直流电机双向可逆控制系统设计

摘 要

近年来，随着科技的进步，直流电机较之于交流电机具有很强的优势在很多情

况下应用非常广泛，可以在不同情况下满足人们对自动化系统的要求。本系统以

STC89C52 单片机为核心，通过内部定时器产生 PWM 波形，控制 LN298 大功率 H 桥路

驱动直流电机已达到控制转速的目的。通过数码管将速度等级显示出来，此外分别从

主控制芯片的选择、显示电路的比较与选择、 电机调速控制模块、电源电路与电机驱

动电路四个方面进一步确定系统的总体设计方案，最后通过数码管 LED 显示程序设

计以及电机控制子程序完成实验步骤，并在结论部分对系统调试过程中的常见的故

障分析和注意事项做出了摘要说明，具有一定的理论和实际意义。。

关键词 ： STC89C52 ； 双向可逆控制系统； PWM 调速；

ABSTRACT

This paper introduces the design of the system hardware and software design, and the

hardware block diagram and software flow chart and gives some description. According to

the hardware block diagram of the following function modules of STC89C52 chip, the

design, the L298 full bridge driver chip, the pulse processing, amplification, output to

control the speed of motor. Control of the L298 high power H bridge drive DC motor has

to control the speed of the. Through the digital tube display speed grade, also can through

the button control motor story of inversion, and the motor speed to add and subtract. The

system design is reasonable, complete functions, superior performance, good results in the

actual production, easy to control, simple and flexible configuration advantages.

