基于单片机的直流电机调速系统设计论文

基于单片机的直流电机调速系统设计

摘要：本文设计的是基于单片机的直流电机调速系统设计，本系统设计以AT89C52单片机为核心，分成两个模块，一是直流电机控制系统：此系统采用PWM使直流电机以5个弹跳按钮作为输入达到控制直流电机的停止、加速、减速、正转、反转；另一个是转速显示系统：此系统主要实现对转速的计数，并用LED 数码管将其结果显示。其中采用采用PWM可以较为简单的对直流电机转速的控制；LED数码管可以准确的将转数显示出来，在实际应用中很方便。

关键词：AT89C52单片机；PWM；直流电机调速；LED显示

0. 前言

直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。

随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

1. 总体方案设计

89S52单片机为核心的直流电机控制系统控制简图如图1所示，由软件转换成PWM 信号，并由P.0、P1.1输出，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用定时中断进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮后，根据P1.0为高电平实现电机正转，P1.1为高电平时实现电机反转。根据不同的加减速按钮，调整P1.0/ P1.1输出高低电平时的预定值，从而可以控制P1.0/ P1.1输出高低电平时的占空比，进而控制电压的大小。控制程序应用于电机的加减速。

在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在40Hz 以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz 以下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz 时效果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过 P1.0输入高电平信号P1.1输入低电平与P1.0输入低电平P1.1输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对直流电机进行调节。

2.

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输

出与转速相应的PWM 脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，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。电动机的运转状态通过数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F ”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”。

图1整体电路图

2.1 单片机最小系统的设计

单片机最小系统：所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。

2.1.1 单片机AT89S52

AT89S52 8位单片机是MSC-51?系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51?设计结构后，利用自身优势技术——（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如51F020等高性能单片机。

AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装。

DIP-40封装89S52引脚图如图2所示。

图2 DIP-40封装89S52引脚图

2.1.2 复位电路及时钟电路

复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位，如图3，图4所示。

图3上电复位图4手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。

高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。

最小系统如图5所示。

图5 最小系统

2.2 PWM驱动模块的电路设计

电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。

PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。

在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若复合管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了TLP521-2光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。

输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。

在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。

脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，当电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过P10输入高电平信号，P11输入低电平，电机正转；通过P10输入低电平信号，P11输入高电平，电机反转；P10、P11同时为高电平或低电平时，电机不转。

通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。

图6 驱动电路

2.3 显示模块设计

在本设计课题中采用的是7段4位共阳极LED数码管，它的引脚图如图7所示。

图7 7段4位共阳极LED数码管引脚图

7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，7段数码管分共阴和共阳两种显示方式，本设计中采用共阳极显示器。共阳极显示器的发光二极管的阳极连接在一起，当公共阳极接电源+5V时，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。通常将控制发光二极管发光的8位字节数据编码称为LED显示的段选码，要构成多位LED显示时，除需要段选线外，还需要位选线，以确定段选码对应的显示位，位选线控制第几个LED显示。段选线控制显示字形。8个阴极分别与8个限流电阻相连，在接到相应的电路中(发光二极管的工作电流选取在10-20ma，限流电阻太大，数码管会太亮),其连接图如图8所示。

图8 7段共阳极LED连接图

2.4 键盘电路设计

正反转，加速，减速，停止，启动五个开关分别与单片机的P1.2，P1.3，P1.4，P1.5，P1.6相连，然后再与地相连。

图10 按键电路

3. 系统的软件设计

本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和数码管显示等部分的设计。

①PWM脉宽控制：本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如下：

/*****************延时函数*************************/

delays()

{

uchar i;

for(i=5000;i>0;i--);

}

②键盘中断处理子程序：采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。

要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加/减少一定的占空比。

③显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8位，分别存放各个数码管要显示的值。

④定时中断处理程序：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B1E0H可定时20ms，即系统时钟精度可达0.02s。当20ms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，并对全局变量time加1，这样，通过变量time可计算出系统的运行时间。

4. 系统调试与分析

系统的硬件、软件独调和系统调试是系统最后的步骤也是系统特别重要的环节，因为设计和开发出的系统是否成功，功能是否完善只有在这里才能显现出来。所以为了保证设计系统能够正常工作，必须对软件和硬件部分的每一个部分进行调试和分析。本章详细的介绍了软件调试和软硬联调的过程，并对调试结果进行了介绍和分析。

4.1 软件调试

本次设计采用的是keil仿真器进行软件调试，此系统可以开发应用软件，以及对硬件电路进行诊断、调试等。它的具体功能是可以进行CPU仿真，可以单步、跟踪、断点和全速运行，而且，程序的编译过程中，可以对设计软件进行自诊断，并自动给出故障原因。同时用户调试程序时，可以通过窗口观察寄存器的工作状况，以便及时发现和排除编程中可能出现的错误。

