单片机的直流电机控制系统设计
目 录
一、 引言 1
（一） 直流电机控制系统的发展背景 1
（二） 直流电机控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 单片机选择 3
（二） 小型直流电机介绍 6
（三） 红外遥控原理 7
（四） LCD1602液晶概述 9
三、 硬件系统设计 10
（一） 硬件结构框图设计 10
（二） 直流电机及其驱动电路设计 10
（三） 红外遥控系统电路设计 11
（四） LCD1602液晶显示器电路设计 12
四、 软件系统设计 13
（一） 软件系统流程图设计 13
（二） 直流电机速度控制流程 14
（三） 红外遥控工作流程设计 15
（四） LCD1602显示流程设计 17
五、 系统仿真设计 19
总结 24
致谢 25
参考文献 26
附录一 原理图 27
附录二 PCB图 28
附录三 元件列表 29
附录四 程序 30
引言
直流电机控制系统的发展背景
所谓直流电机控制系统，就是指能够实现直流电机正转反转、加速减速、启动暂停的系统。直流电机的控制方式相比于步进电机来说比较容易，从原理上理解直流电机的转速与其供电端的直流电压值成正比，而转向与供电两端的电压极性有关；而步进电机的驱动，不仅需要供电还需要脉冲的控制，其转速以及转向都与脉冲的频率以及相位有关，可见直流电机的控制方式有着本质的区别。虽然直流电机的控制较为容易，然而要想实现高精度的转速或者启动暂停，却不是一件容易的事，在控制技术和单片机还没有发展之前，人们只能通过手动切换继电器的方式来实现直流电机的控制。随着单片机等微处理器以及半导体技术迅速发展之后，技术人员将直流电机和单片机结合在一起，催生出了直流电机的自动控制系统，通过代码流程的精准控制，直流电机能够按照设计好的流程进行运转。在直流电机控制系统发展过程中，人们发现只要改变直
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然直流电机的控制较为容易，然而要想实现高精度的转速或者启动暂停，却不是一件容易的事，在控制技术和单片机还没有发展之前，人们只能通过手动切换继电器的方式来实现直流电机的控制。随着单片机等微处理器以及半导体技术迅速发展之后，技术人员将直流电机和单片机结合在一起，催生出了直流电机的自动控制系统，通过代码流程的精准控制，直流电机能够按照设计好的流程进行运转。在直流电机控制系统发展过程中，人们发现只要改变直流电机两端的直流电压值大小就可以轻松控制直流电机的转速，当时傅立叶变换已经出现，技术人员想到PWM波是一种能够有效控制直流电机的波形，因为PWM波形经过傅立叶变换后，其直流成分的大小和PWM波的脉宽成正比，所以通过单片机的IO口来输出PWM波，经过滤波和功率放大后施加到直流电机两端，能够灵活的控制直流电记的运行。在直流电机控制系统中，当半导体技术还不是很成熟的时候，通过单片机输出PWM波来控制直流电机时，由于单片机输出的PWM波功率非常小，不足以驱动大型的直流电机，而此时大功率的功率器件还没有出现在人们的视野，因此这期间人们还不能有效驱动大型直流电机。随着半导体技术逐渐发展，多种类型的直流电机驱动芯片被引进直流电机控制系统中，L298N就是一种典型的直流电机的驱动芯片，它不但能有效地遏制高频谐波对直流电机的干扰，更能输出足够的电流从而驱动直流电机。本课题选用小型直流电机以及L298N来设计了一款直流电机控制系统，采用AT89C51单片机作为主控核心，并通过软件模拟的方式从AT89C51单片机的IO管脚输出PWM波，从而控制直流电机的动作。
直流电机控制系统的国内外发展现状
相关资料以及国内外文献显示，直流电机控制系统目前在国内外都有着大批的研究者，由于新型单片机（处理器）的性能越来越强大，32位单片机的性价比越来越高，使得设计者或者很多兴趣小组都意识到有必要以往设计的控制核心以及相关传感器，以此来提高设计的性能和功能，并降低总体成本。前不久国外的一所大学的研究此项目的兴趣小组成功地将直流电机控制系统中所有的硬件模块集成到了一块芯片上，构建了属于他们自己的片上系统，这款片上系统的问世，不但使得控制系统的稳定性因素不再受分立器件的干扰，并且极大地降低了控制系统的硬件成本，因为在开发该系统时，不需要在经过相关调试，只需要将一块小小的芯片即可，这就是片上系统。
本文主要内容
