毕业设计直流电机控制系统设计.doc

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1、邓贤彦：直流电机控制系统设计摘要本文基于AT89C52单片机设计了一个直流电机调速系统，利用PWM技术对直流电机进行调速控制。电路结构简单，控制精度高，成本低。系统通过了计算机软件调试和仿真，经简单改进后即可运用于实际操作。关键词：AT89C52单片机；PWM技术；直流电机；调速控制ABSTRACTAT89C52 microcontroller designed to from the DC speed regulating system,this design uses the PWM technology.With a simple circuit configuration,a high

2、 precision control but low cost.Ddbugged and simulated shrough computer software,it can be used for the actual control system with simple improvements Key words: AT89C52 microcontroller; Speed regulating system;DC Motor；PWM technology I目录摘要IABSTRACTII第1章 引 言11.1直流电机控制系统设计的背景11.2 直流电机控制系统设计的发展历史11.3直

3、流电机控制系统设计的发展趋势11.4直流电机控制系统设计的要求21.5本章小结2第2章 直流调速系统概述42.1直流电机的工作原理42.2直流电机的调速方法52.3 H桥电机驱动的概述82.4 本章小结9第3章 设计方案选择103.1设计思路103.2控制芯片的选择：103.3信号输入模块的选择113.4驱动电路选择123.5液晶显示的的选择133.6直流电机的选择133.7本章小结14第4章 硬件电路设计154.1硬件电路总框图154.2单片机的模块设计154.2.1复位电路154.2.2时钟电路164.3信号输入模块设计174.4液晶显示模块184.5驱动电路模块设计204.6电源模块设计

4、224.7整体电路图234.8本章小结24第5章 系统软件设计255.1系统软件设计分析255.2主程序流程图255.3系统初始化程序流程图265.4定时器程序流程图275.5独立按键外中断程序流程图275.6本章小结29第6章 系统调试及现象分析306.1 PROTUES简介306.2 PROTEUS设计与仿真平台316.3 PROTEUS设计与单片机传统开发过程比较316.4仿真结果326.5 本章小结35第7章 结束36致 谢37参考文献38附 录 I39附 录II41附录III48第1章 引 言1.1直流电机控制系统设计的背景随着人们对控制系统的要求越来越高,电机调速成了人们研究的课题

5、,现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法.直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法.励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小,但低速时受到磁饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以使用较少.电枢电压控制法总体上可以分为两种,一种是调节电压,一种是调节电流.传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的,这种电路虽然响应快,但是灵活性较差,维修复杂.单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟.通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在.单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出

6、优点.1.2 直流电机控制系统设计的发展历史无线数据采集系统产生于20世纪50年代，美国首先研究出了用于军事领域的测试系统。20世纪70年代后期，随着计算机的不断发展，诞生了有采集器、仪表同计算机一起溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统性能优良，超过了系统自动检测仪表和专用的数据采集系统，因此获得了惊人的发展。70年代起，数据采集系统的发展过程中逐渐分成两类，一类用于实验室数据采集系统，一类用于工业现场数据采集系统。20世纪90年代至今，国际上技术先进的国家，数据采集系统已经成功运用到了军事、航空电子设备以及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术不断提高，出现了高性能，高可靠的单片

7、机数据采集系统（DAS）。数据采集技术现已经成为了一种专门的技术，在很多领域得到了广泛的应用1。1.3直流电机控制系统设计的发展趋势通过调节直流发电机的励磁电流的大小和方向即可方便地调节其输出电压大小和方向，从而实现调压调速方法。调压调速方法常采用可控直流电源供电。早期这种电源来自于旋转变流机组，但因其设备多，体积大，效率低，运行有噪音等不足，在20世纪50年代已被静止变流装置取代。随着电力电子器件的发展，静止变流装置主要有静止可控整流器和直流斩波或脉宽调制变换器两种调速系统。(1)静止可控整流器又称之为晶闸管电动机调速系统(vM系统)，通过调节晶闸管触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而

