单片机的直流电机调速系统设计
摘 要本文设计了一款单片机控制的直流电动机调速系统，以AT89C52单片机为核心，选择小直流电动机作为控制对象，以H桥驱动L298N芯片进行驱动，从而实现速度和电流的双闭环响应。通过调节PWM信号占空比，对电机电压进行控制，达到调速的目的。本设计利用五个独立的按键输入相应的控制信号和参数，完成电机的起动和制动，以及正转、倒转和调速，并在LED数码管上实时显示速度变化。本文设计的调速系统稳定性好，并且可靠性高，具有良好的应用前景。
目录
一、 引言 5
1.直流电机系统的发展背景 5
2.直流电机调速系统的国内外发展现状 5
3.本文主要研究内容 5
二、 方案选择及元器件介绍 6
1.主控单片机的对比与选择 6
2.STC89C52单片机简要概述 7
3.一位共阳数码管及LED灯介绍 8
4.L298N芯片介绍 9
5.电机驱动设计框图 9
三、 硬件系统设计 10
1.直流调速系统的硬件结构框图设计 10
2.单片机最小系统设计 11
（一）复位电路设计 11
（二）晶振电路设计 11
（三）电机驱动电路设计 11
（四）电机控制键盘设计 12
四、软件系统设计 12
1.系统总程序设计框图 12
2.电机控制设计 15
五、PWM调速系统仿真 15
六、实物制作与安装 16
结论 18
参 考 文 献 18
致 谢 18
附录一 原理图 20
附录二 Proteus的介绍与使用 21
附录三 C语言程序设计 22
附录四 PCB图 26
8 引言
1.直流电机系统的发展背景
法拉第在1821年进行实验，测试水银杯转动，成功将电能转化成机械能。1从1822年到1870年，直流电机获得美国专利，并经过了多达数十次的改进和进步，逐渐在理论和产品方面趋于完善。在这段时间内，电磁感应定律、白炽灯的发明，都极大推动了直流电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
机的发展。直到1880到1890年，直流电机在国际市场上得到了无可遏止的迅猛发展。其中最大的行业巨头以爱迪生的直流发电厂最为出名。1971年日本bijikon公司和美国intel公司联合发明单片机，然后经过各个公司对直流电机进行的许多次实验，单片机被应用到直流电机测速，逐渐衍生出直流电机测速系统。到目前为止，直流电机系统电机调速系统在人们生产生活中发挥着不可或缺的作用。正因为这样，我们需要对电机调速进行更为深入的研究。很长一段时间,直流电机调速系统在各个领用领域被广泛选取并使用,并且迅速占领了调速企业的龙头位置,其主要原因是直流电机调速特别方便快捷。在某些特殊设定的条件下,当磁场的速度和电枢电压形成正比，转速更容易得到控制;同时它具有良好的起动性能，调速平稳、并且价格经济。从这方面看，直流电机的转速可以藉此取得优异的特性，广泛应用于智能化家用电器、办公自动化设备、商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品等领域。近年来,直流调速系统研究呈现出增长的趋势。因此，直流调速系统一直在调速系统领域中占据非常重要的地位。
2.直流电机调速系统的国内外发展现状
虽然国内外大多数企业已经普遍掌握了生产制造中高以上性能的直流电机调速系统产品的技术，但一些具有高端性能的直流电机调速系统只占有很少的比例。这些顶尖技术世界上仅仅只有一部分少数发达国家或者技术顶尖的研究团队掌握，因此生产技术要求高，并且由于大众认知层面的匮乏，导致需求不是很广泛，间而使得这些高端产品并不能够在市面上进行普及。因此越来越多的科研单位和研究小组为了打破这种局面，开始着重开始对直流电机调速系统进行研究，并且同时对大众进行关于这一方面知识的普及。相信在不久的将来，这一系统相关的一应理论知识与实践技巧会成为也必须成为家喻户晓的知识。
3.本文主要研究内容
本文设计了一款基于51单片机的直流调速系统，该设计以STC89C52单片机为控制核心，以直流电机为控制对象。从系统的角度出发，利用51单片机的定时器产生10k左右的脉冲，通过带有功率驱动作用的元器件实现控制单元与驱动单元的强弱电隔离。采用专用驱动芯片,驱动H桥电路实现对直流电机的调速。利用电压采集单元实现系统的闭环控制，提高整个系统的智能化。设计目标如下：