本文首先从?单片机控制系统设计的发展背景出发，观察并总结了当前这项设计存在的不足与待优化之处，提出了使用51单片机作为本设计的控制核心的观点，主要基于以下几点考虑：一是51单片机的发展较早，技术和稳定性已经接近成熟；二是51单片机的低功耗性能够使得整个系统的耗电量得到下降，对设计是有种大的意义的；三是通过51单片机并结合外部相关模块，能够使得系统的整体硬件系统体积得到大幅压缩，达到嵌入式的目的。本文在第二章进行了主控核心以及外部相关器件的介绍和选择，并阐述了各器件在系统中的主要作用。第三章对系统的总体硬件电路进行了设计，并通过各模块分别设计的方式来对各模块电路原理进行了详细的描述。本文在第二章进行了主控核心以及外部相关器件的介绍和选择，并阐述了各器件在系统中的主要作用。第三章对系统的总体硬件电路进行了设计，并通过各模块分别设计的方式来对各模块电路原理进行了详细的描述。第五章通过proteus软件构建了本系统的仿真系统，验证了本设计的正确性以及可行性。
方案选择及元器件介绍
单片机选择
方案一：选择学生群体使用最多的C51单片机作为本系统的主控核心，由于在大学期间对于C51单片机具有较为系统的学习，其内功的结构原理、模块组成以及程序编写，以及掌握了一套较为熟悉的流程，因此能够为本设计的顺利完成奠定夯实的基础。另外C51单片机内部已经集成了一个容量为4K的加密型FLASH和一个大小为128字节的RAM，足以够本系统的使用，再者C51单片机内部的两个8位定时器在经过简单的寄存器配置后，能够灵活的在本系统中提供精准的定时，为一些需要精准时基的地方提供帮助。根据C51单片机的资料显示，其P3.2和P3.3两个管脚带有中断功能，如果按键接在这两个管脚上，经过中断服务程序，能够方便的配置程序代码的运行。虽然目前市面上C51单片机的生产厂家众多，目前使用最多的是美国ATMEL公司生产的AT89C51和中国宏晶公司生产的STC89C51单片机，这两款单片机目前已经占据了C51单片机市场的主要份额，虽然生产厂家不同，然而这些C51单片机都可以相互替代，在使用上几乎没有任何区别，这也是使用C51单片机作为系统核心的另一个优点。
方案二：选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作
一、 引言 1
（一） 直流电机控制系统的发展背景 1
（二） 直流电机控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 单片机选择 3
（二） 小型直流电机介绍 6
（三） 红外遥控原理 7
（四） LCD1602液晶概述 9
三、 硬件系统设计 10
（一） 硬件结构框图设计 10
（二） 直流电机及其驱动电路设计 10
（三） 红外遥控系统电路设计 11
（四） LCD1602液晶显示器电路设计 12
四、 软件系统设计 13
（一） 软件系统流程图设计 13
（二） 直流电机速度控制流程 14
（三） 红外遥控工作流程设计 15
（四） LCD1602显示流程设计 17
五、 系统仿真设计 19
总结 24
致谢 25
参考文献 26
附录一 原理图 27
附录二 PCB图 28
附录三 元件列表 29
附录四 程序 30
引言
直流电机控制系统的发展背景
所谓直流电机控制系统，就是指能够实现直流电机正转反转、加速减速、启动暂停的系统。直流电机的控制方式相比于步进电机来说比较容易，从原理上理解直流电机的转速与其供电端的直流电压值成正比，而转向与供电两端的电压极性有关；而步进电机的驱动，不仅需要供电还需要脉冲的控制，其转速以及转向都与脉冲的频率以及相位有关，可见直流电机的控制方式有着本质的区别。虽然直流电机的控制较为容易，然而要想实现高精度的转速或者启动暂停，却不是一件容易的事，在控制技术和单片机还没有发展之前，人们只能通过手动切换继电器的方式来实现直流电机的控制。随着单片机等微处理器以及半导体技术迅速发展之后，技术人员将直流电机和单片机结合在一起，催生出了直流电机的自动控制系统，通过代码流程的精准控制，直流电机能够按照设计好的流程进行运转。在直流电机控制系统发展过程中，人们发现只要改变直
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
