基于单片机的直流电机PMW调速系统设计.doc

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1、本科毕业论文（设计）题目 基于单片机的直流电机PMW调速系统设计学 院 理工学院 专 业 电子信息工程 年 级 2010 级 学 号 2010114050 姓 名 陈倩倩 指 导 教 师 周银福 成 绩 2014年4月22日目 录摘要1关键词1Abstract1Keywords:11 引言21.1 背景意义21.2 本设计任务22 总体设计方案22.1 方案一：PWM调速22.2 方案二：晶闸管调速33 单元模块设计43.1 H桥驱动电路设计方案43.2 调速原理63.3 系统硬件电路设计73.3.1 STC89C5273.3.2 H桥驱动电路93.3.3基于霍尔传感器的测速模块101霍尔传感

2、器的工作原理103.3.4显示模块方案113.3.5按键功能133.4 调速设计模块133.4.1 PWM波软件软件设计133.4.2 系统设计总框架图144 系统功能调试154.1 调试软件介绍154.2 系统原理图164.3 主程序流程图16总 结18参考文献19致 谢20附录 程序清单21西南大学育才学院2014届电子信息工程专业本科毕业设计基于单片机的直流电机PMW调速系统设计摘要：本文介绍一种基于STC89C52单片机控制的PMW直流电机脉宽调速系统。系统以廉价的STC89C52单片机为控制核心，以直流电机为控制对象，电机的转速可通过按键进行调整 。利用单片机作为控制核心设计直流电机

3、的调速系统，解决以往复杂的模拟电路设计问题，增加对直流电机速度的可控性，提高调速系统的精度，且成本低廉，具有很好的使用价值。关键词：直流电机 PMW脉宽调速 STC89C52Abstract: this paper introduces a pulse width PMW based on STC89C52 single chip microcomputer control dc motor speed control system. System with cheap STC89C52 as the control core, dc motors as control object. the

4、 speed of the motor cocoa through buttons to increase or decrease. Using single chip microcomputer as control core design of a dc motor speed control system, solve the complex problem of analog circuit design, increase of the dc motor speed control, improve the accuracy of speed control system, and

5、low cost, has the very good use value.Keywords: dc motor, PMWpulse width speed regulation, STC89C52第 26 页 共 27 页1 引言1.1 背景意义在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机、工业设备等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高

6、。与交流调速相比，直流电机结构简单，生产成本低，维护工作量小。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、包装机械、印制电路板设备、医疗设备、通讯设备、雷达设备、等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速直流传动取代交流传动将成为历史的必然。尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名电子信息工程专业的大学生都会产生积极地作用。1.2 本设计任务任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速

7、控制系统，设计的主要内容以及技术参数：1) 直流电机的启动、停止；2) 直流电机的正转、反转；3) 直流电机的加速、减速；4) 直流电机的转速在数码管上显示。2 总体设计方案2.1 方案一：PWM调速采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图2.1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H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。我们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

8、。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。图2.1 PWM调速电路显示器其结构图如图2.2所示：单片机速度采集电路电机键 盘电机驱动电路图2.2 电机调速系统框图2.2 方案二：晶闸管调速采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图3，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济

9、性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压

10、波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。图2.3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案一。3 单元模块设计3.1 H桥驱动电路设计方案图3.1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图3.1H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3.2所示，当左端

11、加低电平，右端加高电平时，Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右流过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 图3.2 H桥驱动电机顺时针转动图3.3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图3.3 H桥驱动电机逆时针转动3.2 调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同的励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：n=U/Ccf-IR内/CrCcf 。其中：U电压; R内励磁绕组本

12、身的电阻；f每极磁通（Wb）；Cc电势常数; Cr转矩常量；I-负载电流。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。电枢控制是在励 磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制（PMW）应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占

13、空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PMW又被称为“开关驱动装置”。图3.4电枢电压占空比图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为：VD=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。3.3 系统硬件电路设计 3.3.1 STC89C52 STC89C52是美国Atmel公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（

14、I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。主要功能特性：兼容MCS51指令系统。8k可反复擦写(1000次)Flash ROM，32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，时钟频率0-24MHz，可编程UART串行通道。3个16位可编程定时/计数器中断，2个串行中断，2个外部中断源，共6个中断源，2个读写中断口线。其引脚排列图如下图3.5：图3.5 STC89C52的引脚排列引脚功能如下：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个T