8、调节整流器输出直流电压的大小和方向，实现平滑调速。这种调速系统响应快，功放大，经济可靠，静止无噪声，但必须设置多种可靠的保护装置和符合散热条件，且易产生电力公害，危及电网以及机械特性的不稳定性。(2)直流斩波或脉宽调制变换器是利用开关器件的通断实现调压的。它具有效率高，体积小，重量轻，成本低的特点。现在广泛应用于电力机车、电瓶车等电力牵引设备的变速拖动中。其中，最主要的调速方法是脉宽调制(PWM)，即保持通断周期T不变，只改变开关导通时间ton。此调速系统响应速度快，动态抗干扰性强，系统低速性能好，调速范围宽，损耗小，效率高，所需元件少。线路简单，控制方便，但受容量的限制，PWM调速系统目前只

9、用于中小功率负载。1.4直流电机控制系统设计的要求任务：单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统设计的主要内容以及技术参数：功能主要包括：1：直流电机的正转。2：直流电机的反转。3：直流电机的加速。4：直流电机的减速。5：直流电机的转速在液晶显示器上显示。6：直流电机的启动7：直流电机的停止。1.5本章小结本章主要介绍了直流电动机控制系统的产生的历史背景、现状以及发展趋势。概要讲解单片机控制电机系统响应速度快，动态抗干扰性强，系统低速性能好，调速范围宽，损耗小，效率高，所需元件少。线路简单，控制方便、适用于中小功率负载等优点。以及电机控制的两种发展趋势，并且提出本次直流电动机控制系统设计的

10、要求。47第2章 直流调速系统概述调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、 维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高

11、性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，我们先着重讨论直流调速系统。2.1直流电机的工作原理直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向

12、片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。给两个电刷加上直流电源，如图2-1(a)所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图2-1(b)所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。图2-1直流电机的物理模型图给

13、两个电刷加上直流电源，如图2-2(a)所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图2-2(b)所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电

14、流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转2。如图2-2所示。图2-2直流电机原理图2.2直流电机的调速方法根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种： （1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平

15、滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 （3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为

16、主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种： （1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 （2）静止可控整流器（简称V-M系统）。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。 （3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的

17、转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备

18、。如图2-3所示。图2-3晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统）直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。 图2-4（a）为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。当开关VT接通时，电源电压U。加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形

19、如图2-4（b）所示。图2-4 直流斩波器原理电路及输出电压波型 （a）原理图（b）电压波型采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速3。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流

20、容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统2.3 H桥电机驱动的概述采用PWM进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电

21、路的使用端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。如图2-5所示。 图2-5 H桥式电机驱动电路上图所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（上图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图）。电路中，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向，如图2-6所示。图2-6 H桥式驱动电机顺时针转动如上图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然

22、后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向），如图2-7所示。图2-7 H桥式驱动电机逆时针转动驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三

23、极管4。2.4 本章小结本章首先对直流电机控制系统进行了概述。然后阐述了3种直流电机调速方法，以及介绍了多种常用直流电源，并与V-M系统相比，突出PWM调速系统的优点。最后对H桥电机驱动的原理及元器件的注意事项作了简单说明。第3章 设计方案选择3.1设计思路根据要求我计划将本设计分为两个部分。第一部分控制直流电机转速就是单片机的信号传送到驱动模块，经驱动模块放大进而驱动直流电机转动。第二部分则为电动机转动的转向、转速、模式的显示，此部分可直接通过单片机完成。此次设计的系统框图如下图2-1所示 图3-1 直流电机设计框图3.2控制芯片的选择：方案一： 采用MSP430芯片来作为整体系统的控制处理

24、芯片。MSP430系列单片机是美国德州仪器1966年开始推向市场的一种16位超低功耗，具有精简指令集的混合信号处理器。MSP430 系列单片机的各系列都集成了比较丰富的片内外设集成。例如有看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的各种不同组合。其中，看门狗可以让程序失控的时候迅速复位；模拟比较器可以进行模拟电压的比较，配合定时器，可以设计出

25、A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可以用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更是具有可以实现异步、同步和多址访问串行通信接口可很方便的实现多机通信等应用；它具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口都能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有着较高的转换速率，最高的可达200kbps ，能够满足大多数的数据采集应用；能够直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换等8。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。但是尽管有

