基于stm32直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的設計與制作

湖南商務職業(yè)技術學院畢業(yè)設計

目錄

1產(chǎn)品功能分析...........................................................................................................1

2設計方案遴選...........................................................................................................1

2.1直流電機的選擇...........................................................................................1

2.2系統(tǒng)框圖設計...............................................................................................2

3產(chǎn)品硬件設計...........................................................................................................3

3.1STM32STM32的概述......................................................................................3

3.2振蕩電路.......................................................................................................3

3.3電源電路........................................................................................................4

3.4按鍵控制電路................................................................................................5

3.5液晶顯示電路................................................................................................5

3.6直流電機驅(qū)動電路........................................................................................7

4控制系統(tǒng)軟件分析與設計.......................................................................................7

4.1主程序流程圖...............................................................................................7

4.2按鍵程序子流程圖.......................................................................................8

4.3液晶流程圖...................................................................................................8

4.4直流電機流程圖...........................................................................................9

5系統(tǒng)調(diào)試與改進.....................................................................................................10

5.1材料的選擇.................................................................................................10

5.2電路的改進.................................................................................................10

5.3最小系統(tǒng)調(diào)試..............................................................................................10

5.4整體調(diào)試......................................................................................................11

6產(chǎn)品設計技術標準.................................................................................................11

參考資料.....................................................................................................................11

附錄1元器件清單............................................................................................13

附錄2電路原理圖............................................................................................14

附錄3PCB設計圖.............................................................................................15

附錄4產(chǎn)品裝配圖............................................................................................16

I

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附錄5產(chǎn)品實物圖............................................................................................17

附錄6產(chǎn)品使用說明........................................................................................18

附錄7主程序代碼............................................................................................19

II

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基于stm32直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的設計與制作

1產(chǎn)品功能分析

直流電機是一種以交流電作為原動力，利用直流電的正、負極產(chǎn)生機械轉

矩或?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速的電機。直流電機具有結構簡單、體積小、重量輕、效率高、

可靠性高、維護容易等優(yōu)點，被廣泛應用于各種自動化控制領域，如：機器人、

自動化機械、電子設備等。但由于直流電機存在著較強的換相干擾和調(diào)速性能

差等缺點，隨著對其控制要求的提高，需要更高性能的微處理器來控制，因此

直流電機微控制器的設計在微處理器中顯得越來越重要。STM32F103RET6微控制

器是一款高性能低功耗的32位ARM控制器，采用Cortex-M4內(nèi)核，主頻高達1

GHz，具有豐富的片上外設接口。STM32F103RET6微控制器集成了豐富的外設資

源，可以對電機進行精確控制，還可以通過USB接口與上位機進行通信。

系統(tǒng)以STM32STM32單片機為主要控制核心，LCD1602顯示、直流電機、結

合直流電機模塊、PWM驅(qū)動芯片和按鍵構成一個直流電機控制系統(tǒng)。

2設計方案遴選

2.1直流電機的選擇

直流電動機主要用于啟動、調(diào)速、制動、旋轉及直流控制等方面。直流電

動機可以分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。無刷直流電動機主要由轉子

（或定子）、電刷、換向器（或電樞）等部件組成，具有結構簡單，運行可靠，

維護方便，價格低廉等優(yōu)點。單極性無刷直流電動機是在定子中含有一對電樞

繞組的電機，在轉子上只有一個電樞繞組。當一個電磁鐵通電時，該線圈產(chǎn)生

的磁場就會在定子內(nèi)形成一個定向的磁力線，使轉子按照此磁力線的方向旋轉。

當另一個電磁鐵不通電時，則電機轉子的定向磁力線方向與電樞電流相反，使

轉子旋轉。

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無刷直流電動機具有結構簡單、可靠性高、維護方便、成本低廉等優(yōu)點，

