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基于单片机的PWM直流电机调速系统设计
中文摘要
脉宽调制（PWM）技术因具备调速精度高、响应迅速、调速范围广以及能量损耗低等优点，已逐步成为直流电机控制领域的主流手段，并在多个行业中得到广泛应用。
本设计以STC89C52单片机为核心控制器，利用红外光电耦合器对电机转速进行实时检测，通过矩阵键盘实现对电机启动、停止、转向及加减速等功能的操作与速度设定。系统采用QC12864液晶显示屏，用于展示当前转速、目标转速和运行状态等信息。经实际测试验证，该系统运行稳定、操作灵活，调速区间为500至2000转/分钟，PWM波形调节步进为1，对应的实际转速调节步长为10r/min。
关键词：直流电机；调速；STC89C52；PWM
The Design of PWM Controlled DC Motor Speed Control System Based On Single Chip
ABSTRACT
Pulse Width Modulation (PWM) offers high-precision speed regulation, fast dynamic response, wide speed adjustment range, and low power loss, making it a dominant technology in DC motor control with broad application prospects.
In this system, the STC89C52 microcontroller serves as the central processing unit. An infrared optocoupler is employed to measure motor speed, while a matrix keyboard enables setting of desired speed and controls start, stop, direction, acceleration, and deceleration operations. A QC12864 LCD display shows real-time speed, set speed, and rotational status. Testing results indicate that the system operates stably and flexibly, achieving a speed control range from 500 to 2000 revolutions per minute. The PWM signal can be adjusted in steps of 1, resulting in a motor speed increment/decrement of 10 rev/min per step.
Keyword: DC Motor; governor; STC89C52; PWM
目 录
第一章 前言 1
1.1 课题选择的背景 1
1.2 课题选择的意义 1
1.3 国内外发展现状 2
1.4 PWM变频调速发展前景 3
1.5 课题研究内容及目标 3
1.6 本章小结 3
第二章 系统总体方案设计 4
2.1 设计的任务和要求 4
2.2 系统分析与选择 4
2.2.1 控制器模块 4
2.2.2 显示模块的分析与选择 4
2.2.3 测速传感器的分析与选择 4
2.2.4 PWM实现方案论证 5
2.2.5 键盘的方案分析与选择 6
2.2.6 输入输出通道的分析 7