26、如此多的优点，但它有着高昂的价格，复杂的操作等问题，另很多人望而却步。方案二： 采用AT89C52芯片来作为整体系统的控制芯片AT89C52芯片是现如今工业上用的最多的一款控制芯片，也是如今各种系列单片机比较基础，比较易学的一款单片机控制芯片，基本上可以说，52单片机芯片是所有学习单片机控制的必学芯片。它是一款8位的单片机芯片，它共有个32个双向I/O口，输出+5v电压，有8个中断源，3个16位可编程定时/计数器中断，虽然，52芯片的I/O口，定时计数器，中断等没有msp430芯片多，在功耗和运行速度上比不上msp430芯片，但是，它有着价格低廉，易学，稳定性良好等特点，被很多人所认可。方案选

27、择：比较方案一和方案二，可以看出，方案一在运行速度和功能上优于方案二，但在价格和易操作性，稳定性等方面。却不如方案二。相比之下，我选择方案二，因为方案二在功能和速度上已经足以满足我这次的系统设计，并且，方案二有着价格低廉，易操作等有点，这无疑降低了系统开发难度和开发周期，开发经费。由于以上的三个原因，所以我选择了方案二。3.3信号输入模块的选择方案一：红外线信号输入 遥控器由红外接收及发射电路、信号调理电路、中央控制器8031.程序及数据存储器、键盘及状态指示电路组成。遥控器有两种状态：学习状态和控制状态。当遥控器处于学习状态时，使用者每按一个控制键，红外线接收电路就开始接收外来红外信号，同时

28、将其转换成电信号，然后经过检波、整形、放大，再由CPU定时对其采样，将每个采样点的二进制数据以8位为一个单位，分别存放到指定的存储单元中去，供以后对该设备控制使用。当遥控器处于控制状态时，使用者每按下一个控制键，CPU从指定的存储单元中读取一系列的二进制数据，串行输出（位和位之间的时间间隔等于采样时的时间间隔）给信号保持电路，同时由调制电路进行信号调制，将调制信号经放大后，由红外线发射二极管进行发射，从而实现对该键对应设备功能的控制。方案二：采用按键信号输入按钮是一种人工控制的主令电器。主要用来发布操作命令，接通或开断控制电路，控制机械与电气设备的运行。按钮的工作原理很简单（见下图2-2)图3

29、-2 按钮工作原理示意对于常开触头（图a）,在按钮未被按下前,电路是断开的,按下按钮后,常开触头被连通,电路也被接通；对于常闭触头（图b），在按钮未被按下前，触头是闭合的，按下按钮后，触头被断开，电路也被分断。由于控制电路工作的需要，一只按钮还可带有多对同时动作的触头(图c)。按钮的用途很广，例如车床的起动与停机、正转与反转等；塔式吊车的起动，停止，上升，下降，前、后、左、右、慢速或快速运行等，都需要按钮控制。方案选择：虽然红外遥控更方便，但价格通常较高，而按键电路比较便宜，一般为大众接受，故选择第二种方案。3.4驱动电路选择方案一：自搭硬件驱动电路应用所学的模拟电路知识，用三极管，电阻，电容

30、，做一个H桥电机驱动，从而驱动电机的运转，这种电路在很多地方都能找到，采用这种方案，能极大的巩固和提高我们所学知识。.方案二：芯片L298驱动L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。方案选择：方案一可以很好的锻炼我们的基础知识，能够巩固我们所学的数模电知识

31、，但是，经过实践证明，第一种方案存在很多的问题，首先，就是自己搭建的电路在稳定性上存在很大的问题，并且要设计一个完整的驱动电路，需要庞大的电路，这无疑增加了开发周期，而且，使整个系统规模变得庞大。所以，并不可取，第二种方案，有着稳定性好，使用简单的优势，功能完善等优势，虽然，在价格上比方案一要贵，但由于它的优势远远超过了他的劣势，所以我选择方案二。3.5液晶显示的的选择方案一：采用液晶LM016LLMO16L是一款最简单的液晶。它是一款工业型的字符液晶，能够同时显示个字符。很少的系列带有中文字库。方案二：采用液晶12864是128*64的液晶模块，它能够显示128x64个字符。带中文字库的液晶