Keywords : STC89C52 ； MCU ； PWM speed control

目 录

摘要..................................................................I

ABSTRACT .............................................................II

前言 .................................................................IV

1 绪论 ................................................................1

1.1 课题研究的背景.................................................1

1.2 国内外技术发展的现状..........................................2

1.3 本设计的目标任务...............................................2

2 系统总体方案 ........................................................3

2.1 主控制芯片的选择..............................................3

2.2 显示电路的比较与选择..........................................3

2.3 电机调速控制模块..............................................3

2.4 电源电路与电机驱动电路........................................4

3 系统硬件方案设计 ....................................................5

3.1 系统总电路框图设计............................................5

3.2 系统模块电路设计及原理........................................5

4 系统的软件设计 .....................................................16

4.1 系统的整体程序流程图.........................................16

4.2 数码管 LED 显示程序设计.......................................17

4.3 电机控制子程序...............................................18

5 系统调试 ...........................................................19

5.1 常见的故障分析...............................................19

5.2 系统调试注意事项.............................................19

结论 .................................................................20

参考文献 .............................................................21

致谢 .................................................................22

附录一 硬件原理图 ....................................................23

附录二 程序源代码 ....................................................24

绪论

（ 1 ） 课题研究的背景

近些年来，社会在飞速发展，生产力在不断的提高。直流电机的因为应用的

范围广，并且可以满足不同情况下人们对电机的各种近乎苛刻的要求，所以直流

电机的优势地位越来越明显。现在的生产力越来越高就离不开人们对电机的高质量

的要求。如果仅仅通过改变电枢、改变电压等远远满足不了人们对电机的要求，生

产力也跟不上，所以这时用 PWM 方调控直流电机运转速度的办法就由此产生。

之前的调速系统在长期的运用过程中人们发现主要有以下问题有待完善：模

拟电路 使 用的时 间 越长，会因为发 热 在运 行 的过程中 造 成 损耗 ，并且对 噪声特 别

敏感 。 当 直流电机用上 PWM 后，就完 美 的 覆盖 了以上的 缺点 ，实现了数控，大大

的 降低 了成本和 减少 了 噪音 。并且 PWM 的开 始 的 频 率就非常的高，所以仅仅 靠 电

枢电 感 就可以 得 到直流电，同时高的开 关频 率，可以 使 电机控制系统 得 到很 快 的

响 应， 噪音小 、 抗干扰 的 能 力也非常 棒 。 节约能耗 的远离在于 只 要 保持 开 关处 于 工

作 状 态 ，就可以 减少 主要电路上运 行 的 损耗 ，并且在不断的研发过程中，不断改

变 它 的体 积 等，现如 今 已 经 具有 占 用的 空间小 ， 损耗小 的 特点 。

现在的 工业 生产中，电动机主要提 供 动 能 ，人们在不断的做出 尝 试 新 的电

动机来满足生产的 需 要， 旧 的电动机不断地 接受 时 间 的 检 验， 遵循 优 胜劣汰 的

市场 法 则 。现在的直流电机 采 用的 是晶闸 管成功的 取代 了之前 笨重 的发电机系

统。现如 今 电子技术越来越成 熟 ，这 使得 直流电机的调控速度向数 字 化转变。

单片机技术应用于直流电机， 使得 直流电机的调速进 行 到一个 新 的高度。直流

电机较之于交流电机的调速的原理 是类似 的，可以通过改变电压来改变速率。

PWM 的 基 本运 作 原理 其 实在上个 世纪 人们就对此进 行 了 深入 的研究和 探讨 ， 但

是那 个年 代 的的电器发展 还处 在 萌芽 的 阶段 ，所以 该 技术一直 没 有 得 到广泛的

应用。直到一 九八几 年，电子技术越来越成 熟 ，人们已 经能够 有足 够 的生产力

去 运用，所以 PWM 技术 才被 发现和 利 用 起 来。现在也出现了 新 的理论和理论方

法， PWM 技术发展的 局限性 和 绊脚石瞬间荡然无存 。所以人们 pwm 技术发展的

速度非常 快 ，直到现在，以 PWM 技术变形的多种技术已 经 在不同 领域得 到运用

（ 2 ） 国内外技术发展的现状

直流电动机 启 动 快 、制动 快 ，并且在 切换 不同的速度时可以 平稳 的过 渡 ，所

以 正是 因为此优势 使得 直流电机在很多 需 要改变速度和 该笔那 电力方向的 领域 中

应用的非常多。以前的直流电动机 都是采 用的模拟电路 作 为控制的 基 本 手段 ，且有

时会 采取少 量的数 字 电路 组 成，这 样组 成的控制系统 硬件 部分的体 积 非常大， 却

功 能 非常 少 ，系统不 能灵活 的运 行 ，这些 都是 直流电机内 采 用的控制技术不 能得

到应用和大范围的 推 广。现在的计 算既 技术非常完善，很多的控制系统的运 行 程序

都 可以通过 软件 和计 算 机 编 程来 解决 ，这 样 的 得 到的控制系统 使得 人们对直流电

机的控制 更加 方 便 和 灵活 ， 使 系统的 性能得 到大 幅 度的提高，并且 节省 了中 间必

须 的人力成本， 降低 了直流电机的总成本，并且运 行 速度 更快 ，调控 更加 方 便 ，

最后 当然工作效 率也大 幅 度的 得 到提高。

(3) 本设计的任务

本系统已 STC89C52 单片机为核心，通过内部定时器产生 PWM 波形，将 其

在数码管将速度等级 呈 现出来，本设计的主要任务主要 包括 ：

（ 1 ）直流电机的 正 转控制；

（ 2 ）直流电机的 反 转控制；

（ 3 ）直流电机的 加 速控制；

（ 4 ）直流电机的 减 速控制；

（ 5 ）数码管显示电路设计与实现；

（ 6 ）单片机最 小 系统设计；

（ 7 ）电机驱动电路设计

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1 系统总体方案

系统总体设计方案的步骤为 先 选择主控制芯片， 然 后通过显示电路的比较

与选择、电机调速控制模块、电源电路与电机驱动电路 三 个方面 逐 步确定系统

的 软硬件指 标，最 终 将设计分为 硬件 和 软件两 个部分分别 详细概括 ，本 文 的设

计原理 是 主要以单片机为核心，通过内部定时器产生PWM波形，控制LN298大功

率H桥路驱动直流电机控制转速，并且将结果通过数码管将速度等级显示出来 作

为具体分析 概述 。系统总体方案如下所示：

1.1 主控制芯片的选择

本 次 设计 采 用 STC12C5A60S2 单片机 作 为控制 元 器 件 ， 该 系 列 单片机的 始

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祖是 Intel 的 8031 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展， 8031 单片机 取得 了长

