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1、姓名姓名- -学号学号成绩成绩分组序号分组序号同组人员（签名）同组人员（签名）本人贡献排名本人贡献排名指导教师（签名）指导教师（签名）本课程设计已经实现的功能：1. 设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；2. 显示马达的运行状态（正转、反转、停止） ，显示转速；3. 测量马达的反电动势系数；4. 测量马达的力矩系数；5. 创建马达的数学模型；6. 实现比例控制；7. 实现比例积分控制；摘摘 要要 本课程设计主要设计了一个以单片机为控制核心的直流电机控制系统。采用 PWM 控制电机，提高了调速范围，精度，改善了快速性能、功率和功率因数。系统在设计中被控对象采用 的直流电机，以 12C5A
2、60S2 单片机为控制核心，采用 LCD12864 液晶作为显示元件，进行软硬件的设计。 ，主要设计了液晶显示电路、键盘控制电路、复位电路、测速电路和驱动电路。软件设计在 Keil 开发平台用 C 语言编写，程序采用模块化设计方案，包括液初始化程序、液晶显示程序、键盘控制程序、电机控制程序等。本系统 PWM 控制直流电机采用调压调速的方法通过利用单片机产生 PWM 控制信号控制直流电机，详细介绍脉宽调制 ( PWM) 控 制原理，直流电机的工作原理和数学模型以及用 H 型桥电路基本原理设计的驱动电路。 通过硬件电路的模拟情况，说明系统运行正常，各个功能模块实现是可行的，控制精度比较高，能够满足
3、系统的基本要求。关键词：关键词： 单片机；PWM；直流电机目录1. 直流电机闭环调速系统的设计任务.1 1.1. 任务总述.1 1.2. 设计任务.1 2. 总体方案设计与实现.1 2.1. 总体方案设计.1 3. 硬件设计.2 3.1. 单片机系统的设计.2 3.2. STC12 最小系统 .2 3.3. 直流电机基本工作原理.5 3.4. L298N 电机驱动模块 .8 3.5. 12864 液晶显示模块.11 3.6. 测速模块.13 4. 软件设计.15 4.1. 主程序.15 4.2. 初始化模块程序设计.15 4.3. 测速模块程序设计.16 4.4. 电机控制模块程序设计.18
4、4.5. PWM 程序设计.20 4.6. 菜单程序设计.20 4.7. 按键程序设计.23 5. 直流电机数学模型的建立.24 6. 数据处理与调速数据.28 6.1. 电机的反电动势系数.28 6.2. 电机的力矩系数.29 6.3. 比例调速数据.29 6.4. PID 调速数据 29 7. 系统调试.30 7.1. 硬件调试.30 7.2. 软件调试.30 8. 心得体会.30 9. 参考文献.32 10. 致 谢.33 11. 附录：部分程序.3401. 直流电机闭环调速系统的设计任务直流电机闭环调速系统的设计任务1.1.任务总述任务总述本课题主要目的是以单片机为核心设计出一个直流电
5、机控制 系统。本系统采用 STC12C5A60S2 单片机作为控制单元，通过与 12864 液晶显示模块、L298N 电机驱动模块、键盘扫描模块、测 速模块、PWM 调节模块、电机控制模块等组成一个直流电机的 控制系统，能实现对直流电机的正反转、加减速、比例控制调速 和 PID 控制调速等功能。通过比例控制、与 PID 控制，本系统能 比较精确地控制直流电机的转速。1.2.设计任务设计任务1.设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键； 2.显示马达的运行状态（正转、反转、停止） ，显示转速； 3.测量马达的反电动势系数； 4.测量马达的力矩系数； 5.创建马达的数学模型； 6.实现比例控制
6、； 7.实现比例积分控制； 8.缓存马达动态过程运行数据，并上传到 PC 机绘出动态过 程 曲线。2. 总体方案设计与实现总体方案设计与实现2.1.总体方案设计总体方案设计直流电机调速控制采用脉宽调制(pulse width modulation，简 称 PWM)。因为该调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动 态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在 单片机控制系统中实现，硬件比较简单，运算速度快，精度高。 使用 H 型全桥式驱动电路为直流电机驱动电路。这种驱动电路可 以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、 反转、反转制动。用测速码盘编码器对直流电机的进行
7、测速，并 将速度显示在液晶显示器上，同时将转速反馈给单片机实现对电 机转速的闭环控制。设置功能键盘，可通过按键实现对电机转速 的设定以及调节控制。13. 硬件设计硬件设计3.1.单片机系统的设计单片机系统的设计单片机系统的设计流程图如下所示：图 3-1 单片机系统设计3.2.STC12 最小系统最小系统(1)STC12C5A60S2 芯片 STC12C5A60S2 不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且 速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换(250K/S)，针对电机控制，强干 扰场合，其片内的具有大容量程序存储器 6
8、0K FLASH ROM，用 户可以用电的方式瞬间擦除、改写。STC 系列单片机支持串口程 序烧写，对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。以下是 STC12C5A60S2 的功能： 1)增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全 兼容传统 8051； 2)工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压：5.5V-3.3V（5V 单片机）STC12LE5A60S2 系列工作电压：3.6V-2.2V（3V 单片机） ； 3)工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通 8051 的0420MHz； 4)用户用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K /
9、 48K/ 52K / 60K/ 62K 字节； 5)片上集成 1280 字节 RAM；显示器单片机核心H 桥隔离直流马达测速码盘编码 器脉冲键盘和开关电源12864 液晶STC12C52A26)通用 I/O 口（36/40/44 个） ，复位后为：准双向口/弱上拉 （普通 8051 传统 I/O 口） ，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉， 推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个 I/O 口驱动能力均可达 到 20mA，但整个芯片最大不要超过 55Ma； 7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编 程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程
