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佛山科学技术学院课程设计1姓名-学号陈晓鹏-2010364223成绩分组序号同组人员（签名）本人贡献排名指导教师（签名）佛山科学技术学院课程设计2摘要本文主要设计一个基于单片机的直流电机PWM控制系统。PWM控制提高了调速范围，提高了调速精度，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5V的直流电机，以MCS-51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。硬件电路由protel设计制作，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、晶显示程序、键盘控制程序。本系统PWM控制直流电机采用调压调速的方法，整体设计包括软件和硬件两个部分。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，能够满足系统的基本要求。关键词：单片机；PWM；直流电机；L298N；佛山科学技术学院课程设计3目录一、设计任务..........................................5二、设计方案..........................................51、任务分析.......................................52、方案设计.......................................63、方案流程图.....................................6三、系统硬件设计......................................71、STC12最小系统..................................7（1）STC12C5A60S2芯片.........................7（2）系统时钟电路.............................11（3）复位电路.................................11（4）最小系统原理图...........................122、电机模块......................................123、L298N模块.....................................134、测速模块.......................错误!未定义书签。5、测压模块.......................错误!未定义书签。6、液晶模块......................................147、按键模块.......................错误!未定义书签。8、灯光信号模块..................................15四、系统软件设计.....................................151、软件流程图....................................152、PWM程序设计....................错误!未定义书签。3、测压程序设计...................错误!未定义书签。4、测速程序设计..................................16（1）1S定时程序...............................16（2）光电开关信号采样程序.....................16（3）电机速度计算程序.........................175、液晶驱动程序设计..............................176、菜单程序设计...................错误!未定义书签。7、按键程序设计...................错误!未定义书签。8、电机反电动势系数计算程序......................199、电机力矩系数计算程序..........................1910、逼近算法控制程序.............................1911、比例控制程序..................错误!未定义书签。12、PID控制程序..................................20五、直流调速系统动态数学模型的建立....................20六、调速数据..........................................24佛山科学技术学院课程设计41、比例调速数据..................................242、PID调速数据...................................253、逼近算法调速数据..............................254、反电动势系数和电机力矩系数数据................26七、心得体会..........................................26参考文献..............................................28附录一硬件原理图....................................29附录二硬件PCB图....................................30附录三程序清单......................................31佛山科学技术学院课程设计5一、设计任务本课题设计主要的目的是为了能够准确及时的控制直流电动机的正转、反转、停止、加速和减速功能可以准确调节控制直流电机的转速。同时，本设计可以自动测量计算直流电机的反电动势系数以及马达的力矩系数。直流电机的转速控制分别采用三种可选择的调速方案：逼近算法调速、比例控制调速和PID控制调速。本系统采取了菜单式选择界面，方便了使用者对系统各项功能的使用与选择，同时加入了大量图片设计和动画效果，使人机交流界面更加人性化。二、设计方案1、任务分析本设计要求中央控制芯片具有定时计数的功能，一定的程序存储空间，还要有足够的IO外接端口。由于本设计以LCD12864作为人机交流的显示界面，所以要求中央控制芯片具有一定的电流驱动能力。LCD、电机控制信号、LED指示灯、独立按钮，电压采集这些都需要占用大量IO接口，所以要求中央控制芯片要有足够多的外部接口以满足需要。本设计将采用菜单界面设计方面，涉及大量图片和文字，所以要求控制芯片要有足够大的内存空间。大量变量标志将实现各项菜单的切换，所以要求控制芯片要有足够的RAM空间来存储临时变量。本设计要求能准确控制电机的转向以及转速，所以要求电机的控制芯片就有较强的调速控制功能以及转向控制功能。本设计要求所采用的的直流电机转速具有一定的可调空间以及足够的灵敏度。佛山科学技术学院课程设计6本设计涉及直流电机转速的采集，电机输出电压的测量，所以要求本系统具有测量电机转速和采集电压的功能。2、方案设计由于STC12c5a60s2单片机具有1280B的RAM，60KROM，P0-P4数量众多的IO口，高达20MA的电流驱动能力和1T的运行速度，具有片上PWM模块和ADC模块，满足本课题的设计要求，所以本设计采用STC12c5a60s2芯片作为中央主控芯片。带41线码盘测速码盘日本三美直流电机转速可调范围宽，响应迅速，并且带有对射式光电开关测速模块，只需接上相应的信号放大电路就可以被单片机所识别。所以本系统采用了带41线码盘测速码盘日本三美直流电机。本系统采用了LCD12864作为人机交流界面，满足了控制项目多，控制信息多，显示信息完整等要求。3、方案流程图佛山科学技术学院课程设计7三、系统硬件设计1、STC12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60KFLASHROM，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8051CPU，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）单片机显示模块测速模块按键模块L298N模块测压模块电机佛山科学技术学院课程设计8STC12LE5A60S2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0～420MHz；4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；5.片上集成1280字节RAM；6.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）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；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%；佛山科学技术学院课程设计912.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/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz～12MHz，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,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown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/佛山科学技术学院课程设计10下降沿中断均可分别或同时支持)；17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/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