直流脉宽调制调速系统控制器

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直流脉宽调制调速系统控制器

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I 摘要

在信息化时代的今天，电机在各行各业依然发挥着重要的作用,电机转速作为电机重要的性能指标之一,因而研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和 PC 机相联、系统易于升级维护。使得PWM调速成为电机调速的重要方式。

本系统设计是以单片机 AT89S52 和 L298 控制的直流电机脉宽调制调速系统。 利用 AT89S52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。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及 PWM 的占空比在 LCD液晶上的实时显示。

关键词：直流电机； 脉宽调制； PWM； AT89S52； L298

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II Abstract

In today's information age, the motor in all walks of life still plays an important role in motor speed as the motor key performance indicators, which studies the DC motor control and measurement methods, to improve the control accuracy and response speed, energy conservation are all important.

With the rapid development of digital technology, the microcontroller in society in various fields has been widely used, pulse-width modulation (PWM) is the use of microprocessor digital output of the analog circuit for controlling a very effective technique, because a digital system has the advantages of analog systems that are not as strong anti-interference, easy and a PC linked to the system easy to upgrade and maintenance. Making PWM speed control motor speed to become an important way. The system design is based on single-chip AT89S52 and L298 DC motor control pulse width modulation speed control system. Use AT89S52 chip for low-cost DC motor control system designed to simplify the system structure, reduce system cost, enhance system performance to meet the needs of more applications. System to achieve the motor forward, reverse, stop, acceleration, deceleration control, and the PWM duty cycle in real time on the LCD display.

Key words: DC motor; pulse width modulation; PWM; AT89S52; L298

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III 目 录

第1章 绪 论 ..................................................................................................................... 1

1.1 课题研究的背景和意义 ......................................................................................... 1 1.2 课题研究的发展现状 ............................................................................................. 2 1.3 论文的内容和组织结构 ......................................................................................... 3 第2章 PWM脉宽调制系统设计 ..................................................................................... 5

2.1 PWM脉宽调制原理 ............................................................................................. 5 2.2 PWM脉宽调制实现方法 ..................................................................................... 6 2.3 直流电机工作原理 ............................................................................................... 8 2.4 调速系统框架设计 ............................................................................................... 8 2.5 PWM控制流程图 ................................................................................................. 9 第3章 系统硬件设计 ....................................................................................................... 11

3.1 系统基本组成 ..................................................................................................... 11 3.2 L298 电机驱动模块 ........................................................................................... 12

3.2.1 L298驱动简介 ..................................................................................... 12 3.2.2 L298 内部 H 桥驱动电路 .................................................................. 13 3.2.3 L298的引脚及逻辑功能 ..................................................................... 15 3.3 控制器AT89S52简介 ........................................................................................ 16

3.3.1 AT89S52的主要性能 ............................................................................ 16 3.3.2 AT89S52的引脚功能介绍 .................................................................... 17 3.4 键盘输入模块 ..................................................................................................... 20 3.5 LCD液晶显示模块 ............................................................................................ 20

3.5.1 LCD液晶简介 ....................................................................................... 20 3.5.2 LCD液晶指令 ....................................................................................... 22 3.5.2 LCD液晶时隙图 ................................................................................... 24

第4章 系统软件设计 ....................................................................................................... 25

4.1 主程序流程图 ..................................................................................................... 25 4.2 定时器中断程序流程图 ....................................................................................... 26 4.3 独立式键盘控制流程图 ....................................................................................... 27

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IV 4.4 12864液晶显示流程图 ......................................................................................... 28 第5章 系统测试 ............................................................................................................... 29

5.1 液晶开机界面 ....................................................................................................... 29 5.2 测试电机正转 ....................................................................................................... 30 5.3 测试电机反转 ....................................................................................................... 31 5.4 测试电机加速 ....................................................................................................... 32 5.5 测试电机减速 ....................................................................................................... 33 5.6 测试电机急停 ....................................................................................................... 34 结论 ..................................................................................................................................... 35 致谢 ..................................................................................................................................... 36 参考文献 ............................................................................................................................. 37 附录 ..................................................................................................................................... 38

附录 1 系统程序 ........................................................................................................ 38 附录 2 原理图 ............................................................................................................ 59

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。而电机调速系统一直是电机领域里研究的热点和重要的研究方向。而采用微机数字化控制,实现智能化将是电气传动发展的主要方向之一。从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。

采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电机稳态运行时转速精度可达到较高水平.直流电机具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广;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;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求.由于微机具有较佳的性能价格比,所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用.近年来,尽管交流调速系统发展很快,但是直流电机良好的启动、制动性能,在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用.