2.2.7 驱动模块的分析与选择 7
2.3 系统硬件组成及各模块功能 7
2.4 本章小结 9
第三章 系统硬件设计 10
3.1 CPU主控制模块 10
3.2 电源电路 12
3.3 H 桥驱动电路 13
3.4 键盘部分 14
3.5 电机测速电路的设计 15
3.6 显示模块 15
3.7 整体电路设计 17
3.8 本章小结 17
第四章 系统软件设计 18
4.1 主程序 18
4.2 键盘扫描子程序 19
4.3 PWM信号发生程序 21
4.4 测速子程序 22
4.5 显示子程序 23
4.6 本章小结 24
第五章 系统调试与分析 25
5.1 软件调试 25
5.2 仿真软件调试 26
5.3 硬件调试 29
5.4 调试故障及原因分析 29
5.5 本章小结 30
总 结 31
参考文献 32
致 谢 33
附 录 34
附录A 系统原理图 34
附录B 系统实物图 35
附录C 部分程序 36
第一章 前言
1.1 课题选择的背景
直流电机作为一种常见的电动机类型，已被广泛应用于交通运输、化工生产、航空航天以及机械制造等多个领域。早期的直流电机控制系统主要依赖模拟电路构建，通常由运算放大器、非线性集成电路和少量数字逻辑器件组成。这类系统的硬件结构复杂，灵活性差，功能较为单一，且调试过程繁琐，严重制约了直流电机控制技术的进步及其应用拓展。
图3.4 电源电路1.2 课题选择的意义
随着现代工业自动化水平的不断提高，对电机控制性能的要求也日益提升。传统的模拟控制方式难以满足高精度、快速响应和多功能集成的需求。而基于单片机的数字控制技术则能够有效克服上述缺陷，具有更高的稳定性、可编程性和扩展能力。因此，研究并开发一种基于PWM技术的直流电机调速系统，不仅有助于推动电机控制技术的数字化转型，也为相关领域的工程实践提供了可行的技术方案。
1.3 国内外发展现状
在国外，直流电机的数字控制技术起步较早，尤其是在欧美和日本等发达国家，已经形成了较为成熟的技术体系和产业生态。许多高端工业设备中均采用了先进的PWM控制策略，结合高性能微处理器或专用控制芯片，实现了精确的速度与转矩控制。
在国内，虽然近年来在电机控制领域取得了显著进展，但整体技术水平仍存在一定差距。多数中小型企业仍采用半数字化或简易数字控制方案，缺乏自主核心算法和系统集成能力。因此，开展基于普通单片机平台的PWM调速系统研究，对于提升我国中小型设备的自动化水平具有现实意义。
1.4 PWM变频调速发展前景
PWM技术作为现代电力电子与运动控制中的关键技术之一，其应用已从最初的简单开关控制发展到如今的智能调制策略，如SPWM、SVPWM等。未来，随着嵌入式系统、物联网和人工智能技术的发展，PWM控制将向更高效率、更智能化的方向演进。特别是在新能源汽车、机器人、智能家居等领域，高效节能的电机调速系统将成为核心技术支撑之一。
1.5 课题研究内容及目标
本课题旨在设计并实现一个基于STC89C52单片机的PWM直流电机调速系统。主要研究内容包括：系统总体架构设计、关键模块选型与分析、硬件电路搭建、软件程序编写以及系统联调与性能测试。最终目标是构建一个具备启停控制、正反转切换、速度设定与实时显示功能的完整调速系统，确保其在500~2000r/min范围内实现平稳、精准的调速运行。
1.6 本章小结
本章介绍了课题的研究背景与现实意义，回顾了国内外在直流电机控制领域的发展状况，阐述了PWM技术的应用前景，并明确了本次设计的主要研究内容和技术目标。这些内容为后续章节的系统设计与实现奠定了理论基础。
PWM控制技术是一种通过半导体器件的通断操作，将直流电压转换为脉冲序列的控制方法。通过调节脉冲的周期与宽度，可实现电压调节，或同时实现变压与变频的功能。近年来，该技术在电气传动自动控制领域中备受关注，成为研究热点之一。
