《基于单片机控制的直流调速系统设计》7700字（论文）

基于单片机控制的直流调速系统设计摘要直流电动机是一种将机械能转换成电能的电力装置，脉宽调制（PWM）则是用来调节直流电动机的速度。因此这篇文章研究的主题为设计基于51单片机的PWM直流电机控制系统，此系统选择的主控芯片为STC89C51，该单片机能够实现将PWM传输过来的信号发送给驱动电机，然后调整电机的速度。本文在介绍了L298驱动模块的基础上，对调速器的硬件电路进行了详细的分析，并对其进行了详细的分析。本论文采用KeilC51软件对单片机进行程序设计，可实现对直流电动机的速度方向进行控制，使其具有起动能力。满足各个功能的设计要求。而且在设计完之后又用proteus软件校验电路。最后，调试整个设计系统的各个电路，确保软硬件的性能满足设计要求，最后的测试结果可以看出，这次系统设计能够满足系统的调速需要，能够完成直流电机的调速功能的要求。关键词：51单片机；脉宽调制；调速目录TOC\o"1-3"\h\u326901引言 1309002直流电机调速系统整体设计 292492.1直流电机的结构 2118892.2PWM直流电机调速原理 3148292.3系统整体设计思路 4265283硬件电路设计 5163183.1基于单片机控制电路设计 5242413.2电机驱动电路设计 7274233.3调速系统供电电源电路设计 8113793.4测试模块电路设计 934053.5PWM信号发生电路设计 10128474系统软件设计 1129174.1系统程序设计 1134924.1.1主程序设计 11278944.1.2PWM信号发生程序设计 12117124.1.3延时程序设计 13236314.2系统调试 1457104.2.1软件调试 1435774.2.2测速软件设计 1445975系统仿真调试 16289855.1仿真调试软件选取 16197635.1.1编程软件选取 16229435.1.2硬件电路仿真软件选取 16272025.2系统仿真调试结果 164569结论 1923810致谢 202671参考文献 215983杭州电子科技大学继续教育学院毕业设计（论文）考核表 221引言近些年来，随着自动控制技术的兴起，关于以单片机为控制芯片的操作系统的研究也越来越多，本文通过对L298驱动模块的介绍，详细分析了该控制器的硬件电路，并对其进行了详细的分析。本文以KeilC51为核心，开发了一种基于KeilC51的单片微处理器，可以实现对直流电机转速方向的控制，从而使其具备启动功能。本文主要以51系列单片机作为控制芯片，本文围绕PWM直流电动机的调速系统进行了系统的设计和研究.并对硬件和软件的区别作了说明，探究了以下几方面内容：（1）本文系统地研究了直流电动机调速系统的组成和工作原理，并根据该项目的实际情况，研制了一套适用于直流电动机的微机调试系统。（2）对直流电动机调速系统的软、硬件设计进行了探讨；分析系统开发环境的必要条件，明确系统设计的具体步骤。（3）利用相关软硬件平台进行系统算法测试，然后把得出的结果进行分析与讨论。2直流电机调速系统整体设计目前国内对直流电动机的技术研究已经非常成熟，而且由于它在社会生活的方方面面都有广泛的应用。所以对其的研究有着很强的研究价值，因此本章主要对以单片机为控制核心的PWM直流电机调速系统进行研究，然后对系统的设计思路和运行原理进行系统的探讨。2.1直流电机的结构发电机是直流电机的主要组成部件，其工作原理是把电能转换成机械能；而发电机，则是将机械能转化为电力，其结构如下：图2-1直流电机结构图从上面的结构图可以看出，直流电动机是由定子和转子两部分构成的。在定子与转自之间有一个空隙，在电枢铁心上边置放一组电枢绕组，这个电枢绕组的手段与末端之间分别连接到两个圆弧的铜片上边，该图片也叫换相片。