现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。

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1.2 课题研究的发展现状

从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。

随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。

随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。

随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。

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永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。

在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。

相信随着时代的发展和新技术的出现，将会使得电机调速控制的迈向一个新的台阶，调速控制更加精准、智能，也会使更多新产品不断涌现和普及。

1.3 论文的内容和组织结构

本论文主要介绍了直流电机PWM脉宽调速系统的原理和实现，直流电机 PWM 调速系统以 AT89S52 单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD液晶显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给 L298 直流电机驱动芯片发送 PWM 波形， 完成电机正， 反转和急停控制； 同时单片机不停的将 PWM 脉宽调制占空比送到LCD液晶完成实时显示。

直流电机 PWM 控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。这部分电路主要由 AT89S52 单片机的I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，能够很方便的实现电机的智能控制。 其间是通过 AT89S52 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成：

A、输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制,以及对 PWM 占空比的 LCD液晶实时显

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示。

B、控制部分：主要由 AT89S52 单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM 控制实现部分主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。

C、显示部分： LCD液晶显示部分，实现对 PWM 脉宽调制占空比的实时显示。

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第2章 PWM脉宽调制系统设计

2.1 PWM脉宽调制原理

脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator,简称PWM。是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。也就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。

图2-1 PWM信号

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图2-1显示了三种不同的PWM信号。图a是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10％的时间通，其余90％的时间断。图b和图c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。

图2-2是一个可以使用PWM进行驱动的简单电路。图中使用9V电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz。

图2-2 PWM驱动的简单电路

大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开??。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

2.2 PWM脉宽调制实现方法

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为

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如此，PWM又被称为“开关驱动装置”，见图2-3所示。

图2-3 PWM信号占空比

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。 由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Va,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Va与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。

基于单片机类由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：

A、定宽调频法：保持t1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。 B、调宽调频法：保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。 C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t。

前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。

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2.3 直流电机工作原理

直流电机电路模型如图2-4所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。

图 2-4 直流电动机工作模型

2.4 调速系统框架设计

直流电机PWM调速系统以AT89S52单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD液晶显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，完成电机正，反转和急停控制；同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LCD液晶完成实时显示，见图2-5。

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图2-5 系统框架设计

采用传统的直流电机调速系统的模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，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获得平稳的直流电流，低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

2.5 PWM控制流程图

本系统中我们采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度 其精确误差只在几个us。 在本设计的PWM脉冲调制的控制流程见下图2-6。

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图2-6 PWM控制流程图

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第3章 系统硬件设计

3.1 系统基本组成

硬件模块主要由单片机控制模块、L298 电机驱动模块、LED 显示模块、独立键盘控制模块组成。直流电机调速系统的控制模块见下图 3-1.。

利用定时计数器让单片机 P3 口的 P3.4 引脚输出占空比不同的方波，然后经驱动芯片 L298 放大后控制直流电机。驱动芯片的输入电压是两引脚的电压差， 在调速时一根引脚线为低电平，另一个引脚产生调速方波，这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。当需要改变电机转动方向时，两个引脚的输出相反。

定时计数器 10us 中断一次，就使 P3.4 产生一个高电平或低电平。直流电机 的速度分成 100 个等级，因此一个周期就有 100 个脉冲，周期为一百个脉冲的时间，速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。 占空比越大，加在电机两端的电压越大，电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。精确的讲，平均速度与占空比并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似看成线性关系。

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图3-1 直流电机调速系统控制模块

3.2 L298 电机驱动模块

3.2.1 L298驱动简介

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1A，最大可达1.5A，Vss 电压最小4.5V，最大可达46V；Vs 电压最大值也是46V。L298N 可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。图3-2是L298 内部的原理图。