随着电力电子技术、计算机技术的进步以及现代控制理论的广泛应用，单片机在直流电机调速系统中的作用日益突出。由于其具备体积小、功能强大、重量轻、抗干扰能力强、控制灵活、使用便捷和成本低等优势，单片机被广泛应用于各类调速系统中。在工业应用中，电机作为电能向机械能转化的核心设备，不仅要求具备较高的能量转换效率，还需能够根据生产需求灵活调整转速。电机调速性能直接影响产品质量、生产效率及能源消耗，因此相关技术一直是科研与工程实践的重点方向。
1.2 课题选择的意义
尽管新型电机不断涌现，直流电机凭借其优良的启动特性和调速性能，在电子仪器、自动化控制等领域仍占据重要地位。它具有调速平滑、过载能力高、调速范围广、抗冲击负载能力强等特点，能够满足频繁的无级快速启停、正反转以及加减速等复杂工况需求。传统的调速方式如改变电枢回路电阻或调节电源电压已难以适应现代工业对精度与响应速度的要求，而基于PWM的调速方法应运而生，成为解决上述问题的有效手段。
PWM直流电动机调压调速系统因其所需功率元件少、控制线路简洁、开关频率高、低速运行稳定、稳速精度优异、调速范围宽泛，并支持多种控制模式，且能直接接收数字给定信号，在工业现场得到广泛应用，有力推动了国家工业化进程。掌握该系统的原理与设计方法，对未来从事相关技术工作具有重要意义。
本课题以单片机为核心控制器，设计一套针对直流电机的调速系统。通过此次毕业设计，不仅提升了综合运用专业知识解决实际问题的能力，也进一步巩固和深化了对所学内容的理解；同时锻炼了独立分析与解决问题的研究素养，增强了工程实践能力。
1.3 国内外发展现状
直流电机调速技术的发展经历了多个阶段：早期采用恒定直流电压供电，通过调节电枢回路中的电阻实现调速；到了20世纪30年代末期，发电机—电动机组配合电机扩大机、电磁放大器或闸流管等装置开始用于调速控制；1957年晶闸管问世后，逐步过渡到使用晶闸管整流装置进行调速。
图3.4 电源电路近年来，随着微型计算机、集成电路、新型电子元器件以及先进传感器的成熟应用，直流电机控制系统持续升级。在微机控制的电气传动系统中，数字化与智能化已成为主流发展方向，极大促进了整个行业的技术进步。一些发达国家已大规模推广以微机为核心的直流电气传动设备[1]。
数字式直流调速装置能够在统一硬件平台上，结合不同软件配置，完成对多种功率等级电机的控制。通过对参数设置即可适配不同被控对象，具备强大的通信接口，易于与PLC等设备集成构建完整的工业控制系统。其操作简便、抗干扰能力强，调试灵活，保护功能完善，整体结构紧凑小型化，有效克服了传统模拟系统存在的调试困难、体积庞大、维护不便等问题。此外，数字控制系统还具备故障诊断迅速、响应速度快、控制精度高、易于维护等优点，展现出广阔的应用前景[1]。
目前，我国晶闸管直流调速系统已实现快速发展并广泛应用于各行业。国内在数字直流调速领域的研究主要集中在综合性最优控制策略、补偿型PID控制以及PID算法优化等方面。随着PWM技术的不断进步，我国直流电机调速正逐步向脉宽调制方向转型。虽然现阶段多数高性能数字控制装置仍依赖进口，但由于进口设备价格较高，也为国产全数字控制系统的研发提供了发展空间。当前，众多科研机构、高校及制造企业正在积极开发具有自主知识产权的全数字直流调速产品[1]。
1.4 PWM变频调速发展前景
进入20世纪末，随着微电子控制技术和电力电子功率变换技术的成熟，交流电动机的变频调速技术取得了显著进展。展望21世纪，这一领域将继续迎来更深层次的发展与突破。
(1) 在变频控制电路方面：当前变频装置已全面实现数字化控制，未来发展趋势将进一步朝微电子化、数字化方向演进。自20世纪80年代中期起，控制技术从初期的微处理器逐步发展至16位、32位CPU，目前普遍采用高性能DSP（数字信号处理器）作为核心控制器[2]。
