直流电动机转速控制系统设计

摘要

当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。特别是在直流电动机广泛应用的电气传动领域，起到至关重要的作用。直流电动机因为具有良好的调速性能和比较大的起动转矩，一直被应用在电气领域，尤其是在需要调速性能很高的场所。在制造业、工农业自动化、铁路与运输等行业都被广泛的应用，随着市场的竞争力，对直流电动机的需求也越来越高，同时对直流电动机的调速性能也有了更高的要求。因此，研究直流电动机转速控制系统的调速性能有着很重要的意义。

在本次的设计中采用PWM控制直流电动机转速。PWM脉冲受到PID算法的控制，被用来控制直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式传感器，将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统，改变不同占空比的PWM脉冲就可以实现直流电动机转速控制。

本论文对每一个方案的选择都进行详细的论述，在软件和硬件部分都进行了模块化。硬件部分首先给出一个以AT89S52单片机为核心的整体结构图，并对驱动电路、显示电路等模块进行详细的阐述。在软件部分给出整体程序流程图，对PWM 程序、PID算法程序、显示程序等模块详细的阐述。本次系统设计的具有抗干扰能力强、性价比高、维修简单方便等优点。

关键词：PWM；单片机；直流电动机；转速控制

Abstract

Nowadays, automatic control system has been widely used and greatly developed in all walks of life. As the dominant part of electric drive, direct current (DC) control plays an important role in modern production, especially in the DC motor is widely used in the field of electric transmission. DC motor because of its good speed control performance and relatively large starting torque, has been applied in the electrical field, especially in the high speed performance requirements of the occasion. Is widely used in the manufacturing industry, industry and trade of agricultural automation, rail and transit industry, with the competitiveness of the market, the demand of DC motor is also more and more high, also of the DC motor speed performance also has the higher requirements. Therefore, it is very important to study the speed control performance of the DC motor speed control system.

In this design, using PWM control DC motor speed. PWM pulse is controlled by the PID algorithm, PWM is used to control the speed of DC motor. At the same time, the hall sensor mounted on the rotational shaft of the DC motor, the DC motor speed is converted into a pulse signal, feedback to the microcontroller, form a closed loop feedback control system, changing the duty ratio of the PWM pulse can realize DC motor speed control.

In this paper, the choice of each program are discussed in detail, in both the software and hardware parts are modular. In the part of hardware, we first give a whole structure diagram with AT89S52 single chip microcomputer as the core, and elaborate the driving circuit, display circuit and other modules in detail. In the software part gives the overall program flow chart, the PWM program, PID algorithm program, display program, and other modules are described in detail. The system design has the advantages of strong anti-interference ability, high cost performance, easy maintenance and so on.

Key Words: PWM; microcomputer; DC motor; speed control

目录

摘要................................................................................................................ I ABSTRACT ..................................................................................................... II 1 绪论. (1)

1.1课题背景 (1)

1.2课题研究的目的和意义 (2)

1.3本设计的内容及意义 (2)

1.3.1本设计的内容 (2)

1.3.2本设计的意义 (2)

1.4直流电动机转速控制系统原理 (3)

1.5PWM脉冲控制原理 (4)

1.5.1 PWM调速原理 (5)

1.6PID基本原理 (6)

1.7本章小结 (8)

2 系统整体方案 (9)

2.1系统设计任务与设计要求 (9)

2.1.1系统设计任务 (9)

2.1.2系统设计要求 (9)

2.2系统方案论证 (9)

2.2.1控制器模块设计方案 (9)

2.2.2电动机驱动模块设计方案 (10)

2.2.3速度采集模块设计方案 (10)

2.2.4显示模块设计方案 (10)

2.2.5键盘模块设计方案 (11)

2.2.6电源模块设计方案 (11)

2.3系统的组成 (12)

2.4本章小结 (12)

3 硬件系统设计 (13)

3.1单片机最小系统 (13)

3.1.1 AT89S52单片机简介 (13)

3.1.2 晶振电路 (14)

3.1.3 复位电路 (15)

3.2独立式键盘电路 (15)

3.3液晶显示电路 (16)

3.4电源电路 (16)

3.5电动机驱动电路 (17)

3.6光电式传感器测速电路 (18)

3.7本章小结 (19)

4 系统软件设计 (20)

