单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》

1、 单片机原理及 应用课程设计报告 设计题目: 院: 业: 级: 号: 学生姓名: 指导教师: 耳录 设计题目：PWM 直流电机调速系统 本文设计的 PW 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

2、，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；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 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 PWMK，通过按键改变 PW 仙空比，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

3、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。 PW 碉速控制装 （5） *测量并在 LED 显 示器一 上显示电动机转速（rpm）. （6） 实现数字 PID 调速功能。 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 PW 碉速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率 GTF 为 开关器件

4、、H 桥单极式电路为功率放大电路的结构。PW 碉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，OUT、OUT2和 O

5、UT3 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 8 位，片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存 储器（），器件采用的高密度、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

6、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 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

7、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 PW 碉速技术。 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

8、PWN 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。米用了定频调宽方式， 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 转速设定值 偏差 转速输岀 调 驱 直 以下是直流电机调速 3 种控制方式选择: 直流电机速度控制方案 图 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

9、正反转, 通过一个非门实现。对应的 0UT1 和 0UT2 俞出接在直流电机两端。如图（4）所示。 图（4） 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，送出预设占空比的波形。 PWM脉冲宽度调制）是一系列 周期

10、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。 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。 _ 驱动 LED 数码管 AT89C51 iT 单片机 显示单元 直流 I,. . 上1 丨 % 上位机 测速 按 直流电机控制系统总体框图 软件主要由 3 部分组成：主程序、键盘扫

11、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 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，可产生最高约为的延时。对定时器置 初值0 xFF9C 可定时 100us。当 1OOus 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+c16Ti

12、meL）,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 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: 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?8M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-

13、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？256X 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 UART1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 Fla

14、sh 闪速存储器， 256 字节内部 RAM 32 个 I /0 口线，3 个 16 位定时/计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通 信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52 可降至 OHz 的静态逻辑操作，并支持两 种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 勺工作，但允许 RAM 定时/计数器， 串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并 禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 L298 电机驱动： L298 是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标 准 TTL 逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、

15、线圈、 DC 和步进电机）。L298 提供两 个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用 L298 器件。 LED 显示屏 PROTEUS：计与仿真平台 相关计算： 在程序中通过软件产生，送出预设占空比的波形。 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。 设 PWM3 期为 T，高电 平时间为 TH,低电平时间为 TL，电压为 VCC 则输出电压的平均值为：UAV =VCC*TH/ （TH+TL =VCC*TH/T=aVCC 当 VCC 固定时，其值取决于波形的

16、占空比 a,而的占空比 由单片机软件内部用于控制输出的寄存器值决定。 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。 4 调试过程 调试过程： 1、 初始状态，未调试之前，仿真图如下图（8）。 图（8） 2、 启动仿真后，手动控制。在键盘上设置两个按键 -

17、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。 LED 显示屏 上显示电机转速的设定值和电机转速实际值。如下图（9）图（10）图（11）所示。 图（9）启动仿真后 图（10）加速调节电机转速 图（11）减速调节电机转速 3、 示波器显示 PWM 方波，状态（电机高速挡反转），显示如下图（12） 图（12） 4、 示波器显示 PWM 方波，状态（电机高速挡反转），显示如下图（13） 图（13） 5、 电机实际转速获取： 在 Proteus 中只有一种直流电机集成了测速传感器，在搜索栏里搜索 motor-encoder，即可得到这种电机模型。本设计中

18、设置电机转一圈发出 60 个脉冲 根据实际运转情况及结合所编写程序，确定转速公式为： V=N*15; V:速度 R/mi n N:每秒采样的脉冲个数 如右图所示，为带测速功能的直流电机 模型 遇到问题及解决措施： 问题一：打开仿真软件读取程序时出现如下图 所示的黄色条幅？ 当你在测量时仿真必须停止。也就是 说，你想用探针等工具测量参数时，要停止仿 真，即，在非仿真状态下，先放好探针等工具，再仿真。 问题二：运行程序时，仿真软件底部出现如下图黄色字符？ 经过上网查阅资料，给出的答案是电路中 GND 网络中存在逻辑竞争冲突，检查 一下每个接地点是否存在接线错误。或者是 逻争征用，是程序里边那里赋值

