1、沈 阳 工 学 院毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的直流电机 监控系统设计与实现 学 院： 沈阳工学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 号： 1330080331 学生姓名： 杜尧 指导教师： 2017 年 3 月 摘 要本文通过对直流电机的分析与研究，设计了一个基于单片机的直流电机监控系统。本篇论文介绍了基于单片机的直流电机 PWN 调速的基本办法，直流电机精密测速实现方法。重点介绍了基于 STM32 单片机的定时器产生 PWM 占空比输出控制电机转数，利用 AB 项霍尔传感器对电机进行实时测速，达到电机速度的闭环控制，这种控制又称为 PID（PID regulating）调节。PID
2、 调节经典控制理论是控制系统的一种基本调节方式，是具有比例、积分和微分作用的一种线性调节规律。PID 控制及其控制器或智能控制器已经在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品以及稳定的调节器。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、过载能力大、能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流电机调速与测速系统在各行业得到应用，这种直流电机监控系统在工农业生产、交通运输、航空航天、机器人以及无人机中得到广泛使用。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统
3、体积小，结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，根据测速装置反馈进行速度调节，实现电机的 PID 调节。关键词：STM32 单片机； PWM；PID 调速；IAbstractIn this paper, based on the analysis and research of DC motor, a DC motor monitoring system based on MCU is designed. This paper introduces the basic method of DC motor PWN speed regulation based
4、on single chip microcomputer. Focuses on the production of PWM duty cycle output control motor speed STM32 timer based microcontroller, using AB Holzer sensor for real-time closed-loop control for motor speed, motor speed to achieve this control, also known as PID (PID regulating) regulation. PID is
5、 one of the basic control methods of the control system, which is a kind of linear regulation law with proportional, integral and derivative action. PID control and controller or intelligent controller has been widely used in engineering practice,adaptive algorithm. The use of PID control of pressur
6、e, temperature, flow, speed, level controller, to achieve PID control function of the programmable controller.DC motor speed control has excellent characteristics, speed smooth, convenient, high overload capacity, can withstand frequent impact load, can be achieved without frequent fast starting bra
7、king and reverse; can meet the special operation automation system in the production process of different requirements. The DC motor speed regulation and speed measurement system has been applied in various industries. The DC motor monitoring system has been widely used in industry and agriculture p
8、roduction, transportation, aerospace, robotics and unmanned aerial vehicles (UAV). Motor speed control system using microcomputer to achieve automatic control, is one of the main directions of the development of electric drive. By using microcomputer control, the speed control system of small size,
9、simple structure, high reliability, convenient operation and maintenance, stable operation at the motor speed precision can reach a high level, according to the feedback of speed regulating motor speed measuring device, PID control.Key words: STM32 MCU; PWM; PID speed regulation;目 录摘 要 .IAbstract.II
10、绪 论 .11 系统方案设计 .21.1 设计任务要求 .21.2 硬件方案设计 .21.2.1 系统方案的选取 .21.2.2 系统硬件方案设计 .31.3 程序设计调试环境 .31.4 硬件设计与设计环境 .42 系统硬件设计 .52.1 单片机最小系统电路设计 .52.1.1 单片机的选取 .52.1.2 晶振电路设计 .62.1.3 复位电路设计 .72.1.4 STM32F103C8T6 最小系统设计 .82.2 电源模块电路设计 .82.2.1 DC12V 转 DC5V 电路设计 .82.2.2 DC5V 转 DC3.3V 电路设计 .102.3 电机驱动的电路设计 .102.3.