4.1系统模块主程序设计 (21)

4.1.1 初始化模块程序 (21)

4.1.2 按键扫描模块程序 (23)

4.1.3 液晶显示模块程序 (25)

4.1.4 电动机调速模块程序 (26)

4.2本章小结 (29)

5 样机硬软件调试 (30)

5.1样机硬件调试 (30)

5.1.1 元件焊接与整板调试 (30)

5.1.2样机软件调试 (30)

5.2硬件调试与硬件调试实验 (31)

5.2.1调试方法 (31)

5.2.2测试结果 (31)

5.3调试遇到的困难 (32)

5.4本章小结 (32)

6 结论 (33)

致谢 (34)

参考文献 (35)

附录一直流电动机转速控制系统设计原理图 (36)

附录二直流电动机转速控制系统设计PCB图 (37)

附录三直流电动机转速控制系统设计C语言原程序 (38)

附录四元件清单 (43)

1 绪论

1.1 课题背景

近年来直流电动机飞速的发展。而今市场上有各类各样的直流电动机，场合不一样使用者不一样的电动机。大到如医疗器械、航空业、工农业自动化、制造业、加工业等；小到家庭里的家用电器和电子产品等，绝大部分都使用直流电动机。随着微机技术和电力电子技术的相结合，对自动控制系统的控制性能了提出了更高的要求，特别是在电气传动领域的直流电动机调速控制。对调速系统性能要求高的有汽车、电梯、车床、航空工业、高铁等领域，特别是国防领域中坦克、雷达、火炮、战斗机等应用很广泛。直流电动机转速控制主要由四个部分构成：控制器部分、功率输出部分、反馈部分、电动机部分。为了满足工业生产、制作工艺、提高档次等需要，这些不同的部分组合，可以得到调速多样化的调速系统。

近三十年来，直流电动机在电气传动方面发生了显著的改变。首先，出现了整流器的时代，可控硅整流装置取代了传统使用的直流发电动机、电动机组及水银整流装置使得直流电动机的发展又向前迈进了一大步。与此同时，控制电路已经发展成集成化，具有体积小，可靠性高，成本低的特点。这些技术的使用，使直流电动机调速系统的性能有明显的改善，应用范围变得更加广泛。直流电动机调速技术正在不停的改善，相信在将来会逐渐的变成一项极其重要的调速技术和重要的研究课题。

在直流电动机控制方面，微机控制器和专门的PWM控制芯片的使用也占有很重要的作用，它们是为了提高直流电动机调速性能被专门制造出来。整篇文章是对基于单片机的直流电动机转速控制进行了进一步的研究。从直流电动机的调速原理开始，逐渐的建立了一个以PWM调速系统的闭环反馈控制模型，同时结合PID控制算法，将微机技术和自动控制系统相结合并且应用在直流电动机调速系统中。微机有体积小、能耗低、功能强大等特点，并且还有很多的外接口来接外围电路，运算速度快等优势。将它们相联结就可以组成一个闭环反馈转速控制系统。运用微机技术时，分别对显示电路、测速原理、驱动电路等模块进行了硬件和软件上的阐述。

随着电力电子技术和计算机控制技术的突飞猛进，微机技术也据有更重要的作用。目前的发展趋势是以微机控制技术为核心的各种自动控制系统，利用计算机可以将复杂的控制规律简单化，更加能够容易的构建数学模型。以计算机为核心的微机控制技术，被广泛的应用在直流电动机转速控制系统中，不仅调高系统的可靠性、抗干扰能力、稳定性。

1.2 课题研究的目的和意义

在现代社会中，自动控制系统已经遍及到我们生活领域的各个方面，例如在医疗器械、汽车制造业、铁路运输业、煤矿业、轮船业、电力行业、加工业等多个领域。而这些设备的动力绝大部分都是由直流电动机提供，因此在工业领域中直流电动机的应用是非常广泛的。在那么多种类的电动机中，只有直流电动机有良好的起动性和调速性，所以在对起动性和调速性较高的场所被广泛的应用。因此在电气传动领域继续研究直流电动机调速这一课题依然很重要。

