目  录

摘要------------------------------------------------------------------------ I

ABSTRACT------------------------------------------------------------------- II

1  引言--------------------------------------------------------------------- 1

1.1  课题研究背景及研究意义--------------------------------------------- 1

1.2  研究现状----------------------------------------------------------- 1

1.3  课题研究内容------------------------------------------------------- 2

1.4  本章小结----------------------------------------------------------- 2

2  系统方案设计------------------------------------------------------------- 3

2.1  系统的整体结构设计------------------------------------------------- 3

2.2  处理器方案选择----------------------------------------------------- 3

2.3  电源方案选择------------------------------------------------------- 4

2.4  控制按键方案选择--------------------------------------------------- 5

2.5  电机驱动方案选择--------------------------------------------------- 5

2.6  本章小结----------------------------------------------------------- 6

3  硬件电路设计------------------------------------------------------------- 7

3.1  单片机处理器硬件设计----------------------------------------------- 7

3.2  电源电路设计------------------------------------------------------- 9

3.3  按键电路设计------------------------------------------------------- 9

3.4  电机驱动电路设计-------------------------------------------------- 10

3.5  串口屏电路设计---------------------------------------------------- 10

3.6  温度采集电路设计-------------------------------------------------- 11

3.7  电压采集电路设计-------------------------------------------------- 12

3.8  测速电路设计------------------------------------------------------ 12

3.9  整体电路设计------------------------------------------------------ 13

3.10  本章小结--------------------------------------------------------- 13

4  软件设计---------------------------------------------------------------- 14

4.1  主函数设计-------------------------------------------------------- 14

4.2  按键子程序设计---------------------------------------------------- 14

4.3  温度传感器程序设计------------------------------------------------ 16

4.4  触摸屏程序设计---------------------------------------------------- 17

4.5  本章小结---------------------------------------------------------- 18

5  系统调试---------------------------------------------------------------- 19

5.1  软件调试---------------------------------------------------------- 19

5.2  KEIL调试--------------------------------------------------------- 19

5.3  仿真调试---------------------------------------------------------- 20

5.4  本章小结---------------------------------------------------------- 25

6  结论与展望-------------------------------------------------------------- 27

6.1  总结-------------------------------------------------------------- 27

6.2  展望-------------------------------------------------------------- 27

参考文献------------------------------------------------------------------- 28

致谢----------------------------------------------------------------------- 30

附录----------------------------------------------------------------------- 31

摘  要

随着经济的发展，国内工业发展迅速。其中工业设备上用的最多的动力装置就是电机。电机的广泛应用虽然大大减少了人力，但是传统的机械式控制存在很多不安全因素。例如工业环境下电机温度过热引发的安全事故，造成经济损失和人员伤亡等。且机械式的控制器存在不可避免的硬件老化现象，使用时间过长就会损坏。这样就大大增加了安装后的维修成本。所以针对这些问提出了一款可以远程控制电机运行状态的控制系统。此系统在复杂的工业环境下，能大大保障操作员的安全性，可以使操作人员更加方便的操作。并且能有效的保障安全生产，减少企业的损失。

本文设计了一套可利用触摸屏实现对电机状态控制的电路系统。系统大致分为七个部分，分别是触摸屏电路、单片机控制电路、按键电路、电机驱动控制电路、电压测量电路、温度测量电路和测速电路。以STC89C52单片机为核心，通过使用串口触摸屏实现对控制指令的发送和电机实时状态信息的反馈显示。通过设定好的触摸按钮实现了对电机的控制，并利用串口读取到下位机检测到的电机的工作电压、电流、温度和转速。从而到达比较好的人机交互效果和控制效果，让设备能广泛应用到社会各个方面，尤其是工业工控方面。

本设计最终达成的目标：触摸屏、转速采集电路、电机温度采集电路、电机电压采集电路、按键电路的数据发送到单片进行处理。然后晶振电路和复位电路分别为单片机的工作提供时钟信号和复位功能。最终驱动模块工作，实现电机正反转、加速减速的控制并且检测到的电机的工作电压、电流、温度和转速。

关键词：单片机  触摸屏  转速  工控

ABSTRACT

With the development of the economy, the domestic industry is developing at a rapid pace. The biggest contribution is the emergence of many automated products to replace manual labor, and greatly improve the efficiency of production. Among them, the most used power device in industrial equipment is the motor. According to incomplete statistics, more than 80% of industrial equipment uses motors. Because electrical energy is not good, it is directly proposed that the motor can convert electrical energy into kinetic energy, and kinetic energy can be easily converted into other energy by people. However, the industrial environment is complex and multi-faceted. While ensuring production, attention must be paid to production safety and convenient control. In response to this, this design proposes a control system that can remotely control the running state of the motor.