为了设计过程更加保险，两铜片之间是必须完全绝缘的，满足完全不导电的要求，并且可以将换向器设置在两铜片的连接点上。换向器会固定在直流电机的转轴上，同时与转轴直接也是相互绝缘的。在换向片上边还会有一对固定的电刷，它的作用就是在电枢旋转的同时，将外部的线路连接起来。直流马达是以磁场为动力，磁场指就是磁极铁芯周围缠上一层线圈，发电过后会在线圈周围产生一定的作用力，而产生这些作用力的就是磁场。2.2PWM直流电机调速原理PWM（PluseWidthModulation）被叫做脉冲宽度调制器，电机内部的脉冲电需要调制器来提供。其中脉冲宽度对于电机的调速性能来说十分重要，其功能是在电枢转动的过程中，将外部的电线与之相连。直流电动机由磁场驱动，那么电机的转速就会不可避免的变慢。PWM的电平高低与电机的状态无关，平均电压才是电机转速的主要影响因素。PWM能够直接实现受控系统的数字信号传输，省去了模数转换这一步骤。以数字形态进行，信号传输能够在一定程度上削弱噪声。噪声也只有在逻辑1~0或逻辑0~1的时候才会对数字信号传输过程造成干扰。因此可以看出PWM的另一个优势就是抗噪优势，因此该技术在通信领域也有着较为广泛的应用范围。PWM进行模拟信号传输的时候能够最大程度的提高通信范围。接收端能够满足高频方波的过滤调制，然后通过网络将信号转换成模拟状态。而该调速系统的电路设计见下图2-2和图2-3所示：图2-2PWM调速系统工作原理图2-3PWM调速系统输出波形其速度控制原理的工作时间比公式见（2-1）：（2-1）公式中的代表的就是对电机施加的电压的变化周期；公式中的代表的就占空比；表示电动机在某一循环中所施加的高电平所维持的时间；表示电动机在某一循环中所施加的低电平始终存在的时间；若要调整PWM脉冲的工作周期，最常见的是右调频、调宽以及二者的组合。2.3系统整体设计思路在本论文中，由于直流电动机的转速比较平稳，所以选择51系列的单片机作为控制器，同时也要进行PWM的调试，以达到对直流电动机的调速要求。在搭建系统的过程中，要对软硬件系统进行综合设计，为了确保直流电机的速度控制精度满足标准，必须要让系统各个部分都满足性能要求，它的系统构成在下面的图2-4中显示：图2-4系统总体构成框图从上面的结构图中可以得出用单片机来实现电动机的控制，在P答辩人进行信号输出之后，还需要利用改变占空比来对电机速度进行调节，输出端的信号进行处理之后，会转变成控制电机转速的控制信号，而这些部分均为直流电机，调速系统的重要组成部分。3硬件电路设计硬件电路的设计是极其重要的，是整个系统能否正常运行的基础，要是硬件电路突然故障，系统运行就会受阻，所以一定要重视硬件电路的设计过程。本文所研究的直流调速系统的硬件系统，首先要考虑的是硬件的选择和对整个电路的控制，既要保证系统的性能，又要保证系统的运行费用。3.1基于单片机控制电路设计本次设计采用了目前51系列微处理器的改进版本STC89C52RC。它使用MCS-51内核，但具有许多51微控制器所没有的特性。正是正因为如此，这个单片机才会被越来越多的人所采用。下面的图3-1中显示了它的单片机引脚的示意图：图3-1STC89C52RC单片机引脚示意图从上面的数据可以看出，在STC89C52RC中，40引脚VCC是用来作为MCU供电的；20引脚VSS是指MCU的地线；9引脚RST指示微控制器的复位输出，30引脚ALE/PROG指示地址锁存器ALE，当存取外部程式或资料储存装置时，接收脉冲的输出。地址的8位字节，31的EA表示当有外部存取信号时，存取是否被允许[13]。在EA的低级状态下，可以进行存取，否则不能进行位元存取。在表3-1中，P0到P3的作用如下：表3-1引脚功能表STC89C52RC的核心部分是一种高效的反相放大器，它的引脚RXD和TXD是该放大器的输入和输出。