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图3-2 L298内部原理图

3.2.2 L298 内部 H 桥驱动电路

L298 内部 H 桥电路如图3-3所示。电路得名于“H 桥驱动电路”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。如图所示，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。

图3-3 H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 3-4 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

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围的箭头指示为顺时针方向） 。

图 3-4 H桥电路驱动电机顺时针转动

图 3-5 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。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） 。

图 3-5 H桥驱动电机逆时针转动

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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），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 3.2.3 L298的引脚及逻辑功能

L298 电机驱动各引脚符号及功能见表 3-1。

引 脚 SENSA、SENSB ENA 、ENB IN1、IN2、IN3、IN4 OUT1、 OUT2、 OUT3、 OUT4 VCC VSS GND 功 能 分别为两个 H 桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地 使能端，输入 PWM 信号 输入端，TTL 逻辑电平信号 输出端，与对应输入端同逻辑 逻辑控制电源，4.5~7V 电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高 地 表 3-1 L298 引脚符号及功能

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(L298)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。线性放大驱动方式是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,L298 逻辑功能见表 3-2。

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IN1 X 1 0 0 1 IN2 X 0 1 0 1

表 3-2 L298 逻辑功能

ENA 0 1 1 0 0 电机状态 停止 顺时针 逆时针 停止 停止 3.3 控制器AT89S52简介

3.3.1 AT89S52的主要性能

AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程， 亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。与 MCS-51 单片机产品兼容； 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； 1000 次擦写周期； 全静态操作： 0Hz～33Hz； 三级加密程序存储器； 32 个可编程 I/O 口线；三个 16 位定时器/计数器；六个中断源；全双工 UART 串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。

AT89S52 有 6 个中断源：两个外部中断 （INT0 和 INT1） ， 三个定时中断 （定 时器 0、1、2）和一个串行中断。这些中断每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器 IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。 IE 还包括一个中断允许总控制位 EA，它能一次禁止所有中断。AT89S52 内部具有看门狗定时器及 3 个 16 位可编程定时器/计数器。 16 位是指他们都是由 16 个触发器构成，故最大计数模值为 1216。可编程是指它们的工作方式由指令来设置，或者当计数器用，或者当定时器用，并且记数（定时）的范围也可以由指令来设置。这种控制功能是通过定时

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器方式控制器TMOD 来完成的。

存储器结构：MCS-51 器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以 64K 寻址。程序存储器：如果 EA 引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于AT89S52，如果 EA 接 VCC，程序读写先从内部存储器（地址为 0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。数据存储器：AT89S52 有 256 字节片内数据存储器。 3.3.2 AT89S52的引脚功能介绍

图 3-6 AT89S52 单片机各引脚

VCC：AT89S52 电源正端输入，接+5V。 VSS：电源地端。

XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1 和XTAL2 上

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接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一个20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：AT89S52 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间， AT89S52 便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址 0000H 处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：\为英文\的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作， 也就是说当此引脚接低电平后， 系统会取用外部的程序代码 （存于外部EPROM 中）来执行程序。因此在 8031 及 8032 中， EA 引脚必须接低电平， 因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751 内部程序空间时， 此引脚要接成高电平。 此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 时， 可以利用此引脚来输入 21V的烧录高压（Vpp） 。

ALE/PROG：ALE 是英文\Latch Enable\的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S52 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器（如 74LS373） ，将端口 0的地址总线（A0～A7） 锁进锁存器中， 因为 AT89S52 是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时 ALE 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6，因可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录 8751 程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：此为\Store Enable\的缩写，其意为程序储存启用，当 8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0） ，会送出信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到 EPROM 的 OE 脚。AT89S52 可以利用 PSEN 及 RD 引脚分别启用存在外部的 RAM 与 EPROM， 使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K 的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有 8个位，P0.0 表示位 0，P0.1 表示位 1，依此类推。其他三个 I/O 端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0 在当做 I/O 用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载。如果当 EA 引脚为低电平时 （即取用外部程序代码或数据存储器） ，P0 就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7） 。设计者必须外加一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为 A0～A7，再配合端口 2所送出的 A8～A15 合成一完整的 16 位地址总线，而定址到 64K 的外部存

