基于单片机AT89S52控制直流电机调速系统设计与仿真

学校代码：11517学号：HENANINSTITUTEOFENGINEERING毕业设计题目单片机控制直流调速系统设计与仿真学生姓名专业班级学号系〔部〕指导教师(职称)完成时间2023年06月10日河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者局部的阅览效劳；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的局部或全部内容用于学术活动。论文作者签名：年月日河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出奉献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承当。论文作者签名：年月日河南工程学院毕业设计〔论文〕任务书题目单片机控制直流调速系统设计与仿真专业学号姓名一、主要内容：要求以单片机为核心，采用PWM技术对电动机进行转速控制。通过调整PWM信号的占空比，控制直流电动机的电枢电压而到达调节转速的目的。要求实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，并用LED显示电机转速。完成相应的硬件电路设计及软件设计，编写源程序代码，利用PROTEUS软件进行仿真和调试。二、根本要求：〔1〕对直流调速控制电路进行设计来实现对速度的控制、检测、显示；〔2〕画出步进电机控制系统的硬件电路设计图和模块程序流程图；〔3〕编写源程序代码利用PROTEUS软件进行仿真和调试。三、主要参考文献：[1]翁嘉民.单片机应用开发技术[M].北京:中国电力出版社,2023:12-36[2]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2023:45-56[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2007:33-36[4]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2023:10-13[5]孙明迪.直流双极式可逆PWM调速系统设计[M].北京:高等教育出版社,2023:99-123完成期限：指导教师签名：专业负责人签名：年月日目录TOC\o"1-3"\h\u3123摘要I6685ABSTRACTII29311绪论1299251.1选题背景及意义151531.2单片机控制系统的开展2102101.3直流电机调速原理3193731.4系统方案确定5268372PWM脉宽调制6181022.1PWM调速原理6246262.2PWM调速方法6165952.3PWM实现方式711253硬件设计88283.1单片机选型8318033.1.1单片机AT89S52的根本组成8312683.1.2单片机AT89S52的引脚说明8106023.2驱动电路9137033.2.1L298内部的原理图10175553.2.2L298的引脚说明12147703.2.3L298功能表12323173.3键盘设计13258163.3.1键盘的功能及分类13298313.3.2独立式键盘1467583.4数码管设计1429943.4.1LED简介············································································································14107533.4.2LED七段数码管的结构14265443.4.3LED数码管和单片机的连接163.5光电编码器·············································································································18223414软件设计19305424.1主程序19206814.2定时器中断程序19178634.3LED数码管显示2161294.4独立式键盘控制21117005设计仿真23103855.1设计接线图23262275.1.1按键连接图2344495.1.2L298与单片机、电机连接图23184885.1.3LED与单片机连接图24145905.2系统仿真图24128555.2.1电机正转····254095.2.2电机反转26187495.2.2电机停止运转2723591结束语281112致谢2919873参考文献3015907附录31单片机控制直流调速系统设计与仿真摘要随着现代社会的开展，电机在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，而控制电机的转速愈发的凸显其重要性。PWM控制方法因其相比传统调速方法的优越性，成为了调速的新方式。本文主要研究了基于单片机AT89S52进行小型直流电机PWM调速系统的设计，并用Proteus进行仿真。文中介绍了直流电机控制方法的开展，脉宽调制的原理，AT89S52的详细参数，LED数码管的显示方法，L298驱动电路的使用，利用程序的方法如何输出PWM信号进行占空比调节等。AT89S52单片机与L298驱动模块的使用，能够降低系统本钱，简化系统构成，易于PC连接进行系统升级，能够满足更多场合的使用要求。本设计将实现电机的正转、反转、换向、停止等的控制，并在LED数码管上实时显示占空比和转速。关键词AT89S52/L298/PWM/占空比TheDesignOfDirectCurrentMotorSpeedRegulation