15、TL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口

16、拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上位电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1所示。RST：复位输入 。当

17、振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编

18、程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。表3.1 P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通） XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.3.2 H桥驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路直流电机控制使用H桥驱动电路如图3.7，当

19、PWM1为低电平,PWM2为高电平时，使三极管Q1、Q6同时导通Q2、Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM1为高电平,PWM2为高电平时，使三极管Q2、Q5同时导通Q1、Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。图3.6 H桥的电机驱动电路3.3.3基于霍尔传感器的测速模块1霍尔传感器的工作原理 霍尔效应：在一块半导体薄片上，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势EH，即EH=KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导

20、体薄片就是霍尔元件。 工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压EH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度VNT。2霍尔传感器的电路原理图霍尔效应：EH=KHIB 其中KH是系数，I是电流，B是磁感应强度。当电机转动时，有磁铁一端转到霍尔器件时，电压就会改变，而产生一个脉冲送入单片机。图3.7霍尔传感器的测速电路3.3.4显示模块方案方案一： 选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864

21、是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二：采用四个LED发光二极管显示，其成本低，简单明了，容易显示控制。综合以上方案，我们选择了经济实惠LED来作为速度级别显示。3.8LED原理图3.3.5按键功能3.9按键框架图按键部分，有5个按键，按钮如上图所示：S3键是正转按钮，S4键是反转按钮，S5键是加速按钮，S6键是减速按钮，S7键停止按钮。3.4 调速设计模块3.4.1 PWM波软件软件设计在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变

22、直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。图3.10PWM方波设方波周期T=20ms，由计时器T0 来实现。定时时间：t=NTcy fosc=12NHz Tcy=1us计数值为：N=t/Tcy=20ms/1us=20000t1脉冲先设初始值为10ms，则根据公式可得N=10000。通过按键来改变t1的值，如按加速键时，t1由10000变为11000，按减速键时，t1由原来的10000变为9000，这样就改变了占空比。3.4.2 系统设计总框架图：本系统采用89C52控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PW

23、M信号，送到直流电机，直流电机驱动装于电机轴上的码盘来对电机转动的转数进行测量。图3.11系统设计总框架图通过按键电路，信号输入进单片机，然后从单片机通过驱动电路使电机转动，电机有磁铁一段转到霍尔器件时，电压改变而产生信号又送入单片机，单电机再把信号通过数码管驱动电路，最终使得数值在数码管上显示。4 系统功能调试4.1 调试软件介绍Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16

24、个电源-地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，Protel99se主要包含6个功能模块：电路工程设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。存储器和特殊功能寄存器的存取、中断功能、灵活的指针KeilC52软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC52生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEIL C52编译器由uVision2集成开发环境与编辑器和调试器以及C52

25、编译器组成。其中uVision2集成开发环境中的工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的;编辑器和调试器包括源代码编辑器、断点设置、调试函数语言、变量和存储器。Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路

26、的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用

27、系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。当电路设计完成之后，为了减少在电路板上调试时的难度，保证电路设计的正确性，将Keil c52编译生成的*.HEX 文件载入Proteus软件，实现电路仿真。4.2 系统原理图图4.1直流电机的调试功能仿真如下图1、正转时，电机正转，数码管最高位显示上“口”,其它三位先所给定频率。2、反转时，电机反转，数码管最高位显示下“口”,其它三位先所给定频率。4.3 主程序流程图-开始按键是否按下系统化初始化按键正转反转加速 减速 加速 减速读取键值显示器数值增大显示器数值减少显示器数值增大显示器数值减少按停止键停机程序图4.2主程序流程图总 结采用单片机技术来实

28、现直流电机的调速，则直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高，因而具有较宽的应用范围和广阔的应用的前景。通过这次毕业设计，我深深懂得了要不断把所学知识学以致用，也发现了自己的知识薄弱，还需通过自身不断努力，不断提高自己的分析问题、解决问题的能力，同时也提高了我的专业技能，拓展了我的专业知识面，使我更加体会到要想完成一件事必须认真、踏实、勤于思考、和谨慎稳重。参考文献1 傅丰林模拟电子线路基础 M. 西安：西安电子科技大学出版社，2001.1.2 江志红51单片机技术与应用系统开发案列精选 M. 北京：

