基于单片机与VB的直流电机控制系统的设计
基于单片机与VB的直流电机控制系统的设计[20200211152057]
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关键字:单片机直流电机PWM调速串口通讯
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究内容 1
1.3设计思路 1
1.3.1总体结构 2
1.3.2 PWM调速原理 2
2. 系统硬件的设计 3
2.1单片机的最小系统 3
2.1.1 单片机介绍 3
2.1.2晶振的介绍 4
2.1.3复位电路的介绍 5
2.2直流电机驱动与调速模块设计 6
2.2.1驱动电路 6
2.2.2测速电路设计 9
2.3 LCD1602液晶显示屏 10
2.4 通讯电路的设计 11
3 系统软件设计 14
3.1主程序 14
3.2 速度程序设计 15
3.3 测速程序设计 17
3.4 串口通信设计 18
3.5基于VB上位机的控制界面设计 21
4调试 27
4.1 实物 27
4.2调试结果 27
结束语 34
致谢 35
参考文献 36
附录一：电路原理图 37
附录二：单片机源程序 38
附录三：VB源程序 47
1.绪论
1.1课题研究背景
在现代生活中,电机作为电源能到机械能转换装置广泛应用于家居、玩具、石化、交通等方面,因为人们生产过程和人们对产品质量的需求一直在增长,所以越来越多的生产机械的功率效能要求达到自动控制电机转速的要求。从工业革命开始，对电机速度的自动控制就一直没有停过,因为他操作简单实用性高，维修方便。而最早的直流的机转速的控制主要是由模拟电路对电动机进行控制,但是经过发展，单片机对电动机的控制器已经慢慢开始开始取代模拟电路。电机电压的控制器的发展方向越来越越来越多元化，复杂化。所以我针对这一现状，经过规划思考感觉开发一种新的单片机控制系统来控制直流电机转速还是非常有意义的。
1.2课题研究内容
这次课题研究的内容是对直流电机的调速。可以利用VB来设计一个控制界面，界面有各种指令，通过发送按钮来想单片机发送速度，转向指令，从而来控制电机的转动，然后经过测速模块的测速，把转速返回给PC，VB上显示电机的转速。
本课题要完成以下研究工作：?
1.掌握直流电机的调速方式
2.对系统的软件硬件进行设计
3.制作电路板
4.调试程序，直至满足任务要求
1.3设计思路
这个毕业设计要求设计一个上位机控制直流电机的系统，通过VB来设计一个控制界面，界面上有加速，减速，端口号，波特率等各种指令。然后通过串口来发送给单片机。单片机对数据经过处理。再通过L298电机驱动芯片，来控制电机的转动。然后用ITR9606光电测速传感器来测出电机的转速，并在LCD1602上显示。
1.3.1总体结构
图1-1 系统总体结构
1.3.2 PWM调速原理
PWM（脉冲宽度调制）通过一个固定的控制直流电源开关频率，电压在负载两端变化，一个电压调节的方法来满足控制要求。 PWM可在许多方面，如电机速度控制，温度控制，压力控制等使用。
在PWM驱动控制系统中，我们根据设定的频率来接通和切断电源，并且根据需要向“开”和“关”的时间的长度来设定每一个周期。通过改变直流电动机的“占空比”既接通电源时间的长短来改变平均电压的大小，从而来控制直流电机的转速大小。如图1-1 T表示一个周期，t1表示接通的时间，t2表示断开的时间。t1越长表示接通的时间越长，平均电压越大，直流电机的转速就越大。
图1-2 PWM波
通过上面的公式可以看出，当我们改变占空比D = T1 / T，可以得到不同的平均电机转速VA，从而达到调速的目的。严格地说，Va和占空比D的平均速度不是严格的线性关系，但在一般的应用中，我们可近似为线性关系。
2.系统硬件的设计
2.1单片机的最小系统
2.1.1 单片机介绍
单片机也顾名思义，就是一个很小的芯片，但这块芯片可以处理的很多东西，在这个科技发展的时代，单片机在我们生活的各个领域都起着很重要的作用，在软件设计，电信通讯，汽车控制，智能家居这些现代化应用中，几乎都离不开单片机。单片机通常是一个集成的电路芯片，内部有计算机的各种基本组成部分，比如：内存，CPU，接口电路等，因此只要在单片机中加入软件，在外面跟一些硬件相配合，就可以构成智能化控制系统。
图2-1 单片机内部结构
中央处理器是微型计算机的核心部件，这个部件可以处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制，指挥和调度整个单元系统的协调工作，完成输入和输出功能等操作[7]。
