单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》演示教学

单片机课程设计完整版《P W M直流电动机调速控制系统》

单片机原理及应用课程设计报告设计题目：

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目录

设计题目 (1)

1 设计要求及主要技术指标： (2)

1.1 设计要求 (3)

1.2 主要技术指标 (3)

2 设计过程 (4)

2.1 题目分析 (8)

2.2 整体构思 (9)

2.3 具体实现 (11)

3 元件说明及相关计算 (13)

3.1 元件说明 (13)

3.2 相关计算 (14)

4 调试过程 (15)

4.1 调试过程 (15)

4.2 遇到问题及解决措施 (19)

5 心得体会 (20)

参考文献 (21)

附录一：电路原理图 (23)

附录二：程序清单 (23)

设计题目：PWM直流电机调速系统

本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传

感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。

关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；PWM波形；LED显示器；51单片机

1 设计要求及主要技术指标：

基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。

1.1 设计要求

（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。

（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。

（3）设计一个4个按键的键盘。

K1:“启动/停止”。

K2：“正转/反转”。

K3：“加速”。

K4:“减速”。

（4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。

（5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）.

（6）实现数字PID调速功能。

1.2 主要技术指标

(1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。

(2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。

(3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速；

(4）参考Protuse仿真效果图：图（1）

图（1）

2 设计过程

本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。

本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含

4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥

的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、

2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。

本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电

压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8

位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

图（2）

对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭

环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图（3）所示。

一、以下是直流电机调速3种控制方式选择：

1、电阻网络或数字电位器：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

2、继电器：

采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

3 、H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片：

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。桥型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

兼于上述三种方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。

二、以下是PWM脉宽的3种调制方式：

调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

最后再以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

三、驱动电路设计

单片机输出的电机控制PWM信号接在ENA端口，IN1和IN2端口控制电机正反转，通过一个非门实现。对应的OUT1和OUT2输出接在直流电机两端。如图（4）所示。

图（4）

2.1 题目分析

在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在控制系统设计中占重要地位。

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P3.7输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出高电平，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机所处速度级以速度档级数表示。速度分4档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。

在程序中通过软件产生PWM，送出预设占空比的PWM波形。PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。

2.2 整体构思

本系统采用AT89C51作为控制核心，用按钮来调节电机转速和数码管来显示设定转速和测量转速。由上述提供的方案和最后选择结果，则用H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片L298作为本系统的驱动电路和用带有测速计的电机模型来取得电机的实际转速。如图（5）所示。

直流电机控制系统总体框图(5)

软件主要由3部分组成：主程序、键盘扫描程序、中断处理程序。主程序流程如图（6）所示。

图(6）主程序流程图‘

2.3 具体实现

定时中断处理程序实现

采用定时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值0xFF9C可定时100us。当100us定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值。

PWM脉宽控制实现

一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数c16TimeH和低电平持续时间系数c16TimeL组成，本设计中采用的脉冲频率为10000Hz，可得c16TimeH+c16TimeL=65536，占空比为c16TimeH/(c16TimeH+c16TimeL)，因此要实现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变全局变量c16TimeH，c16TimeL 的值。

其程序流程框如图（7）：

图（7）

3 元件说明及相关计算

3.1 元件说明:

电动机：

选择电动机参数：

额定电压：6V 额定转速：6000rpm 减速比：1：46.7

空载转速：128rpm 10ms/转

单片机选择：

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

主要性能参数：

·与MCS-51产品指令和引脚完全兼容·8k字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写周期

·全静态操作：0Hz－24MHz ·三级加密程序存储器·256×8字节内部RAM ·32个可编程I／O口线·3个16位定时／计数器·8个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式

功能特性概述：

AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I／O口线，3个16位定时／计数器，一个6向量两级中断结构，一