在工業(yè)控制和自動化領域中得到了廣泛應用。從20世紀50年代起，美國貝爾

實驗室首先研制成功了具有實用價值的“通用直流電動機”。此后又出現(xiàn)了許

多新型直流電動機，如可用于機床自動進給和調(diào)速的直流直線電機、用于軋鋼

設備的直流無刷雙饋電機、用于數(shù)控機床的永磁無刷直流電機、用于高速軌道

車輛的永磁無刷直流電機、用于電梯和自動扶梯等設備中的永磁無刷直流電機

以及各種精密電動工具用的永磁無刷直流電機等。由于交流發(fā)電機勵磁線圈上

安裝有電樞繞組，因而定子繞組中也會產(chǎn)生感應電動勢。這樣當電樞繞組中通

入電流時，就會在電樞繞組中產(chǎn)生感應電動勢，從而使轉子轉動。

所以從可靠性來看，直流電動機仍有一定的優(yōu)勢。調(diào)節(jié)直流電動機轉速的

方法有三種：1.電樞回路串電阻；2.改變勵磁電流；3.改變電樞回路的電源

電壓；而本人從另一個角度來闡述直流電機的速度控制，即利用自動控制中的

反饋來調(diào)節(jié)電機的平穩(wěn)運行以達到各項性能指標。

2.2系統(tǒng)框圖設計

直流電機控制系統(tǒng)以是STM32STM32為中央處理器來進行數(shù)據(jù)處理和控制。

驅(qū)動部分采用PWM驅(qū)動芯片，直流電機的型號為DC5V供電。整個系統(tǒng)實現(xiàn)功能

LCD1602液晶顯示當前的信息，功能按鍵控制電機的停止、減速、加速功能。本

系統(tǒng)運行總框圖如圖1所示。

電源模塊

鍵盤控制模

塊

LCD1602液晶STM32單片電機驅(qū)動模塊

機

圖1系統(tǒng)運行總框圖

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整個系統(tǒng)以STM32STM32單片機為主要控制核心，lcd1602顯示、直流電機、

結合直流電機模塊、pwm驅(qū)動芯片和按鍵等構成一個完整直流電機控制系統(tǒng)。

3產(chǎn)品硬件設計

3.1STM32STM32的概述

STM32F103系列頻率為36MHz時，從閃存執(zhí)行代碼來看，STM32F101功耗

0.5mA/MHz，功耗更低。STM32的內(nèi)置閃存容量為64K到128K，使用前需要初

始化。

STM32系列處理器內(nèi)部集成了一個16位的定時器/計數(shù)器（T0）、兩個8位

的PWM（PWM發(fā)生器）、一個32位的PWM（PWM發(fā)生器）、一個16位的IIC

總線接口和兩個8位的I2C總線接口。所有的外設都能通過這幾個I/O口進行

配置。外圍電路包括：I2C接口、FLASH存儲器控制器、外部RAM、定時器和

計數(shù)器、高速串行接口、I2C總線接口及用于系統(tǒng)編程的16位編程/編譯指令。

STM32系列處理器通過片上系統(tǒng)（SOC）實現(xiàn)多任務處理，包括任務調(diào)度和

管理、任務間通信與通信接口。SOC是一個統(tǒng)一的平臺，支持各種應用程序和系

統(tǒng)軟件。STM32處理器通過片上系統(tǒng)提供了一個高效、安全和可配置的平臺，它

能夠處理各種不同類型的應用程序，并將其連接到通用CPU上。

STM32處理器系列提供了多種選擇，包括64位和32位處理器。這兩種型號

都包括一個中央處理器（CPU）和多個外圍設備，如片上系統(tǒng)（SOC），這些外

圍設備可通過片上系統(tǒng)（SOC）與處理器進行通信。此外，STM32系列還提供了

一個片上存儲器接口，它可以連接到主存儲器或片外存儲器。

在STM32系列中，STM32F101系列具有最高頻率。

3.2振蕩電路

振蕩電路用的是8M晶振，因為STM32內(nèi)部可以通過鎖相環(huán)可以進行倍頻，

變?yōu)樽罡?2MHZ的頻率，所以外部接8MHZ晶振，經(jīng)過倍頻可達到72MHZ[1]。其

電路如圖2所示。晶振采用可編程晶振，其頻率為1MHz。電容為3個，電阻為

1個，可根據(jù)需要在此基礎上進行適當調(diào)整。

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STM32外部中斷控制引腳（I2C）是一個模擬I/O中斷的寄存器，其內(nèi)部結

