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原创性声明

本人呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：日期：

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摘要

当今，自动化控制系统已经广泛的应用在了各行各业，并取得了长足的发展，而直流电机控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着十分主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节灵活，方法简便，易于大范围平滑调速，控制性能好等优点，一直在传动领域占有领军地位。它广泛应用于工业机器人、数控机床等工厂自动化生产中。并随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求日益增加的同时对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造性能好、可靠性高的直流电机控制系统有着十分重要和深远的意义。

本文设计开发了一套基于单片机的直流电机多速控制器，作为其配套的试验装置。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以STC89C52单片机为核心的硬件构成，对键盘电路、串行通信电路、测量电路、DA转换电路和显示电路等作了详细阐述;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。利用STC89C52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。

针对直流电机运行环境恶劣、干扰严重的特点，从系统的硬件设计、软件设计等多方

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面进行抗干扰的综合考虑，并利用多种软件和硬件技术来提高和改善系统的抗干扰能力，有效地提高了系统的可靠性和实用性。运行结果表明，系统实现了电机的高精度多速度控制，达到了性能指标要求。

关键词：直流电机单片机多速控制

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ABSTRACT

Nowadays，automatic control systems widely used and developed in every aspect of life. As the artery in the area of electric drive systems, DC drivers become more and more important modern production. For a long time, DC motor role in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth timing in a wide range, besides, its control performance is excellent. DC motor is widely used on the automatic equipments ,such as CNC and industrial robot. As the scale of production becomes larger and larger the demand and requirements become improving the DC controlling system behavior STCMCU is designed, as its necessary test equipment. It finished the total project design of system and model selection. The of the system according to the preceding solutions are discussed detailed. For the on the whole design，the core circuit, measure circuit, DA switching circuit and display circuit and so on. The method of software planning for it is also discussed. For the software part，with the introduction of modular design concept some procedure flow charts of main program subroutine are offered. The paper designs the software which achieves the functions，such as install parameters, download parameters，startup stop accelerate and decelerate. This new family of STC enables cost--effective design of controllers for DC motors which can fulfill more conditions，consisting of Fewer system components, lower system cost and increased performances.

Aiming at the characteristic of bed environment and serious disturbance，many Kinds of software and proved by experiments that this system can make the put into experiment.

Key word:DC Motor MCU Multiple Speed

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目录

1 引言 (1)

1.1电机的研究意义 (1)

1.2设计方案 (1)

2 供电模块的设计 (2)

2.1集成直流稳压电源芯片LM7805的介绍 (2)

2.2供电模块的构成 (2)

2.3滤波电容的选择 (3)

3.189C52单片机的介绍 (4)

3.289C52的主要特性和结构特点 (4)

3.389C52的IO口介绍 (4)

3.4晶振电路 (6)

3.5复位电路 (7)

4 键盘输入模块的设计 (8)

4.1键盘的电路及原理 (8)

5 显示模块的设计 (9)

5.1数码管及二极管的电路及原理 (9)

5.274HC573的介绍 (9)

5.3CD4511的介绍 (11)

6 直流电机控制模块的设计 (13)

6.1直流电机的介绍 (13)

6.2比例运算放大电路的介绍 (13)

6.2.1反相比例运算 (13)

6.2.2反相加法运算 (14)

6.3集成运算放大器LM324 (15)

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6.4数模转换器DAC0832 (16)

6.5直流电机的转速控制 (17)

7 系统软件设计 (18)

7.1开发环境介绍 (18)

7.2系统主程序流程图 (18)

7.3系统运行过程 (19)

7.4实物实现及所遇困难 (20)

结束语 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

附录 (24)

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1 引言

1.1电机的研究意义

电气传动是现代最主要的机电能量变化形式之一，在当今社会中广泛使用着各式各样的电气传动系统。直流调速系统因其变流方式及控制方法简单，调速性能好，长期以来在调速传动中占统治地位。

而现在随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。与传统控制系统相比，计算机控制具有很多独特的优点。

