基于单片机的直流电机调速系统设计2.docx

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基于单片机的直流电机调速系统设计2

XXXXX学院单片机课程设计报告

基于单片机的直流电机调速系统设计

学生姓名

徐X

学号

09103XXX

专业

计算机科学与技术

班级

2009级1班

指导教师

张X

学部

计算机科学与电气工程

课程设计时间

2012年6月18日

基于单片机的直流电机调速系统设计

摘　　要

摘要：

本次设计是针对计算机控制技术综合应用的考察，我们小组选择了pwm脉宽调制这一课题，通过单片机产生PWM控制信号从而实现对直流电动机的速度调控。

本设计主要介绍了该系统的硬件以及软件具体设计，并对硬件方框图和软件流程图作了一定的描述。

根据硬件方框图设计了以下功能模块STC89C52芯片，系统核心控制模块，通过P1.0~P1.1端口输出两互补的PWM脉冲;，通过L298全桥驱动芯片，对脉冲进行处理，放大，输出控制电机的转速。

4个二极管组成的H桥主要起保护作用。

从而构成了一个比较完整有效的直流电动机调速控制系统。

系统设计合理、功能完善、性能优越，在实际生产中应用效果良好，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点

关键词：

PWM信号；；调速；占空比；单片机；

［关键词与摘要内容隔行书写，词条用小四号宋体字，词条间用分号（；）隔开，3-5个关键词］

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单片机课程设计题目（小二号黑体字居中书写）

第1章绪　　论

1.1本设计的意义

本文设计的直流PWM调速系统采用的是时间间隔调速。

系统主电路采用H桥单极式电路为功率放大电路的结构。

PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用c语言编程控制。

由定时器来产生宽度可调的矩形波。

通过调节波形的宽度来控制H电路的通断时间，以达到调节电机速度的目的。

增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。

本设计以SCT89C52单片机为核心，以按钮作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。

在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

本文介绍了直流电机的工作原理、脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构。

1.1.1直流电机的驱动原理

由STC89C52编程控制L298芯片的OTU1、OUT2管脚的输出，来控制流入电机的电流方向。

从而达到控制电机的正反转。

1.1.2PWM调速直流电机的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。

也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如下图所示：

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为

，则电机的平均速度为

，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；

是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比

时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

通过对单片机编程来控制P10口来控制L298芯片的始能端ENA。

由ENA端来控制L298的工作情况。

当ENA处在高电平时OUT1或OUT2输出高电平。

当ENA处于低电平时OUT1或OUT2输出低电平。

由此来控制OUT1或OUT2输出矩形波的形状。

达到对电机调速的目的。

1.2本设计的功能

本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。

系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。

PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。

由定时器来产生宽度可调的矩形波。

通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。

增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。

本设计以STC89C52单片机为核心，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。

在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

1.3本设计的要求

1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。

2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。

3）设计一个4个按键的键盘。

K1:

启动”。

K2：

“正转/反转”。

K3：

“加速”。

K4:

“减速”。

K5:

“停止”。

4）手动控制。

在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。

在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变

第2章本设计系统结构介绍

2.1系统结构框图及工作流程介绍

通过不同按钮的控制引发中断。

从而控制单片机的程序运行。

对单片机进行指定时间间隔，对L298的ENA端控制来控制电机的速度。

对L298的IN1IN2端控制来控制电机的运行方向。

2.2模块1作用介绍

L298芯片。

用来控制电流的方向，电流的持续间隔。

2.3模块2作用介绍

电机。

为演示部分。

2.4模块3作用介绍

把指令传给单片机

2.5模块4作用介绍

整个单片机系统的处理部分，负责整个电路的运转，工作。

2.6本章小结

该电路对STC89C82进行编程控制，由P10，P11，P12分别控制L298的始能端ENA，IN1,IN2.来控制流过电机电流的方向和持续时间

注意：

除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结

第3章系统硬件电路设计

3.152单片机最小系统设计

52单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好

P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。

其他接口内部有上拉电阻，作为输出口时不需外加上拉电阻。

设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。

计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。

在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。

当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。

由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。

当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms。

标识符号地址寄存器名称

P30B0HI/O口3寄存器

PCON87H电源控制及波特率选择寄存器

SCON98H串行口控制寄存器

SBUF99H串行数据缓冲寄存器

TCON88H定时控制寄存器

TMOD89H定时器方式选择寄存器

TL08AH定时器0低8位

TH08CH定时器0高8位

TL18BH定时器1低8位

TH18DH定时器1高8位

3.1.1单片机介绍

（1）STC89C52单片机的基本组成

STC89C52单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

（2）STC89C52单片机引脚图及功能介绍

P0.7---P0.0：

这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。

第一种情况是STC89C52不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。

第二种情况是STC89C52带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2.7---P2.0：

这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.7---P3.0：

这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。

它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同，如表3-1所示：

表3-1STC89C52芯片引脚P3口第二功能及说明

P3口的位

第二功能

注释

P3.0

RXD

串行数据接收口

P3.1

TXD

串行数据发送口

P3.2

外中断0输入

P3.3

外中断1输入

P3.4

T0

计数器0计数输入

P3.5

T1

计数器1计数输入

P3.6

外部RAM写选通信号

P3.7

外部RAM读选通信号

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/

：

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，STC89C52CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/

线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。

在不访问片外存储器时，STC89C52自动在ALE/

线上输出频率为1/6fOSC的脉冲序列。

该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。

/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制STC89C52使用片内ROM还是片外ROM。

如果

=1，那么允许使用片内ROM；如果

=0，那么允许使用片外ROM。

：

片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，STC89C52自动在

线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。

其他情况下，

线均为高电平封锁状态。

RST/VPD：

复位备用电源线，可以使STC89C52处于复位工作状态。

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接STC89C52片内OSC的定时反馈电路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于STC89C52片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

3.1.2单片机时钟电路介绍

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。

STC89C52单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ

STC89C52内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。

STC89C52有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器。

晶振或陶瓷谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由SYS参数确定（晶振上标明的频率）。

电容C1和C2的作用有两个：

其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用（C1、C2大，f变小），其典型值为30pF。

3.1.3单片机复位电路介绍

计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

STC89C52单片机有一个复位引脚RST，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，ST89C52保持复位状态。

此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。

RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。

单片机采用的复位方式是自动复位方式。

对于ST89C52单片机只要接一个电容至VCC即可。

在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使ST89C52有效的复位。

RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间，Vss上升时间若为10ms，振荡器起振的时间和频率有关。

10MHZ时约为1ms，1MHZ时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电应保持20ms以上的高电平。

RC时间常数越大，上电RST端保持高电平的时间越长。

若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常转。

图3－1－3

STC89C52单片机在本设计中的电路示意：

图3－1－3

3.2串行通信电路介绍

3.2.1MAX232串口设计的单电源电平转换芯片

AX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。

图3-2-1-1

MAX232引脚图

　　第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

　　第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

　　其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

　　8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

　　TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

　　第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

编辑本段主要特点

　　1、符合所有的RS-232C技术标准

　　2、只需要单一+5V电源供电

　　3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-

　　4、功耗低，典型供电电流5mA

　　5、内部集成2个RS-232C驱动器

　　6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。

　　注意，由于RS232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁max232，所以在使用中应尽量避免热插拔。