This paper proposes a set of circuit systems that can use the touch screen to control the state of the motor- The system is roughly divided into seven parts, namely touch screen circuit, single-chip control circuit, button circuit, motor drive control circuit, voltage measurement circuit, temperature measurement circuit and speed measurement circuit- Through the use of the serial port touch screen, the sending of control commands and the feedback display of the real-time status information of the motor are realized- The set touch button realizes the control of the motor's forward and reverse rotation, acceleration and deceleration, and uses the serial port to read the working voltage, current, temperature and speed of the motor detected by the lower computer- So as to achieve a better human-computer interaction effect and control effect, so that the equipment can be widely used in all aspects of society, especially industrial industrial control.

Keywords: single chip  microcomputer  touch screen  speed  industrial control

1  引言

1.1  课题研究背景及研究意义

相关统计全国每年的电机销售量高达一亿台，包括直流电机、交流电机、伺服电机等。有应用到电机的地方，肯定会用到配套的控制器。纵观市面上的控制器，百分之九十以上都是使用传统的机械式控制，包括使用按钮控制、刀闸控制等[1]。机械式的控制器存在不可避免的硬件老化现象，使用时间过长就会损坏。这样就大大增加了安装后的维修成本。本次设计提出了专门针对的方案，来解决这个问题。使用触摸显示屏来控制，......

1.2  研究现状

在国内已经出现了一些类似的产品，但是大多数都是单方向控制的，只能发送控制指令控制电机，却不能接收和显示反馈回来的数据[3]。这样的设备在实际场合使用的话就具有局限性。且目前市面同类设备无论是整个系统的集成度还是开发成本，......

1.3  课题研究内容

1.主要研究内容

本设计具体完成基于单片机的触屏电机控制系统的设计开发工作。......以下是本文研究内容；

（1）搭建单片机最小系统实现基本工作条件；

（2）熟悉掌握串口触摸屏的工作原理，并实现和单片机通讯；

（3）系统能够驱动传感器采集对应的物理量，并能处理转化成数字量传输给显示器显示；

（4）熟悉霍尔测速原理，并应用到此次测速电路......

（5）熟悉电压采集原理实现对电压的采集，......

整个系统利用单片机最小系统实现对外设的控制，......

2.组织结构

本文主要在以下几个方面进行撰写：

第一章引言，主要讲课题的背景、研究的目的和意义、还有文章的构成架构。

第二章方案设计，元器件的选择和系统整体结构设计。

第三章硬件设计，硬件设计的话主要从主控到其他外接传感器直接的连接设计。

第四章软件设计，从总的流程图开始设计主程序，然后再设计各个子程序。

第五章系统调试，根据前四章的理论基础并完成调试工作。

第六章总结与展望，总结此次设计所学，并展望此次设计以后的发展方向。

1.4  本章小结

首先，本章主要介绍了一些大背景和此次设计的要求和意义；然后分析了本次设计的的主要内容，包括对本次设计细分为各个小的内容，利用从局部到整体的设计思路制定和实践本次设计的过程。

2  系统方案设计

2.1  系统的整体结构设计

进入了对系统的方案的分析，根据不同的实际要求，设计出了最适合本次设计的方案，总方案框图如图2-1所示：

图2-1  系统框图

由图2-1可以看到系统的整体方案是非常的有序的和清晰的，从左侧到右侧依次是信号的输入端，信号的处理到执行动作的输出。数据的输入主要是传感器部分，.....

2.2  处理器方案选择

由于此次设计是一个样板机，所以对主控芯片的选择是比较严格的。片应具有体积小、成本低和开发难度简单等优势。而市面上的控制器类型不计其数，不过用的比较多......

表2-1  处理器比较表

由表2-1可以看到，首先比较的是它们的体积，很明显的看到单片机的体积是比较小的，PLC的集成度体积大，这和它的芯片资源有关，PCL多半用于工业环境，......

2.3  电源方案选择

每个系统都需要用到供电，且供电的形式分很多种。但是最终百变不离其中的是要根据系统芯片的电压要求，来设计电源方案。......以下列出了表进行对比，对比图如图2-2所示：

表2-2  电源方式比较表

通过列表方式对比可以很直观的看到各个方案的优劣势。首先从使用范围上看......

2.4  控制按键方案选择

本次设计为了应急，预留了传统的按键控制方式以防止工业环境中发生紧急情......其两者的比较如表2-3所示：

表2-3  两种按钮方式比较表

单片机对于按键信号的读取是通过单片机巡回检测对应的I/O口是否被拉低来实现的。根据......