11、1 电机驱动芯片的选取 .102.3.2 驱动器接口电路设计 .122.4 显示电路设计 .122.4.1 显示器的选择 .122.4.2 0.96 英寸 OLED 接口电路设计 .142.5 编码器的电路设计 .142.6 报警模块的电路设计 .152.7 按键输入电路设计 .15I2.8 电压检测电路设计 .162.9 指示灯电路设计 .163 系统的软件设计 .183.1 系统软件流程设计 .183.2 数据显示子程序 .193.3 按键扫描子程序设计 .193.4 报警器子程序设计 .203.5 编码器子程序设计 .21结 论 .23致 谢 .24参考文献 .25附录 .26沈阳工学院
12、毕业设计（论文）0绪论直流电机是指能将直流电能转换成机械能或将机械能转换成直流电能的旋转电机。它是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长时间以来，直流电动机一直占据着调速系统的统治地位。因为它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在任是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、只读存储器 ROM、随机存储器 RAM、多种 I/O 口和中断系统、计数器/定时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广
13、泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的300M 的高速单片机。这次设计为了达到直流电机的精确控制和测速，我采用的是STM32F103 系列单片机， STM32F1 芯片集成定时器，CAN， ADC， SPI，I2C， USB，UART，等多种功能。其中 STM32F103 为增强型系列，时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；时钟、复位和电源管理为 2.0-3.6V 的电源供电和 I/O 接口的驱动电压。本次设计是用单片机来控制直流电机，需要实现单片机控制直流电机正转、反转、加速、减速、停止，另外还要做到屏幕显示相关信息、按键控制、超速报警等功
14、能。需要完成以下的几个环节：1. 系统方案的设计，需要确定测速的方法、程序设计和调试环境等。2. 进行系统的硬件设计，比如单片机的选取、电源模块的电路设计、显示电路的设计等。3. 系统的软件设计，包括主程序和子程序的设计。4. 制作准备硬件，并对硬件进行调试和优化。沈阳工学院毕业设计（论文）11 系统方案设计1.1 设计任务要求该控制系统为基于单片机的直流电机监控系统设计与实现，是以单片机为控制中心的直流电机调速和测速系统，显示 PWM 占空比和电机实时速度。本次直流电机监控系统设计任务要求如下：设计包含了硬件设计部分和软件设计部分这两部分。硬件设计部分应将电路划分成各功能模块，并阐述各功能模
15、块的功能、优点、原理和设计思路，以及各功能模块之间的关系，各功能模块的调试方法等。软件设计部分应阐述软件结构框架，各功能子程序设计方法和实现原理，并在有必要的程序代码后标注说明。在论文部分应有软件、硬件设计的有关资料、方案论证、方案选择和总体方案设计。系统功能要求：速度调节是通过按键对直流电机的平滑调速，速度加、减以及正反转；速度监控是实时检测检测直流电机速度，并且显示出速度，根据速度反馈进行速度调节出恒定速度；超速报警是当速度超过设定的速度上限时发出报警。软件设计要求对系统主程序和子程序做出程序流程图，并简要说明程序设计流程和原理。1.2 硬件方案设计1.2.1 系统方案的选取1、码盘计数测
16、速码盘测速法为非接触器通过对镂空码盘计数测量法，非接触器一般为光电开关、磁敏开关等，通过对旋转码盘上的孔洞、磁极测量个数，在一定时间内求平均数，即是码盘的转动频率或周期；一般是实现方法是将光电或磁极码盘固垂直固定在电机转子一端的轴上，使电机带着动码盘一起转动，码盘的转动速度即为电机的转动速度，经过码盘的旋转，光电传感器或磁敏传感器检测到到码盘上的孔洞或磁极，传感器输出电平信号给处理芯片，通过一定时间内计量到的电平信号，通过已知码盘总的数量N，光电传感器或磁敏传感器单位时间内检测的计量个数 n，即可求得电机的实际转速S=N/n。2、增量式测速沈阳工学院毕业设计（论文）2两相编码器又称 AB 相编
17、码器，A 霍尔传感器和 B 霍尔传感器的两路信号输出相同的脉冲数，利用安装角度使得两传感器的脉冲相位相差 90 度，判断检测次数和相位差，计算出数据和旋转方向。霍尔编码器是一种通过磁电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。霍尔编码器是由霍尔码盘和霍尔元件组成，霍尔码盘是在一定直径的圆板上等分地布置有不同的磁极。霍尔码盘与电动机同轴，电动机旋转时，霍尔元件检测输出若干脉冲信号，为判断转向，一般输出两组存在一定相位差的方波信号 1。综上所述，木设计采用第二种方案：基于单片机的直流电机控制系统。1.2.2 系统硬件方案设计本系统是基于单片机的直流电机监控系统，根据单片机软件程序使
18、单片机引脚输出 PWM 信号，通过直流电机驱动电路控制直流电机转动吗，并通过按键改变占空比的信号输出，控制电机旋转速度。利用两相霍尔速度检测传感器检测到的增量变化，计算出旋转速度以及旋转方向。系统功能包括速度检测、速度显示、速度更改、超速报警上限设定、超速报警以及电机旋转方向更改。本设计系统根据功能可划分为：系统电源模块、单片机最小系统、直流电机驱动模块、AB 相霍尔传感器模块、显示模块、报警模块、电压检测模块、指示灯模块以及按键输入模块。每个模块独立成一体，受单片机控制核心的调配与数据传输，各模块由元器件构成的基本电路组成，比如：单片机最小系统由芯片、晶振电路、复位电路组成。本系统的系统整体