SystemBasedOnSCMABSTRACTWiththedevelopmentofmodernsociety,themotorinpeople'sdailylifeplaysanincreasinglyimportantroletocontrolthemotorspeed,themorehighlightitsimportance.PWMcontrolmethodbecauseofitssuperioritycomparedtotraditionalspeedcontrolmethod,hasbecomethenewwayofthegovernor.ThispaperstudiesthedesignofPWMDCmotorspeedcontrolsystembasedonMCUAT89S52,andProteussimulation.ThispaperdescribesthedevelopmentoftheDCmotorcontrolmethod,thepulsewidthmodulationprinciple,AT89S52ofparameters,LEDdigitaltubedisplaymethodtheL298drivercircuituse,theuseoftheprogramhowtooutputPWMsignaldutycycleadjustment.AT89S52microcontrollerandtheL298drivermoduleforuse,canreducesystemcosts,simplifythesystemstructure,easyPCconnectionforsystemupgradestomeettherequirementsofmoreoccasions.Thisdesignwillachievethemotorforward,reverse,commutation,stopcontrol,andreal.timedisplayLEDdigitaltubedutycycleandthespeed.KEYWORDSAT89S52,L298,PWM,DUTYCYCLE1绪论1.1选题背景及意义直流调速系统最初的时候，通过保持直流电源电压向的恒定，向直流机电枢供电，在电枢回路中的串入电阻，改变电阻阻值来实现调速。虽然这种方法简便易行，价格廉价，设备制造容易，但缺点是机械特性软，效率低，没有较宽范围内平滑调速的能力，所以目前根本不采用[1]。上世纪三十年代末，创造了发电机.电动机调速系统，由电机扩大机、磁放大器、闸流管等控制器件组成，可得到较宽的调速范围，优良的调速性能，较小的转速变化率，能实现调速平滑。由于电动机轴上存在飞轮惯量，当电动机减速时，可以通过发电机将剩下的电能反应回电网[2]。因此即可减少能量的损耗，提高效率，又能得到平滑的制动特性。但是发电机.电动机调速系统的主要缺点是，需要增加与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。随后汞弧变流器的出现，使调速性能指标得到了进一步提高，由此代替上述发电机.电动机调速系统系统。相比发电机.电动机系统，汞弧变流器调速系统的快速响应性得到极大的提升。但是汞弧变流器需要用到水银蒸汽，维修时会对维护人员会造成一定的危害等，因此，限制了它的应用。世界上第一只晶闸管在1957年问世，晶闸管从设计到用料，决定其具有许多独特的优越性，相比其它变流元件，具有响应快、体积小、工作可靠等优点[4]。以晶闸管为主设计的调速系统，不仅在经济指标上使直流调速系统得到提高，而且在可靠性和技术指标上也显示出比汞弧变流器调速系统很大的优越性。20世纪80年代中后期，由于晶闸管整流装置得到成熟开展，促进直流电气传动完成了一次大的跃进，随即取代了水银整流装置及直流发电机.电动机组。同一时期，控制电路也得到快速开展，实现了电路小型化、可靠性高及高度集成化。至此，直流调速系统应用范围越来越大，性能指标越来越高，直流调速技术不断开展，都是得益于晶闸管整流技术的应用[5]。直流电动机具有良好的特性，比方起动、制动性能好，能在大范围内平滑调速，因此在许多电力拖动领域，直流电动机的调速性能好及快速正反向的能力得到了广泛的应用。而电动机的控制方法也随着计算机的开展，新型电力电子器件的不断更新以及微电子技术的进步，如采用计算机，微处理器，DSP控制器等，由模拟系统变为数字控制系统，使电动机控制更为现代，得到了根本上的变化。