单片机的直流电机调速系统的设计
摘 要本文以直流电机调速器为研究核心，经过了资料查阅、器件对比选择、软硬件设计以及调试等过程，最终设计了一款能够实现直流电机启动/暂停、加/减速、转速测量以及液晶显示等功能的直流电机调速器控制系统，本系统突破了目前市面上相关产品的高价格弊端，在主控上使用了51单片机来担任主控核心，不但使得成本大大降低，更是将系统的功耗特性以及使用性能得到大大提升。在软硬件设计上，本文以先搭建硬件系统后进行软件程序代码编写的顺序进行设计，通过Protel、Keil以及Visio等软件平台的辅助，大大加快了毕业设计的进程，最终经过了大量的试验验证以及改进优化，本系统实现了预期拟设的所有功能指标。
目录
一、 引言
（一） 直流电机控制系统的发展背景
（二） 直流电机控制系统的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 方案选择及元器件介绍
（一） 主控微处理器的比较与选择
（二） STC89C51单片机介绍
（三） 霍尔传感器模块简介
三、 硬件系统设计
（一） 直流电机调速器系统的硬件结构框图设计
（二） 51单片机最小系统设计
1. 晶振电路设计
2. 复位电路设计
（三） 霍尔传感器电路设计
（四） 直流电机驱动电路设计
（五） 显示器外围电路设计
（六） 按键电路
四、 软件系统设计
（一） 直流电机调速器系统的软件工作流程设计
（二） 测速流程设计
（三） 直流电机工作流程图设计
（四） 显示器工作流程设计
1. 判忙函数??
2. 写数据流程??
3. 写指令流程??
五、 Proteus软件仿真
总 结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 PCB图
附录三 元件列表
附录四 程序
引言
直流电机控制
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
系统的发展背景
直流电机控制系统就是指一种内部嵌入单片机等微处理器作为主控芯片，在单片机片外搭配直流电机驱动器、高精度PWM波生成器、测速装置、报警器以及某些无线收发模块，这些系统所表现出的特点往往是以单片机作为核心部分，在软件上以SPI、IIC或者串口等一些典型接口进行相互之间数据收发。本课题将要设计的这种直流电机控制系统主要为了完成转速改变、转速测量等功能，能够实现这种功能的系统或者机械结构在很早以前就已经出现了，较早期的直流电机控制系统在组成上以继电器控制占据主要部分，在功能的实现上也主要是以机械结构来实现的，随着电子技术逐渐发展后，设计者将一些简易的电子功能融入到传统直流电机控制系统中，虽然这些功能在实现难度上非常容易，但是诸如速度自动测量、负反馈调节以及PID等算法的加入，使得传统直流电机控制系统更加具有实用性，使用者在用这种传统直流电机控制系统时能够得到更高的使用体验感，因此设计者们意识到这一趋势之后，不断将当时较为先进的电子技术和成熟控制技术嵌入到传统直流电机控制系统内部。在二十世纪后半页半导体技术和单片机技术实现大发展后，传统直流电机控制系统迎来了发展的新契机，单片机丰富的控制方式和成熟的控制性能得到了设计师的一致好评，这一时机的直流电机控制系统设计人员纷纷将单片机控制系统进行嵌入，通过将PWM生成器、驱动器以及测速器等模块的搭配，实现了直流电机转速快速调节、快速稳定以及高精度转速测量等新型智能功能。上世纪七十年代后期集成传感器技术的成熟为新型直流电机控制系统的发展注入了新鲜的血液，这些外型小巧、测量灵敏的传感器探头往往能够按照被测对象的变化而按规律输出相应能够被测量到的电压/电流信号，通过单片机等微处理器与集成传感器的搭配，是实现更高性能直流电机控制系统的最佳搭配。
直流电机控制系统的国内外发展现状
