第1章绪论1.1课题背景直流电机在当今生活的各方面应用越来越广泛，直流电机的调速控制是电机应用的一个重要技术保障。
直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。
为此，本文设计了一个直流电机控制系统，可以实现对直流电机转动速度和转动方向的高效控制。
1.2 毕业设计任务本设计的目的是以单片机为核心设计出一个直流电机控制系统。
本系统采用STC10F04作为控制单元，通过键盘实现对直流电机转动方向及转动速度的控制，并且将直流电机的转动速度动态显示在LED数码管上。
通过本课题，一方面我在查阅资料的基础上，了解STC10F04单片机控制的一些基本技术，掌握其控制系统的分析方法与实现方法,能对单片机外围电路设计进行系统学习与掌握；另一方面，通过设计直流电机控制系统的硬件电路，控制程序和相应的电路图，培养自己的自学和动手能力，从而为今后参加工作或进一步深造打下良好的基础。
设计的直流电机控制系统有以下功能：1. 直流电机的启停控制2．直流电机的正反转控制3. 直流电机的加速控制4. 直流电机的减速控制5. 直流电机转速的动态显示1.3方案的选择直流电机在当今生活的各方面应用越来越广泛，直流电机的调速控制是电机应用的一个重要技术保障。
直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。
目前，直流电机调速控制方法很多，随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation，简称PWM)已成为直流电动机新的调速方式。
这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，硬件比较简单，运算速度快，精度高，因此具有很好的发展前景。
本设计采用单片机产生PWM脉宽信号来控制直流电机的转速。
1.4系统方案的实现单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。
复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。
时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键，分别与单片机的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相连。
实现对直流电机的控制。
并且键盘上连接有发光二极管，以指示键盘状态。
数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示直流电机的实际转动速度。
利用I/O口为数码管的com端提供低电平。
二号单片机的P1口提供数码管的段选信号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。
测速模块采用开关霍尔片对安放在直流电机转盘上的小磁片的磁信号进行检测，直流电机转盘每次带动小磁片经过霍尔片时，其都将有脉冲信号从霍尔片输出。
单片机外部中断口对信号进行采集。
直流电机驱动模块选用驱动芯片L298，驱动直流电机转动。
该模块与单片机的P1.0—P1.3相连。
电源模块是通过将市电220V转变为直流12V和直流5V分别供给驱动模块和单片机模块。
采用电源模块LM2576和L7805第2章硬件系统分析与设计2.1 直流电机2.1.1 直流电机的结构由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成控制。
2.1.2 直流电机的特性1. 调速性能好所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。
直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。
2. 起动力矩大可以均匀而经济地实现转速调节。
因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。
2.1.3 直流电机的种类直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。
根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
1．他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。
图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。
永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。
作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
图2.1直流电机励磁方式3．串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。
这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。
若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。
若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。
一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式2.1.4 直流电动机的工作原理用电动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边 a b 和 c d 分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势。
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势因为电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割N 极磁力线的线圈边中的电动势。
所以电刷 A 始终有正极性，同样道理，电刷B 始终有负极性。
所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势。
结论：线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷AB端的电动势却是直流电动势。
大致应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理，励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。
要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。
为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理2.2 直流电机控制系统的组成直流电机控制系统共分为六个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、测速模块、直流电机驱动模块和电源模块。
单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。
复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。
时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机各个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键，分别与单片机的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相连。
实现对直流电机的控制。
并且键盘上连接有发光二极管，以指示键盘状态。
数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示直流电机的实际转动速度。
利用I/O口为数码管的com端提供低电平。
二号单片机的P1口提供数码管的段选信号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。
测速模块采用开关霍尔片对安放在直流电机转盘上的小磁片的磁信号进行检测，直流电机转盘每次带动小磁片经过霍尔片时，其都将有脉冲信号从霍尔片输出。
单片机外部中断口对信号进行采集。
直流电机驱动模块选用驱动芯片L298，驱动直流电机转动。
该模块与单片机的P1.0—P1.3相连。
电源模块是通过将市电220V转变为直流12V和直流5V分别供给驱动模块和单片机模块。
采用电源模块LM2576和L78052.2.1总体设计框图图2.2总体设计框图 2.2.2单片机最小系统1.单片机概述近年，由于CHMOS 技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS 化。
CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU 芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS （金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS （高密度、高速度MOS ）和CHMOS 工艺。
CHMOS 和HMOS 工艺的结合。
目前生产的CHMOS 电路已达到LSTTL 的速度，传输延迟时间小于2ns ，它的综合优势已在于TTL 电路。
因而，在单片机领域CMOS 正在逐渐取代TTL 电路。
单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU 通过它们将地址输出到存储器或I/O 接口；数据总线的作用是在CPU 与存储器或I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU 发出的控制信号线和外部送入CPU 的应答信号线等。
电源模块键盘模块电机模块数码管显示模块 STC10F04 测速模块2.STC10F04单片机图2.3 STC10F04单片机最小系统考虑到经济和可靠性的要求，本设计中采用STC10F04单片机，它是单时钟/机器周期（1T）的单片机。
是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。
指令代码完全兼容传统8051，但速度快8.12倍。
表2.1 STC10F04单片机参数型号工作电压Flash程序存储器字节定时器T0、T1 中断优先级STC10F04 5.5V—3.8V/3.3V 4K 有 2表2.2 STC10F04单片机优点超强抗干扰，超强抗静电速度快，1个时钟/机器周期，可用低频率晶振输入输出口多，最多有40个I/O超低功耗单片机应用(电源)注意事项:在电源两端应该加一个47uF以上的电解电容和一个0.1uF的小电容，进行电源去藕滤波。
2.2.3键盘控制电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。
键盘实质是一组按键开关的集合。
键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。
一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5—10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。
按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。
通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。
在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。