该系统是基于单片机的直流电动机转速控制系统，它可以分为四大组成模块：单片机主控核心模块、转速数据采集模块、设定和显示模块、功率控制输出模块。本次的设计思路是：采用AT89S52单片机为主控核心，根据设定的转速产生PWM脉冲，控制电动机转动。测得的实际转速和设定的转速相比较，会产生一个转速偏差，PID控制算法会根据转速偏差，改变PWM脉冲的占空比，从而调节直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式感器，并将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统。

通过基于单片机的直流电动机转速控制系统设计，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计直流电动机的转速控制、直流电动机的驱动和液晶显示等外围电路，采用PID控制算法实现直流电动机的转速控制。运用到所学有关电动机等相关理论知识，结合实际设计的电路，做到理论结合实际。同时能够掌握的基本自动控制技术和微机控制技术。

1.3 本设计的内容及意义

1.3.1本设计的内容

（1）转速数据采集模块

（2）设定和显示模块

（3）功率控制输出模块

（4）电源模块

（5）电动机驱动模块

（6）单片机最小系统模块

1.3.2本设计的意义

电动机作为最主要的电能转换成机械能的转换装置，它的应用已经遍及各行各业和我们的日常生活。无论在航空工业、制造业、铁路运输等领域，绝大部分都是在使用直流电动机来提供动力。很多对直流电动机都采用模拟法来调速控制，以致出现很多直流电动机转速控制结构简单的应用。在本次的设计中，主要

对直流电动机进行转速控制和正反转控制，采用闭环反馈控制系统。

同时通过基于直流电动机的转速控制设计，培养设计并实现自动控制系统的

能力，能够使理论结合实际，检验自己的电路基本知识，加深对自动控制理论的理解。

1.4 直流电动机转速控制系统原理

自动控制一般都是闭环控制，所谓的闭环控制系统，指的是根据被控对象输出

反馈来进行校正的控制方式，它是将实际的测量值和设定值相比较，从而产生一个偏差值，根据偏差值得进行校正。在闭环控制系统中，将输出量变化的偏差值作为比较量反馈给控制端以改变输入量的大小，通常偏差值和输入量恰恰相反，所以也叫做负反馈控制。在直流调速系统中，被调节量是转速，构成的系统是转速闭环反馈控制的直流调速系统

图1-1所示是具有转速闭环反馈控制的直流电动机调速系统，被调量是转速

n ，给定量是给定电压*n

U ，在电动机轴上安装测速发电动机用以得到与被测转速成正比的反馈电压n U 。*n U 与n U 相比较，系统将产生一个偏差电压值n U ?，然后经

过比例放大器A ，将产生电力电子变换UPE 所得到的控制电压c U 。在调速系统中，

比例放大器又称做比例（P ）调机器。从c U 开始一直到直流电动机，系统的结构与

开环调速系统相同，而闭环控制系统和开环控制系统的主要差别就是在于转速n 经过测量元件反馈到输入端与控制。

电力电子变换器 0d s c U K U =

直流电动机 0d d e U I R

n C -=

电压比较环节 *n n n U U U ?=-

比例调节器 c p n U K U =?

测速反馈环节 n U n α=

上述各关系式中新出现的系数：

p K —比例调节器的比例放大系数；

α—转速反馈系数（min/V r ）

。

图1-1 转速闭环反馈控制直流电动机调速系统图

根据各环节的稳态关系关系式可以画出闭环系统的静态结构框图，如图1-2所

示，方框中的文字符号代表该环节的放大系数。

图1-2 转速闭环反馈控制直流电动机调速系统静态结构框图

1.5 PWM 脉冲控制原理

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同，冲量

即指窄脉冲的面积[1]。效果基本相同，指的是在惯性环节上输出的响应波形基本相同。在低频段的时候极其接近，但是在到了高频段的时候差异有些大。

图1-3 冲量相同形状不同的窄脉冲

在RL 电路中分别用图1-3中的每一个窄脉冲加在上面，从图1-4 b 的响应波形

a b c d

可以看出不同形状相量相等的窄脉冲和输出电流()i t 的变化。从波形上我们可以看出，()i t 随的形状会随着()i t 的上升部分而有差异，反而在下降部分基本相同。我们可以得出结论，脉冲取得越窄越好，这样得到的()i t 响应波形的之间差别就越小。如果有规律的加上脉冲，响应()i t 也跟着有规律。响应()i t 被傅里叶级数分解以后，我们可以看到在低频段时()i t 响应波形的差别很小，只有在高频段有差别很大。