1．使用的核心控制元件要具备高性价比的特点。
2. 尽可能地降低功耗。
3. 选取的芯片要易于操作，而且对直流电机的驱动效果较好。
4. 能够对数据变化进行显示。
方案选择及元器件介绍
1.主控单片机的对比与选择
在系统整体设计之前，要选取设计所需的单片机，在选取时主要选取条件应该针对单片机的内部资源丰富程度、成本的高低、开发语言合适程度、使用熟练程度以及是否能够胜任系统的操作功能等方面进行一步步的考核。经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取。其中之一是STC公司生产的STC89C52单片机，另外一个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机，如图2.1所示。
首先待选的是STC89C52单片机，该单片机是STC公司推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本亦或是资源上，都能够在如今低端单片机市场中独树一帜，这主要归功于其8Kb大小的内部FLASH搭配着512字节的RAM。虽然ROM和RAM的存储容量看起来不是很大，但是也足够应对一些中小型单片机系统。此外STC89C52能够通过其32根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。特别是成本方面，现在市面上STC89C52单片机的平均成本位3元/PCS，这尤其适合我们学生选择它做实验，因为不会给整个系统带来较高的成本造成负担。
其次待选的是德州仪器的MSP430系列单片机，这款单片机也是我们常用的单片机。Msp 430系列单片机是一种16位超低功率混合信号处理器（混合信号处理器），于1996年由德州仪器引入市场。同时它也可以理解成是混合信号处理器，其主要原因是它能够将数个模拟电路、数字电路和微处理器集成到一个芯片中，为实际应用提供“单片”解决方案。然而考虑到其成本，首先介绍的是其程序代码烧写方式，由于大多数430单片机基本采用JTAG接口下载代码和程序调试仿真，虽然这种接口能够调试仿真，但是使用这种接口一定要配合专用仿真器。由于仿真器的价格相对昂贵，而51单片机仅仅需要一个USB转串口的数据线就可以完成代码的烧写，那么将可以大大缩减成本。
目录
一、 引言 5
1.直流电机系统的发展背景 5
2.直流电机调速系统的国内外发展现状 5
3.本文主要研究内容 5
二、 方案选择及元器件介绍 6
1.主控单片机的对比与选择 6
2.STC89C52单片机简要概述 7
3.一位共阳数码管及LED灯介绍 8
4.L298N芯片介绍 9
5.电机驱动设计框图 9
三、 硬件系统设计 10
1.直流调速系统的硬件结构框图设计 10
2.单片机最小系统设计 11
（一）复位电路设计 11
（二）晶振电路设计 11
（三）电机驱动电路设计 11
（四）电机控制键盘设计 12
四、软件系统设计 12
1.系统总程序设计框图 12
2.电机控制设计 15
五、PWM调速系统仿真 15
六、实物制作与安装 16
结论 18
参 考 文 献 18
致 谢 18
附录一 原理图 20
附录二 Proteus的介绍与使用 21
附录三 C语言程序设计 22
附录四 PCB图 26
8 引言
1.直流电机系统的发展背景
法拉第在1821年进行实验，测试水银杯转动，成功将电能转化成机械能。1从1822年到1870年，直流电机获得美国专利，并经过了多达数十次的改进和进步，逐渐在理论和产品方面趋于完善。在这段时间内，电磁感应定律、白炽灯的发明，都极大推动了直流电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