其中，在经历了几次的更新换代以后，全控型功率器件得到广泛应用，电力电子器件MOSFET和IGBT的开关速度更快，控制更简便，更加适合作为电动机的驱动局部的功率器件。在交流调速系统和直流调速系统中，以全控型功率器件为根底的脉宽调制变频技术，得到了广泛应用。通过改变电枢回路电阻调速，弱磁调速等技术对于现在的直流电机，已远远不能满足要求，更加复杂的生产过程对电机调速性能要求更高，这时单片机技术的参加，通过PWM方式控制直流电机调速，因为具有高可靠性，高度智能，符合现代生产的需求，因此成为以后调速技术的开展趋势。直流电机已经深入人们的生活，在方方面面都有涉及，因此，研究本设计具有十分重要的意义。在家庭方面，电风扇，刮胡刀，洗衣机，空调；工业方面，汽车，机器人，起重机，切割机；军事方面，火箭，高射炮，雷达，卫星；办公方面，电脑，打印机，投影仪，；等等方面，都需要直流电机的参与。最近一段时间以来，虽然高性能交流调速系统开展有了长足的进步，并且有了要取代直流调速系统的趋势，但是直流调速系统不仅在理论上成熟，而且在实践上开展出了各种各样的变化，十分适应现在的开展需求，目前应用范围还十分广泛。1.2单片机控制系统的开展世界计算机开展史以单片机的诞生为一个新的里程碑。作为单芯片嵌入式系统的核心，单片机具有多功能，高速，多项选择择，低价格，低功耗，强大的I/O功能和大存储容量，可以提高整个系统的可行性和可靠性。新世纪以来，技术实力得到了长足的开展和进步，市场不满足现有产品的功能，对性能的要求不断提高，尤其是系统智能化、自动化。为了能够适应对产品越来越高的要求，直流电动机调速系统以其优越的起动和调速性能等特点，得到越来越广泛的应用，特别是智能机器人的青睐[6]。早期的直流驱动控制系统使用模拟的别离装置，其特点在于，含有模拟器件其固有的缺点，如温度漂移，零点漂移电压，降低了直流驱动器的可靠性和准确性。科学技术的进步，直流驱动已由微处理器实现全数字化控制。由微处理器控制，输出为数字信号，其控制精度，稳定性和可靠性，模拟直流调速系统是不能比较的。实现全数字控制，抗干扰能力强，控制装置灵活，成为直流调速的一个新的方向。微处理器诞生于上个世纪七十年代，以大规模和超大规模集成电路制造工艺制造集成电路，降卑微处理器的本钱，使其得到了越来越高的快速开展。此外，由于电力电子技术的开展，提升的生产工艺，快速的提高了高功率电子器件的性能。用微处理器来控制电机，可完成各种创新的，高性能的控制策略，电机的潜力得到充分的发挥。使用微处理器控制的电机使电机的开展发生新变化，电机制造商基于此开发出了多种容易控制的实用新型电机[8]。对于简单的微处理器控制电机，只需使用微处理器控制继电器，电子开关零件，电机控制就可以实现。通过可编程控制器与微处理器结合，各种机床和生产线都可以通过电机控制实现各种普遍应用。对于复杂的微处理器控制电动机，将不得不使用微处理器控制电机的电流，电压，转速，转矩，旋转角度，使得电动机按照给定的指示准确工作。由于微处理器控制，大大改善了电机的性能。机械换向的直流电动机和交流电动机他们有自己的优势，例如直流电机的转速性能，但拥有机械磨损和换向火花等问题，而交流电机，比直流电动机中的感应电动机或同步电动机的结构简单，可靠性比直流电动机好，但运行时必须恒定电源频率，他们的速度不能方便的经济调控。高性能微处理器，新的控制理论和控制策略的出现，如数字信号处理器DSP，使电机驱动的自动化程度大大提高。在国家的先进数控机床和数控位置伺服系统，采用如DSP高速微处理器，可以拥有超过数百千兆位每秒的执行速度。1.3直流电机调速原理图1-1直流电机的物理模型图图1-1所示为两极直流电机模型。它的定子上，是一对静止的主磁极N和S，起到直流励磁的作用。中间为转子，含有电枢铁心，转子与定子不接触，有一定气隙相隔。在转子电枢铁心外部放置两根电枢线圈，并用导体连接，线圈与称为换向片的铜片分别首端和末端相连。换向器由构成换向片的整体组成，固定在转轴上，换向片之间，换向片与转轴之间都互相绝缘。一对固定不动的电刷放在换向片上，当电枢线圈在电枢旋转时通过换向片和电刷的摩擦与外电路接通。图1-2直流电机的根本工作原理图图1-2所示为直流电机工作原理图。如图〔a〕所示，给两个电刷加上直流电源，从电刷A处那么有直流电流流入，通过线圈abcd，从B处电刷流出，根据楞次定律，线圈断ab和cd将受到电磁力的作用，两段导体受到的力方向相反，形成一个转矩，使转子转动。到图〔b〕所示的位置时，电刷A和电刷B分别与换向片2和换向片1接触，从电刷A流入直流电流，经过线圈dcba，从B处流出。此时线圈段ab和cd受到与之前方向相同的电磁力产生的转矩，仍将保持转子逆时针转动。由于电刷和换向片之间的这种互相作用，即使外加的电源是直流的，但电流在线圈两边产生的转矩的方向却是相同的，构成了直流电动机工作的原理[9]。式1-1为计算直流电机稳态转速的表达式:(1-1)式中，U-电枢电压〔V〕I-电枢电流〔A〕R-电枢电路总电阻〔Ω〕Φ-励磁磁通〔Wb〕K-由电动机决定的电动势常数通过表达式可看出，电压、电阻、磁通是三个变量，因此，控制直流电机转速的原理有三种:调节电枢电压U减弱励磁磁通Φ改变电枢电阻R电机磁通不能增大，只能减小，调节磁通的方法称为弱磁调速，这种方法虽然能够平滑调速，但调速范围不大，可以与调压调速配合，做小范围的弱磁升速；改变电枢电阻的方法只能有级调速，而且电阻消耗电能，效率低下，已经根本不用[10]。