高性能直流电机控制系统在我国的研究起步期相对较晚，其开始时间大约可以追溯到二十世纪初，当时单片机控制系统在国内飞速普及后，使得国内一些技术从业人员开始将目光对准了将单片机系统嵌入到直流电机控制系统内部，国内的相关技术人员不断从国外一些先进的成熟系统中进行学习，在此基础上能够实现一些简单的开环控制系统，但是对于直流电机控制系统的复杂控制，相对于当时国外一些发达国家还有一定的差距。目前国内外对于直流电机控制系统的研究仍旧处于一种热情的状态，由于微处理器技术不断发展，这在很大程度上不断促进直流电机控制系统向前发展，得益于微处理器的处理速度、处理性能、生产成本以及稳定性的逐渐提升，使得直流电机控制系统也在不断提高其性价比。
本文主要研究内容
本文从多个角度对直流电机调速器控制系统进行了描述和展现，首先将这种系统的起源发展背景以及目前国内外企业、高校的研究成果现状进行了探讨和阐述，并分析研究了目前这种控制系统投入市场后所存在的普遍缺点；论文第二章紧接着对控制系统的总体结构框架进行了设计，选取了相应的元器件及模块，以便下文对软硬件系统进行设计；第三和第四两章着重对本次所设计的控制系统的硬件以及软件系统进行了设计，并对设计过程以及设计原理进行了详细描述，本系统实现了如下功能：
1）能实现51单片机最小系统的设计，实现对直流电机以及液晶屏的驱动等；
2）通过液晶屏实现对电机运行状态以及转速大小等参数的显示；
3）通过单片机输出不同类型的PWM波来实现对直流电机的速度以及转速等控制；
4）实现对红外遥控信号的接收、解码以及指令处理。
方案选择及元器件介绍
主控微处理器的比较与选择
考虑到当前单片机市场上单片机种类玲琅满目的现状，非常容易为本系统选出一款适用于本直流电机调速器系统的主控芯片，由于目前32位微处理器和单片机的生产成本得到了大大压缩，并且资料丰富度也得到了极大的提升，STM32单片机是一款不错的考虑对象。然而考虑到毕业设计周期的短暂，并且大学期间并没有对STM32型ARM处理器进行过接触和系统学习，如果采用这种类型的单片机作为直流电机调速器系统的主控芯片，那么其内部成百上千个功能各异的寄存器将使得我在设计过程中变得头昏脑胀。
而如果选择我比较熟悉的51类型单片机来作为直流电机调速器系统的主控芯片，那么将带来极大的便利，首先我对51单片机有过两年的学习经历和使用经验，能够游刃有余地调用其内部为数较少的寄存器，使得程序能够运行流畅；第二这款单片机性价比非常高，能够大大降低直流电机调速器系统的设计成本；第三是这款单片机的相关开发资料在网上已经得到了极大的普及。
经过多方面的考虑和对比，本课题最终选用51单片机来作为直流电机调速器系统的主控器件。
STC89C51单片机介绍
STC89C51单片机的4k字节Flash和512字节RAM使得它非常适合运用于本次毕业设计所设计的小型系统，使得它的内部资源能够得到最充分的利用。在内部的资源方面，它16位的定时器具有多种类型的中断方式，能够大大丰富用户的程序代码配置，并且通过使用不同类型的中断能够使得程序所表现出的性能更加高超。本问选用了图中40管脚直插形式的芯片封装，在使用时只需要将STC89C51单片机芯片直接插到其底座上就可以，在更换时直接插拔即可，无需繁琐的焊接过程，40管脚中包含32个可供用户自由分配的GPIO管脚，这些管脚用于驱动液晶屏、蜂鸣器以及读取按键等模块。
目录
一、 引言
（一） 直流电机控制系统的发展背景
（二） 直流电机控制系统的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 方案选择及元器件介绍
（一） 主控微处理器的比较与选择
（二） STC89C51单片机介绍
（三） 霍尔传感器模块简介
三、 硬件系统设计
（一） 直流电机调速器系统的硬件结构框图设计
（二） 51单片机最小系统设计
1. 晶振电路设计
2. 复位电路设计
（三） 霍尔传感器电路设计
（四） 直流电机驱动电路设计
（五） 显示器外围电路设计
（六） 按键电路
四、 软件系统设计
（一） 直流电机调速器系统的软件工作流程设计
（二） 测速流程设计
（三） 直流电机工作流程图设计
（四） 显示器工作流程设计
1. 判忙函数??
2. 写数据流程??
3. 写指令流程??