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储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口 2 是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，每一个引脚可以推动 4 个 LS的 TTL 负载， 若将端口 2 的输出设为高电平时， 端口便能当成输入端口来使用。P2 除了当做一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S52 扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节 A8～A15，这个时候 P2 便不能当做 I/O 来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口 1 也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4个 LS TTL 负载，同样地若将端口 1 的输出设为高电平，便是由端口来输入数据。如果是使用 8052 或是 8032 的话，P1.0 又当做定时器 2 的外部脉输入脚，而 P1.1 可以有 T2EX 功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口 3 也具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个TTL 负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能， 包括串行通信、 外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下： 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 说明 RXD，串行通信输入。 TXD，串行通信输出。 INT0，外部中断 0 输入。 INT1，外部中断 1 输入。 T0，计时计数器 0 输入。 T1，计时计数器 1 输入。 WR：外部数据存储器的写入信号。 RD，外部数据存储器的读取信号。 表3.3 端口3引脚分配表

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3.4 键盘输入模块

键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种， 作用是输入数据与命令， 查询和控制系统的工作状态， 实现简单的人机对话。

键盘的分类：

（1） 键盘按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类。 这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别；非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。

（2） 键盘按照其结构可分为独立式键盘与矩阵式键盘两类。

独立式键盘主要用于按键较少的场合,矩阵式键盘主要用于按键较多的场合，也称行列式键盘。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，本设计中有四个独立式按键， 分别控制电机的加速、减速、正反转、停止。

3.5 LCD液晶显示模块

3.5.1 LCD液晶简介

液晶显示器件（LCD）独具的低压、微功耗特性使他在单片机系统中特得到了广泛的应用，常用的液晶显示模块分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块，其中图形液晶模块在我国应用较为广泛，因为汉字不能像西文字符那样用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块。本设计所选择的LCD是AMPIRE128×64的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，图形液晶显示显示器接口如图3-7所示。

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LCD2AMPIRE128X64181716151413121110987654321-VoutRSTDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0ER/WRSV0VCCGNDCS2CS1

图 3-7 LCD液晶接口图

管脚号 管脚 电平 说明 1 2 3 4 5 6 CS1 H/L 片选择信号，低电平时选择前64列 CS2 H/L 片选择信号，低电平时选择后64列 GND 0V 逻辑电源地 VCC 5.0V 逻辑电源正 V0 RS LCD驱动电压，应用时在VEE与V0之间加一2K可调电阻 H/L 数据\\指令选择：高电平：数据D0-D7将送入显示RAM； 低电平：数据D0-D7将送入指令寄存器执行 7 8 9 R/W H/L 读\\写选择： 高电平：读数据；低电平：写数据 E H/L 读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据 DB0 H/L 数据输入输出引脚 21

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10 11 12 13 14 15 16 17 18 DB1 H/L 数据输入输出引脚 DB2 H/L 数据输入输出引脚 DB3 H/L 数据输入输出引脚 DB4 H/L 数据输入输出引脚 DB5 H/L 数据输入输出引脚 DB6 H/L 数据输入输出引脚 DB7 H/L 数据输入输出引脚 RST L 复位信号，低电平有效 VOUT -10V LCD驱动电源 表3.4 AMPIRE128×64接口说明表

3.5.2 LCD液晶指令

图 3-8 LCD液晶指令表

指令详解：

1.显示开关控制(DISPLAY ON/OFF)

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D=1:开显示(DISPLAY ON) 意即显示器可以进行各种显示操作。 D=0:关显示(DISPLAY OFF) 意即不能对显示器进行各种显示操作。

2.设置页地址（SET PAGE “X ADDRESS”)

所谓页地址就是DDRAM的行地址，8行为一页,模块共64行即8页,A2~A0表示0~7页。读写数据对地址没有影响,页地址由本指令或RST信号改变复位后页地址为0。页地址与DDRAM的对应关系见DDRAM地址表。 3.设置Y地址(SET Y ADDRESS)

此指令的作用是将A5~A0送入Y地址计数器，作为DDRAM的Y地址指针。在对DDRA M进行读写操作后，Y地址指针自动加1,指向下一个DDRAM单元。 4.读状态(STATUS READ)