構如圖2所示。當外部中斷請求到來時，內(nèi)部有相應的中斷處理程序；當外部

中斷請求返回時，通過內(nèi)部定時器產(chǎn)生一個中斷脈沖。

STM32引腳配置

引腳1:為CPU時鐘輸入引腳

引腳2:為看門狗定時器，具有低功耗、低耗電的特點。當有外部事件發(fā)生

時，單片機自動檢測到該事件并判斷該事件是否是用戶定義的事件，并將外部

事件通知相關的看門狗定時器。

圖2振蕩電路原理圖

3.3電源電路

單片機的供電電源如下圖所示，這個電路是單片機的整個供電電路。因為

所有的器件都是5V供電。所以只需要用USB連接到我們使用的電腦或者是電池

和充電寶就可以直接使用了，需要我們注意的是此電路是因為沒有什么功耗比

較的外圍電路，所以可以這樣設計。但是我們通常有時候會遇到雖然芯片上寫

的是5V供電但是功耗非常的高。比如我們在設計加熱幫，驅(qū)動電機或者是風扇

等電路的時候就需要注意電路中電流是否可以達到這些器件運行的要求。

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圖3電源電路圖

3.4按鍵控制電路

單片機的按鍵電路其實就是一個對高低電平的檢測。單片機就會來根

據(jù)電平特性判斷程序應該要執(zhí)行的操作。但是在寫按鍵函數(shù)的時候有幾點

是需要我們注意的。當按鍵被按下時會產(chǎn)生抖動，所以要寫一個去抖的函

數(shù)。還有就是要有短暫的延遲。當我們按下K1按鍵時液晶顯示會顯示當

前狀態(tài)為加速，按鍵K2顯示狀態(tài)為減速；，如果我們連續(xù)按下速度回加

等級，最大等級為10。按鍵控制原理圖如圖4所示。

圖4按鍵控制電路

3.5液晶顯示電路

本次設計對于信息的處理采用是LCD1602液晶顯示屏來顯示相關的參數(shù)。

LCD1602液晶顯示的涵義可以從它的名字就知道是一種標準的16引腳接口。第

一引腳為電源引腳。第二引腳為負極引腳。第引腳為液晶的顯示亮度調(diào)節(jié)引腳。

我們通過連接電位器也就是滑動變阻器可以隨時調(diào)節(jié)當前情況下想要的液晶亮

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度。D0到D7為液晶的雙向8位的數(shù)據(jù)端口。15和16是背燈電源。液晶顯示的

內(nèi)容是每行可以顯示16個字符，2行顯示。1602是一種用來顯示英文，或者

是字符的液晶顯示屏模塊，LCD1602顯示屏從字面上我們就可以知道，此顯示

屏可以每行顯示16個字符，共有2行顯示。

圖5LCD1602液晶顯示屏電路

LCD1602有16個引腳，它的引腳介紹如下：

引腳號引腳名稱引腳功能

1GND電源接地端

2VCC5V電源正極

3VL調(diào)節(jié)顯示器對比度

4RS寄存器選擇端

5RW讀寫信號線

6E使能端口

7~14D0~D7雙向數(shù)據(jù)端口

15BL+背光正極

16BL-背光負極

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3.6直流電機驅(qū)動電路

圖6直流電機驅(qū)動電路

4控制系統(tǒng)軟件分析與設計

本系統(tǒng)使用的單片機開發(fā)環(huán)境是Keil5軟件。Keil5是STM32單片機編

譯的一款軟件。其中Keil5為STM32內(nèi)核的單片機開發(fā)提供了C語言編譯環(huán)境，

而且還具有匯編代碼高效快速等特點。不像KEIL5在編譯的時候需要等待較長

的時間。

4.1主程序流程圖

整個直流電機系統(tǒng)功能為電機正轉、電機加速何電機減速以及按鍵聲音提醒

等幾部分組成。

圖7主程序流程圖

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4.2按鍵程序子流程圖

程序會不斷調(diào)用按鍵掃描函數(shù)，為了保證按鍵的可靠性，將按鍵延時2ms。

當我們按下按鍵后單片機會進行判斷。

圖8按鍵程序子流程圖

4.3液晶流程圖

顯示界面設計采用了典型的分層結構，即最底層為圖形界面，以圖形方式體現(xiàn)