图1-4 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

用正弦半波来替代那些幅度一样宽度不一样的脉冲，正弦半波被分成N 等分，

这些N 个等分相连的脉冲序列，只是幅值不相等，宽度仍然相同[2]。以致我们可以用矩形脉冲来代替幅值不相等，宽度相同的冲量相等，宽度还是按照正弦波的变化规律。

1.5.1 PWM 调速原理

按照一定的规律导通和关断电源，只要改变电源导通和关断的时间比（占空比）

就可以调节直流电动机的枢纽电压。直流电动机的转速会跟随者枢纽电压的大小而改变，这就是PWM 调速控制的基本原理。在PWM 调速系统中，电动机的通断时间可以控制转速，因此只要我们有规律的改变供电电压导通和关断的时间就可以控制电动机的转速。PWM 构成的直流电动机调速系统，无论是停止或者起动，对系统没有冲击起动时功耗不大、电动机运行很稳定。

由PWM 控制的基本原理我们可以得到这样一个结论：在一个时间段内将PWM

脉冲加在惯性负载的两端，与同一时间内将冲量相等的电流加在负载上的电压效果是一样的。假如时间段T 内的脉冲宽度为0t ，U 为幅值，就可以达到T 时间内等效直流电压为：

图1-5 PWM 脉冲 00t U U T

?= ； 若令

0t T

α= ，α 即为占空比，则上式可化为： 0U U α=? (U 为脉冲幅值) （1-1） 假如PWM 脉冲像如图1-6所示的周期性的矩形脉冲，我们就可用（1-1）的式

子计算出直流电动机调速所需要的电压，即

000nt U t U U nT T

α?===? （α为矩形脉冲占空比） （1-2）

图1-6 周期性PWM 矩形脉冲

通过（1-2）的式子可知，只要改变占空比α和脉冲幅值U 的大小，就可以调

节等效直流电压值。在我们实际的系统中脉冲的幅值通常是恒定的，所以我们只要改变占空比α的大小，就可以任意改变直流电动机电枢电压U 的大小。从而实现PWM 脉冲调制的直流电动机转速控制的作用。

1.6 PID 基本原理

自动控制设计中应用最经典最广泛的一种算法是PID 控制算法。加入PID 控制

器的系统，在自动控制方面可以得到最优的效果。P 、I 、D 三个参数有着不同的作用，它们分别的作用：P 是加快系统反应时间，使误差减小；I 是消除稳态偏差；D

是抑制动态偏差。在调试的时候，整定P 的参数，让系统达到基本的加快调节和误差减少的作用。然后在再整定I 的参数，使误差为0，最后再整定D 的参数。PID 的三个参数整定的时候要反复去调试，这样才会使控制系统得到最优的效果。PID 控制算法可以分为位置式和增量式分别如图1-7、1-8所示。位置式和增量式在不考虑限幅时，它们的算法是一样的。如果考虑限幅，它们还是存在差异的，增量式只需要输出限幅；位置式必须要考虑设置积分和输出限幅，两者缺一不可。如果没有把积分限幅加入，控制系统会产生退饱和超调，导致系统不稳定。

图1-7 PID 位置型示意图

图1-8 PID 增量型示意图

由位置算法求出：

[]01()()()()(1)n

D

p i I T T u t K e t e t e t e t u T T =??=++

--+????∑

（1-3） 在求出：

[]1

01(1)(1)()(1)(2)n D

p i I T T

u t K e t e t e t e t u T T -=??-=-++---+??

??∑

（1-4） 为了得到增量式的控制算法，将上述的式子（1-3）与式子（1-4）相减。

()()(1)u t u t u t ?=--

[][]()(1)()()()2(1)(2)p I D K e t e t K e t K e t e t e t e t =--++--+-

（1-5） 式子（1-5）称为增量式PID 算法。

将（1-5）的式子整理后，得到：

012()()(1)(2)u t q u t q u t q u t ?=+-+-

（1-6） 其中：

0(1)D p I T T

q K T T

=++

（1-7） 1(12)D

p T

q K T =-+

（

1-8）

2

D p

T

q K

T

=（1-9）从上述分析的结果得出，我们可以看出每一次的误差量对控制系统产生的作用。因此，对于PID算法，我们只需要保存和提取最近的三个误差采样值，它们分别是()