在现代电力电子技术中，PWM（脉宽调制）与多电平逆变技术的发展日益深入。其中，随机PWM技术逐渐成为抑制机械振动和电磁噪声的有效手段，正逐步替代传统依赖提高开关频率的方式来改善系统性能。由于常规PWM逆变器的开关损耗会随着功率等级和工作频率的上升而显著增加，这严重制约了其在高频、大功率场景下的应用拓展。因此，如何有效降低损耗并提升效率仍是当前研究的重点方向之一。
为解决高频化带来的问题，谐振技术及其衍生的软开关技术被广泛应用于新型逆变系统中，以减少开关过程中的能量损耗。而在大功率驱动领域，除了优化传统的PWM调制策略外，多电平逆变结构也获得了越来越多的关注。该结构通过多个功率器件串联实现电压分担，将原本集中的开关应力分散处理，从而缓解高压大电流条件下的开关损耗难题，但同时也带来了多管串联时的均压控制挑战[2]。
1.5 课题研究内容及目标
本课题旨在设计一套基于单片机控制的直流电机PWM调速系统，依据系统功能需求确定整体架构。系统需具备由软件生成PWM信号的能力，并能实现对电机启动、停止、加速、减速、正转与反转的操作控制。同时支持设定目标转速，并通过显示器实时呈现当前转速、设定值以及运行状态信息。
经过系统分析与方案设计，整个系统主要由以下几部分构成：输入模块、中央处理单元、显示单元、电机驱动电路以及测速反馈元件。各模块协同工作，确保控制精度与人机交互体验。
1.6 本章小结
本章节首先阐述了直流电机PWM调速系统的研究背景、目的及其实际意义；随后综述了国内外在直流电机控制系统方面的研究进展与发展动态；并对PWM变频调速技术的应用前景进行了展望；最后对本课题所涉及的主要研究任务与预期达成的技术目标进行了概括说明。
第二章 系统总体方案设计
2.1 设计任务与要求
本系统的设计目标是构建一个基于单片机的直流电机调速装置，采用PWM方式调节电机转速。用户可通过独立按键或上位机进行操作，实现对电机启停、正反转以及转速设定的控制。设计内容包括完成直流电机与单片机之间的接口电路设计，以及相应的系统软件开发。
系统的控制对象为直流电机，输入设备为键盘，控制变量为电机转速，输出显示内容则包括实时转速、设定转速及旋转方向等信息。
2.2 系统模块划分与选型分析
根据系统功能需求，可将整体结构划分为五大模块：中央处理器模块、显示电路模块、控制输入模块、电机测速模块以及电机驱动模块。为保证各模块高效协同运行，下面分别对其设计方案进行比较与选择。
2.2.1 控制器模块设计
控制器需完成以下核心功能：生成初始PWM波形；接收来自控制输入和测速反馈的信号并进行逻辑处理；将处理结果分别发送至显示模块用于状态展示，以及驱动模块用以调控电机运行状态。
综合考虑性能、成本与开发便利性，本设计选用STC89C52单片机作为主控芯片。该型号具备较强的算术运算能力，编程灵活，自由度高，且具有低功耗、小体积、技术成熟和价格低廉等优势，非常适合于中小型嵌入式控制系统应用。
2.2.2 显示模块选型分析
为满足对电机转向、设定转速等参数的可视化需求，系统采用液晶显示屏（LCD）作为人机交互界面。LCD具有功耗低、重量轻、厚度薄、无辐射危害、平面直角显示、图像稳定不闪烁等特点。此外，其可视角度广、画面清晰、抗干扰能力强，能够灵活地呈现多种系统状态信息，符合本设计的人机交互要求。
2.2.3 测速传感器方案对比与选择
目前可用于电机转速检测的技术主要有以下三种可行方案：
方案一：测速发电机法
利用测速发电机输出电动势E与电机转速n之间的线性关系（E = kn，k为常数）进行测速。当旋转方向改变时，输出电势极性也随之变化。该方法原理简单，但安装复杂，精度相对较低，且需要额外的A/D转换电路，不利于系统集成。
方案二：霍尔传感器法