下面的图表3-2中可以看到：（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路图3-2时钟电路图a显示内部模式时钟电路，图b显示外部模式时钟电路。市面上经常选用晶体管与电容器组成的谐振电路作为系统的定时元件。在外模式的时钟电路中，引脚RXD将直接接地，TXD连接到外部的振荡器上，并且不会对外部震荡信号产生干扰，只要确保脉冲宽度满足要求即可。复位电路是微处理器中的一个关键部件，它由两个部件组成。外部电路的作用是将重置信号传送给触发器，触发信号必须在重置回路中进行位置和取样，从而获得所需的重置信号。有许多方法可以重置动作，重置电路如图3-3所示：（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位图3-3复位信号电路图图a是上电重置，图b是重置键的电平，而图c是重置键的脉冲。主要通过电容重置的充电工艺来完成供电重置，要想让该过程自动进行，请务必保证电压控制中心的升高时间不会超过1毫秒。按键电平复位的方法有电平复位和脉冲复位，按键电平复位的方法是在复位端子与电源之间设置电阻器，按键脉冲复位则是采用RC差分电路将正脉冲提供给复位电路。3.2电机驱动电路设计本论文所采用的电动机驱动模组为L298N，可在高压、大电流等工作条件下，实现电机驱动模组的稳定运行。其工作电压高，最高可达46V，输出电流高，最高可达3A，正常运行时，其额定功率为25W。这个模块的功能是为诸如直流电动机之类的电力装置供电。下面的图3-4显示了它的原理图：图3-4L298N驱动原理图通过对它的原理图的观察，可以看出该组件中的电容是用于过滤的。VCC表示由5V的L298N晶片提供，该组件需要外部连接，此处接地时最好取逻辑部分的电压供电；D1-D8代表的是续流二极管；VIN指的就是电机供电的电源接口，要是电机是用9伏电源进行供电的，那么就将VIN与电源正极相连，GND与负极相连。必须要知道的是如果L298N的充电电压达到了5伏，如果要更换电源供电方式，使得供电电源与单片机电源分开，就必须实现GND的相互连接，只有这样，才能保证微处理器的逻辑信号具有一定的零点特性。其L298N模块在对直流电动机进行控制时，其所接收到的信号和所输出的信号都是非常关键的，其输入和输出之间的关系如表3-2所示：表3-2L298N输入输出关系在L298N的驱动组件对DC马达进行控制时，其显示在以下的图3-5中：图3-5L298N控制直流电机从上面的数据可以看出，L298N在接收到单片机的信号后，可以对其进行分析和处理，从而实现对直流电动机的控制。3.3调速系统供电电源电路设计本论文所设计的调速器控制系统的供电电压为5V，而驱动模块的供电电压为12V，因此，本论文所研制的调速系统的供电线路可同时提供5V和12V的电压，因此在设计供电线路时，必须采用线性DC供电方式。因此，该系统采用了两个DC稳压器。双路供电是指有两个独立的输出，双路直流稳压电源是指具有两个独立输出的直流稳压电压。下面的图3-6中显示了它的电路示意图：图3-6双路直流稳压电源的电路原理图双路电压稳压器的优势是引脚对传统的直流稳压电源，双路电压稳压器采用双向通道作为直流输出，这是由于采用了内部集成技术，将交流电源转换为直流电源，提高了变压器的利用率，因此，这种结构可以在不同的场合得到广泛的应用，因此，本次设计将其作为直流电动机的动力模块。3.4测试模块电路设计利用光电传感器对电动机的速度进行检测，并将一张卡片装在电动机的轴的上端。纸卡上留有两个孔。每当电机轴转动时，通过光电传感器来测量电机的转速，把一块卡安装到电机的转子上。