机的发展。直到1880到1890年，直流电机在国际市场上得到了无可遏止的迅猛发展。其中最大的行业巨头以爱迪生的直流发电厂最为出名。1971年日本bijikon公司和美国intel公司联合发明单片机，然后经过各个公司对直流电机进行的许多次实验，单片机被应用到直流电机测速，逐渐衍生出直流电机测速系统。到目前为止，直流电机系统电机调速系统在人们生产生活中发挥着不可或缺的作用。正因为这样，我们需要对电机调速进行更为深入的研究。很长一段时间,直流电机调速系统在各个领用领域被广泛选取并使用,并且迅速占领了调速企业的龙头位置,其主要原因是直流电机调速特别方便快捷。在某些特殊设定的条件下,当磁场的速度和电枢电压形成正比，转速更容易得到控制;同时它具有良好的起动性能，调速平稳、并且价格经济。从这方面看，直流电机的转速可以藉此取得优异的特性，广泛应用于智能化家用电器、办公自动化设备、商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品等领域。近年来,直流调速系统研究呈现出增长的趋势。因此，直流调速系统一直在调速系统领域中占据非常重要的地位。
2.直流电机调速系统的国内外发展现状
虽然国内外大多数企业已经普遍掌握了生产制造中高以上性能的直流电机调速系统产品的技术，但一些具有高端性能的直流电机调速系统只占有很少的比例。这些顶尖技术世界上仅仅只有一部分少数发达国家或者技术顶尖的研究团队掌握，因此生产技术要求高，并且由于大众认知层面的匮乏，导致需求不是很广泛，间而使得这些高端产品并不能够在市面上进行普及。因此越来越多的科研单位和研究小组为了打破这种局面，开始着重开始对直流电机调速系统进行研究，并且同时对大众进行关于这一方面知识的普及。相信在不久的将来，这一系统相关的一应理论知识与实践技巧会成为也必须成为家喻户晓的知识。
3.本文主要研究内容
本文设计了一款基于51单片机的直流调速系统，该设计以STC89C52单片机为控制核心，以直流电机为控制对象。从系统的角度出发，利用51单片机的定时器产生10k左右的脉冲，通过带有功率驱动作用的元器件实现控制单元与驱动单元的强弱电隔离。采用专用驱动芯片,驱动H桥电路实现对直流电机的调速。利用电压采集单元实现系统的闭环控制，提高整个系统的智能化。设计目标如下：
1．使用的核心控制元件要具备高性价比的特点。
2. 尽可能地降低功耗。
3. 选取的芯片要易于操作，而且对直流电机的驱动效果较好。
4. 能够对数据变化进行显示。
方案选择及元器件介绍
1.主控单片机的对比与选择
在系统整体设计之前，要选取设计所需的单片机，在选取时主要选取条件应该针对单片机的内部资源丰富程度、成本的高低、开发语言合适程度、使用熟练程度以及是否能够胜任系统的操作功能等方面进行一步步的考核。经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取。其中之一是STC公司生产的STC89C52单片机，另外一个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机，如图2.1所示。
首先待选的是STC89C52单片机，该单片机是STC公司推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本亦或是资源上，都能够在如今低端单片机市场中独树一帜，这主要归功于其8Kb大小的内部FLASH搭配着512字节的RAM。虽然ROM和RAM的存储容量看起来不是很大，但是也足够应对一些中小型单片机系统。此外STC89C52能够通过其32根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。特别是成本方面，现在市面上STC89C52单片机的平均成本位3元/PCS，这尤其适合我们学生选择它做实验，因为不会给整个系统带来较高的成本造成负担。
其次待选的是德州仪器的MSP430系列单片机，这款单片机也是我们常用的单片机。Msp 430系列单片机是一种16位超低功率混合信号处理器（混合信号处理器），于1996年由德州仪器引入市场。同时它也可以理解成是混合信号处理器，其主要原因是它能够将数个模拟电路、数字电路和微处理器集成到一个芯片中，为实际应用提供“单片”解决方案。然而考虑到其成本，首先介绍的是其程序代码烧写方式，由于大多数430单片机基本采用JTAG接口下载代码和程序调试仿真，虽然这种接口能够调试仿真，但是使用这种接口一定要配合专用仿真器。由于仿真器的价格相对昂贵，而51单片机仅仅需要一个USB转串口的数据线就可以完成代码的烧写，那么将可以大大缩减成本。
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