2.5  电机驱动方案选择

本次设计是个样板机，所以选择使用的是5V的直流电机进行实验......

方案一：L298N电机驱动芯片；

方案二：TB6612FNG电机驱动芯片；

方案三：MOS管搭建的H桥驱动电路；

其三者的性能比较如表2-4所示：

表2-4  三种驱动芯片性能对比表

从图表2-4可以看到，电机驱动的两个重要参数就是驱动均值电流和峰值电流，......

2.6  本章小结

经过对各个方案的细节进行敲定后，最终确定了以下总方案：......

3  硬件电路设计

在完成方案的设计后就可以对系统的硬件进行设计，系统硬件的设计从各个子部分进行。先单独设计系统中要用到的器件，然后再将各个器件结合在一起共同达到预期功能。

3.1  单片机处理器硬件设计

经过第二章的对比选型确定下来后的单片机型号是STC89C52。.....单片机实物图如图3-1所示：

图3-1 直插型单片机实物图

此款芯片左右两排各20个引脚，其中有32个引脚是I/O也就是说可以用来和外设通讯的引脚，所以对于本次设计是完全够用的，其具体的引脚图如下图3-2所示：

图3-2  单片机引脚图

从图3-2可以看到，对应的32个I/O口被分成了4组，对应的8个口为一组。......最小系统图如图3-3所示：

图3-3  单片机最小系统图

单片机最小系统由时钟电路和复位电路组成。右下角的是时钟电路，其电路是由一个11-0592M的晶振和两个33PF的电容搭建而成，通过利用电容充放电的原理，......

3.2  电源电路设计

本次设计所使用的电源是5V电，且是使用的便携式的5V电源。.....本次电源电路连接图如图3-4所示：

图3-4  电源电路连接图

由图3-4可以看到，电源电路就是将系统的正负极和外界电路的正负极......

3.3  按键电路设计

本次设计的所使用的机械式按键电路的工作原理是，当按钮没按下的时候......按键电路原理图如图3-5所示：

图3-5  按键电路原理图

按键电路原理图可以看到，按键就是将原来断开来的电源实现物理连接，......

3.4  电机驱动电路设计

电机驱动是TB6612FNG此款芯片具有双输入双输出性能。也就是说可以同时控制驱......连接原理图如图3-6所示：

图3-6  TB6612FNG连接原理图

从图3-6可以看到，此款芯片的第一组输出口连接到了外部直流电机上，控制......

3.5  串口屏电路设计

本次设计的重点是串口触摸屏的设计，为了更好的展示此次设计要显示的内容，本次设计......电路原理图3-8如图所示。

图3-7  串口屏实物图                   图3-8  串口屏连接线路图

从实物图可以看到，其显示器的页面非常美观，其对应着各个按钮，每......

3.6  温度采集电路设计

为防止电机在运行过程中发热异常导致一系列安全事故。本次设计在电机......单片机的连接原理图3-10如图所示。

图3-9  温度传感器实物          图3-10  温度传感器连接原理图

由图3-9实物图可以看到，温度传感器的通讯是单线形式的，红、黄和......

3.7  电压采集电路设计

此次设计需要实时监测电机工作电压情况，所以就需要使用ADC电压采......具体连接原理图如图3-12所示。

图3-11  ADC0832实物图

由图3-11可以看到，此芯片是8脚直插式的芯片，体积非常的小，集成度非常的高，很适合本次设计开发使用。

图3-12  连接原理图

由图3-12可以看到芯片需要和单片机之间连接的脚有三个，分别是“CS”.....。

3.8  测速电路设计

本次设计是需要对实时的速度进行采集的，对于本次样板机的测速采用红外光栅测速即可。在电机上安装一个码盘，然后利用红外光栅来检测电机转动时所产生的脉冲信号，.....码盘实物图如图3-14所示。

图3-13  测速传感器实物图                    图3-14  码盘实物图

由图3-13可以看到光栅是一个凹槽形式的，工作的时候只需要把码盘卡入其中就可......

3.9  整体电路设计

以上为分模块介绍的电路，各个模块功能实现后，就可以通过单片机将各个功能结合.....整体电路原理图如图3-15所示：

图3-15  电路原理图

3.10  本章小结

本章主要对各个电路进行了设计，并根据各个芯片的参数实现和单片机之间通讯，.....

4  软件设计

4.1  主函数设计

进入主程序后首先是初始化各个外设和I/O口，然后将定时器配置好实现实时速度的检测；......系统主函数流程图如图4-1所示：

图4-1  主函数流程图

4.2  按键子程序设计

在硬件设计的时候提到了，按键的触发是需要软件进行消抖的，因为在按下的瞬间电平的变.....钮触发流程图如图4-2所示：

图4-2  按键子程序流程图

从流程图可以很清楚的看到，按键按下后是需要等待和判断的，当判断条件不满足，.....