所以在自动调速系统中以调压调速为最好，本设计将采用这种方法。1.4系统方案确定本设计的直流电机调速系统，分为硬件和软件两大局部。硬件为软件提供程序运行的平台，是整个系统的根底；软件局部为控制局部，为对电机进行有效控制，要采集、分析、处理硬件发出的信号，最终实现程序设定的各项功能。图1-3为此次调速系统设计方框图。本设计主要由AT89S52单片机，键盘，LED数码管，L298驱动模块，直流电动机等组成。本设计输入局部，主要是利用独立按键来实现对电机的加速、减速、换向、停止的控制。显示局部，由LED数码管完成，可以将电机电枢电压的占空比实时显示。控制局部，主要是由L298驱动电路和电机组成的单片机外部中断扩展电路。LED显示PWM占空比及转速L298LED显示PWM占空比及转速L298驱动电路AT89S52单片机PWMPWM直直流电机转速转速键盘控制键盘控制图1-3直流电机PWM调速系统设计方框图本设计基于AT89S52单片机，其组成为输入模块、显示模块及电机控制模块。通过编写单片机程序，利用单片机定时中断，定时器定时，生成PWM波，控制L298直流电机驱动芯片，并用独立式键盘来控制定时器定时，完成对PWM占空比命令的输入，并在数码管显示。这样就可以控制电动机，实现电机正、反转和加速、减速、急停控制，并测量电机转速，同时单片机不停的将PWM波占空比送到LED数码管显示,且实时显示转速。2PWM脉宽调制2.1PWM调速原理脉冲宽度调制，简称脉宽调制，英文简写为PWM[11]。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形〔含形状和幅值〕。PWM控制技术在晶闸管时代就已经产生，但是为了使晶闸管导通要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。以IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善，给PWM控制技术提供了强大的物质根底，推动了这项技术的迅猛开展，使他应用到整流、逆变、直.直、交.交的所有四大类变流电路中。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果根本相同。以该结论为理论根底,PWM控制技术就是对半导体开关器件进行控制，让其规律的导通和关断,产生一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，来代替其他波形的控制技术。占空比在PWM里是一个重要的参数，决定了PWM的波形形状。式2-1为占空比计算公式：如图2-1所示，T为周期，t1表示开关管导通的时间，t2为开关管闭合的时间。图2-1PWM信号的占空比由式2-1可知，开关管导通的时间t1与周期T在一个周期里的比值就是占空比D，大小为0≤D≤1。当保持电源电压V不变，电枢端电压的平均值为。通过单片机改变占空比D，到达改变电枢端的平均电压，控制电机，这就是PWM调速的根本原理。2.2PWM调速方法以PWM调速原理来说，PWM调速就是占空比调速，占空比的控制在调速中决定着电机的控制。改变占空比通常有三种方法[12]：〔1〕定宽调频法〔2〕调宽调频法〔3〕定频调宽法前2种方法由于在调速时会引起振荡，因为这两种调速方法相当于改变了频率，容易与系统的固有频率接近，基于此种情况，它们的应用较少。所以，本设计使用第3种方法，定频调宽法。即利用单片机生成一个固定的频率，来控制电机驱动电路的接通或断开，并通过改变占空比D，改变直流电机电枢上平均电压的大小，从而形成对电动机的控制。2.3PWM实现方式主流的PWM实现方法是使用定时器定时产生PWM波的方式，其输出的脉冲波形极其精确，误差可忽略不计；另一种为硬件延时方式，但是输出的波形没有定时器精度高，在执行中断后，由于硬件的原因，将产生一定的误差。综合考虑，本设计将采用利用单片机外部中断和定时器定时方式实现PWM。3硬件设计3.1单片机选型3.1.1单片机AT89S52的根本组成本设计选用的单片机为AT89S52，主要有以下几个局部组成。一个8位微处理器CPU。数据存储器RAM和特殊功能存放器SFR。内部程序存储器ROM。两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。四个8位可编程的I/O并行端口，每个端口即可做输入，也可做输出。一个串行端口，用于数据的串行通信。中断控制系统。内部时钟电路。3.1.2单片机AT89S52的引脚说明图3-1单片机引脚图图3-1为单片机引脚图。VCC：芯片正极输入，接+5V。GND：电源地端。XTAL1、XTAL2：接外部晶振的引脚。当单片机采用外部时钟信号时，引脚接地。RES：当输入的复位信号持续2个机器周期以上高电平，单片机复位。ALE：地址锁存控制端。！PSEN：外部程序内存的读选通信号端。！EA/VPP：访问程序存储器控制信号。