器使用插線插入CPU板的插槽上。連接個單元，用萬用表測試各個連線是否有短路，虛焊，斷路情況，即使排除。3.6單片機程序編寫及燒錄3.6.1程序設計軟件簡介本設計使用的編程語言為單片機匯編語言，編譯軟件為KeiluVision3（1）KeiluVision3簡介基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第15頁。KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多種8051MCU的集成開發環境(IDE)，該IDE同時也是PK51及其它開發套件的一個重要組件。除增加了源代碼、功能導航器、模板編輯以及改進的搜索功能外，uVision3還提供了一個配置向導功能，加速了啟動代碼和配置文件的生成。此外其內置的仿真器可模擬目標MCU，包括指令集、片上外圍設備及外部信號等。uVision3提供邏輯分析器，可監控基于MCUI、O引腳和外設狀態變化下的程序變量。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第15頁。uVision3提供對多種最新的8051類微處理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x，以及Infineon的XC866等。KeilC51V8.05為最新漢化版，全中文環境，支持PA51中文單片機匯編，可實現全中文編程、動態子程序庫調用、自動漢字字模生成、自動圖像數據生成等諸多強大功能。（2）KeiluVision3使用KeiluVision3創建一個工程的一般步驟為（假如電腦上已經安裝KeiluVision3軟件，如尚未安裝，則按安裝說明正確安裝）：第一步：雙擊打開KeiluVision3開發軟件；第二步：單擊菜單欄“Project”下拉菜單找到“NewProject”，在對話框中輸入項目名“基于單片機的直流電機調速系統”及要存儲的路徑；第三步：選擇單片機類型，本設計使用STC89C52RC（如找不到則需另外下載STC類型單片機的補丁）；第四步：單擊“File”下拉菜單找到“New”，新建文本框，輸入單片機匯編語言，輸入完畢后保存文件，命名為基于單片機的直流電機調速系統程序，格式為ASM；第五步：鼠標右擊“ProjectWorkspace”區域的“SourceGroup1”，在彈出的菜單中選擇AddFilesToGroup‘SourceGroup1’第六步：鼠標右擊“ProjectWorkspace”區域的“Target1”在彈出的菜單中選中“OptionForTarget1”，在彈出的對話框中將“Target”中“Xtal（MHz）”改為12MHz，將“Output”中“CreateExecutable”欄“CreateHEXFi”第七步：單擊“Project”找到“BuildTarget”，或者直接按下F7鍵，編譯程序，會產生一個以項目名命名的格式為HEX的文件，此文件是單片機可以識別執行的文件。3.6.2基于單片機控制的直流調速系統程序設計基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第16頁。本程序使用的編程語言為C51，是C語言在8051系列單片機上的實現，使用特定的編譯器，拋棄C語言中不適合51的一些特性，而加入對51單片機的“本地化”適應。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第16頁。程序流程圖如圖3-10：圖3-10程序流程圖程序說明如下：基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第17頁。啟動調速系統，CPU內部初始化系統全局變量并對相應定時器計數器賦值。初始化屏顯，使LCD1602顯示為兩行，第一行為“SET_N：000n/M”即設定速度為000轉/分鐘，第二行顯示“NOW_N：000n/M”即實時轉速為000轉每分鐘。進入循環掃描模式。掃描設定速度，如設定速度改變則改變屏顯顯示當前設定轉速，如當前屏顯的設定轉速為0n/min,想要設定轉速為311n/MIN，則，首先按下SET鍵，進入按鍵輸入模式，單擊↑按鈕增加百位數數值，單擊三次則屏顯設定轉速變為“300”；單擊→按鈕一次，右移一位到十位，單擊↑按鈕一次，則屏顯設定轉速變為“310”；再次單擊→一次，右移一位到個位，單擊↑一次，則屏顯設定轉速變為“311”。如不按下SET鍵則跳過屏顯設定轉速變更，進入實時轉速掃描。本設計使用定時器0作為脈沖輸入采集端口，采集旋轉編碼器輸出的脈沖信號；使用定時器1作為中端源，每過250系統內部的一個計數器就會加1，同時判斷此計數器是否等于1000，等于一千則到0.25s，采集定時器0此時段接收到的脈沖數，其值的240倍則為一分鐘收到的總脈沖數，再除以100即為實時轉速，采集計算完畢，清空定時器0，計數器。可變占空比脈沖輸出部分也是通過定時器1中斷實現，其利用另一個系統內部計數器記錄中斷次數，脈沖一個周期的中斷次數定為次即0.05,高電平時間定為，當小于等于時脈沖輸出端口輸出高電平，大于小于時輸出低電平，等于時清空，此時一個周期的脈沖輸出完畢，這種利用一個定時器中斷源同時實現轉速采集，可變占空比脈沖輸出的方法可有效節省系統空間。循環比較設定轉速與實時轉速，得出差值，根據此差值按照比例關系轉化為，則占空比為，當設定轉速大于或小于實時轉速時，占空比會迅速按照此關系增加或減少直到等于設定轉速。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第17頁。3.6.3單片機程序燒錄本設計使用STC_ISP_V479，該軟件為STC單片機專用燒錄工具，可使用USB串口直接下載HEX文件到單片機。基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第18頁。

第四章基于單片機控制的直流電機調速系統性能測試基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第18頁。4.1調速系統調試步驟（1）單擊按鈕SET進入速度設定模式；（2）進入速度設定模式后默認起始調速位為個位，可單擊←或→鍵移動調速位置，可調位有個位、十位、百位；（3）單擊↑或↓鍵加減當前調速位的數值；（4）單擊EXIT鍵退出速度設定模式，完成速度設定。接通+5V直流電壓電源端，+24V直流電壓電源端分時輸入幾組電機轉速。記錄數據如下表4.2調速系統數據記錄及性能分析本設計測試數據如下各表所示。表一：轉速從0r/min增加到100r/min（0r/min→100r/min）時測試數據時間（s）012345678轉速（r/min）098103991001019810299表二：轉速從0r/min→200r/min時測試數據時間（s）012345678轉速（r/min）0198199201204199196204203表三：轉速從0r/min→300r/min時測試數據時間（s）012345678轉速（r/min）0167297303302300297303299表四：轉速從0r/min→400r/min時測試數據時間（s）012345678轉速（r/min）0330398400403396403398401表五：轉速從0r/min→500r/min時測試數據時間（s）012345678轉速（r/min）0478511508506511503513503基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第19頁。表六：轉速從100r/min→500r/min時測試數據基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第19頁。時間（s）012345678轉速（r/min）103508499504501499506494501表七：轉速從500r/min→100r/min時測試數據時間（s）012345678轉速（r/min）501300139959910310298101以上數據用曲線描述如下：圖3-11（a）0r/min→100r/min曲線圖基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第20頁。圖3-11（b）0r/min→200r/min曲線圖基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第20頁。圖3-11（c）0r/min→300r/min曲線圖圖3-11（d）0r/min→400r/min曲線圖圖3-11（e）0r/min→500r/min曲線圖基于單片機控制的直流電機調速系統設計全文共25頁，當前為第21