e t、(1)

e t-、(2)

e t-）就可以了。

1.7 本章小结

本章主要介绍了直流电动机的研究背景和研究的目的。同时也简单的介绍了直流电动机的调速原理、数字PID控制算法，为下文的硬件和软件部分提供了基本的理论知识。

2 系统整体方案

2.1 系统设计任务与设计要求

2.1.1系统设计任务

（1）了解51单片机在实际中的应用，如何编辑程序，并烧录到单片机中；

（2）了解本次设计中应用到的单片机内部具有的资源、功能、结构等方面；

（3）了解如何在实际中应用PWM技术和PID控制算法；

（4）了解直流电动机调速的原理。

2.1.2系统设计要求

（1）完成单片机最小系统设计；

（2）完成外围应用电路（包括单片机主控核心模块、转速数据采集模块、设定和显示模块、功率控制输出模块）的设计和实现；

（3）直流电动机初始速度为零，额定负载时，要求系统的单位阶跃响应超调量<5%,转速稳态误差<±5%；

（4）完成演示样机调试并记录调试结果；

（5）查阅有关课题的英文参考文献，了解国外的技术水平。

2.2 系统方案论证

2.2.1控制器模块设计方案

根据设计任务，控制器主要用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并对电动机当前速度进行采集处理，根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。对于控制器的选择有以下两种方案。

方案一：采用AT89S52作为控制器核心模块。AT89S52单片机具有强大的算术运算功，运用C语言编程方便简单又灵活，可以编辑各种各样的算法和逻辑控制。这种型号的单片机目前被广泛的应用，其主要原因是性价比高、微型的体积、电路设计简单、成本低、功耗不是很大、技术已经很成熟。

方案二：采用AT89C51作为主控核心模块，其也具有微型的体积、电路设计简单、成本低、功耗不是很大等特点。工作频率低，计算速度慢是它的缺点；仅支持并行编程不支持ISP再线编程；电源范围窄低于4.8V和高于5.3V时不能正常工作；扩展电路有些复杂，而且RAM、ROM存储容量小等缺点

综合上述采用第一种方案比较合适，采用AT89S52作为控制器处理输入的数据并控制电动机运动较为简单，可以满足设计要求。因此在本次设计选用方案一。

2.2.2电动机驱动模块设计方案

本次设计的主要目的是控制直流电动机的转速，因此也要有电动机驱动模块，其方案有以下两种。

方案一：利用继电器的通断时间来控制直流电动机的转速，硬件电路简单。但是由于继电器频繁的通断使得机械结构容易损坏、使用寿命不高、可靠性极低、机械触点少、触点频繁的工作导致使用寿命低、体积庞大笨重、功率损耗大等特点。

方案二：采用L298N电动机驱动芯片，芯片内部结构抗干扰能力强、可靠性高。而且驱动电路简单、驱动能力强、工作电压高，可以驱动两台直流电动机或者异步电动机。并且内部含有两个H桥全桥式驱动电路，使用L298N芯片时，硬件电路设计不用考虑太多的问题。而且单片机产生的PWM可以直接通过芯片来控制直流电动机的转速，控制方法和控制电路一样简单，同时也提高了工作效率。

基于上述理论分析和实际情况，电动机驱动模块选用方案二。

2.2.3速度采集模块设计方案

本系统采用闭环反馈控制系统，需要将实际的速度和设定的速度进行比较，产生速度偏差值。而速度采集模块就是为了采集速度脉冲，反馈给单片机，有以下两种设计方案。

方案一：采用光电式旋转编码器测速。旋转编码器被安装在直流电动机的转轴上，编码器上有360个光栅。电动机旋转时，由于光栅的作用，导致光通路连续不断的打开或者关闭，在接受装置的输出端便得到频率域转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速[3]。还具有稳定性高、精度高的优点。

方案二：采用测速发电动机进行测速。测速原理是：测速发电动机安装在直流电动机的轴上，在空载的情况下，电枢感应电动势就是直流测速发电动机的输出电压，并与转速成正比，从而达到测速的作用。测速发电动机的感应电动势会随着直流电动机转速变化，要求测速精度比较高，主要缺点有成本高、安装复杂、电路复杂等因素。