P0~P3：四个I/O口，每口8线，共计32根I/O口线。P0是一个8位宽的双向输出入端口。P0在当做I/O用时可以推动8个TTL负载。当EA引脚为低电平时，P0作为数据总线〔D0～D7〕及地址总线〔A0～A7〕的低8位。P1是通用准双向静态I/O端口，输出的信息有锁存，其可以推动4个TTL负载，假设将端口1来输入数据，必须向锁存器写1，才可以做输入用。P2除了当做一般I/O端口使用外，当系统扩展偏外程序存储器时，P2端口就用来周期性的输出从外存中取指令的高8位字节〔A8～A15〕。P3是准双向I/O端口，可以推动4个TTL负载，同时还有特殊的第二功能，包括串行通信、外部中断、定时器计数和外部数据存储器的读写。其存储器在物理结构上有四个存储空间：片内数据存储器、片外存储器、片内程序存储器和片外程序存储器。其中，片内数据存储器用8位地址，S52系列有256字节的数据存储器；片外为64KB的数据存储器，用16位地址；程序存储器片内和片外统一进行编址，共64KB。3.2驱动电路本设计采用L298作为电机的驱动模块。L298为单块集成电路，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有高电流，高电压的承载能力，外围15管脚[13]。L298接收TTL逻辑电平，驱动感性负载时，可直接对电机进行控制，无须隔离电路，并且可以同时驱动双电机。图3-2为L298驱动双电机应用连接图。图3-2L298典型应用连接图3.2.1L298内部的原理图L298内部含有两个H桥驱动电路。如图3-3所示，OUT1与OUT2之间，由4个IGBT管组成H桥驱动电路。H桥驱动电路，属于可逆PWM变换器，加于直流电动机两端，电压U12的极性随电力电子器件的开关状态而改变。图3-3L298内部电路如图3-4所示为H桥式电机驱动电路。根据三极管的排列方式，只要角线上的一对三极管同时导通，电机就可以运转。电流在Q1、Q4之间流动与在Q2、Q3之间流动，电机的转向方向相反，到达控制电机运行方向的目的。Q4Q3Q1Q2Q4Q3Q1Q2图3-4H桥电路如图3-5所示，给Q1管和Q4管基极加正电压，使其导通，电流就经Q1流入电机，从Q4流出。以图中电机转动方向为正方向，流经Q1和Q4的电流将驱动电机顺时针转动。同理，当给Q3管和Q2管基极加正电压使其导通时，该流向的电流将驱动电机逆时针转动，如图3-6所示。Q2Q1Q3Q4Q2Q1Q3Q4图3-5电机顺时针转动Q3Q1Q4Q2Q3Q1Q4Q2图3-6电机逆时针转动工作时，当两个同侧的三极管同时导通时，就会形成短路，电流从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，由于形成短路，电路上的电流到达最大值，会对电路造成极大破坏，所以必须保证同侧的两个三极管不会同时导通。L298的引脚说明表3-1L298的引脚说明引脚功能OUT1、OUT2、OUT3、OUT4输出端IN1、IN2、IN3、IN4输入端ENA、ENB使能端SENSA、SENSB电流反应脚，一般直接接地VSS电机驱动电源VCC逻辑控制电源GND接地3.2.3L298功能表表3-2L298功能表IN1IN2EN电机状态XX0停止101顺时针011逆时针000停止110停止由表3-2知，电机的控制取决于对IN1与IN2的控制。当输入端IN1为高电平,IN2为低电平时,电机正转；输入端IN1为低电平，IN2为高电平时,电机反转。IN1与IN2相同时,那么电机停止转动。本设计中，高电平即为PWM信号。本设计中，L298是对直流电动机电枢电压进行控制和电机驱动，具体使用时可以工作在两种方式下：当以线性放大驱开工作时，优点是线性好，输出波动小，对邻近电路干扰小，控制原理简单，但是IGBT管只能工作在范围狭窄的线性区，造成电路功率低下。开关驱动方式工作时，PWM波使L298工作在开关状态。因其工作在开关状态，损耗级低，控制比较方便。因此，本设计对L298采取工作在开关驱动方式的设计。3.3键盘设计键盘的功能及分类单片机应用系统中可以添加许多外围设备，方便单片机的使用，键盘是最常用的输入设备之一。它是一组按键的组合，能够输入命令控制系统，查询系统状态[14]。键盘按照其结构可分为矩阵式键盘与独立式键盘。矩阵式键盘，也称为行列式键盘，按键较多，主要用于控制功能较多的场合；独立式键盘的每个按键都是独立的，功能需要较少的情况下使用。按照给出相应键码及识别原理的不同，又可把键盘分为非编码式与编码式两类。通过软件编程来对键盘进行定义并在按下时识别，称为非编码键盘；通过设计硬件电路对按键进行识别，称为编码键盘。本设计只需用到五个按键，因此，采用独立式按键，非编码键盘，能够较为简便的完成设计。独立式键盘独立式键盘的每个按键接一根I/O口线，按键相互独立，每个按键工作的状态不会影响其它接口。当其中一个I/O口线的电平发生改变，经过去抖动，通过键码就可识别出哪个按键被按下。本设计中用到五个独立按键，分别为切换，加速，减速，转向，清零等功能。图3-7为独立式键盘的接口方法。S52S52图3-7独立式键盘接口方法3.4数码管设计3.4.1LED简介LED，中文名为发光二极管，是可以发光的固态半导体器件。