單片機課程設計完整版《PWM直流電動機調速控制系統(tǒng)》

1、 單片機原理及 應用課程設計報告 設計題目: 院: 業(yè): 級: 號: 學生姓名: 指導教師: 耳錄 設計題目：PWM 直流電機調速系統(tǒng) 本文設計的 PW 直流電機調速系統(tǒng)，主要由 51 單片機、電源、H 橋驅動電路、LED 液晶顯示器、霍爾測速電路以及獨立按鍵組成的電子產品。電源采用 78 系列芯片實現(xiàn) +5V +15V 對電機的調速采用 PWM 波方式，PWM 是脈沖寬度調制，通過 51 單片機改變 占空比實現(xiàn)。通過獨立按鍵實現(xiàn)對電機的啟停、調速、轉向的人工控制， LED 實現(xiàn)對測 量數(shù)據(jù)（速度）的顯示。電機轉速利用霍爾傳感器檢測輸出方波，通過 51 單片機對 1 秒內的方波脈沖個數(shù)進行計數(shù)

2、，計算出電機的速度，實現(xiàn)了直流電機的反饋控制。 關鍵詞：直流電機調速；定時中斷；電動機；波形； LED 顯示器；51 單片機 1設計要求及主要技術指標： 基于 MCS-51 系列單片機 AT89C52 設計一個單片機控制的直流電動機 設計要求 （1） 在系統(tǒng)中擴展直流電動機控制驅動電路 L298，驅動直流測速電動機。 （2） 使用定時器產生可控的 PWMK，通過按鍵改變 PW 仙空比，控制直流電動機 的轉速。 （3）設計一個 4 個按鍵的鍵盤。 K1: “啟動/停止”。 K2:“正轉/反轉”。 K3:“加速”。 K4: “減速”。 （4）手動控制。在鍵盤上設置兩個按鍵-直流電動機加速和直流電動

3、機減速鍵。在 手動狀態(tài)下，每按一次鍵，電動機的轉速按照約定的速率改變。 PW 碉速控制裝 （5） *測量并在 LED 顯 示器一 上顯示電動機轉速（rpm）. （6） 實現(xiàn)數(shù)字 PID 調速功能。 主要技術指標 （1） 參考 L298 說明書，在系統(tǒng)中擴展直流電動機控制驅動電路。 （2） 使用定時器產生可控 PWM 波，定時時間建議為 250us。 （3 ）編寫鍵盤控制程序，實現(xiàn)轉向控制，并通過調整 PWM 波占空比，實現(xiàn)調速； （4 ）參考 Protuse 仿真效果圖：圖（1） 圖（1） 2 設計過程 本文設計的直流 PW 碉速系統(tǒng)采用的是調壓調速。系統(tǒng)主電路采用大功率 GTF 為 開關器件

4、、H 橋單極式電路為功率放大電路的結構。PW 碉制部分是在單片機開發(fā)平臺 之上，運用匯編語言編程控制。由定時器來產生寬度可調的矩形波。通過調節(jié)波形的 寬度來控制 H 電路中的 GTR 通斷時間，以達到調節(jié)電機速度的目的。增加了系統(tǒng)的靈 活性和精確性，使整個 PWM脈沖的產生過程得到了大大的簡化。 本設計以控制驅動電路 L298 為核心，L298 是 SGS 公司的產品，內部包含 4 通道 邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個 H 橋的高電壓大電 流雙全橋式驅動器，接收標準 TTL 邏輯電平信號，可驅動 46V、2A 以下的電機?？沈?動 2 個電機，OUT、OUT2和 O

5、UT3 OUT4 之間分別接 2 個電動機。5、7、10、12 腳接 輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA ENB 接控制使能端，控制電機的停轉。 本設計以 AT89C52 單片機為核心，如下圖（2），AT89C52 是一個低電壓，高性能 8 位，片內含 8k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存 儲器（），器件采用的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51 指令系統(tǒng)， 片內置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，AT89C52 單片機在電子行業(yè)中有著廣泛 的應用。 圖（2） 對直流電機轉速的控制即可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)

6、控制。與開環(huán)控制相比， 速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特 性相比,其性能大大提高；理想空載轉速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差（額定負載時電機轉速 降落與理想空載轉速之比）要小得多；當要求的靜差率相同時，閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速范圍可以大大提高。直流電機的速度控制方案如圖（3）所示 1 電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器： 采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓， 從而達到調速的目的。但是電阻 網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般 電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 2、 繼電器： 采用繼電器對電動機的開或關進