然直流电机的控制较为容易，然而要想实现高精度的转速或者启动暂停，却不是一件容易的事，在控制技术和单片机还没有发展之前，人们只能通过手动切换继电器的方式来实现直流电机的控制。随着单片机等微处理器以及半导体技术迅速发展之后，技术人员将直流电机和单片机结合在一起，催生出了直流电机的自动控制系统，通过代码流程的精准控制，直流电机能够按照设计好的流程进行运转。在直流电机控制系统发展过程中，人们发现只要改变直流电机两端的直流电压值大小就可以轻松控制直流电机的转速，当时傅立叶变换已经出现，技术人员想到PWM波是一种能够有效控制直流电机的波形，因为PWM波形经过傅立叶变换后，其直流成分的大小和PWM波的脉宽成正比，所以通过单片机的IO口来输出PWM波，经过滤波和功率放大后施加到直流电机两端，能够灵活的控制直流电记的运行。在直流电机控制系统中，当半导体技术还不是很成熟的时候，通过单片机输出PWM波来控制直流电机时，由于单片机输出的PWM波功率非常小，不足以驱动大型的直流电机，而此时大功率的功率器件还没有出现在人们的视野，因此这期间人们还不能有效驱动大型直流电机。随着半导体技术逐渐发展，多种类型的直流电机驱动芯片被引进直流电机控制系统中，L298N就是一种典型的直流电机的驱动芯片，它不但能有效地遏制高频谐波对直流电机的干扰，更能输出足够的电流从而驱动直流电机。本课题选用小型直流电机以及L298N来设计了一款直流电机控制系统，采用AT89C51单片机作为主控核心，并通过软件模拟的方式从AT89C51单片机的IO管脚输出PWM波，从而控制直流电机的动作。
直流电机控制系统的国内外发展现状
相关资料以及国内外文献显示，直流电机控制系统目前在国内外都有着大批的研究者，由于新型单片机（处理器）的性能越来越强大，32位单片机的性价比越来越高，使得设计者或者很多兴趣小组都意识到有必要以往设计的控制核心以及相关传感器，以此来提高设计的性能和功能，并降低总体成本。前不久国外的一所大学的研究此项目的兴趣小组成功地将直流电机控制系统中所有的硬件模块集成到了一块芯片上，构建了属于他们自己的片上系统，这款片上系统的问世，不但使得控制系统的稳定性因素不再受分立器件的干扰，并且极大地降低了控制系统的硬件成本，因为在开发该系统时，不需要在经过相关调试，只需要将一块小小的芯片即可，这就是片上系统。
本文主要内容
本文首先从?单片机控制系统设计的发展背景出发，观察并总结了当前这项设计存在的不足与待优化之处，提出了使用51单片机作为本设计的控制核心的观点，主要基于以下几点考虑：一是51单片机的发展较早，技术和稳定性已经接近成熟；二是51单片机的低功耗性能够使得整个系统的耗电量得到下降，对设计是有种大的意义的；三是通过51单片机并结合外部相关模块，能够使得系统的整体硬件系统体积得到大幅压缩，达到嵌入式的目的。本文在第二章进行了主控核心以及外部相关器件的介绍和选择，并阐述了各器件在系统中的主要作用。第三章对系统的总体硬件电路进行了设计，并通过各模块分别设计的方式来对各模块电路原理进行了详细的描述。本文在第二章进行了主控核心以及外部相关器件的介绍和选择，并阐述了各器件在系统中的主要作用。第三章对系统的总体硬件电路进行了设计，并通过各模块分别设计的方式来对各模块电路原理进行了详细的描述。第五章通过proteus软件构建了本系统的仿真系统，验证了本设计的正确性以及可行性。
方案选择及元器件介绍
单片机选择
方案一：选择学生群体使用最多的C51单片机作为本系统的主控核心，由于在大学期间对于C51单片机具有较为系统的学习，其内功的结构原理、模块组成以及程序编写，以及掌握了一套较为熟悉的流程，因此能够为本设计的顺利完成奠定夯实的基础。另外C51单片机内部已经集成了一个容量为4K的加密型FLASH和一个大小为128字节的RAM，足以够本系统的使用，再者C51单片机内部的两个8位定时器在经过简单的寄存器配置后，能够灵活的在本系统中提供精准的定时，为一些需要精准时基的地方提供帮助。根据C51单片机的资料显示，其P3.2和P3.3两个管脚带有中断功能，如果按键接在这两个管脚上，经过中断服务程序，能够方便的配置程序代码的运行。虽然目前市面上C51单片机的生产厂家众多，目前使用最多的是美国ATMEL公司生产的AT89C51和中国宏晶公司生产的STC89C51单片机，这两款单片机目前已经占据了C51单片机市场的主要份额，虽然生产厂家不同，然而这些C51单片机都可以相互替代，在使用上几乎没有任何区别，这也是使用C51单片机作为系统核心的另一个优点。
方案二：选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作
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