LED是发光二极管的简称，不仅应用于发射可见光的二极管，还包括发射可见光极限的紫外辐射的紫外发光二极管，发射近红外辐射的红外发光二极管，统称这类二极管为LED。LED由环氧树脂固化，里面是半导体晶片，通过外接的两根导体供电。作为LED的发光器件，半导体晶片实质是一个PN结，PN结的材料决定了光的颜色。LED的发光原理就是电流通过导线作用于这个PN结，电子跟空穴结合产生能量，以光子的形式发出，形成可见光。3.4.2LED七段数码管的结构〔a〕共阴极〔b〕共阳极〔c〕管脚图图3-8LED七段数码管的结构图3-8为七段LED数码管的结构图。图〔a〕为共阴极结构，8个发光二极管的阳极端串电阻，用来接收高电平信号，阴极端并连接在一起，使用时公共端接地，阳极端接高电平，那么对应的二极管发光。图〔b〕采用的是共阳极结构，与共阴极接法的主要区别是二极管的阳极端并连，需要上拉5V电源供电，阴极端串电阻，用来接收低电平信号。阴极端接收低电平信号时，那么对应的二极管发光。图〔c〕为引脚图，由图可看出，一个数码管由八个发光二极管构成，可显示7笔的字形“8〞,还可显示小数点。数码管显示字符是通过二进制编码实现，分别从管脚的a~g输入。为了方便控制，把这些二进制编码称为字码段。现在LED的规格很多，共阴极和共阳极不能通过相同的字码段显示，对于同一个字符，他们的字段码互为反码。表3-3为常见数字和字符的字段码。表3-3常见字段码显示字符共阴极共阳极显示字符共阴极共阳极03FHC0HC39HC6H106HF9HD5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HT31HCEH707HF8HY6EH91H87FH80HL38HC7H96FH90H8.FFH00HA77H88H“灭〞00FFH由LED结构图可看出，LED数码管果采用共阳极形式，其阳极端需接上拉电源单独供电，这增加了设计的复杂性，并且消耗更多的电能。因此，本设计采用共阴极LED数码管。3.4.3LED数码管和单片机的连接图3-9LED数码管的典型连接选中第一个数码管图3-9为LED数码管的布线连接图。由图采用的连接电路的方法，本设计采用的是逐位扫描方式。该扫描方式是从单片机I/O口送出第一位的LED字型码，送入第一位数码管，显示后延时一段时间，再从单片机送出第二位LED字型码，送入第二位数码管，所有位扫描完后，依次循环。图3-10为LED逐位扫描方式。选中第一个数码管送入送入字型码延时延时选中第二个数码管选中第二个数码管送入字型码送入字型码延时延时选中第三个数码管选中第三个数码管送入字型码送入字型码延时延时选中第四个数码选中第四个数码送入送入字型码图3-10LED数码管扫描方式3.5光电编码器本设计的测速元件为光电编码器。在仿真中，电机MOTOR.ENCODER内部含有光电编码器，可以很方便的对其进行测速。光电编码器内部含有经过高精度处理的明暗相间的光栅，通过LED发光，对反射回来的光进行计算，可以将电机的机械角位移转化为相应的脉冲信号，通过单片机计数，就可以计算出电机转速。光电编码器还可以实现对角位移，角速度等其他物理量的精确计算，具有精度高，应用范围广等优点，普遍的应用在雷达，机器人等需要精确计算转速的地方。4软件设计4.1主程序图4-1为本设计软件局部程序流程图。单片机首先运行主函数main，系统进行初始化。运行函数init，启动单片机外部中断，设置定时器T0，定时250us。启动计数器T1，对来自电动机的脉冲进行计数。单片机进行按键查询，判断是否有按键按下，如果有，通过外部中断定时器定时实现脉冲调制，得到相应的脉冲W。判断K5是否按下，在LED数码管上实时显示当前转速或占空比。系统初始化函数init，启动中断，设置定时器T0时间，T1为计数器。主函数主函数main图4.1流程图系统初始化函数init，启动中断，设置定时器T0时间，T1为计数器系统初始化函数init，启动中断，设置定时器T0时间，T1为计数器查询按键得到相应的脉冲查询按键得到相应的脉冲W采用定时器中断实现脉冲调制采用定时器中断实现脉冲调制LED显示电机转速LED显示占空比NYK5按下LED显示电机转速LED显示占空比NYK5按下图4-1主程序流程图4.2定时器中断程序图4-2为定时中断具体流程图。执行中断程序时，首先单片机启动定时/计数器，置位为1，同时开启T0中断，设置定时器定时时间为250us。T为定时标记，每定时一次加一，M最大值为100。在一个周期内：当T<=M时，电机启动，当T>M时，电机停止工作。如果T=100，那么T清零，重新返回定时中断；如果T不是100，那么直接返回定时中断。无限循环。通过这样的定时方法，可以根据需要，通过按键改变一个周期内高电平和低电平时间的长短，产生PWM波，到达按一定的频率来接通和断开电源，改变占空比就改变平均电压的大小，与直流电机电枢相连，就可以通过调节电枢电压，到达电动机的转速可调。启动定时启动定时/计数器，工作方式为1开启中断开启中断T0，设置定时时间为250us进入中断重置定时时间进入中断重置定时时间250us，定时标记T加1T>MT>M Y N电机停止电机启动电机停止电机启动T=100T=100T=0 Y NT=0图4-2定时器工作程序流程图4.3LED数码管显示图4-3为LED数码管显示流程图。