7、行控制。 這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點 是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。 3、 H 橋組成的高電壓大電流雙全橋式驅動芯片： L298N 是 SGS 公司的產品，內部包含 4 通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電 機的專用驅動器，即內含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準 TTL 邏 輯電平信號，可驅動 46V、2A 以下的電機。橋型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方 向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PW 碉速技術。 兼于上述三種方案調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，因此本 設計采用方案三。 二、 以下是

8、PWN 脈寬的 3 種調制方式： 調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。米用了定頻調寬方式， 因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產生 PWM 脈沖的軟 件實現(xiàn)上比較方便。 最后再以鍵盤作為輸入達到控制直流電機的啟停、速度和方向，完成了基本要求 和發(fā)揮部分的要求。在設計中，采用了 PWM 技術對電機進行控制，通過對占空比的計 算達到精確調速的目的。 三、 驅動電路設計 轉速設定值 偏差 轉速輸岀 調 驅 直 以下是直流電機調速 3 種控制方式選擇: 直流電機速度控制方案 圖 單片機輸出的電機控制 PWM 信號接在 ENA 端口，IN1 和 IN2 端口控制電機

9、正反轉, 通過一個非門實現(xiàn)。對應的 0UT1 和 0UT2 俞出接在直流電機兩端。如圖（4）所示。 圖（4） 題目分析 在進行單片機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據(jù) 每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在控制系統(tǒng)設計中占重要地 位。 鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過輸出與轉速相應的 PWM 脈沖，另 一口輸出高電平，驅動 H 型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉向與轉速的控制。電 動機所處速度級以速度檔級數(shù)表示。速度分 4 檔，快慢與電動機所處速度級快慢一一 對應。 在程序中通過軟件產生，送出預設占空比的波形。 PWM脈沖寬度調制）是一系列 周期

10、固定、占空比可調的脈沖系列，由于每個脈沖的高電平時間和低電平時間之和必 須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時間必須由定時器來控制。 整體構思 本系統(tǒng)采用 AT89C51 作為控制核心，用按鈕來調節(jié)電機轉速和數(shù)碼管來顯示設定 轉速和測量轉速。由上述提供的方案和最后選擇結果，則用 H 橋組成的高電壓大電流 雙全橋式驅動芯片 L298 作為本系統(tǒng)的驅動電路和用帶有測速計的電機模型來取得電機 的實際轉速。如圖（ 5）所示。 _ 驅動 LED 數(shù)碼管 AT89C51 iT 單片機 顯示單元 直流 I,. . 上1 丨 % 上位機 測速 按 直流電機控制系統(tǒng)總體框圖 軟件主要由 3 部分組成：主程序、鍵盤掃

11、描程序、中斷處理程序。主程序流程如 圖（6）所示。 圖（6 ）主程序流程圖 具體實現(xiàn) 定時中斷處理程序實現(xiàn) 采用定時方式 1,因為單片機使用 12M 晶振，可產生最高約為的延時。對定時器置 初值0 xFF9C 可定時 100us。當 1OOus 定時時間到，定時器溢出則響應該定時中斷處理 程序，完成對定時器的再次賦值。 PWM 脈寬控制實現(xiàn) 一個脈沖周期可以由高電平持續(xù)時間系數(shù) c16TimeH 和低電平持續(xù)時間系數(shù) c16TimeL 組成，本設計中采用的脈沖頻率為 10000Hz,可得 c16TimeH+c16TimeL=65536 占空比為 c16TimeH/（c16TimeH+c16Ti

12、meL）,因此要實現(xiàn)定頻調寬的調速方式，只需通 過程序改變全局變量 c16TimeH, c16TimeL 的值。 其程序流程框如圖（7）: 圖（7） 3 元件說明及相關計算 元件說明: 電動機： 選擇電動機參數(shù)： 額定電壓：6V 額定轉速：6000rpm 減速比：1: 空載轉速：128rpm 10ms/轉 單片機選擇： AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓，高性能 CMOS?8M單片機，片內含 8k?bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器 （PEROM和256?bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲 器 （RAM，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準 MCS-