在旋转部件上安装磁体，配合霍尔元件使用。每当磁体经过霍尔元件时，便产生一次脉冲信号，经放大整形后送入单片机计数处理，实现转速测量。该方式无需模数转换，信号可直接被微控制器识别，响应快、精度高。但霍尔元件采购难度较大，成本较高，限制了其普及应用。
方案三：红外光电耦合器测速法
采用红外发射与接收对管组成光电耦合结构。电机转动时，每旋转半圈，接收端输出一个上升沿脉冲。单片机在单位时间内统计这些脉冲数量，即可计算出当前转速。该方案硬件电路简洁，元器件易获取，成本低，且具备与霍尔方案相近的测速精度与稳定性。
综合比较后认为：虽然方案一安装不便且精度不足，方案二虽性能优良但受限于成本与供货，而方案三不仅电路简单、易于实现，而且兼具高可靠性与经济性，几乎涵盖了方案二的所有优点。因此，最终选定方案三作为本系统的测速方案。
图3.4 电源电路在方案三中，具体的计数方式是利用单片机统计时间S（秒）内接收到的脉冲数量N，进而计算出每分钟的转速：M = N/S × 60。此外，也可采用定时机制进行测量：通过定时器获取脉冲周期T，则每分钟转速可表示为 M = 60/T。
对比两种计数方法，第一种的主要误差来源于±1个脉冲的量化误差。假设电机最低设计转速为120转/分，当记数时间S设为1秒时，其绝对误差 |γ| = |(N±1)/S×60 - N/S×60| = 60（转/分）。该公式表明，延长记数时间有助于提升测量精度，但会增加速度采样周期，从而降低系统控制响应速度。而第二种方法的误差主要来自标准计时偏差，其误差表达式为 γ = [60/(T±1) - 60/T]。若电机转速范围在120～6000转/分之间，则对应周期满足 0.01s ≤ T ≤ 0.5s。代入后可得误差范围为 0.00024 ≤ |γ| ≤ 0.6（转/分）。
由此可见，方法二在测量精度和系统控制灵敏度方面均优于方法一，因此本设计选用方法二作为转速计数方式。
图3.4 电源电路2.2.4 PWM实现方案论证
(1) PWM调速工作方式
方案一：双极性工作制
在一个PWM周期内，单片机两个输出端口产生电平相反的控制信号，利用两者高电平的时间差来调节电机的转向与转速。
方案二：单极性工作制
PWM波的占空比由单片机的一个I/O口决定，另一端口保持低电平状态，电机正反转通过两个输出口的切换实现，而转速则由PWM占空比控制。
由于单极性工作制具有电流波动较小、电压中交流成分少的优点，有利于提高电机运行稳定性，因此本系统选择采用单极性工作方式[3]。
(2) PWM调脉宽方式
调脉宽的方式主要包括三种：定频调宽、定宽调频以及调宽调频。本设计采用定频调宽方式，原因在于此方式下电机运行更为平稳，不易与其他单片机内部频率发生干扰，同时在软件生成PWM信号时实现简便、可靠性高[3]。
(3) PWM软件实现方式
方案一：软件延时法
通过程序延时控制脉宽，缺点是在中断频繁发生的情况下容易引入较大误差。
方案二：定时器控制法
使用单片机内置定时器作为脉宽基准，所产生的PWM脉冲宽度极为精确，最大误差仅几个微秒级别。
综合考虑准确性和系统稳定性，本设计最终采用方案二[4]。
2.2.5 键盘方案分析与选择
键盘作为单片机系统中重要的人机交互输入设备，常见的类型包括独立式键盘和行列式键盘。
方案一：独立式键盘
每个按键单独连接一个I/O口，接口使用的I/O线数量与按键数目相同。其优点在于结构简单、按键互不干扰、编码灵活、识别方便。但缺点是占用较多I/O资源，适用于按键数量较少或I/O资源充足的场合。
方案二：行列式键盘
采用N条I/O线作为行线，M条作为列线，共可构成M×N个按键，按键位于行列交叉点上。这种结构显著提高了I/O口的利用率，适合应用于需要较多按键的场景[5]。
本系统需完成对电机启动、停止、加速、转速设定、正转及反转等多种操作，所需按键超过十个。结合上述分析，为节省I/O端口资源，提升系统集成度，故选择方案二——行列式键盘。