图3-7测速模块原理图3.5PWM信号发生电路设计PWM是通过对各种参数的控制来实现对线路的控制。与其他控制方式相比，PWM控制技术具有操作难度相对较低、运行周期相对较短、数据结果相对稳定等诸多实际优势，因此在工业生产中也得到广泛应用。PWM技术没有地域性，关键是理解控制思想，了解切换控制。采用PWM技术，在不同的电压比例下，实现PWM信号的转换。PWM信号可以由STC89C52RC程序来完成，该方案采用了恒频调制模式，也就是固定脉冲信号的频率，调整电压以增加脉冲宽度。在电平条件下，脉冲信号工作循环的时间（在一个循环中，高电平状态下的电压值为一循环的百分比），以实现用于调速的DC电动机的调整。它的PWM控制系统的工作原理如下：图3-8直流电机PWM调速系统的电路原理图4系统软件设计本论文所研制的以51微处理器为核心的直流电动机调速控制系统，在硬件电路设计完毕后，还需对系统的软件进行设计。系统程序主要包括三个部分：主程序，中断程序和其它控制程序。其中，主要程序的功能是使电压实现率常数的工作周期发生变化，中断程序的目的是为了提高系统的效率、保证系统的正常工作和满足实时处理的要求。该软件可以在任何时候对所收集的数据进行分析，并根据PWM信号的波形来确定电机的速度。4.1系统程序设计4.1.1主程序设计在软件设计中，关键是要对电动机的速度进行控制，而要对电动机的速度进行控制，则必须对其进行编程，因此，主程序的设计非常关键。图4-1中显示了它的系统流程图：图4-1主程序流程图从图4-1中可以看出，本论文所研制的直流电动机采用AT89C52RC型微处理器，采用PWM信号产生电路，L298N驱动模块安装在直流电动机的主轴上，利用霍尔传感器进行直流电动机的速度检测。本文利用PWM信号在直流电动机上产生的改变来改变信号，然后，可以对直流马达进行转速测定，并记录所测的速度，并利用滤波器解压它的信号，以发出快速马达的信号，最后由数字模拟芯片将转换的数据传送给微处理器，再经过内部的循环控制，最终达到直流电动机的转速。4.1.2PWM信号发生程序设计PWM(PulseWidthModulation)，即脉宽调制。在测量、通讯、电源控制、转换等方面，采用单片机输出控制模拟电路是一种行之有效的控制技术。PWM技术是用来对模拟信号进行数字编码的一种方式。该方法利用高解析度计数器对方波的工作循环进行调制，从而将某一模拟信号的电平编码。PWM信号依然是数字信号。是因为，在任意给定的时间内，全范围的直流供电是完全存在或完全不存在的。将电压或电流源以连续的连续脉冲加到模拟负荷上。当启动时，向负荷中加入直流供电，当断电时，切断电源。如果你有足够的频宽，你可以用PWM编码任意的模拟。大部分这种负荷，不管是电容负荷，都要求调制频率在10赫兹以上，一般在1kHz至200kHz。而PWM所生成的波形则是以锯齿波来表达，所以与其他波形相比，锯齿波可以很好地反映出信号的变化规律。PWM信号的主要变化是因为工作时间的不同而引起的波形变化较大，而在一段时间内，PWM信号的波形变化是固定的。其功能在以下图4-2中显示：图4-2产生PWM信号时的电路波形在PWM信号生成期间，波形的出现过程在以下图4-3中显示：图4-3产生PWM信号时波形的发生过程4.1.3延时程序设计为了确保程序的正常工作，每一个程序都要有自己的延迟程序，通常采用单片机的晶振和机器周期来编写延时程序在延时的编程中要用for程序来实现。由于所选择的PWM电路可以确保时间和速度的稳定性，所以可以应用于直流电动机的速度控制。该系统采用L298N型驱动模块，并与51型MCU产生PWM信号相结合，实现对电动机进行转速调节等功能。采用H形PWM电路，既能保证稳定的转速，又能保证输出的稳定性，因此在高频率下，可以广泛地应用于控制系统。