4.3  温度传感器程序设计

温度传感器内部是存在高速处理器的，通过温度传感器检测周边的温度，......传感器解析时序图如图4-3所示：

图4-3  温度传感器流程图

从图可以看到温度传感器的经过一些列的时序操作读取后，最后将......

4.4  触摸屏程序设计

此次设计的触摸屏和单片机之间是通过串口通讯的方式进行的，串口......其流程图如图4-4所示:

图4-4  串口发送子程序

可以从流程图4-4看到，串口数据的发送，首先将数据赋值给串口收发寄存器SBUF......

串口通讯的接收是利用中断方式进行的，其程序流程图如图4-5所示：

图4-5  串口中断程序流程图

由图4-5可以看到开机运行后首先需要初始化串口配置，波特率，校验位之类的设置，....

4.5  本章小结

本章主要完成了对主程序的设计，然后再对一些子程序进行设计，用主程序去调用子程序，.....

5  系统调试

5.1  软件调试

Altium Designer15是一款专业的原理图绘制软件，本次设计所需要绘制的原理图就是使用此软件实现的。软件集成了很多功能可以绘制原理图也可以绘制PCB图。包括元器件的制作，...软件启动时的界面图如图5-1所示：

图5-1  软件启动界面图

可以看到此时软件的绘制界面图非常的清爽，右侧是绘制区域，左侧是文件管理区域，.....

5.2  KEIL调试

程序的编译是在KEIL平台进行的，此平台能自动检测程序工程中的错误和一些警报提示....

..

当点击“编译”按钮后系统就会把工程中所以文件进行检索，并自动识别语句是否有误，......其编译成功界面如图5-3所示：

图5-3  编译功能界面图

由图5-3可以看到，此时编译结果显示0错误，0警告，且生成可以用来烧录的HEX文件......

5.3  仿真调试

设计好电路和程序后，为了验证方案的可行性，先在PROTUES上进行了仿真测试，且利用借助软件开发了一款串口模拟软件，可以和仿真实现联合调试，其绘制完成后的仿真图如图5-4所示：

图5-4  仿真图

从仿真图可以看到单片机控制的下位机部分已经绘制完毕，然后联合开发好的软件进行调试，其软件页面图如图5-5所示：

图5-5  软件登录图

从图5-5可以看到此时需要输入登录密码才能完成系统登录，默认密码是“0000”，......其控制系统的页面如图5-6所示：

图5-6  软件登录首页图

进入首页后，可以看到有六个按钮，分别是电机控制、温度检测、转速检测、警告信息、系统设置和产品信息。当我们点击第一个按钮进去电机控制后，其页面如图5-7所示：

图5-7  电机控制页面图

可以看到进去电机控制页面后就可以对电机进行控制，包括电机正传、反转、.....，其电机正转图如图5-8所示：

图5-8  电机正转图

可以看到现在的电机已经开始以4.15cm/的速度正向转动，当按下加速按钮给电机加速后，其速度就会有所加速，其加速后的电机状态图如图5-9所示：

图5-9  电机加速正转图

从图可以看到现在的电机转速有所上升。当然系统也会对检测到的实时数据传输到触摸屏端，触摸屏会以曲线形式绘制出速度变化状态，其速度变化曲线图如何5-10所示：

图5-10  速度检测曲线图

在触摸屏上可以很直观的看到电机从开始转动到逐渐上升的过程曲线。测试到这就完.....5-11所示：

图5-11  温度传感器图

从图5-11可以看到，温度传感器上是有两个小箭头用来模式设置试试温度的，通过手工控制不断的升高温度后，然后再稳定在固定温度后，触摸屏显示检测到的温度状态图如图5-12所示：

图5-12  实时温度监视图

从图5-12可以看到，此时的温度已经以曲线的形式显示在触摸屏，测试到此温度检测和显示的功能已经完成。显示器内部设定了各个参数的上下值，当检测到的实时温度、转速、电.....其警报界面图如图5-13所示：

图5-13  异常警报图

从图5-13可以看到发生异常的具体事项，例如第一条就显示具体的时间和温度过大的事件。这样用户就可以很直观的去检查实际电路的情况，及时修复，避免电机异常带来的经济损失。剩下的显示器的功能就是对时间、阈值等参数的设置。其设置页面图图5-14所示:

图5-14  系统参数设置图

测试到此就完成了所有的功能，比较好的实现了预期的功能，达到了设计的要求。

5.4  本章小结

本章介绍了整个实物调试的过程，通过局部到整体的测试方法将本次系统的各个......