系統(tǒng)所要顯示的內(nèi)容；中間層為控制和驅(qū)動層，用來實現(xiàn)程序和硬件的接口；

頂層為系統(tǒng)調(diào)用層，用于調(diào)用下一層次的圖形界面。軟件系統(tǒng)采用C語言編

寫，利用VisualBasic語言對LCD進行驅(qū)動，設計了LCD顯示的主程序、菜

單顯示程序、窗口控制程序等。主程序主要用于讀取LCD和鍵盤操作的命

令，并根據(jù)命令從LCD或鍵盤獲取數(shù)據(jù)；菜單顯示程序主要用于對液晶面板

的操作；窗口控制程序主要用于對液晶面板上各按鍵的操作；窗口顯示程序主

要用于對液晶面板上各按鍵的顯示。液晶顯示驅(qū)動程序采用了標準的GPIO口

作為顯示接口，利用GPIO口完成系統(tǒng)中各硬件電路與液晶屏之間數(shù)據(jù)傳輸。

另外，為了方便對控制和數(shù)據(jù)采集處理等操作，采用了中斷方式處理人機交互

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數(shù)據(jù)。

初始化顯示內(nèi)容流程圖如下：

圖9液晶流程圖

4.4直流電機流程圖

直流電機會根據(jù)單片機發(fā)送的指令來處理是加速還是減速。轉動的速度我

用的PWM脈沖來確定。

圖10直流電機流程圖

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5系統(tǒng)調(diào)試與改進

5.1材料的選擇

這一次的做畢業(yè)設計，選擇的材料需要體積小，價格要便宜而且要合適，

所以這一次選擇的版就用單面板。我們采用單面板來完成這次的制作，使用能

使點了簡化的元器件。

5.2電路的改進

本設計的電路圖是用AltiumDesigner制作完成的的，系統(tǒng)功能區(qū)塊圖將系

統(tǒng)分割成幾個不同的模塊，各個引腳的編號采用網(wǎng)絡標號進行連接，這樣就有

效的避免了因為電路中模塊比較多造成連線眾多，分不清主次的作用，所以我

們采用正規(guī)的網(wǎng)絡標號。整個電路在布局的時候我們也要考慮到細節(jié)問題，在

制作的時候要細心得布置原件。

繪制好原理圖后需要將其打印出來，然后檢查原理圖和各個模塊之間是否

連接好，模塊之間的空間大小是否保持距離，不會互相影響。這個過程中最重

要的是要保證紅外測距模塊方向一定要正確，不能讓其探頭方向面向板子上有

器件的位置，這樣可能會照成遮擋。在畫電路顯示的時候要注意液晶顯示電路，

因為液晶是整個電路的信息顯示部分，非常的重要，所以在畫液晶顯示電路中

一定要計算好液晶的亮度需要一定的電阻，經(jīng)過查詢芯片手冊了解到，電阻值

為4.7k左右。所以我們有2種方案，

一：是選擇4.7k電阻或者是用1k和10k電阻并聯(lián)。

二：是用10k的滑動變阻器來進行調(diào)節(jié)，經(jīng)過對比我們發(fā)現(xiàn)，采用滑動變

阻器的方案根有合理性，方便我們隨時調(diào)節(jié)液晶亮度。

5.3最小系統(tǒng)調(diào)試

在所有元器件都焊接好后，將編譯調(diào)試通過的源程序燒錄到STM3252集成

芯片中，使用電壓表測試電源是否正常，這一次使用的電源是5V的電源，還要

檢查復位的引腳的是否正常。欲速則不達，所以我們在調(diào)試系統(tǒng)時要細心一點，

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一定不能著急。

5.4整體調(diào)試

硬件：硬件部分對于整個電路功能以及程序能否安全可靠的運行有著非常

重要的地位。電源設計是非常重要的一個部分，電源為整個電路提供供電，所

以在設計的時候要確保電源準確的接入到電路中每個模塊的引腳上，否則電路

中由寫功能無法正確的執(zhí)行。

軟件：軟件在設計應用的模塊比較多，如果只寫在一個文件中，很難分辨

問題。造成代碼在main函數(shù)中運行非常緩慢，程序容易跑死。所以子程序代碼

應該寫在主函數(shù)外部建立一個子程序文件夾，當主函數(shù)需要調(diào)用的時候，直接

調(diào)用。編寫代碼要注意格式，一旦代碼在生成hex文件的時候出現(xiàn)錯誤或者是

報警可以非常快捷的找到錯誤的地方。

為我們節(jié)省大量時間。

6產(chǎn)品設計技術標準

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術軟件工程術語；

[5]GB/T8566-2007信息技術軟件生存周期過程標準；

[6]GB/T8567-2006計算機軟件文檔編制規(guī)范。

參考資料

[1]蔣立平.數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]王君，祝超群，劉仲明，楊彬.單片機原理及控制技術.機械工業(yè)出版社，

2010。