本设计中有四个LED数码管，依次从右往左显示，分别为脉宽的个位、脉宽的十位、脉宽的百位。电机转速方向由D5表示。程序开始，单片机首先选定要显示的数码管，通过I/O送出要显示字符的字码段，依次循环。所以，先选定第四个数码管，送入“W％10〞的字码段，完成后，延迟1ms，选择第三个LED数码管，送入“W/10〞的字码段，经过1ms的延迟，以此类推，选择第三个第四个，一个周期完成后，返回重新开始，无限循环。开始开始选择第四个数码管选择第四个数码管送入送入“W％10〞的字码段延迟1ms延迟1ms选择第三个数码管选择第三个数码管送入送入“W/10〞的字码段延迟延迟1ms选择第二个数码管选择第二个数码管送入送入“W/10%10〞的字码段延迟1ms延迟1ms图4-3数码管流程图4.4独立式键盘控制图4-4为独立式键盘控制流程图。本设计中有五个个独立式按键，分别控制电机的加速、减速、正反转、占空比清零等功能，切换按键能控制LED数码管的显示。程序运行后开始检测按键有无闭合，如有按键按下，检测是哪个按键，找到相对应的按键，令其K=0。当K1按下时，判断W的值，W为100时，令W=0，那么占空比为0，电机停止运行；W不为100时，W加1，占空比增加，电机加速。当K2按下时，与K1相反。K3按下时，令A！=A，电机转向，LEDD5的亮或灭显示电机转向。K4按下时，令W=0，占空比清零，电机停止转动。按下K5，并保持按下的状态，能查阅当前的占空比。返回检测K1，依次无限循环。K5=0K5=0Disp〔W〕Disp〔W〕Disp〔shu〕90Disp〔shu〕90图4-4独立式键盘控制流程图5设计仿真此次设计采用的仿真软件为Proteus。Proteus具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、键盘和LCD系统仿真的功能，并且支持主流单片机系统，提供软件的调试，具有强大的原理图绘制功能，为设计单片机应用系统提供了一个非常好的平台。编程软件为KeiluVision2。单片机软件KeilC51开发过程为：建立一个工程工程，选择芯片，确定目标选项；建立C语言文件；生成各种应用文件，主要是.hex文件；检查并修改源文件中的各种错误；编译连接通过后进行软件仿真。仿真成功后，翻开Proteus，将编译产生的hex文件导入到单片机中，点击运行按钮仿真。5.1设计接线图5.1.1按键连接图本设计采用五个按键，图5-1中分别于P1.2、P1.5、P3.1、P3.2、P1.6相连。图5-1按键连接图5.1.2L298与单片机、电机连接图图5-2驱动模块L298的IN1、IN2经非门与单片机P3.7相连。图5-2L298与单片机、电机连接图5.1.3LED与单片机连接图图5-3LED分别与单片机P0、P2口相连。图5-3LED连接图5.2系统仿真图在原理图中参加示波器，A与PWM输出端P1.7相连，B、C分别与电机换向端IN1、IN2相连。启动程序开始仿真，此时，波形如图5-4所示。图5-4电机启动5.2.1电机正转图5-5所示为电机正转。仿真开始后，程序默认电机转向为反转，占空比为0，LED显示0000，LEDD5亮。按下换向按键，并调节加速按键，使LED显示0036，此时，电机正转，D5灭。图5-5电机正转当电机继续加速时，波形图如图5-6所示。图5-6电机继续加速正转5.2.2电机反转图5-7所示为电机反转。按下换向按钮，电机由正向减速至0，然后反向加速。此时，LED显示0081，D5亮。图5-7电机反转继续减速，那么波形图如图5-8所示。图5-8电机继续反转减速5.2.2电机停止运转图5-9所示为电机停止运转。按下清零按键，占空比清零，电机停止运转。此时LED清零。图5-9电机停止工作结束语从毕业选题到完成毕业设计，经历了几个月的时间，但是这几个月，使我学到了很多在课堂和教材上所学不到的东西。我的设计题目是单片机控制直流电机PWM调速系统的设计与仿真，在刚拿到题目的时候，因为以前做过VM系统的直流调速，所以觉得应该不会很难。但是单片机要用到C语言编程，电机要用到驱动模块，LED的显示原理，按键与单片机的连接等等，都与VM系统不同，这都对我造成了难度。通过翻看以前的课本，上网，上图书馆查找资料，根本确定了设计的思路，实现的功能。首先遇到的困难就是单片机技术，因为当时学的不精，加上时间长，根本快要忘光，通过翻看翁嘉民老师主编的单片机应用开发技术，使我对单片机有了重新的认识。仿真软件为Proteus，在这本书中都有讲解，但是操作不熟练，元器件的名称不了解，找元件很浪费时间。C语言编程软件为KeiluVision2，因为对编程只是半知半解，写出的程序不够完善。LED显示和按键在书中也有讲到，提供了很大的帮助。电机驱动模块的选定，主要是借助互联网，上网查找资料，比照了如IR2110驱动模块后，L298模块更适合我的设计。作为本设计的控制核心，PWM的产生是重点，通过查找资料，硬件产生PWM不如软件产生的稳定，精度也不够，最后利用单片机的定时中断功能，编写程序实现PWM。