图4-4延时程序流程图4.2系统调试在完成了所设计的软体和软体电路后，就必须进行软件的调试。确保了直流电动机调速系统的平稳运行。4.2.1软件调试本文主要分为软硬件两大部分，其中以52台微处理器为核心，为本文的实施奠定了基础，并对计算、运算起到了最直接的作用。软件部分主要是分析来自于硬件的数据，也是论文硬件部分结果的实现，经过对数据的分析对比，分析单机直流电机的调速效果。在论文的仿真中选择Proteus，先画出并查看整个过程的电路图。观察有无缺陷，如果编程语言能正确运行，则生成模拟文件，然后把仿真文档传送给方舟，以检验本文的测试结果。4.2.2测速软件设计该电机驱动芯片的核心部件是7个互相制约的程序，每个步骤的检测结果是互相影响的。最后，将电动机的速度计算出来，并将其显示在显示屏上。下面的图4-5显示了它的测试流程：图4-5测试程序流程图从上面4-5中可以看出，试验电动机的表现是由编程和图形显示决定的。5系统仿真调试本章对所设计的直流电动机调速系统进行了模拟和调试，以保证所设计的调速系统的工作性能。5.1仿真调试软件选取5.1.1编程软件选取本论文所用的STC89C52RC处理器，是用C语言来实现的，它所需要的软件就是KeilC51,KeilC51是美国一家叫做KeilSoftware的公司开发的C语言软件。汇编是最低级的编程语言，它在一般功能和结构方面都优于C语言。Keil公司提供了一套完整的软件设计方案，其中包含C编译器、宏汇编器、链接器、库管理以及功能强大的模拟器调试器。KeilC51产生的代码效率很高，大多数语句产生的汇编代码都是简单明了的。高级语言的优点在开发大型软件时得到了充分的体现。在功能、结构、可读性、可维护性等方面，C语言比汇编语言更容易掌握。5.1.2硬件电路仿真软件选取由于硬件电路的实际焊接存在着许多问题，所以必须要进行模拟和调试，这样才能在最短的时间内找到问题，而在模拟软件中完成了预定的功能，那么实际焊接的效率就会更高。本文所选择的软件是对硬件电路进行模拟的。Proteus软件是由英国Lab中心电气公司发行的EDA软件（中国的广州峰标电子技术有限公司）开发的。Proteus上可用的模拟组件资源：模拟数以千计的组件，例如数字和模拟、交流和直流，并拥有一个包含30多个组件的库。Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。同时Proteus可以提供的调试工具为电路测试提供了较为丰富的测试信号。该试验信号既有模拟信号又有数字信号。5.2系统仿真调试结果绘制系统简图，包括最小的单片机，直流电机和电流放大器。本论文的主要任务是利用89C51单片机来实现对普通直流电动机的转速进行参数化，从而实现对普通直流电动机的转速控制。产生PWM信号和直流电机控制系统，完成电机的正反转控制、调速等等。它的模拟结果显示在图5-1中：图5-1系统Protel仿真初始状态图当按下递增/递减按钮时，系统会提供准确的响应。同时在初始LED数码管上会有实时显示一遍又一遍地重复的图像。当然，锯齿波的发射也存在一些问题，锯齿波只是对电容充放电方式的另一种解释，可以定量控制，为电容加装开关。输入和终端开关的输入和输出被调整以控制电容器，所生成的波形一般称为初始状态曲线，其正向转动时见图5-2：图5-2系统Protel仿真正转当你按下倒车按钮后，可以看见电机在慢慢地变向，并且LED上的转速也会慢慢地变得平稳。它的倒置情况见图5-3：图5-3系统Protel仿真反转结论本文以51微处理器为核心，对PWM变频调速系统进行了研究和设计。对系统进行程序编写以及硬件设计，这篇文章主要使用了STC89C51单片机传输PWM信号，通过对直流电动机的速度进行控制，并对其进行了模拟试验，结果表明，该系统可以很好地实现直流电动机的速度调节。本论文