软件的调试是利用keil软件，模块化调试，通过观察存储单元数据的变化，查找并解决程序的语法和逻辑错误，具体的调试步骤如下：

1. 把系统的各个模块在仿真软件中逐个调试，如信号灯模块、显示模块等。

2. 对各个需要赋值模块调试时，赋入初值，单步调试，观察数据窗口，看输出结果是否为设计时想要的结果。

3. 把各个模块组合起来，全速运行，看程序是否能流畅的，是否能实现设计的系统的所有功能。

5. 结论及进一步设想

该课题的主要任务是设计一个以89C52单片机为核心的直流电机调速系统。通过联调，实验验证了系统的可行，能满足设计要求，达到设计的指标，最后实现了对转速的控制和LED显示转速。这个开发过程主要包括了硬件电路仿真设计和软件编程两个部分。从确定课设题目，到查阅质料确定总体方案设计，硬件电路仿真的设计，硬件电路的优化，软件的设计，软件的优化，检验仿真电路，调试软件程序，到最后的软硬件联调，其中的每一个过程都是精心设计、仔细完成的。

参考文献

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现代化，2009，Vol.16，NO.6：74.

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课设体会

经过两个礼拜的努力，本次课设已经接近尾声，通过此次课程设计的训练，我深刻的体会到单片机技术是一门工程特点和实践性很强的学科。刚刚拿到题目

时我觉得很难，根本无从下手，但是经过老师的指导以及多方面查询资料，我终于得出了方案，完成了这次课程设计。

这次课程设计给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对仪器的设计、调试，再到最后的成型，都对我所学的知识进行了检验。不仅使学过的知识得到了巩固与复习，同时也锻炼了我们使用仪器和计算机辅助软件的技能。但更重要的是把理论知识与实际联系在了一起，加强了思考问题的的完整性和可行性，锻炼了我的思考能力和动手能力。使学习变成了一种乐趣，使知识形象具体地被掌握。同时也为作好毕业设计做好准备工作。

在这里首先要感谢我的老师。老师平日里工作繁多，但在我做课程设计的时期，一直关心我的论文进展，从设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我很大的关心。

[2011年7月22日完成]

附录Ⅰ元件清单

附录Ⅱ总体电路图

附录Ⅲ源程序#include

#define unchar unsigned char

#define unint unsigned int

unsigned char code dispcode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,

0x99,0x92,0x82,0xf8,

0x80,0x90,0x88,0x83,

0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf}; //显示代码

unsigned char dispbitcode[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7}; //位选口unsigned char dispbuf[4]={0,0,0,0};

unsigned char dispbitcnt;

unint mstcnt;

unint i;

unint count=0;

unchar tp=0;

void ledshow();

void keyscan();

void delay();

void just();

void turn();

void motorstop();

void speedup();

void speeddown();

void main(void)

{

P3_0=1;

P3_1=0;

dispbuf[0]=16;

TMOD=0x02;

TH0=0x06;

TL0=0x06;

TR0=1;

ET0=1;

EA=1;

while(1)

{

ledshow();//数码管显示

keyscan();//键盘扫描

}

}

//延时10ms程序

void delay()

{

unsigned char i,j;

for(i=20;i>0;i--)

for(j=248;j>0;j--);

}

//键盘扫描程序

void keyscan()

{

unchar temp=0;

P1=0xff;

if((P1&0x1f)!=0x1f)

{

delay();

if((P1&0x1f)!=0x1f)

{

temp=P1&0x1f;

switch(temp)

{

case 0x1e:

just();break;

case 0x1d:

turn();break;

case 0x1b:

motorstop();break;

case 0x17:

speedup();break;

case 0x0f:

speeddown();break;

}

}

}

while((P1&0x1f)!=0x1f);

}

//数码管显示程序

void ledshow()

{

/*

P0=dispcode[dispbuf[dispbitcnt]];

P2=dispbitcode[dispbitcnt]; dispbitcnt++;

if(dispbitcnt==4)

{

dispbitcnt=0;

}

*/

P2=0x01;P0=dispcode[dispbuf[0]];

for(i=0;i<700;i++);

P2=0x02;P0=dispcode[dispbuf[1]]; for(i=0;i<700;i++);

P2=0x04;P0=dispcode[dispbuf[2]]; for(i=0;i<700;i++);

P2=0x08;P0=dispcode[dispbuf[3]]; for(i=0;i<700;i++);

dispbuf[1]=tp/100;

dispbuf[2]=(tp%100)/10;

dispbuf[3]=tp%10;

}

//中断服务程序

void t0(void) interrupt 1 using 0 {

/*

mstcnt++;

if(mstcnt==8)

{

mstcnt=0;

P0=dispcode[dispbuf[dispbitcnt]]; P2=dispbitcode[dispbitcnt]; dispbitcnt++;

if(dispbitcnt==4)

{

dispbitcnt=0;

}

}

*/

if(count>100)

count=0;

if(count>tp)

P3_7=0;

else P3_7=1;

count++;

}

void just()

{

P3_0=1;

P3_1=0;

dispbuf[0]=16; }

void turn()

{

P3_0=0;

P3_1=1;

dispbuf[0]=17; }

void motorstop() {

tp=0;

}

void speedup() {

if(tp>99)

tp=100;

else tp++;

}

void speeddown() {

if(tp<1)

tp=0;

else tp--;

}