五、 Proteus软件仿真
总 结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 PCB图
附录三 元件列表
附录四 程序
引言
直流电机控制
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
系统的发展背景
直流电机控制系统就是指一种内部嵌入单片机等微处理器作为主控芯片，在单片机片外搭配直流电机驱动器、高精度PWM波生成器、测速装置、报警器以及某些无线收发模块，这些系统所表现出的特点往往是以单片机作为核心部分，在软件上以SPI、IIC或者串口等一些典型接口进行相互之间数据收发。本课题将要设计的这种直流电机控制系统主要为了完成转速改变、转速测量等功能，能够实现这种功能的系统或者机械结构在很早以前就已经出现了，较早期的直流电机控制系统在组成上以继电器控制占据主要部分，在功能的实现上也主要是以机械结构来实现的，随着电子技术逐渐发展后，设计者将一些简易的电子功能融入到传统直流电机控制系统中，虽然这些功能在实现难度上非常容易，但是诸如速度自动测量、负反馈调节以及PID等算法的加入，使得传统直流电机控制系统更加具有实用性，使用者在用这种传统直流电机控制系统时能够得到更高的使用体验感，因此设计者们意识到这一趋势之后，不断将当时较为先进的电子技术和成熟控制技术嵌入到传统直流电机控制系统内部。在二十世纪后半页半导体技术和单片机技术实现大发展后，传统直流电机控制系统迎来了发展的新契机，单片机丰富的控制方式和成熟的控制性能得到了设计师的一致好评，这一时机的直流电机控制系统设计人员纷纷将单片机控制系统进行嵌入，通过将PWM生成器、驱动器以及测速器等模块的搭配，实现了直流电机转速快速调节、快速稳定以及高精度转速测量等新型智能功能。上世纪七十年代后期集成传感器技术的成熟为新型直流电机控制系统的发展注入了新鲜的血液，这些外型小巧、测量灵敏的传感器探头往往能够按照被测对象的变化而按规律输出相应能够被测量到的电压/电流信号，通过单片机等微处理器与集成传感器的搭配，是实现更高性能直流电机控制系统的最佳搭配。
直流电机控制系统的国内外发展现状
高性能直流电机控制系统在我国的研究起步期相对较晚，其开始时间大约可以追溯到二十世纪初，当时单片机控制系统在国内飞速普及后，使得国内一些技术从业人员开始将目光对准了将单片机系统嵌入到直流电机控制系统内部，国内的相关技术人员不断从国外一些先进的成熟系统中进行学习，在此基础上能够实现一些简单的开环控制系统，但是对于直流电机控制系统的复杂控制，相对于当时国外一些发达国家还有一定的差距。目前国内外对于直流电机控制系统的研究仍旧处于一种热情的状态，由于微处理器技术不断发展，这在很大程度上不断促进直流电机控制系统向前发展，得益于微处理器的处理速度、处理性能、生产成本以及稳定性的逐渐提升，使得直流电机控制系统也在不断提高其性价比。
本文主要研究内容
本文从多个角度对直流电机调速器控制系统进行了描述和展现，首先将这种系统的起源发展背景以及目前国内外企业、高校的研究成果现状进行了探讨和阐述，并分析研究了目前这种控制系统投入市场后所存在的普遍缺点；论文第二章紧接着对控制系统的总体结构框架进行了设计，选取了相应的元器件及模块，以便下文对软硬件系统进行设计；第三和第四两章着重对本次所设计的控制系统的硬件以及软件系统进行了设计，并对设计过程以及设计原理进行了详细描述，本系统实现了如下功能：
1）能实现51单片机最小系统的设计，实现对直流电机以及液晶屏的驱动等；
2）通过液晶屏实现对电机运行状态以及转速大小等参数的显示；
3）通过单片机输出不同类型的PWM波来实现对直流电机的速度以及转速等控制；
4）实现对红外遥控信号的接收、解码以及指令处理。
方案选择及元器件介绍
主控微处理器的比较与选择
考虑到当前单片机市场上单片机种类玲琅满目的现状，非常容易为本系统选出一款适用于本直流电机调速器系统的主控芯片，由于目前32位微处理器和单片机的生产成本得到了大大压缩，并且资料丰富度也得到了极大的提升，STM32单片机是一款不错的考虑对象。然而考虑到毕业设计周期的短暂，并且大学期间并没有对STM32型ARM处理器进行过接触和系统学习，如果采用这种类型的单片机作为直流电机调速器系统的主控芯片，那么其内部成百上千个功能各异的寄存器将使得我在设计过程中变得头昏脑胀。
而如果选择我比较熟悉的51类型单片机来作为直流电机调速器系统的主控芯片，那么将带来极大的便利，首先我对51单片机有过两年的学习经历和使用经验，能够游刃有余地调用其内部为数较少的寄存器，使得程序能够运行流畅；第二这款单片机性价比非常高，能够大大降低直流电机调速器系统的设计成本；第三是这款单片机的相关开发资料在网上已经得到了极大的普及。
经过多方面的考虑和对比，本课题最终选用51单片机来作为直流电机调速器系统的主控器件。
STC89C51单片机介绍
STC89C51单片机的4k字节Flash和512字节RAM使得它非常适合运用于本次毕业设计所设计的小型系统，使得它的内部资源能够得到最充分的利用。在内部的资源方面，它16位的定时器具有多种类型的中断方式，能够大大丰富用户的程序代码配置，并且通过使用不同类型的中断能够使得程序所表现出的性能更加高超。本问选用了图中40管脚直插形式的芯片封装，在使用时只需要将STC89C51单片机芯片直接插到其底座上就可以，在更换时直接插拔即可，无需繁琐的焊接过程，40管脚中包含32个可供用户自由分配的GPIO管脚，这些管脚用于驱动液晶屏、蜂鸣器以及读取按键等模块。
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