长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。

1.2 设计方案

本论文设计的系统以单片机为控制核心，通过键盘设置各段运行参数，也可通过电脑设置下载到单片机。单片机输出二进制控制量，经DA转换电路将对应模拟电压送到直流放大器的输入端。放大器根据输入的模拟电压而输出对应的电压来控制直流电机的转速。显示部分显示各段设定的转速值。单片机主要完成参数设置、参数显示和控制输出等功能。

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2 供电模块的设计

2.1 集成直流稳压电源芯片LM7805的介绍

LM7805是目前市场上非常常见的三端稳压器件。一般使用的是TO-220封装，能提供DC 5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供1A 的电流，如果使用外围器件，它还能提供不同的电压和电流。7805的主要特点有：输出电流大，一般可以达到1A；输出电压稳定，基本能一直维持在5V；具有各种保护功能，过热保护、短路保护、输出晶体管SOA保护。7805还具有非常广的输入范围从5V～18V。工作结的温度范围更是可以从0～125℃无论多恶劣的环境7805也能轻松胜任。这么全面的一个芯片实在是堪称全能，而且价格非常便宜。对于这么优秀的稳压电源芯片，我们还有什么理由不去选用它呢。7805管脚及外形如图2.1所示。【1】

图2.1 7805管脚图

2.2 供电模块的构成

整个电源供电模块由一片7805和4个电容构成。这是一个输出正5V直流电压的稳压

电源电路。IC采用集成稳压器7805，C

1、C2为输入端滤波电容，C

3

、C

4

为输出端滤波电容。

如图2.2所示，7805的1脚接正9V的输入，2脚接地，3脚为输出。在1脚和2脚间接两个滤波电容。3脚和2脚间也接两个滤波电容。

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图2.2 供电模块电路

2.3 滤波电容的选择

说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，电容的本质是通交流，隔直流。即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=12лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小.。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容。【2】

一般说大电容滤低频率，小电容滤高频。是因为电容对于高频的谐振频点不一样（即频率响应）大家可以看一下电容，电感的频率响应图。可以看到线比较尖的地方就是谐振点。大电容的谐振频率低。如果输入频率比谐振频率高电容就呈感性，根本就滤不了波。小电容的谐振频率高，保证高频杂波可以滤掉。

一般电源滤波是用两个电容并联，一个大，一个小并联这样大的可以滤除低频，而且还可以蓄容，使电压纹波降低，而小的电容滤除高频，起旁路作用。因为电容的特性是通高频，阻低频，这样组合比较好。一般在高频地方，都接一个小电容，起旁路作用。

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3 主控制模块的设计

3.1 89C52单片机的介绍

89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C52是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.2 89C52的主要特性和结构特点

89C52的主要特性有：1.与MCS-51 兼容；2.有8K字节可编程闪烁存储器;3.寿命长1000写擦循环.数据保留时间可以达到10年；4.三级程序存储器锁定5.具有128*8位内部RAM;5.32可编程IO线和两个16位定时器计数器还有5个中断源；6.可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。【5】

3.3 89C52的IO口介绍

P 0口：P

口为一个8位漏级开路双向IO口，每脚可吸收8TTL门电流。当P

1

口的管脚

第一次写1时，被定义为高阻输入。P

能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数

据地址的第八位。在FIASH编程时，P

0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P

输出

原码，此时P

外部必须被拉高。

P 1口：P

1

口是一个内部提供上拉电阻的8位双向IO口，P

1

口缓冲器能接收输出4TTL

门电流。P

1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P

1

口被外部下拉为低电平时，

将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P

1

口作为第八位地址接收。

P 2口：P

2

口为一个内部上拉电阻的8位双向IO口，P

2

口缓冲器可接收，输出4个TTL

门电流，当P

2

口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输

入时，P

2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P

2

口当用于外部

程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P

2

口输出地址的高八位。在给出地

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址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P

2

口输出

其特殊功能寄存器的内容。P

2

口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P 3口：P

3

口管脚是8个带内部上拉电阻的双向IO口，可接收输出4个TTL门电流。当

P

3

口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为

低电平，P

3

口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。【14】

图3.1 89C52单片机

3.4 晶振电路

CPU的正常工作离不开稳定准确的时钟信号。时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。MCS-51的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的震荡电路来产生时钟信号；另一种方式为外部方式，时钟信号由外部引入。