根据本次设计的要求，选择第一种方案比较合适。制作电路板时硬件电路没有那么复杂，同时成本低，市场上比较容易买，性价比高。

2.2.4显示模块设计方案

在直流电动机转速控制系统中，需要将电动机的当前运行状态、转速等参数显示出来，所以显示模块是必不可少的，显示有两种方案：

方案一：采用七段数码管显示。使用广泛、编程简单、亮度好。但是在本次的设计中，显示的数据多特别是英文字符，使用七段数码管的数量多，会造成电路复杂化，调试的时候困难。

方案二：采用1602液晶屏显示，其具有重量轻、显示功能多、体损耗功率极小、体积不是很大等优点。在自动化仪表和工业领域中普遍的被应用。C语言编程简单灵活，硬件电路简单，显示画面相对于七段数码管质量高，不仅可以静态显示，还可以滚动显示，显示很灵活。

根据本次设计的要求，选择第二种方案比较合适。

2.2.5键盘模块设计方案

在直流电动机调速系统中，需要设定直流电动机的转速。运行状态等参数进行设定，这时就需要有键盘输入，键盘模块的方案由以下的两种：

方案一：采用独立键盘，每一个I/O口使用一个按键，编辑程序简单，硬件电路简单。当按键数量比较多的时候，单片机的I/O资源有限，不适合用在按键多的电路板上。在本次的设计中需要有转向控制、三位数选择等少数的按键，故采用独立键盘比较合适。

方案二：采用矩阵键盘，电路连接复杂，同时提高了I/O的利用率，在程序编辑上比独立键盘要复杂得多。在矩阵键盘上，在相交处行线和列线不相连，仅仅用一个按键就可以把行线和列线相连起来。在功能比较多和现场环境比较复杂的场合才会使用矩阵键盘。此次的设计实现功能比较少，操作也很少，不适合用矩阵键盘。

综上所述，采用第一种方案独立键盘，因为在本次的系统中需要按键的数量少，同时对系统硬件电路结构简单。

2.2.6电源模块设计方案

在本次设计系统的电流需要两个电源，一个是12V直流电源提供给直流电动机工作。另一个是5V直流电源提供个各种芯片工作。电源模块有以下的两个方案：方案一：采用电阻分压的方式获得直流电动机和芯片所需的工作电压。在原理可行的，但是存在安全性能差、功率损耗大、电压不平稳的缺点。一般在实际的电路中不宜采用。

方案二：12V直流电源由适配器开关电源提供，5V直流电源由固定的芯片7805对12V电源进行降压、稳压处理获得。这一方案有稳定性能好、可靠性高、抗干扰能力强等特点。

综上所述，选择方案二最较合适。

通过对每一个方案的论证和选择，每一个模块的具体组成如下：

（1）控制器模块：采用AT89S52单片机；

（2）电动机驱动模块：采用芯片L298N实现；

（3）速度采集模块：采用光电式传感器；

（4）显示模块：采用1602液晶显示模块；

（5）键盘模块：采用独立键盘；

（6）电源模块：采用12V电源适配器、7805芯片实现。

2.3 系统的组成

按照任务书对系统的要求，直流电动机转速控制系统的总体框图如图2-1所示。在图中单片机为主控核心，转速设定由键盘模块实现，直流电动机的各项参数由显示模块实现。具体工作思路为：通过键盘模块设定直流电动机某一转速和运行状态，单片机产生PWM脉冲通过电动机驱动模块控制电动机的转速，当速度检测模块检测出的转速反馈给单片机，经过数字PID算法计算出是否存在转速误差，如果有就会改变PWM脉冲的占空比调节转速，这样就系统就构成了单闭环反馈控制系统，并把实际转速、设定转速和电动机的实际转向通过显示模块显示出来。

图2-1 系统框图

2.4 本章小结

本章主要介绍了本次设计的基本任务和方案论证，介绍了6个模块的方案论证。对每一个模块都有两个方案的优缺点进行比较，最后选出一个合适的方案。并且建立了直流电动机转速控制系统的总体框图，能够一目了然的看出本次设计的整体结构。

