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1、单片机控制直流电机调速系统设计摘要随着社会的发展，电机可调速广泛的应用于工农业、交通运输业以及我们的日常生活。早起的电机调速主要基于模拟电路的调速。模拟电路的设计一方面难度大、调试复杂，另一方面加之元器件易老化，这对于调速系统广泛普及起到一定的制约作用。随着电力技术、微处理器技术、自动控制技术的发展，使得PWM脉宽调制技术得到空前的发展。本系统的设计正是PWM脉宽调制技术在直流电机调速的应用。研究这一技术，对于生产和生活有着积极意义。本文首先对系统架构进行介绍，让读者从宏观上把握系统的设计思想。然后分别介绍构成系统的各个模块的内容和选型。接着介绍硬件电路的设计和软件程序的设计思想。最后对系统的
2、功能进行测试，并记录测试结果。关键词PWM；微处理器；自动控制技术； Single chip microcomputer control dc motor speed control system designAbstractWith the development of the society, adjustable speed motor is widely used in industry and agriculture, transportation, and our daily life. Getting up early is mainly based on the analog
3、circuit of motor speed control. Analog circuit design on the one hand, difficult andcomplex debugging, aging, on the other hand, combined with the components for the speedcontrol system widely popularize played a role. As the electric technology, microprocessortechnology, the development of automati
4、c control technology, the PWM pulse width modulation technology get unprecedented development. The design of this system is the PWM pulse width modulation technology in the application of dc motor speed control. Research the technology, has a positive meaning for production and life.This paper intro
5、duces the system architecture, let the reader from on macroscopic to grasp thedesign ideas of the system. Then introduced respectively constitute the content of each module and the choice of the system. Then introduces the design of hardware circuit and software program design thought. Finally test
6、the function of the system, and record test results.Key wordsPWM； microprocessor；automatic control technology;目录绪论1（一）本课题研究的背景及意义1（二）本课题拟要解决的问题与预期达到的目标1（三）本课题的行文结构安排2一、系统架构与方案选择2（一）系统架构2（二）方案选择性3二、硬件电路设计6（一）单片机系统电路设计61.单片机最小系统电路设计62.液晶显示电路设计10（二）电机驱动电路与光电计数电路设计11（三）按键电路设计12三、软件设计14（一）软件总流程图14（二）LCD1
7、602程序设计15四、系统测试17（一）按键面板定义17（二）系统测试17五、结论18致谢19参考文献20绪论（一）本课题研究的背景及意义电气传动可以简单的分为两大类，第一类是直流电气传动，第二类是交流电气传动。电机作为一种动力装置，在直流电气传动与交流电气传动中扮演重要角色。交流电气传动，顾名思义，就是用交流电机作为动力输出装置的电气传动，直流电气传动是采用直流电机作为动力输出装置的电气传动。交流电机，由于无需换向器的设计，因此使得结构简单，这对于生产和使用普及、维护维修方面都优于直流电机。但是交流电机本身不能进行调速，必须借助变频设备得以调节转速。直流电机由于其构造机理与交流电机不同，使得
8、直流电机能进行平滑的调速，而且重要的一点是无需增加额外的调速装置，只要改变直流电机励磁电压即可实现速度的调节。随着社会的发展，电机可调速广泛的应用于工农业、交通运输业以及我们的日常生活。早起的电机调速主要基于模拟电路的调速。模拟电路的设计一方面难度大、调试复杂，另一方面加之元器件易老化，这对于调速系统广泛普及起到一定的制约作用。随着微处理技术的发展，使得数字化的调速成为现实。微处理器，可以进行复杂的逻辑分析、处理，强大的数据处理能力，这些使得模拟电路不能与之媲美，同时让数字电路在一定范围内更加真实的接近模拟电路。微处理器，由于其自身的集成性，使得在很大程度上不受外界因素，如温度、湿度、噪音等影