数据存储是用来改变数据的。AT89S51中有地址空间为256个RAM数据存储单元，但它可以被用户用来作为数据存储为仅在前面的128个存储单元，后面128个给专有的寄存器。程序存储器用于存储程序和固定的常数等。通常使用只读存储器，它的各种类型，在所有的89系列单片机全部使用闪存，AT89S51内部配置4 KB的Flash存储器[5]。
8051共有四组每组八个的I / O端口（P0，P1和P2和P3）的，用于外部数据的传输。每口端口都有一个锁存器和一个驱动器构成。它们主要用于实现与外部设备数据的输入和输出。
总线是连接各个部件信号线的总称，主要用于传输数据，地址和控制信息。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，含4k字节可用于闪存只读应用平板电脑，系统编程器件采用高密度，ATMEL公司的非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集闪存程序存储器可以用传统方法进行编程可在线编程（ISP），也是一般8位单片微处理器，ATMEL公司的强大的功能，低廉的价格提供AT89S51的许多高性价比的应用程序，可以应用到一个多种灵活的控制领域[6]。
图2-2 单片机实物图
2.1.2晶振的介绍
晶体通常被分为两种晶体谐振器，晶体振荡器，单片微计算机系统中晶振动具有两种用法，一种是内部时钟方式另一种是外部时钟方式[2]。
图2-3 晶振实物图
在单片机中晶振电路一定要跟单片机靠近线路要短。晶振电路的地一定要同一时钟的芯片的地共地，在晶振频率的选择上，在满足系统需要的前提下尽可能地选用低频率的晶振，这样可以降低系统的功耗。
图2-4 晶振与单片机的连接图
2.1.3复位电路的介绍
复位电路，它是用电路的初始状态。像计算器复位按钮的作用，当你一个题目的计算后完成后，必须清0，或者你输入错误也一定要清0。为了恢复到原来的状态，再次计算。和计算器复位按钮不同的是，复位电路启动方式是不同的。第一个是通电立即进行复位操作，第二个是在必要时可通过手动操作，第三是根据程序需要自动运行。复位电路比较简单大多只电阻器和电容器的组合可以做到的。更复杂的是三极管等配合程序进行。
复位方式：
（1）手动按钮复位
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关键字:单片机直流电机PWM调速串口通讯
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究内容 1
1.3设计思路 1
1.3.1总体结构 2
1.3.2 PWM调速原理 2
2. 系统硬件的设计 3
2.1单片机的最小系统 3
2.1.1 单片机介绍 3
2.1.2晶振的介绍 4
2.1.3复位电路的介绍 5
2.2直流电机驱动与调速模块设计 6
2.2.1驱动电路 6
2.2.2测速电路设计 9
2.3 LCD1602液晶显示屏 10
2.4 通讯电路的设计 11
3 系统软件设计 14
3.1主程序 14
3.2 速度程序设计 15
3.3 测速程序设计 17
3.4 串口通信设计 18
3.5基于VB上位机的控制界面设计 21
4调试 27
4.1 实物 27
4.2调试结果 27
结束语 34
致谢 35
参考文献 36
附录一：电路原理图 37
附录二：单片机源程序 38
附录三：VB源程序 47
1.绪论
1.1课题研究背景
在现代生活中,电机作为电源能到机械能转换装置广泛应用于家居、玩具、石化、交通等方面,因为人们生产过程和人们对产品质量的需求一直在增长,所以越来越多的生产机械的功率效能要求达到自动控制电机转速的要求。从工业革命开始，对电机速度的自动控制就一直没有停过,因为他操作简单实用性高，维修方便。而最早的直流的机转速的控制主要是由模拟电路对电动机进行控制,但是经过发展，单片机对电动机的控制器已经慢慢开始开始取代模拟电路。电机电压的控制器的发展方向越来越越来越多元化，复杂化。所以我针对这一现状，经过规划思考感觉开发一种新的单片机控制系统来控制直流电机转速还是非常有意义的。
1.2课题研究内容
这次课题研究的内容是对直流电机的调速。可以利用VB来设计一个控制界面，界面有各种指令，通过发送按钮来想单片机发送速度，转向指令，从而来控制电机的转动，然后经过测速模块的测速，把转速返回给PC，VB上显示电机的转速。
本课题要完成以下研究工作：?