3 硬件系统设计

本设计硬件结构主要由单片机最小系统、直流电动机驱动电路、电源电路、LCD1602液晶显示、独立式键盘电路等组成。

3.1 单片机最小系统

单片机最小系统由复位电路、时钟振荡电路、电源电路组成，其系统结构图如图3-1所示。AT89S52单片机作为控制器模块控制芯片，主要包括：振荡电路部分、电源电路部分、复位电路部分。其中各个部分的功能如下：

（1）振荡电路：用12MHz的石英晶振产生振荡信号。

（2）电源电路：工作电压+5V。

（3）复位电路：给单片机一个复位信号。

图3-1 单片机最小系统电路

3.1.1 AT89S52单片机简介

AT89S52在我们的生活中应用很广泛。由于它编程简单、内部的运行空间基本可以满足我们的需要，并且它的CPU非常的灵巧，它的控制系统给很多的自动控制系统带来了更加有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路[4]。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52引脚示意图如图3-2所示：

图3-2 AT89S52引脚示意图

3.1.2 晶振电路

晶振电路是为了给单片机系统提供一个最基本的时钟信号，通俗讲就是为单片机提供“能量”。程序的每一条指令都按照晶振电路提供的机器周期运行。

单片机晶振电路如图3-3所示，设计选用的是12MH z无源晶振，机器周期是1μs，同时还需要2个30pF的瓷片电容。假如电路中没有两个瓷片电容，就不会产生振荡，导致电路无法工作。

图3-3 单片机晶振电路图

3.1.3 复位电路

复位电路的作用就是将单片机恢复到起始状态，在最小单片机系统中绝大部分都是采用手动按钮复位。单片机复位的原理：在单片机9号引脚RST端口接一个持续2μs 的电平信号，就可以实现复位，单片机复位电路图如图3-4所示。

本设计采用的极性电容值为10μF的电容和电阻采用10KΩ的电阻。单片机启动100ms以后，C4极性电容的充电电压为5V，R1电阻电压接近0，以至于9号引脚RST 处于电平，系统可以正常工作。复位按键S2按下以后，形成一个闭合回路，C4极性电容就开始放电。在100ms内，C4释放的能量从5V变化到1.5V，或者更低。我们可以计算出R1的电阻电压得3.5V，或者更低。9号引脚RST处于高电平，以至于单片机系统会自动复位。

图3-4 单片机复位电路图

3.2 独立式键盘电路

键盘电路采用比较简单的独立式键盘便能满足设计要求，成本低廉，编程相对简单。本次设计用到了5个独立按键，分别与单片机P3.3~P3.7相连，因为在P1口的内部结构已经含有上拉电阻，所以外接按键的时候，不用再接上拉电阻。按键S7是起动和停止按键；按键S6是的功能是选择直流电动机的运行状态；按键S3、S4、S5是设定转速，分别设定直流电动机转速的加10、减10、加1按键。独立式键盘电路如图3-5所示。

图3-5 独立式键盘电路

3.3 液晶显示电路

(1) LCD1602液晶屏介绍

LCD1602液晶屏在工业自动化仪表被广泛的用来作显示，主要是因为它有重量轻、显示功能多、损耗功率极小、体积不是很大等优点。可以显示32个字符，液晶屏有8位双向数据端口分别在7到14引脚，而且液晶屏的显示亮度可以根据用户的需求通过3号引脚的VO端调节。该液晶屏显示不仅可以显示英文的大小写字母、常用的字符等，显示灵活，因此被广泛的应用。

(2) 1602液晶电路原理图

1602液晶显示屏和简单的外围电位器构成了显示电路。可以通过调节电位器R3，调节1602偏压端电压，改变显示对比度，提高显示效果，改变显示清晰度。LCD1602液晶屏的RS、RW、EN引脚端口分别连接单片机的P2.5、P2.6、P2.7引脚，8位数据总线与P0口相连，实现8位数据，并行传输。

1602液晶显示电路图如图3-6所示

图3-6 1602液晶电路原理图

3.4 电源电路

7805的三端稳压集成电路是我们常用来降压成5V正电压的芯片之一。7805实物图如图3-7所示：

7805芯片的外围电路元器件很少，可以在输出端和输入端并联电容，得到的电压滤波效果很好很稳定。也可以不需要加滤波电容，降压出来的5V电压一样可以供给电路的其它芯片工作。7805芯片内部的稳压电路很稳定，抗干扰能力强，安全系数也高，以至于受到广大电子爱好者的青睐。