[3]祝木田.單片機原應用教程.北京：中國財經(jīng)經(jīng)濟出版社，2005.8。

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[4]趙金利，肖興達.單片機原理及應用教程[M].機械工業(yè)出版社，2007。

[5]三恒星科技.MCS-STM32單片機原理與應用實例.北京：電子工業(yè)出版設，

2008.1。

[6]康華光主編.電子技術基礎模擬部分.第四版.北京:高等教育出版社，

1999。

[7]閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1998。

[8]林伸茂.80STM32單片機徹底研究——實習篇.北京：中國電力出版社，2006。

[9]彭為，單片機典型系統(tǒng)設計.電子工業(yè)出版社，2006年。

[10]李志廣、李曉泉、淮俊霞.中文圖形12864點陣液晶顯示模塊與STM32

單片機的并行接口電路及CSTM32程序設計.現(xiàn)代顯示,2008年07期。

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附錄1元器件清單

(陳雄)《基于stm32直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的設計與制作》元器件清單

序

名稱代號型號規(guī)格數(shù)量備注

號

1按鍵K1,K2KEY12

2電機M1直流電機1

3三極管Q1S80501

4三極管Q2S85501

5電阻R12,R131K2

6電阻R1410K1

7電位器RT110K1

8液晶顯示器U2LCD16021

9開關U4SWITCH1

10電源U5POW1

11單片機U35STM32核心1

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附錄2電路原理圖

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附錄3PCB設計圖

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附錄4產(chǎn)品裝配圖

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附錄5產(chǎn)品實物圖

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附錄6產(chǎn)品使用說明

1.接上電源

顯示屏第一行顯示當前的轉速

2.通過按鍵來控制電機的轉速

摁一下直流電機下面左邊的按鍵（左邊按鍵是加，右邊按鍵是減）

當前顯示屏顯示為1說明當前電機轉速為1檔

如圖所示電機的轉速最高為10檔

這就是使用直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的使用方法。

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附錄7主程序代碼

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#include"sys.h"

#include"delay.h"

#include"usart.h"

#include"LCD1602.h"

#include"key.h"

#include"timer.h"

#defineGEAR190//1檔

#defineGEAR280//2檔

#defineGEAR370//3檔

#defineGEAR460//4檔

#defineGEAR550//5檔

20

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#defineGEAR640//6檔

#defineGEAR730//7檔

#defineGEAR820//8檔

#defineGEAR910//9檔

u16PWM_Val=100;//用于PWM調(diào)節(jié)

u8temp;//檔位調(diào)節(jié)

voidkeyscan()//按鍵掃描

{

staticu8key_val=0;

key_val=KEY_Scan(0);//獲取按鍵值

if(key_val==1)//加鍵按下

{

if(temp<10)//最大十檔

{

temp++;

}

}

if(key_val==2)//減鍵按下

{

if(temp>0)//最小到0

{

temp--;

}

}

}

voidPWM_DIS()//PWM檔位

{

switch(temp)

{

case(0):PWM_Val=100;Motor=0;LCD_Write_String(6,0,"0

");break;//0檔，關閉電機

case(1):PWM_Val=GEAR1;LCD_Write_String(6,0,"1");break;//1

檔，顯示