1.掌握直流电机的调速方式
2.对系统的软件硬件进行设计
3.制作电路板
4.调试程序，直至满足任务要求
1.3设计思路
这个毕业设计要求设计一个上位机控制直流电机的系统，通过VB来设计一个控制界面，界面上有加速，减速，端口号，波特率等各种指令。然后通过串口来发送给单片机。单片机对数据经过处理。再通过L298电机驱动芯片，来控制电机的转动。然后用ITR9606光电测速传感器来测出电机的转速，并在LCD1602上显示。
1.3.1总体结构
图1-1 系统总体结构
1.3.2 PWM调速原理
PWM（脉冲宽度调制）通过一个固定的控制直流电源开关频率，电压在负载两端变化，一个电压调节的方法来满足控制要求。 PWM可在许多方面，如电机速度控制，温度控制，压力控制等使用。
在PWM驱动控制系统中，我们根据设定的频率来接通和切断电源，并且根据需要向“开”和“关”的时间的长度来设定每一个周期。通过改变直流电动机的“占空比”既接通电源时间的长短来改变平均电压的大小，从而来控制直流电机的转速大小。如图1-1 T表示一个周期，t1表示接通的时间，t2表示断开的时间。t1越长表示接通的时间越长，平均电压越大，直流电机的转速就越大。
图1-2 PWM波
通过上面的公式可以看出，当我们改变占空比D = T1 / T，可以得到不同的平均电机转速VA，从而达到调速的目的。严格地说，Va和占空比D的平均速度不是严格的线性关系，但在一般的应用中，我们可近似为线性关系。
2.系统硬件的设计
2.1单片机的最小系统
2.1.1 单片机介绍
单片机也顾名思义，就是一个很小的芯片，但这块芯片可以处理的很多东西，在这个科技发展的时代，单片机在我们生活的各个领域都起着很重要的作用，在软件设计，电信通讯，汽车控制，智能家居这些现代化应用中，几乎都离不开单片机。单片机通常是一个集成的电路芯片，内部有计算机的各种基本组成部分，比如：内存，CPU，接口电路等，因此只要在单片机中加入软件，在外面跟一些硬件相配合，就可以构成智能化控制系统。
图2-1 单片机内部结构
中央处理器是微型计算机的核心部件，这个部件可以处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制，指挥和调度整个单元系统的协调工作，完成输入和输出功能等操作[7]。
数据存储是用来改变数据的。AT89S51中有地址空间为256个RAM数据存储单元，但它可以被用户用来作为数据存储为仅在前面的128个存储单元，后面128个给专有的寄存器。程序存储器用于存储程序和固定的常数等。通常使用只读存储器，它的各种类型，在所有的89系列单片机全部使用闪存，AT89S51内部配置4 KB的Flash存储器[5]。
8051共有四组每组八个的I / O端口（P0，P1和P2和P3）的，用于外部数据的传输。每口端口都有一个锁存器和一个驱动器构成。它们主要用于实现与外部设备数据的输入和输出。
总线是连接各个部件信号线的总称，主要用于传输数据，地址和控制信息。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，含4k字节可用于闪存只读应用平板电脑，系统编程器件采用高密度，ATMEL公司的非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集闪存程序存储器可以用传统方法进行编程可在线编程（ISP），也是一般8位单片微处理器，ATMEL公司的强大的功能，低廉的价格提供AT89S51的许多高性价比的应用程序，可以应用到一个多种灵活的控制领域[6]。
图2-2 单片机实物图
2.1.2晶振的介绍
晶体通常被分为两种晶体谐振器，晶体振荡器，单片微计算机系统中晶振动具有两种用法，一种是内部时钟方式另一种是外部时钟方式[2]。
图2-3 晶振实物图
在单片机中晶振电路一定要跟单片机靠近线路要短。晶振电路的地一定要同一时钟的芯片的地共地，在晶振频率的选择上，在满足系统需要的前提下尽可能地选用低频率的晶振，这样可以降低系统的功耗。
图2-4 晶振与单片机的连接图
2.1.3复位电路的介绍
复位电路，它是用电路的初始状态。像计算器复位按钮的作用，当你一个题目的计算后完成后，必须清0，或者你输入错误也一定要清0。为了恢复到原来的状态，再次计算。和计算器复位按钮不同的是，复位电路启动方式是不同的。第一个是通电立即进行复位操作，第二个是在必要时可通过手动操作，第三是根据程序需要自动运行。复位电路比较简单大多只电阻器和电容器的组合可以做到的。更复杂的是三极管等配合程序进行。
复位方式：
（1）手动按钮复位
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