足的进展，成为目前应用最广泛的 8 位单片机之一。 其代表型号是 ATMEL

公司

的 AT89 系 列 ， 它 广泛应用于 工业测 控系统之中。目前 市场 上有很多 公司都推 出

了 51 系 列 的 兼容 机 型 ， 占据 了 市场 上大部分的 份额 。并且这种现状 还 会 持续 很

久 。 其 中 51 单片机的应用范围 是 最广的。 而 且因为有 其他 的系 列相继推 出，所

以 51 单片机的成本也不高，对 企业 来说 使 用非常 划算 。

1.2 显示电路的比较与选择

数码管显示具有 亮 度高、显示 简 单 简洁 、成本 低廉 ，可 靠性 高、 响 应速度 快 等

有 点 。在实际 工 程中，人 即便站 在很远的位 置 也 能看清楚 数码管显示的 信息 。 而 且

数码管驱动 简 单， 采 用 硬件 驱动 即 不 需 要程序控制，完 全 不 占 用 CPU 的 资 源。因

此 我 们这 里采 用 LED 数码管显示 信息

1.3 电机调速控制模块

采 用由 三极 管 组 成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制 三极 管 使 之 工作 在 占空

调的开 关 状 态 ， 精 确调整电动机转速。这种电路 是 在管子的 饱 和下运 行 ，所以

运转的速度非常的高。 H 型线 路了直流电机改变 素 的方向和调 节 转速的大 小 。

电子开 关 就不具 备 这种优势， 虽然 开的速度 快 ， 但是 不 能 很 快 的到达 工作 状 态

稳 定 性 也不 好 。所以，在实际的生产过程中，直流电子运用的 是 H 型 电路， 采

用的 是 PWM 调速技术 ^[7] 。

1.4 电源电路与电机驱动电路

本设计电源选择直流 稳 压电源模块。将 插线板 电源 经 过变压、整流、 滤 波、 稳 压

后 输 出。为系统提 供稳 定可 靠 的电源。 虽 说会有一些不 稳 定因 素但携带 方 便 ，所以

选择 锂 电 池 来 负责 电源。电机驱动 我采 用大功率电机驱动 专 用芯片。 L298 内部 继承

大功率 H 桥路。具有 稳 定 性 高、 使 用 简 单，驱动力大等 特点 。 能够 驱动大功率电机

和控制电机的 正传 和 反 转，同时对于电机调速也 是 非常理 想 的选择。因此 采 用此种

方法。

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2 系统 硬件 方案设计

2.1 系统总电路框图设计

本系统以 STC89C52 单片机为核心，通过内部定时器产生 PWM 波形，控制

LN298 大功率 H 桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。通过数码管将速度等

级显示出来，此外可以通过 按键 控制电机的 正传反 转、以及电机速度 加 和 减 。

图 1 系统总体框图

3.2 系统模块电路设计及原理

3.2.1 单片机最 小 系统设计

单片机最 小 系统 是 整个系统的核心控制部分，以 STC89C52 单片机为核心，

配 以外围电路：时 钟 电路、上 点复 位电路 构 成。主要完成数 据 的 采集处 理和转

换 。

MCS-51 系 列 单片机 是美 国 Intel 公司 在 1980 年 继 MCS-48 系 列 8 位单片机之

后 推 出的高 档 8 位单片机，此单片机 凭其稳 定的 性能 、高 性价 比以及 良好 的 兼容 ，

在各个 领域得 到了最为广泛的应用，也 是我 国目前应用最广的单片机系 列 。在 性能

和功 能 方面， MCS-51 单片机大大优于 MCS-48 单片机。 MCS-51 系 列 有多种机 型

可 供 用 户 选择 ^[8] 。

（ 1 ）单片机内部结 构

MCS--51 系 列 单片机最 早 的 典型代表 为 8051,87581,8031 ，由于 其型号 和生产

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厂商 的不同，在片内 存储 器 容 量、中断系统、外围功 能 模块、最高时 钟频 率以及 处