在最后的仿真阶段，经过几次修改，根本到达设计的目标。通过毕业设计，使我认识到了自身专业知识的缺乏，借助老师，教材，网络补充自己的知识，更好的为自己效劳。因为本身水平有限，很多东西都没有做出来。为了使转速能更加平稳、快速的调整，现在往往使用数字PID控制器，参加转速检测回路，利用转速检测模块，将电机转速测得并送回单片机，进行PID调节。但是我对于PID不甚了解，本次设计没有做出来，影响了电机调速的准确性、快速性和稳定性。本次设计的为小直流电机，生活中的电机通常为220V电压，这就需要设计整流电路，进行交直变换。为了更好的监控电机，需要对其进行温度检测，电流检测，电压检测，提供故障保护。通过FBS，脉冲整形后，进行数字测速，实时掌握电机的速度。这一切的根底，都需要由一个强大的单片微机控制。现在，除了单片机，DSP、FPGA的运算速度和功能更加强大，更加适合精密的电机控制。致谢这次的毕业设计，靠我一个人的力量是完不成的，在这里，我要由衷的感谢他们。首先感谢我的指导老师郭会平，在她的悉心指导下，确定了我的毕业选题，对设计所要到达的目标进行确定，理清设计思路，并对论文进行悉心修改。老师严谨求实的作风，丰富的专业知识，给了我极大的帮助。没有老师的帮助，很难完成我的毕业设计。所以，对郭会平老师我要表示最诚挚的谢意。其次我要感谢的是我的同学。在我进行C语言编程遇到困难时，和我一起找寻其中的困难。在仿真时，帮我查找元器件的名称。同学的无私帮助，使我顺利的完成了设计，要对他们表示感谢。最后，学校为我们配备指导老师，在遇到困难时可以向老师求教，提供了很大的帮助和支持，也要向学校表示感谢。参考文献[1]翁嘉民.单片机应用开发技术[M].北京:中国电力出版社,2023:12-36[2]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2023:45-56[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2007:33-36[4]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2023:10-13[5]孙明迪.直流双极式可逆PWM调速系统设计[M].北京:高等教育出版社,2023:99-123[6]胡祝兵.基于单片机控制的直流电机调速系统的设计[M].北京:机械工业出版社,2023:45-63[7]薛英杰.用于单相电机调速的单片PWM控制技术[M].北京:高等教育出版社,2002:87-93[8]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:高等教育出版社,2002:120-135[9]郑宪伟.基于AVR单片机的直流电动机PWM闭环调速系统的设计[J].北京:科学出版社，2023,26(3):15-20[10]玄子玉.基于单片机的直流电动机闭环调速系统的设计[J].北京:北京航空航天大学出版社，2023,15(4):24-26[11]曾喜良.基于C8051F020的PWM调速控制[J].北京:计算机与数字工程出版社，2023,10〔8〕：195-197[12]曹杰,史金飞,戴敏.基于MEGA8单片机的无传感器无刷直流电机控制系统设[J].北京:自动化仪表,2005,8(1):13-16[13]贾玉瑛,王臣.基于单片机控制的PWM直流调速系统[J].内蒙古:包头钢铁学院学报，2005,5〔10〕:12-18[14]KazuyaIRAHA,SpeedControlMethodsofVariousTypesofSpeedControlMotors,2023[15]KogyoChosakai,ACMotorTechnologyStudyGroup:“BooktounderstandACsmallmotor〞,Publishing,1998[16]KazuoAbe:“Low.noisedrivetechnologyofBrushlessmotor〞,RENGANo.163,pp.19.25,2003附录附录1：主接线图附录2：源程序#include<absacc.h>#include<reg51.h>#defineucharunsignedcharunsignedchardisbit[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};unsignedcharcodediscode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};unsignedintdisbuf[4]={0,0,0,0};unsignedintcount,shu;unsignedcharsec,tcnt;sbitMOTOR_A_2=P3^6;//定义sbitMOTOR_A_1=P3^7;//定义sbitEN_MOTOR_A=P1^7;//定义sbitLED=P1^3; 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