19、有误。 问题三：部分源程序不懂，无法进行仿真， 直流电机调速 3 种控制方式选择？ 通过上网查阅资料和图书馆借阅图书得到的资料，程序得到了完善基本上达到 了设计目的。实现通过单片机对直流电机的控制，通过合理的设备选型、参数设置和 软件设计，提高了直流电机调速运行的可靠性。直流电机调速方式的选择详见。 5 心得体会 经过十天的学习，工作中，通过查阅相关资料了解了 PWMft流电机调速系统，加 深了对直流电机调速控制系统的认识，熟悉了单片机在控制系统中的运用。并且在所 学知识的基础上，禾 I用已有的直流调速系统设计，尝试了自己的一些研究。并且，使 我将原来所学的知识系统化，理论化，实用化。对如何使

20、用已有知识及获取相关资料 方面的能力又有了提高。 过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断 领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知 行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师、同学 们的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和实践过程中，一定要不懈努力，不 能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只 有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退， 那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可 ！ 这次的课程设计给我很

21、多专业知识以及专业技能上的提升，同时，设计让我感触 很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的 识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了（ PID 仿真 ISSI ）的连线方法；以及如何提 高电路的性能等等，掌握部分程序的编写和仿真，通过查询资料，也了解 PWI 直流电 机调速了系统。 参考文献 1 李广弟等单片机基础M.，2001. 2 等.M. ，2009. 3 陈海宴.M. ，2010. 4 等.单片机技术基础M.，2007. 钟富昭等.典型模块设计与应用M.，2007. 6李平等.单片机入门与开发M.机械工业出版社，2008. 7 陈伯石.电力拖动自动控

22、制系统M.北京：机械工业出版社，2003. 8 钟富昭.8051 单片机典型模块设计与应用M.北京：人民邮电出版社，2007 9 张靖武.单片机系统的 PROTEUS：计与仿真M.北京：电子工业出版社，2007 10 杨恢先.单片机原理及应用M.北京：人民邮电出版社，2006 11 孟庆涛.图解电子控制电路M.北京：人民邮电出版社，2006 12 谢维成.单片机原理与应用及 C51 程序设计M.北京：清华大学出版社，2006 13 周润景.基于 PROTEUS 勺电路及单片机系统设计与仿真M.北京：北京航空航天 出版社，2006 14 李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京：北京航空航天出版社

23、，2004 15 杜坤梅.电机控制技术M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002 16 李广第.单片机基础（修订版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2001 17 陈光东.单片微型计算机原理与接口技术（第二版）M.武昌：华中科技大学出 版社，1999 18 何耀三.电气传动的微机控制M.重庆：重庆大学出版社，1997 19 薛钧义.MCS-51/96 系列单片微型计算机及其应用M.西安：西安交通大学出版 社，1997 20 陈志强胡辉.单片机应用系统设计实践指南自编教材 附录一：电路原理图 附录二：程序清单 #in clude #in clude #defi ne uchar un sig

24、ned char #defi ne uint un sig ned int #define THC0 0 xf9 #define TLC0 0 x0f /2ms un sig ned char code Duan =0 x3F, 0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F; 共阴极数码管，0-9 段码表 unsigned char Data_Buffer8=0,0,0,0,0,0,0,0; / 显示缓冲 uchar i=0; sbit AddSpeed=P1A1; sbit SubSpeed=P1A2; sbit PWM_FC=P

25、1A0; int e ,e1 ,e2 ;/pid 偏差 float uk ,uk1 ,duk ;/pid 输出值 float Kp=10,Ki=12,Kd=;/pid 控制系数 10,12, int out=0; uint SpeedSet=380; uint cn t=0; ui nt In pluse=0, nu m=0; 脉冲计数 uint PWMTime=100; 脉冲宽度 un sig ned char arry; void Sen dStri ng(uint ch); void PIDCo ntrol(); void SystemI nit(); void delay(uchar

26、x); void PWMOUT(); void SetSpeed(); void SegRefre(); void mai n() SystemI ni t(); while(1) SetSpeed(); /按键设定速度 SegRefre(); /数码管显示刷新 PWMOUT(); / 输出 PWM void PIDCo ntrol() /pid 偏差计算 e=SpeedSet-num; /误差=设定值-1s 采集的脉冲值 duk=(Kp*(e-e1)+Ki*e+Kd*(e-2*e1+e2)/50; / 增量式 PID 公式 /50 是对 duk 进行缩小处理 uk=uk1+duk; out=(i nt)uk; / if(out1000) out=1000; else if(out0;i-)