29、清华大学出版社，2008.12.3 王选民 智能仪器原理及设计 M. 北京:清华大学出版社，2008.7.4 文东 孙鹏飞 C语言程序设计 M. 北京：中国人民大学出版社，2009.2.5 杨加国 单片机原理与应用及C52程序设计 M. 北京：清华大学出版社，2008.3.6 王晓明，电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社，2002.7先锋工作室.单片机程序设计实例M.清华大学出版社，2003.8黄坚，自动控制原理及其应用M.高等教育出版社，2004.9康华光，陈大钦.模拟电子电路M.高等教育出版社，2004.10李华.MCS-51系列单片机实用接口技术M.北京航空航天大学出版社，200

30、1.致 谢这次毕业设计，凝结了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢周老师对我的悉心指导，在毕业设计期间周老师指导我，帮助我清理设计思路 ，完善操作方法，并对我所做的设计提出有效的改进方案。老师渊博的知识、严谨的作风、诲人不倦的态度和学术上精益求精的精神让我受益终生。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，想要完成这个设计是难 以 想 象 的。因 此 ，特 别 需 要 感 谢 周 银 福 老 师 给予 的 耐 心 细 致 的 指 导 ，在 此 ，再一次向周银福教师以及关心帮助我的教师

31、同学表示最诚挚的谢意！ 其次，学校在这方面也给我们提供了很大的支持和帮助，学校领导比较重视，每个设计小组配有专门的指导老师，帮助我们能顺利完成整个设计。对于学校和老师为我的毕业设计所提供的极大帮助和关心，在此我致以衷心的感谢！ 最后，还要感谢同学四年来对我的关心与支持，感谢各位老师在学习期间对我的严格要求。同时也要感谢身边朋友的热心帮助，没有你们的关心与支持，我不可能这么快完成我的毕业设计！这几个月的岁月是我学生生涯中最有价值的一段时光，也将会成为我以后永远的美好的回忆，在这里有治学严谨而不失亲切的老 师，也 有 互 相 帮 助 情 同 骨 肉 的 同 学 ，更 有 和 谐 、融 洽 的 学

32、习 生 活 氛 围，这 里 将 是我永远向往的地方。借此论文之际，我想向所有人表达我的最诚挚的谢意，愿我们将来都越来越好。附录 程序清单#include #include #include /* /*自定义变量*/#define uint unsigned int /自定义变量#define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw;uchar j; /定时次数，每次20msuchar f=5; /计数的次数sbit P10=P10; /PWM输出波形1sbit P11=P11; /PWM输出波形2sbit P12=P12; /正反转sbit P13=P13;

33、/加速sbit P14=P14; /减速sbit P15=P15; /停止sbit P16=P16; /启动uchar k;uchar t; /脉冲加减/*/*/*控制位定义*/uchar code smg12=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71;/程序存储区定义字型码表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x01; /位码uint x; /数码管显示的数值display(); /数码管显示 delays(); /延时函数key();displays();/*/*主函数*/main (v

34、oid) TMOD=0x51; /T0方式1 定时计数T1方式1计数TH0=0xb1; /装入初值 20MSTL0=0xe0;TH1=0x00; / 计数567TL1=0x00;TR0=1; /启动 t0TR1=1; /启动t1gw=sw=bw=qw=0; /数码管初始化P0=0xc0;P2=1;while(1) /无限循环 display(); /数码管显示 key(); /*/*数码管显示*/display()uchar i; gw=x%10; /求速度个位值，送到个位显示缓冲区sw=(x/10)%10; /求速度十位值，送到十位显示缓冲区bw=(x/100)%10; /求速度百位值，送到百位显示缓冲区qw=x/1000; /求速度千位值，送到千位显示缓冲区for(i=0;i0;i-);/*/*t0定时*中断函数*/void t0() interrupt 1 using 2TH0=0xb1; /重装t0TL0=0xe0;f-;if(k=0) if(ft) P10=1; else P10=0; P11=0; else if(f=5)t=5;if(P14=0) /减速while(P14=0);t-;if(t1)t=1;if(P15=0) /停止while(P15=0);EA=0;P10=0;P11=0;