13、51 指令系統(tǒng)及 8052 產品引腳兼容，片內置通用 8 位中央處理器（CPU 和 Flash 存儲單 元，功能強大 AT89C52 單片機適合于許多較為復雜控制應用場合。？ 主要性能參數(shù)： 與 MCS-51 產品指令和引腳完全兼容？8k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器？ -1000 次擦寫周期？ 全靜態(tài)操作： 0Hz 24MHz?三級加密程序存儲器？256X 8 字節(jié)內部 RAM? 32 個可編程 I /O 口線？ 3 個 16 位定時/計數(shù)器？ 8 個中斷源？ 可編程串行 UART1道？ 低功耗空閑和掉電模式？ 功能特性概述：？ AT89C52 提供以下標準功能： 8k 字節(jié) Fla

14、sh 閃速存儲器， 256 字節(jié)內部 RAM 32 個 I /0 口線，3 個 16 位定時/計數(shù)器，一個 6 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通 信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C52 可降至 OHz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩 種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 勺工作，但允許 RAM 定時/計數(shù)器， 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并 禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 L298 電機驅動： L298 是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅動，設計用于連接標 準 TTL 邏輯電平，驅動電感負載（諸如繼電器、

15、線圈、 DC 和步進電機）。L298 提供兩 個使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號的情況下，使能或禁用 L298 器件。 LED 顯示屏 PROTEUS：計與仿真平臺 相關計算： 在程序中通過軟件產生，送出預設占空比的波形。 PWM脈沖寬度調制）是一系列 周期固定、占空比可調的脈沖系列，由于每個脈沖的高電平時間和低電平時間之和必 須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時間必須由定時器來控制。 設 PWM3 期為 T，高電 平時間為 TH,低電平時間為 TL，電壓為 VCC 則輸出電壓的平均值為：UAV =VCC*TH/ （TH+TL =VCC*TH/T=aVCC 當 VCC 固定時，其值取決于波形的

16、占空比 a,而的占空比 由單片機軟件內部用于控制輸出的寄存器值決定。 PWM 脈寬控制實現(xiàn) 一個脈沖周期可以由高電平持續(xù)時間系數(shù) c16TimeH 和低電平持續(xù)時間系數(shù) c16TimeL 組成，本設計中采用的脈沖頻率為 10000Hz,可得 c16TimeH+c16TimeL=65536 占空比為 c16TimeH/（c16TimeH+c16TimeL）,因此要實現(xiàn)定頻調寬的調速方式，只需通 過程序改變全局變量 c16TimeH, c16TimeL 的值。 4 調試過程 調試過程： 1、 初始狀態(tài)，未調試之前，仿真圖如下圖（8）。 圖（8） 2、 啟動仿真后，手動控制。在鍵盤上設置兩個按鍵 -

17、直流電動機加速和直流電動機 減速鍵。在手動狀態(tài)下，每按一次鍵，電動機的轉速按照約定的速率改變。 LED 顯示屏 上顯示電機轉速的設定值和電機轉速實際值。如下圖（9）圖（10）圖（11）所示。 圖（9）啟動仿真后 圖（10）加速調節(jié)電機轉速 圖（11）減速調節(jié)電機轉速 3、 示波器顯示 PWM 方波，狀態(tài)（電機高速擋反轉），顯示如下圖（12） 圖（12） 4、 示波器顯示 PWM 方波，狀態(tài)（電機高速擋反轉），顯示如下圖（13） 圖（13） 5、 電機實際轉速獲?。?在 Proteus 中只有一種直流電機集成了測速傳感器，在搜索欄里搜索 motor-encoder，即可得到這種電機模型。本設計中

18、設置電機轉一圈發(fā)出 60 個脈沖 根據(jù)實際運轉情況及結合所編寫程序，確定轉速公式為： V=N*15; V:速度 R/mi n N:每秒采樣的脈沖個數(shù) 如右圖所示，為帶測速功能的直流電機 模型 遇到問題及解決措施： 問題一：打開仿真軟件讀取程序時出現(xiàn)如下圖 所示的黃色條幅？ 當你在測量時仿真必須停止。也就是 說，你想用探針等工具測量參數(shù)時，要停止仿 真，即，在非仿真狀態(tài)下，先放好探針等工具，再仿真。 問題二：運行程序時，仿真軟件底部出現(xiàn)如下圖黃色字符？ 經(jīng)過上網(wǎng)查閱資料，給出的答案是電路中 GND 網(wǎng)絡中存在邏輯競爭沖突，檢查 一下每個接地點是否存在接線錯誤?；蛘呤?邏爭征用，是程序里邊那里賦值