32、能够显示32个中文字符。方案选择：经过方案一和方案二的比较可以看出，方案一能够实现显示要求，并且接线较为简单，所以选择方案一。3.6直流电机的选择方案一：大功率直流电机大功率直流电动机是将电能转化为机械能的设备，而直流电动机则是将直流电能转化为机械能的设备。由于直流电动机具有优良的调速特性以及超大的过载能力，另外还能实现快速起动、制动和逆向运转，所以其在冶金工业、交通运输、航空、国防中得到了极为广泛的应用。方案二：小功率直流电机直流电动机一般用在低电压要求的电路中，直流电源可以方便携带如电动自行车就是用直流电动机，又如电脑风扇、收录机电机、电动小车等方案选择：大功率直流电机在各方面性能上都优于

33、小功率直流电机但是从经济角度出发，本次直流电机的选择即为小功率直流电机。即方案二。综上所述，我们此次设计选择单片机为AT89C52芯片，选用桥式整流滤波电路作为电源电路，驱动用L298，显示器用LM016L,输入电路选用独立按键，而直流电机选用小功率直流电机。3.7本章小结本章根据设计要求初步设定设计方案。通过元件的性能、价格、适用特点对比选定器件。本系统的电源由桥式整流滤波电源电路为整个系统提供，通过按键输入信号控制单片机发出信号经L298芯片放大驱动小功率直流电动机实现各种设计所要求的功能，并由LM016L液晶显示器显示出当前电动机的转动情况。第4章 硬件电路设计 4.1硬件电路总框图根据

34、设计要求及上文方案选择，本文设计选用桥式电源电路作为电源，信号输入模块采用独立按键，单片机选用AT89C52，显示器采用LM016L芯片，驱动模块采用L298芯片，电动机采用5V小功率直流电动机。总体框图如图4-1。 图4-1 直流电机控制系首先电源模块有桥式电路将220V的交流电转化为5V直流电，以5V直流电为AT89C51单片机，L298驱动芯供电。AT89C52为主要控制芯片，将程序输入AT89C52芯片中，驱动电路驱动直流电机转动，按键电路通过不同按键控制电动机的正转，反转，正转加速，反转加速，开启，停止等功能。4.2单片机的模块设计控制电路采用AT89C52芯片来完成。该芯片包括了3

35、2个I/O口，+5v电源供电，具有复位，中断，定时器，串口，并口等。要让该芯片能够正常运行，需要给该芯片配置外置时钟电路。并且也要配置复位电路，让芯片具有复位功能。同时，由于该芯片的P0口是高阻态，需要给该口外接一个上拉电阻，大概在10k左右，一般取10k,采用9脚的排阻来完成。同时，由于我们不引用外置程序存储器，使用89C52内置的片内存储器，所以我们给EA/VP 置高电平。4.2.1复位电路51系列的单片机外置复位电路有4种，上电复位电路，外部复位电路，上电外部复位电路，抗干扰复位电路。我选择上电外部复位电路来作为该控制电路的复位电路。如图4-2所示。图4-2 复位电路在51系列单片机中，

36、在振荡信号正常运行的情况下，只要RESET脚保持两个机器周期以上时间的高电平，系统就能够复位。在按下按键时，电容开始充电，由于电容足够大，能够持续给RESET两个机器周期以上的高电平，足够给单片机复位。4.2.2时钟电路单片机要能够运行程序，必须要给单片机一个时钟，既时序，让程序能够按照时间来执行。MCS-51系列单片机的时钟电路可以有2种产生方式，分别为内部方式和外部方式。我选择采用外部方式，利用晶振和电容配合，提供稳定有效的时钟。如图4-3所示。图4-3 时钟电路图如图，如果晶振选择为12MHZ左右，那么，电容选择为30pf左右，过高和过低，不能产生稳定的时钟，所以电容选择要慎重，才能提供

37、良好的时钟电路5。综上所述单片机时钟、复位的总体电路如图4-4所示。图4-4 单片机时钟、复位电路图4.3信号输入模块设计独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下，如图4-5所示。图4-5 按键电路图如图4-5所示，开关K1连接单片机的P3.4口、开关K2连接单片机的P3.5口、开关K3连接单片机的P3.6口、开关K4连接单片机的P3.7口、开关K5连接单片机的P3.2口，单片机的P3.3口连接一个七口与门，与门的其中两口接电源，另外五个接口分别接五个开关。