2.2.6 输入输出通道分析
本系统采用红外光电耦合器进行测速，微处理器接收的是数字脉冲信号，无需经过A/D转换即可直接送入单片机处理。输出方面，通过PWM方式调节直流电机电枢电压，单片机输出的PWM信号经驱动电路放大后直接作用于电机，实现对转速的精准控制。因此，通过调节PWM波的占空比即可有效调控电机转速。
2.2.7 驱动模块分析与选择
本设计的核心功能是对小型直流电机实现可逆PWM调速控制。通常此类控制可通过由四个开关管组成的H型桥式驱动电路实现。针对小功率直流电机，常见驱动方式有H桥驱动和L298驱动芯片两种。
L298驱动芯片虽然集成度高、驱动能力强，但成本较高。考虑到本设计所用电机为小功率类型，H桥式驱动电路已完全满足驱动需求，且具备成本低、电路可控性强等优势。因此，本系统选用H桥式驱动电路作为电机驱动模块[6]。
2.3 系统硬件组成及各模块功能
本直流电机调速系统主要由以下部分构成：单片机、驱动电路、直流电机、测速元件、接口电路、显示器以及输入控制模块。系统整体硬件结构框图如图2.1所示：
图2.1 直流电机调速系统硬件结构框图[此处为图片2]
各模块功能说明如下：
中央控制模块
系统核心控制器采用STC89C52单片机，主要承担三大功能：
一、根据预设程序生成初始PWM信号，并发送至H桥驱动电路，以控制电机运行；
二、接收来自键盘和红外光电接收管的输入信号，并进行分析处理；
三、将处理结果输出显示，例如驱动七段数码管显示当前参数，或点亮相应的发光二极管指示状态。
驱动模块：本系统采用H桥驱动电路实现对直流电机的驱动，同时支持电机的正转与反转控制。驱动信号来源于单片机P2.0和P2.1端口输出的PWM波形，用于调节电机转速。由于所驱动的是小功率直流电机，对驱动能力要求不高，因此常规的H桥驱动电路即可满足设计需求。
测速模块：利用红外光电耦合器进行电机转速测量。其中发射管持续发射信号，当接收管接收到反射或直通信号时，会输出相应的脉冲信号。电机每旋转半圈，输出端OUT便产生一个上升沿脉冲。单片机通过在固定时间内采集这些上升沿的数量，从而计算出当前的实际转速。
[此处为图片3]显示模块：系统使用液晶显示屏（LCD）作为人机交互界面，实时显示电机运行状态信息，包括电机转向（正转或反转）、设定转速以及实际反馈的实时转速，便于用户直观掌握系统工作情况。
输入控制模块：该部分通过一个带有中断功能的4×4矩阵键盘实现对电机的操作控制。其中十个数字按键（0～9）用于设定不同等级的转速值（单位为r/min）：按下“0”键设定转速为0，“1”键对应5r/min，“2”键为25r/min，“3”键为40r/min，“4”键为60r/min，“5”键为80r/min，“6”键为100r/min，“7”键为120r/min，“8”键为135r/min，“9”键则设定为150r/min。其余六个按键分别实现“启动”、“停止”、“加速”、“减速”、“正转”和“反转”六种操作指令。
[此处为图片2]2.4 本章小结
本章围绕直流电机调速系统的整体方案进行了分析与选型，确定了适用于该系统的控制策略及总体架构；在元器件选择方面也给出了详细的说明；并对各功能模块的具体实现方式进行了阐述。最后完成了基于单片机PWM调速系统的硬件结构框图设计，为后续硬件实施奠定了基础。
第三章 系统硬件设计
本章在前一章的基础上，进一步深入分析系统的硬件构成，并对各个子电路进行详细的设计与说明。主要包括CPU主控模块、电源电路、PWM信号生成、电机驱动、键盘输入、转速检测以及显示单元等部分的硬件实现。
3.1 CPU主控制模块