19、有誤。 問題三：部分源程序不懂，無法進行仿真， 直流電機調速 3 種控制方式選擇？ 通過上網(wǎng)查閱資料和圖書館借閱圖書得到的資料，程序得到了完善基本上達到 了設計目的。實現(xiàn)通過單片機對直流電機的控制，通過合理的設備選型、參數(shù)設置和 軟件設計，提高了直流電機調速運行的可靠性。直流電機調速方式的選擇詳見。 5 心得體會 經(jīng)過十天的學習，工作中，通過查閱相關資料了解了 PWMft流電機調速系統(tǒng)，加 深了對直流電機調速控制系統(tǒng)的認識，熟悉了單片機在控制系統(tǒng)中的運用。并且在所 學知識的基礎上，禾 I用已有的直流調速系統(tǒng)設計，嘗試了自己的一些研究。并且，使 我將原來所學的知識系統(tǒng)化，理論化，實用化。對如何使

20、用已有知識及獲取相關資料 方面的能力又有了提高。 過而能改，善莫大焉。在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷 領悟，不斷獲齲最終的檢測調試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知 行觀。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師、同學 們的指導下，終于游逆而解。在今后社會的發(fā)展和實踐過程中，一定要不懈努力，不 能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只 有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退， 那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可 ！ 這次的課程設計給我很

21、多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時，設計讓我感觸 很深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計，我掌握了常用元件的 識別和測試；熟悉了常用儀器、儀表；了解了（ PID 仿真 ISSI ）的連線方法；以及如何提 高電路的性能等等，掌握部分程序的編寫和仿真，通過查詢資料，也了解 PWI 直流電 機調速了系統(tǒng)。 參考文獻 1 李廣弟等單片機基礎M.，2001. 2 等.M. ，2009. 3 陳海宴.M. ，2010. 4 等.單片機技術基礎M.，2007. 鐘富昭等.典型模塊設計與應用M.，2007. 6李平等.單片機入門與開發(fā)M.機械工業(yè)出版社，2008. 7 陳伯石.電力拖動自動控

22、制系統(tǒng)M.北京：機械工業(yè)出版社，2003. 8 鐘富昭.8051 單片機典型模塊設計與應用M.北京：人民郵電出版社，2007 9 張靖武.單片機系統(tǒng)的 PROTEUS：計與仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2007 10 楊恢先.單片機原理及應用M.北京：人民郵電出版社，2006 11 孟慶濤.圖解電子控制電路M.北京：人民郵電出版社，2006 12 謝維成.單片機原理與應用及 C51 程序設計M.北京：清華大學出版社，2006 13 周潤景.基于 PROTEUS 勺電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真M.北京：北京航空航天 出版社，2006 14 李光飛.單片機課程設計實例指導M.北京：北京航空航天出版社

23、，2004 15 杜坤梅.電機控制技術M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002 16 李廣第.單片機基礎（修訂版）M.北京：北京航空航天大學出版社，2001 17 陳光東.單片微型計算機原理與接口技術（第二版）M.武昌：華中科技大學出 版社，1999 18 何耀三.電氣傳動的微機控制M.重慶：重慶大學出版社，1997 19 薛鈞義.MCS-51/96 系列單片微型計算機及其應用M.西安：西安交通大學出版 社，1997 20 陳志強胡輝.單片機應用系統(tǒng)設計實踐指南自編教材 附錄一：電路原理圖 附錄二：程序清單 #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; 共陰極數(shù)碼管，0-9 段碼表 unsigned char Data_Buffer8=0,0,0,0,0,0,0,0; / 顯示緩沖 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 輸出值 float Kp=10,Ki=12,Kd=;/pid 控制系數(shù) 10,12, int out=0; uint SpeedSet=380; uint cn t=0; ui nt In pluse=0, nu m=0; 脈沖計數(shù) uint PWMTime=100; 脈沖寬度 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(); /按鍵設定速度 SegRefre(); /數(shù)碼管顯示刷新 PWMOUT(); / 輸出 PWM void PIDCo ntrol() /pid 偏差計算 e=SpeedSet-num; /誤差=設定值-1s 采集的脈沖值 duk=(Kp*(e-e1)+Ki*e+Kd*(e-2*e1+e2)/50; / 增量式 PID 公式 /50 是對 duk 進行縮小處理 uk=uk1+duk; out=(i nt)uk; / if(out1000) out=1000; else if(out0;i-)