当R/W=1 D/I=0时,在E信号为“H”的作用下，状态分别输出到数据总线(DB7~DB0)的相应位。

BF:前面已叙述过(见BF标志位一节)。

ON/OFF: 表示DFF触发器的状态（见DFF触发器一节）。

RST:RST=1表示内部正在初始化，此时组件不接受任何指令和数据。 5.写显示数据(WRITE DISPLAY DATE)

D7~D0为显示数据，此指令把D7~D0写入相应的DDRAM单元,Y地址指针自动加1。 6.读显示数据(READ DISPLAY DATE)

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此指令把DDRAM的内容D7~D0读到数据总线DB7~DB0，Y地址指针自动加1。 3.5.2 LCD液晶时隙图 1.写操作时序

图 3-9 LCD液晶写操作时序

2.读操作时序

图 3-10 LCD液晶读操作时序

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第4章 系统软件设计

4.1 主程序流程图

直接应用 AT89S52 的软件方法实现 PWM 信号输出， 这比硬件实现 PWM 信号成本低,限制少,实现便捷。其具体流程图如图4-1所示。首先运行程序主函数 main,进行系统初始化，设置定时/计数器工作方式1，开启T1中断，定时10us。然后进行按键查询，本系统有四个按键，加速、减速、正反转、启动停止。如果有按键按下，得到相对应的脉冲 W，最后利用 LCD液晶实时显示脉宽 W。

图 4-1 主程序流程图

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4.2 定时器中断程序流程图

定时中断描述：首先启动定时/计数器的工作方式为1，开启T1中断，设置定时时间为 10us。T为定时标记，每定时一次加1，T最大值100，也就是一个周期时间为 1ms。在一个周期内：当T>M时，电机停止运转，如果 T=100，T 清零，否则重新进入定时中断；当T<=M 时，电机启动，如果 T=100，T清零，否则重新进入定时中断。 这样按一个固定的频率来接通和断开电源， 并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。具体流程图见图 4-2。

图 4-2 定时器中断程序流程图

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4.3 独立式键盘控制流程图

独立式键盘控制描述：本系统中有四个独立式按键，K1、K2、K3、K4分别控制着系统的加速、减速、正反转、启动停止。系统开始时，检测独立式按键，如有按键按下，则相对应的 K=0，然后进入子程序实现按键的功能。具体流程图见图 4-3。

图 4-3 独立式键盘控制流程图

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4.4 12864液晶显示流程图

图 4-4 12864液晶显示流程图

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第5章 系统测试

5.1 液晶开机界面

图 5-1 液晶开机界面

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5.2 测试电机正转

电机正转，脉冲宽度初始为50 ，见图 5-2。

图 5-2 电机正转

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5.3 测试电机反转

电机反转，见图 5-3。

图 5-3 电机反转

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5.4 测试电机加速

电机加速，W 相应变大，见图5-4。

图 5-4 电机加速

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5.5 测试电机减速

电机减速，W 相应变小，见实物图 5-5。

图 5-5 电机减速

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5.6 测试电机急停

电机停止，脉宽 W 清零，见图5-6。

图 5-6 电机停止

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结论

通过本次毕业设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次毕业设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：直流电机 PWM 调速、AT89S52 单片机、L289 引脚图及其引脚功能，LCD液晶显示等，为本次毕业设计提供了一定的资料。

在做毕业设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过求助于罗老师、理清了思路。同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了毕业设计中的道道难题。通过本次毕业设计实践，我学到了许多东西，知道光靠书本上的东西是不够的，需额外去查资料。无论是在硬件还是软件设计上，我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西如（PWM） 。也锻炼了我的 protel 画图能力，以前学的时候元器件都是给定的只要到库里面找出名字就可以，只要连线就可以，而这次是根据自己的设计需要去画，感觉不同。本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。总的感受有以下几方面：

1、通过本次毕业设计， 我不但对单片机有了更为深入的了解， 对一个课题如何画流程图，编程序等有了一定的认识。

2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。

3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。同时这次做毕业设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做，只有这样，才能做好。

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