本设计采用的是内部方式，具体连接方式如图 3.2所示。晶振的选择一般选用11.0592M，因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率。两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮法。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。这里取30皮法。

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图3.2 晶振电路

3.5 复位电路

为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。由于单片机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC 超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。

复位电路工作原理如图3.3所示，VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下开关S，C放电。S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。

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图3.3 复位电路

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4 键盘输入模块的设计

4.1 键盘的电路及原理

本设计采用了4x4的行列式键盘。行列式键盘的接法比独立式键盘的接法复杂，编程实现上也会比较复杂。但是，在占用相同的IO端口的情况下，行列式键盘的接法会比独立式接法允许的按键数量多。图4.1中硬件采用中断方式工作，用一个8位IO口构成4×4

键盘。具体做法如下将P

1.3～P

1.0

设为列输入线，P

1.7

～P

1.4

设为行输出线，并使IO输出信号

P

1.7～P

1.4

为0000。若有键按下，与门的输出端变为低电平，向CPU申请中断，表示键盘中

有键按下。CPU执行中断程序对键盘进行扫描，判断键值。CPU在中断程序中先将P

1.3～P

1.0

的数值读入以此判断出列值。然后再分别令P

1.7～P

1.4

逐行输出低电平，并再次扫描P

1.3

～

P

1.0

，以确定行值。如此就完成了键盘的输入扫描。（10）

图4.1 键盘输入电路

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5 显示模块的设计

5.1数码管及二极管的电路及原理

为了让使用者能直观地知道系统的运行状态，显示设备是必不可少的。这里采用了两个七段数码管和七个发光二极管对系统运行过程的状态及结果进行显示。没有按键按下的时候，数码管将不显示。而发光二极管将轮流点亮形成漂亮的跑马灯。由于红色发光二极管的一般工作电流为20mA，压降1.7V。而单片机的管脚最大输出电流一般只有10mA。为了保护单片机使其温度及功耗不会过高，因此在二极管和单片机之间要接一个74HC573锁存器进行锁存，然后再驱动二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：

R＝（E－U

F ）I

F

式中E为电源电压，U

F 为LED的正向压降，I

F

为LED的一般工作电流。

5.2 74HC573的介绍

74HC573和74LS373原理一样，8数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制。

1. 真值表

Dn LE OE On

H H L H

L H L L

X L L Qo

X X H Z

这个就是真值表,表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。每个芯片的数据手册（datasheet）中都有真值表。布尔逻辑比较简单,在此不赘述。

2. 高阻态

就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态;在这种状态下,可以多个芯片并联输出;但是,这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态,否则会将芯片烧毁; 高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。

3. 数据锁存

当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持; 这个概念在并行数据扩展中

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经常使用到。

4. 数据缓冲

加强驱动能力。74LS24474LS24574LS37374LS573都具备数据缓冲的能力。

OE：output_enable,输出使能;

LE：latch_enable,数据锁存使能,latch是锁存的意思;

Dn：第n路输入数据;

On：第n路输出数据;

再看这个真值表,意思如下：

第四行：当OE＝1是,无论Dn、LE为何,输出端为高阻态;

第三行：当OE＝0、LE＝0时,输出端保持不变;

第二行第一行：当OE＝0、LE＝1时,输出端数据等于输入端数据;

结合下面的波形图,在实际应用的时候是这样做的：

a． OE＝0;

b．先将数据从单片机的口线上输出到Dn;

c．再将LE从0->1->0

d．这时,你所需要输出的数据就锁存在On上了,输入的数据在变化也影响不到输出的数据了;实际上,单片机现在在忙着干别的事情,串行通信、扫描键盘……单片机的资源有限啊。在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时,使用movx @dptr, A这条指令时,这些时序是由单片机来实现的。后面的表格中还有需要时间的参数,你不需要去管它,因为这些参数都是几十ns级别的,对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us 的情况下,完全可以实现;如果是你自己来实现这个逻辑,类似的指令如下：mov P

,A ;将数据输出到并行数据端口

clr LE

setb LE

clr LE ;上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化

74ls573跟74LS373逻辑上完全一样,只不过是管脚定义不一样,数据输入和输出端。