　　电池供电RS-232系统

　　接口转换

　　低功耗调制解调器

　　多点RS-232网络

MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。

　　这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5µW以内。

MAX225、MAXX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用。

　　1.对于低电压、集成ESD应用

　　MAX3222E/MAX3232E/MAX3237E/MAX3241E/MAX3246E：

+3.0V至+5.5V、低功耗、最高1Mbps、真正的RS-232收发器，使用4个0.1µF外部电容（MAX3246E提供UCSP™封装）

　　2.对于低成本应用

　　MAX221E：

±15kVESD保护、+5V、1µA、单路RS-232收发器，带AutoShutdown™

MAX232串口设计的单电源电平转换芯片

MAX232串口设计的单电源电平转换芯片

图3-1-2-2

在本设计中MAX232芯片的作用是点平转换。

该芯片在本设计中的电路图为图3-1-2-2。

3.2.2电源稳压器

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和

负电压输出的79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。

　　用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

　　因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用

注意事项

　　在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

　　当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：

并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

如图3-2-2-1从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，③脚为输出位。

如对于78**正压系列，①脚高电位，②脚接地，；对与79**负压系列，①脚接地，②脚接负电压，输出都是③脚。

如附图所示。

　　此外，还应注意，散热片总是和接地脚相连。

这样在78**系列中，散热片和②脚连接，而在79**系列中，散热片却和①脚连接。

图3-2-2-1

在本设计中该芯片的应用电路图如图3-2-2-2

图3-2-2-2

3.2.3L298芯片

L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相

和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准

TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且

可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，

但在本驱动电路中用L297来提供时序信号，节省了单片机IO端口的使用。

L298N之接脚如图9所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。

图9L298图

L298芯片；产生控制电机速度脉冲、正反转电流。

在本设计中，该芯片的电路图如下图3-2-3-1所示。

图3-2-3-1

3.4本章小结

由MAX232串口设计的单电源电平转换芯片将串口输送过来的程序信息转换为单片机所能接受的数据，由按钮来控制52单片机进行定时设置来控制L298芯片的工作状态来控制电机的正反转，加速，减速。

注意：

除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结

第4章系统软件调试环境介绍

4.1编程软件介绍

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

C51工具包的整体结构，其中Vision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。

然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。

目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。

ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

Keil51的编译环境如图4-1所示。

图中：

标题栏：

显示当前编译的文件

菜单条：

有十项菜单可供选择，相应的所有操作命令均可在此菜单中查找；

工具栏：

常用命令的快捷图标按钮；

管理窗口：

显示工程文件的项目、各个寄存器值的变化、参考资料等；

信息窗口：

显示当前文件编译、运行等相关信息；

工作窗口：

各种文件的显示窗口。

图4－1Keil编译环境

4.1.1软件功能

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

4.1.2软件应用流程

Keil51编译指南：

第1步：

打开Keil51软件，首先弹出一个开机启动画面。

如图4-2:

图4-2开机启动画面

第2步：

然后进入Keil51的开发界面。

下面简要介绍一下Keil51开发环境中各个区域的功能。

Keil51开发环境可以分为四个区域，分别为：

菜单条、项目文件管理窗口、代码编译窗口和代码编译信息窗口四个部分。

菜单条分为十项，所有的命令都可以在这里找到。

下面的命令是一些常用的菜单命令，如文件的打开、关闭及保存。

其中编译命令最为常用。

中间靠左是项目文件管理窗口，这里可以看到当前项目中所包含的所有带编译的文件。

项目文件管理窗口的右侧是代码编译窗口，这事我们最主要的工作区域。

最底层显示了代码编译的信息。

当代码有语法错误时，可以在这里轻松的找到问题的所在。

第3步：

下面以建立一个简单的项目为例，来说明Keil51开发项目的一般方法。

单击Project菜单项，选择NewProject项。

如图4-3:

图4-3新建项目

第4步：

此时弹出CreateNewProject对话框，选择合适的路径口，在文件名一栏中填入新工程的名字。

单击保存。

如图4-4:

图4-4新建文件并命名

第5步：

根据所用的器件，选择CPU的型号，单击确定。

如图4-5:

图4-5选择CPU型号

第6步：

Keil51询问是否生成默认的配置文件，这个可选可不选，这里选定。

单击Yes，观察项目文件管理窗口的变化。

第7步：

在File菜单下单击New选项，新建文件。

此时在代