理器速度等方面有很大的不同， 但它 们的 指令 系统完 全兼容 ， 硬件 系统的 基 本结

构 也 相 同， 其 主要的 性能特点 如下

1) 8 位 CPU.

2) 片内 128B RAM(MCS--52 子系 列 有 256B RAM) 。

3) 片内 4KB ROM/EPROM(8051/8751).

4) 特殊 功 能寄存 器 区 。

5) 两 个优 先 级的 5 个中断源结 构 。

6) 4 个 8 位并 行 I/O 口 （ P0 ， P1 ， P2 ， P3 ）。

7) 两 个 16 位定时 / 计数器（ MCS--52 子系 列 有 3 个） .

8) 全 双 工串行口 。

9) 布尔 处 理器。

MCS-51 的 典型 产 品 有 8031,8051,8751.8051 内部有 4KB ROM ， 8071 内部有 4

KB EPROM ， 8031 片内 无 ROM ； 除 此之外， 三 者 的内部结 构 及 引 脚 完 全相 同。在

单片机芯片的内部， 其基 本结 构 的 构 成 是 通用 CPU 加 上外围芯片的模 式 ，内部主

要由 9 个部 件 通过单一总 线 连 接而 成。这 9 个主要部 件是 ： 1 个 8 位的中 央 处 理器

（ 包括 ALU,ACC,TMP1,TMP2 ， B 寄存 器， PSW 及 相 应的定时和控制 逻辑 ）， 4K

B/8KB 程序 寄存 器（ ROM/EPROM ）， 128B/256B 的数 据寄存 器（ RAM ）， 32 条

I/O 接口线 （图中 P0.0 ～ P0.7 ， P1.0 ～ P1.7 ， P2.0 ～ P2.7 ， P3.0 ～ P3.7 ），中断控制

逻辑 （具有 5 个中断源， 2 个中断优 先 级），定时器控制 逻辑 （具有 2 个可 编 程定

时器 / 计数器）， 串行接口 控制 逻辑 （具有可 工作 于多 处 理机通 信 ， I/O 接口 扩 展

或 全 双 工 通用 异 步 接 收 发 送 器的 串行接口 ）， 21 个 专 用 寄存 器（ 包括 程序计数器

PC 、 堆栈 指 针 寄存 器 SP 、程序状 态字存 器 PSW 、数 据指 针 寄存 器 DPTR 等）以及片

内 振 荡 器和时 钟 电路（由 OSC 及 相关 电路 组 成） ^[9] 。

（ 2 ） 复 位电路 逻辑 图

RST 引 脚是复 位 信号 的 输入 端 。 复 位 信号是 高电 平 有 效 ， 其 有 效 时 间 应 持续 2

4 个 振 荡 周 期 ( 即两 个机器 周 期 ) 以上。如果 使 用的 晶 振 频 率 是 6MHz ，就 需 要 复 位

信号 要 保持 4us 才 可以完成 复 位的 操 作 。

整个 复 位电路 包括 芯片内、外 两 部分。外部电路产生的 复 位 信号 (RST) 送至施

密 特 触 发器， 再 由片内 复 位电路在 每 一个机器 周 期的 S5P2 时刻对 触 发器的 输 出进

行采样 ， 然 后 才得 到内部 复 位 操 作 所 需 要的 信号 。

复 位 操 作 有上电 复 位和 按键手 动 复 位 两 种方 式 。 我 们 采 用 按键手 动 复 位的电

平 方 式 ，如图 2 。通过 使复 位 端 经 电 阻 与 Vcc 电源 接 通 而 实现。