9、响，极大的提高了系统的稳定性。更重要的一点是基于微处理器的系统，能更好的自动化控制，解放劳动了，提高生产效率。单片机是微处理器的一大分支，从早期的8位单片机发展今天的16位，甚至32位。从早期CPU外围需搭载较多复杂的功能电路到今天的一片单片机即是一个系统。基于单片机控制的直流电机调速系统，使得电机调速由模拟走向数字化，这使得电机调速又进了一个新的台阶。随着电力技术、微处理器技术、自动控制技术的发展，使得PWM脉宽调制技术得到空前的发展。本系统的设计正是PWM脉宽调制技术在直流电机调速的应用。研究这一技术，对于生产和生活有着积极意义。（二）本课题拟要解决的问题与预期达到的目标本课题，主要有一下
10、几点需要解决的问题（1）针对系统的难易程度、控制方便、性价比等因素选型单片机，学习单片机的相关理论知识、开发流程、开发言语、开发工具等。（2）研究PWM脉宽调制技术理论知识，结合单片机的硬件资源，用编程语言实现PWM脉宽调制，最终对直流电机的速度进行调节。（3）一般单片机IO口的驱动能力有限，不能直接驱动直流电机，因此就要设计直流电机驱动电路，在设计中，要充分考虑系统的功能，如直流电机的正反转、起停等进行电路设计。本课题预期达到的目标能通过键盘输入装置改变电机枢电压的波形的占空比，从而实现调速。能在电机运行的过程中实现正反转的切换、能在任何时候实现电机的起停。能在液晶上实时显示直流电机转速和当
11、前枢电压的占空比（PWM）。（三）本课题的行文结构安排1系统架构与方案选择：从整体上把握系统架构的设计，使读者在研究本论文的伊始能有一个较为清晰的系统概念。同时这也是至上而下、模块化的设计思想。对系统中设计的模块进行分析说明。2硬件电路设计：在分析完系统架构中每个模块的功能后，针对具体的功能进行具体的电路设计。3软件设计：在搭好的硬件平台上进行软件设计，进行软硬件的联合调试，不断修改设计，最终满足设计要求。4系统测试：系统设计完成以后要对功能呢进行评估、测试。一、系统架构与方案选择（一）系统架构图1：基于单片机的直流电机调速系统架构图如上图所示为本系统主要由六个模块组成，分别是单片机系统模块、
12、液晶显示模块、按键模块、电机驱动模块、直流电机模块、光电技术模块。单片机系统模块：为本系统的核心。这也是是嵌入式系统的共性之一，将微处理器嵌入到系统之中，系统的功能可裁剪。可以根据不同的应用领域需用不同架构、不同等级的单片机。在本系统中，单片机主要用于产生PWM波形，通过改变占空比，使得电机枢电压的平均值改变，从而达到调速的目的。同时，本系统需要对电机速度进行检测，这就要求单片机具有测速功能。一个系统需要具有良好的交互性和用户体验，故本系统设置有按键输入，用户可以通过按键切换不同的功能。同时，用户可以通过液晶显示屏，实时的观察直流电机枢电压的占空比以及电机当前的速度。键盘模块：一个良好的嵌入式
13、设计需要具有输入输出系统，键盘模块即使本系统的输入系统。当用户按下按键，单片机IO通过检测按键的状态（电平值）得知用户触发的是哪一个按键，继而转向对应的功能。拥有键盘的设计，还能在软件调试起到很大的帮助，可以通过按键改变程序的流向，通过按键的触发，知道程序运行到哪里了。液晶模块：为输出系统。单独一个单片机，虽然在运行着，但是却不能向外界传达直观信息，这样的系统是需要改进的。用于液晶显示屏的系统，可以将必要的信息实时的显示在液晶屏上，用户一是可以获取信息，二是可以判断系统的运行状态。电机驱动模块：因为单片机IO口的驱动能力很小，不能直接驱动直流电机，所以必须设计电机驱动电路。电机驱动电路属H桥电
14、路较为常见，采用H桥电路，使得电路的换向更加方便。直流电机模块：电机作为PWM脉宽调制的对象，可以模拟该技术真实环境下的使用，同时可以验证本系统的设计是否正确。光电计数模块：当前较为常用的测速的方式有测周法与测频法。不管哪一种方式，都需要在直流电击上取得反馈信息。光电技术模块上有一对红外光电对射管、一个编码盘，这样电机转动的时候就是让光电技术模块对外输出脉冲。通过技术或者测量脉冲宽度即可达到测速的目的。（二）方案选择性1微处理器选型：方案一：ARM：ARM既是一个公司的名字，也是该公司推出的一种微处理器架构。早期ARM公司也出售ARM架构的芯片，后来将这一方案出售给各大公司，使得ARM架构的芯
15、片百花齐放，涌现出ARM7、ARM9、ARM11等系列产品。ARM是RISC（精简指令集）设计，本身属于32位的微处理器，但其兼容16位指令集。单周期指令、流水线执行、大多数据都在寄存器中执行等特点使得ARM具有更高的处理速度。ARM应用于高端的嵌入式、教育、移动应用等领域。ARM虽说有这么对有点，但是开发在一定程度上有难度，开发周期较长，且相对于中低端的嵌入式领域，ARM没有性价比方便的竞争力。方案二 FPGA：FPGA是在可编程器件的基础上发展起来的新型产物，作为一种半定制电路出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA芯片具有容量大、集成度高、灵活性强等优点，可以完成极其复杂的时序和组合逻辑电路功能。在信号处理方面、数据传输方面、视屏图像处理等领域中得到广泛的运用。不过FPGA的开发投资大，只适用于产品研发验证阶段，不适合量产。且同样具有开发平台搭建复杂、开发难度较大等不足。方案三 单片机：是将计算机的功能部件裁剪后在一块半导体硅片上集成CPU、存储器、各种输入输出接口的芯片，结构框图为图二所示。单片机产生于20世纪70年代，从当时的4位8位单片机发展到现的16位、32位。单片机已经渗透到我们生活的各个图2单片机内部结构框图领域，有它作为