系统选用STC89C52单片机作为核心控制器，主要承担三大任务：接收外部输入信号、处理数据并作出逻辑判断、输出控制指令。外部信号源来自矩阵键盘和红外测速模块中的接收管；信号处理过程包括对按键动作的识别和对测速脉冲的计数分析；输出内容则包含PWM波形以调节电机运行状态，以及向LCD发送数据显示信息。
STC89C52是MSC-51系列的增强型产品，由ATMEL公司在取得51内核授权后，结合自身闪存技术改进而成。该芯片内部集成了丰富的资源，无需外扩芯片即可独立运行。其内置8KB Flash程序存储空间、256字节RAM，支持最大64KB外部扩展。工作电压范围为4V至5.5V，可在宽温宽压环境下稳定运行。具备4组I/O端口、3个定时器、8个中断源，并支持软件设定的节能模式和断电保护功能。时钟频率可在0～33MHz范围内根据需要配置。
此外，该单片机支持通过计算机并口下载程序，仅需简单的数字元件即可制作下载线，成本低廉，因此在市场上长期广受欢迎。针对本设计中可能需要频繁更换芯片的情况，选用DIP-40双列直插封装形式，方便插拔与调试。如图3.1所示：
图3.4 电源电路图3.1 DIP-40封装STC89C52引脚图
（2）时钟电路与复位电路
为了保证单片机正常运行，必须构建最小系统，即配备时钟电路和复位电路。
复位电路分为上电复位和手动复位两种类型。考虑到系统开发过程中常因程序异常跑飞而需重启，本设计采用手动复位方式，提高调试灵活性。如图3.2所示：
上电复位 手动复位
[此处为图片4]图3.2 复位电路图
时钟电路决定系统运行速度与时序精度。较高的时钟频率有助于提升信号采样率，但也带来功耗增加和电磁干扰增强的问题。鉴于本系统以控制为主，无需极高运算速度，故选用11.095MHz无源晶振连接至XTAL1和XTAL2引脚，并联两个20pF陶瓷电容以辅助起振，确保频率稳定性。完整的最小系统结构如图3.3所示：
[此处为图片5]图3.3 STC89C52最小系统
3.2 电源电路
系统采用稳定的直流供电方案，为单片机及其他外围电路提供符合要求的工作电压。电源部分需具备良好的滤波和稳压能力，以减少噪声干扰，保障系统可靠运行。通常使用LM7805等稳压器件将外部输入电压（如9V或12V）转换为稳定的5V输出，供给各模块使用。同时，在电源入口处设置电解电容和陶瓷电容组合，实现多级滤波，有效抑制纹波和高频干扰。
由于系统主要由单片机、小型电机、各类芯片以及电阻电容等元件构成，整体工作电压为+5V，无需负电源供电，因此选用三端固定集成稳压器LM2940作为系统的稳压芯片。该芯片为低压差、输出电压固定的三端稳压器件，具备输入电压范围宽（最高可达26V）、输出稳定5V电压、最大输出电流达1A等特点。当输出电流为1A时，其输入与输出之间的最小压差小于0.8V，适应性强；可在-40℃至+125℃的宽温范围内可靠运行。此外，LM2940内部集成了静态电流降低电路，并具有过流保护、过热保护、电池反接及反向插入保护功能，安全性和稳定性较高。结合本设计对电源管理的需求，该芯片十分适用。 系统输入采用7.2V直流电源，在稳压芯片前后分别接入1μF和22μF的滤波电容，以提升电源的稳定性与抗干扰能力。电源模块的具体电路结构如图3.4所示。图3.4 电源电路3.6 显示模块
本设计选用12864 LCD液晶显示屏作为人机交互的显示单元。12864是一款常用于单片机系统的图形点阵液晶模块，支持四位或八位并行接口，也可通过两线或三线串行方式进行通信。其内置国标一、二级简体中文字符库，显示分辨率为128×64，即横向可显示128个像素点，纵向64个点，能够呈现清晰的文字与图形信息。 该模块集成了8192个16×16点阵汉字和128个16×8点阵ASCII字符，配合灵活的指令系统和简单的操作逻辑，便于构建全中文图形化界面。不仅可以显示8行×4列的汉字内容，还能绘制自定义图形。相比其他同类图形液晶模块，12864在硬件连接和软件驱动方面更为简洁，且成本较低，适合本系统的应用需求。 