10、序，数秒即可完成一片； 8)有 EEPROM 功能(STC12C5A62S2/AD/PWM 无内部 EEPRO M)； 9)看门狗； 10)内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 12M 以下时， 复位脚可直接 1K 电阻到地） ； 11)外部掉电检测电路：在 P4.6 口有一个低压门槛比较器， 5V 单片机为 1.32V，误差为+/-5%，3.3V 单片机为 1.30V，误差 为+/-3%； 12)时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器(温漂为 +/-5%到+/-10%以内) 1 用户在下载用户程序时，可选择是使用内 部 R/C 振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部 R/
11、C 振荡器频率 为：5.0V 单片机为：11MHz15.5MHz，3.3V 单片机为： 8MHz12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因 为有制造误差和温漂，以实际测试为准； 13)共 4 个 16 位定时器，两个与传统 8051 兼容的定时器/计 数器，16 位定时器 T0 和 T1，没有定时器 2，但有独立波特率发 生器做串行通讯的波特率发生器再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器； 14)2 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 输出时钟，可 由 T1 的溢出在 P3.5/T1 输出时钟； 15)外部中断 I/O 口 7 路,传统的下降沿中
12、断或低电平触发中断， 并新增支持上升沿中断的 PCA 模块， Power Down 模式可由外部 中断唤醒， INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5， RxD/P3.0， CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到 P4.2 )， CCP1/P1.4 (也可通过 寄存器设置到 P4.3)； 16）PWM(2 路）/PCA（可编程计数器阵列,2 路） 也可用来当 2 路 D/A 使用 也可用来再实现 2 个定时器 也可用来再实现 2 个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均3可分别或同时支持)； 17）A/D 转换，10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250
13、K/S(每秒钟 25 万次)； 18）通用全双工异步串行口(UART)，由 STC12 系列是高速 的 8051，可再用定时器或 PCA 软件实现多串口； 19）STC12C5A60S2 系列有双串口，后缀有 S2 标志 的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到 P4.2)， TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到 P4.3)； 20）工作温度范围：-40 - +85(工业级) / 0 - 75 (商 业级) 21.封装：PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48 I/O 口不够时，可用 2 到 3 根普通 I/O 口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展 I
14、/O 口，还可用 A/D 做按键扫描来节省 I/O 口，或用双 CPU，三线通 信，还多了串口。图 3-2 12C5A60S2 芯片 （2）复位电路 单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式 实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复 位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期 间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如图 3-3 所4示。图 3-3 复位电路接线图（3）系统时钟电路 单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。 通常在引脚 XTALl 和 XTAL2 跨接石英晶体和两个补偿电容构成 自激振荡器，系统时钟电路结构如图所示，可以根据情
15、况选择 6MHz、8MHz 或 12MHz 等频率的石英晶体，本系统采用 12MHz 的晶振。补偿电容通常选择 20-30pF 左右的瓷片电容。（4）最小系统原理图图 3-4 最小系统原理图3.3.直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理（1）直流电机的基本结构 直流电机的基本结构图见图 3-5：5图 3-5 直流电机的基本结构（2）直流电动机的参数特性 1)感应电势 E（3-1）eEKn式中: -电动势(V); 一对磁极的磁通(Wb);E-电枢转速(r/min); -与结构有关的常数.neK2)电磁转矩 T（3-2）taTKI式中:-电磁转矩(Nm); 一对磁极的磁通(Wb);T-电枢电流(
16、A); -与结构有关的常数.aItK3)直流电动机电枢电压平衡方程式（3-3）aaUEI R为电枢电阻aR4)直流电动机机械特性的一般表达式（3-4）02eeetRUnTnnKK K（3） 直流电机的机械特性曲线 直流电机的机械特性曲线如下图 3-6 所示：6TNTn 0nNnT图 3-6 直流电机的机械特性曲线 转速下降的原因： 电机带负载匀速运行时，TeTL，若负载 TL 增加，则电机 的输出电磁转距 Te 也要随之增加，也即电枢电流 Ia 增大。那么 电枢绕组的内阻所消耗的压降 IaRa 增加，所以转速 n 下降。（3-5）aaeeI RUnCC（4）永磁直流电机调速 调压调速通：过改变输入电压实现调速，如图 3-3 所示。n 0 n 1 n 2 n 3UNU1U2U3UN U1 U2 U3UNn图 3-7 降压调速原理73.4.L298N