19、结构设计框图如图 1.1 所示。图 1.1 系统整体结构设计框图控制核心单片机最小系统直流电机 直流电机驱动模块AB 相霍尔传感器模块按键按键输入模块报警模块显示模块电源模块指示灯模块 电源模块沈阳工学院毕业设计（论文）31.3 程序设计调试环境C 语言是一个有结构化程序设计、具有变量作用域（variable scope）以及递归功能的过程式语言，这种语言的优点是有较强的可读性，移植容易，是使用频率非常高的计算机语言，C 语言在功能性、结构性、可读性上都有很强大的优势，C 程序是由一组变量或是函数的外部对象组成的，函数是一个自我包含的完成一定相关功能的执行代码段，函数提供了编制程序的手段，使之
20、容易读、写、理解、排除错误、修改和维护，而且 C 语言 源程序可以由一个或多个源文件组成 2，故选择 C 语言程序。C 程序由 C 语言开发软件编译，Keil uVision4 是美国 Keil Software 公司产出的 51系列兼容了单片机 C 语言软件开发系统，是开发人员熟知的 C 语言程序开发软件，其功能强大，易于对 C 程序的开发、理解、修改、调试。Keil uVision4 编程软件提供了非常强大与全面的库函数与功能齐全的集成了各种开发环境的调试工具。而且当我们看到编译以后软件自动生成的编译代码以后，就能够体会到 Keil uVision4 自动生成的编译码的效率非常高，提供非常
21、全面的库函数，在使用时只需程序调用，在适当调试即可应用，在有关单片机控制系统开发的方面有着特别高的竞争力 3。1.4 硬件设计与设计环境本系统电路原理设计采用 Altium Designer15 版本开发软件，Altium Designer 系列软件是原 Protel 软件公司 Altium 设计开发出的一款电路设计系统软件，目前是电子、电路硬件开发人员使用较多的一体化电路开发系统，这种具有及其全面电路设计所用到的软件称为电路设计自动化 EDA（Electronic Design Automation） ；该软件在电路原理图设计、PCB 电路设计及绘制、拓扑结构的自动布线、信号强度分析等功能，
22、与原有电路开发软件 Protel 99SE 和 DXP 软件使用方法相同，便于更多的电路开发人员使用；Altium Designe 软件不仅拓宽了软件的传统界面，增加了常用的快捷设置，使电路设计和 PCB 绘制的质量和效率大大提高，电路设计人员可以轻松掌握此电路开发软件。本系统的电路设计原理图由 Altium Designer15 软件开发完成。电路的运行仿真与程序调试采用 Proteus 软件，Proteus 是一款多用途的电路设计软件，软件本身自带芯片型号库，随着软件不断地更新，芯片种类也越全面。Proteus 软件与其它软件相比，在电路仿真方面是非常出色的，能够较真实的模拟电路运行。本系
23、统在没有实物焊接之前在Proteus 软件中进行电路模拟，以及程序的调试。沈阳工学院毕业设计（论文）42 系统硬件设计2.1 单片机最小系统电路设计2.1.1 单片机的选取单片机又被叫做单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。可以理解为一个微型的计算机，和计算机比较，单片机只缺少了 I/O 设备。也可以这么说：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域现在已经非常广泛，如智能仪器、通讯设备、导航仪器、智能家电等等。各种产品一旦使用了单
24、片机，就能使产品起到升级换代的功效，常在产品名称前加形容词“智能型” ，如智能型电饭煲等。单片机作为计算机发展的一个重要的分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型以及工控型/ 家电型。单片机微控制器的种类很多，根据本系统设计要求选择两款单片机控制器，选取方案如下：方案一、51 单片机一般把兼容 Intel 8031 指令系统的单片机称为 51 单片机，51 单片机具有机构简单、程序编写语言为 C 语言、编写简单容易、运行稳定等优点，正因此 51 单片机初期大多被用于工业控制系统中。其典型单片机型号为 ATMEL 公司生产的 AT89 单片机系列，我
25、国由上海宏晶公司生产的 STC89 系列 51 单片机，真因为 51 单片机使用简单特性。被作为基础入门的一种单片机。以 STC8952RC 单片机为例，其集成CPU、 RAM、ROM、I/O 接口和中断系统构成的一种高性能、低功耗的 8 位 CMOS 微处理芯片。芯片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，而且内含60Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 1024 bytes 的随机存取数据存器（RAM） ，拥有更多的 10 万次（标称）擦写次数，对于批量生产意义不大，但对开发阶段的反复擦写调试作用很大。其加密技术、抗干扰技术和低功耗技术已落后。由于是 8bit 的 CISC（集中指令）结构，而且芯片为了抗干扰采用了 12 分频的方法，使得系统运行很慢，可满一般门电路控制需求 4。方案二、STM32F103 系列单片机