从图3.8所示的硬件连接图可见，本次设计中12864工作于并行模式。其与单片机之间通过P0口的8位数据线进行数据传输，同时使用RS、RW和E控制线实现功能选择：RS为寄存器选择线（串行模式下作片选），RW为读写控制线（串行模式下为数据线），E为使能信号线（串行模式下为时钟线）。结合模块的时序要求，可编写相应的驱动程序。 本系统主要涉及单片机向LCD写入数据或命令的操作，因此重点参考并行写操作的时序图（见图3.9）。依据该时序规范，可完成向12864写入数据或指令的子程序开发。3.3 H 桥驱动电路
H桥驱动电路由四个三极管和一个电机组成，通过对角线上两个三极管的导通控制，使电流以不同方向流经电机，从而实现电机正反转的调控。该电路广泛应用于步进电机、直流电机及交流电机的驱动场景。 在本设计中，采用H桥功率驱动电路来控制直流电机的运行状态。如图3.5所示，当PWM1处于低电平时，通过调节PWM2输出不同占空比的矩形波，使三极管Q1和Q6导通，而Q5截止，电流从左至右流过电机，实现正转及调速；反之，当PWM2为高电平时，通过调整PWM1的占空比，使Q2和Q5导通，Q6截止，电流方向相反，电机反向旋转，同时实现速度控制。3.4 键盘部分
系统输入设备采用4×4矩阵键盘（共16个按键），其中10个按键用于设定电机转速等级，其余6个按键分别实现启动、停止、加速、减速、正转和反转六种控制功能。该键盘与单片机的接口电路如图3.6所示，通过行列扫描方式识别按键动作，结构简单、响应可靠。3.5 电机测速电路的设计
传统的测速方法通常将转速转换为易测的电量（如电压或电流）进行间接测量。本设计则采用另一种思路：将直流电机的转速转化为脉冲频率进行检测。具体方案是使用三极管输出型红外光电耦合器（见图3.7）。 在电机转轴上安装一个带缺口的旋转挡板，每当电机转动一圈，挡板使红外接收管两次透光导通，导致输出端OUT产生两个上升沿脉冲。单片机通过统计单位时间内捕获的上升沿数量，即可计算出当前转速。该方法结构简单、精度较高，适用于数字式测速系统。3.7 整体电路设计
完整的系统电路设计详见附录A。3.8 本章小结
本章首先介绍了系统核心控制器STC89C52的功能及其最小系统构成，随后详细阐述了H桥驱动电路的工作原理与实现方式。接着分别说明了矩阵键盘、12864液晶显示模块以及红外测速单元与单片机的接口设计，并提供了各部分的电路示意图。最后给出了整个直流电机PWM调速系统的硬件总体架构，为后续软件开发奠定了基础。第四章 系统软件设计
软件部分基于Keil μVision2开发环境，采用C语言编程，根据超声波测距相关算法，将程序划分为多个功能模块：主程序、定时中断子程序、速度测量子程序、显示子程序和键盘处理子程序。其中，速度测量与定时中断子程序为核心模块。4.1 主程序
由于本设计未对编程语言进行限定，因此选择了最为熟悉的C语言进行开发。C语言具备简洁紧凑的语法结构，使用灵活方便，拥有结构化的控制语句，语法约束相对宽松，赋予了较高的程序设计自由度。相较于汇编语言，其在不同平台间的移植性更优。
在编写代码过程中，注重向结构化与模块化方向靠拢，以提升程序的可读性与维护性。部分源码详见附录C。本章将重点针对基于单片机控制的PWM直流电机调速系统程序展开详细解析。
本节主要分析主程序的执行流程，具体流程如图4.1所示：
图3.4 电源电路从图4.1可见，系统上电后首先进行数据初始化，随后完成中断系统的初始化配置。接着，将用于控制直流电机转向信号及片选使能信号的I/O引脚设置为低电平状态，确保通电初期电机处于停止运行状态，直到接收到明确的启动指令为止。
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