38、4.4液晶显示模块LM016L的结构及功能:LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶

39、模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献（30）中的表4.CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LM016L液晶模块的引脚功能如下表4-1所示。引脚说明：1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，

40、多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中：表4-1 LCD016L引脚功能表引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，写操作时，下降沿使能。读操作时，E高电平有效7DB0低

41、4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1低4位三态、 双向数据总线 1位9DB2低4位三态、 双向数据总线 2位10DB3低4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背光 电源负极液晶显示模块采用ML016L芯片，其连接原理图如图4-6所示。液晶模块的第一脚为GND,所以，我把接口的1脚连接地。第2个引脚和第三个引脚为电源，由于我是用51系列单片机控制，所以，我把接

42、口的2、3两个脚用单片机的VCC连接。第4脚为并行的数据/指令选择信号，串行传输的片选信号，第5脚为并行方式的写读选择信号，串行方式的数据口，第6脚为并行方式的使能信号，串行方式的同步时钟，因为我用的是并行方式，所以4,5,6脚我分别接在单片机的I/O口上，分别为P0.5，P0.6,P0.7这3个接口上，因为AT89C51是高电平触发，我外接在一个10K的排阻在P0口。液晶的715引脚为数据I/O口，接在单片机的P2.0P2.7口，这样，液晶部分的电路设计就完成了。图4-6 液晶连接原理图4.5驱动电路模块设计L298是SGS公司的产品，L298N为15个管角的单块集成电路，高电压，高电流，四

43、通道驱动，设计用L298N来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为 1 A，最大可达 1.5 A，Vss 电压最小 4.5 V，最大可达 36 V；Vs 电压最大值也是 36 V。L298N可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。内部原理图入下图4-7所示，L298银角符号及功能入下表4-2所示，L298的逻辑功能如表4-3所示。图4-7 L298内部的原理图表4-2 L298 引脚符号及功能引 脚功 能SENSA、SENSB分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA 、ENB

44、使能端，输入PWM信号IN1、IN2、IN3、IN4输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4输出端，与对应输入端同逻辑VCC逻辑控制电源，4.57VVSS电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高GND地表4-3 L298的逻辑功能IN1IN2ENA电机状态XX0停止101顺时针011逆时针000停止110停止当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;IN1与IN2相同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(L29

45、8)在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式。半导体功率器件工作在线性区优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制6。驱动电路如图4-8所示图4-8 驱动电路设计L298芯片的4、9两个管脚接5伏电压，1、8、15管脚接地。L298的第6管脚为使能信号输入端，本设计由单片机的1.0口输入。电动机的控制信号由P1.1和P1.2两个端口输出，输入L298芯片的第7和第5个管脚。并由L298芯

46、片的2、3接口驱动电机。4.6电源模块设计稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，变压器改变电压，整流电路完成交流直流转化，滤波电路的作用是将脉动电压的大部分波纹加以滤除，得到较为平滑的直流电压。由于输出电压受到负载输入电压以及温度是影响不稳定，为得到更稳定的电压，因而添加稳压电路。控制芯片的89C52的标准供电电压为5V,可以使用线性电压调整芯片7805来稳压。7805的最大输出电流为1.5A，内部具有过热保护、内部短路电流限制，典型输入电压为720V，输出电压为4.95.1V，静态电流经典值4.2mA，压差2V以上。电源部分。电源从接口两端引入，输入的电压为220v交流电，故需要经过变压器降压以及二极管整流之后变为直流电，其中C5为输入稳定电容，其作用是减小文波、消振、抑制高频和脉冲干扰，C5采用0.2uF。C7为输出稳定电容，作用是改善负载的瞬时响应，大小为0.2uF。电路图如图4-9所示。图4-9 5v电源电路图4.7整体电路图整个电路是由变压器将220v交流电降压再由桥式电路整流为有效值为5v的直流电给整个电路供电。控制命令由按键输入，单片机处理后把信号发给L298芯片，放大电流驱动电动机，同时显示器显示电机状态。 图4-10 总体电路图4.8本章小结本章为硬件电路设计。利用proteus软件画出设计电路中的桥式整流滤波电源电路，为整