基于51單片機的直流電機PWM調速控制系統設計

摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列單片機控制PWM信號從而實現對直流電機轉速進行控制的方法。本文中采用了三極管組成了PWM信號的驅動系統，并且對PWM信號的原理、產生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調節，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。另外，本系統中使用了霍爾元件對直流電機的轉速進行測量，經過處理后，將測量值送到液晶顯示出來。

目錄

1 引言

在現代電子產品中，自動控制系統，電子儀器設備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術。直流電機，大體上可分為四類：幾相繞組的步進電機、永磁式換流器直流電機、伺服電機、 兩相低電壓交流電機

直流電機的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，轉速控制容易，調速后效率很高。與交流調速相比，直流電機結構復雜，生產成本高，維護工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術的成熟，使得矢量控制變頻技術獲得迅猛發展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調速裝置，并在工業上得到廣泛應用。適用范圍：直流調速器可以應用在造紙印刷、紡織印染、光纜設備、電工技術設備、食品加工機械、橡膠加工機械、生物制藥設備、電路板設備、實驗器材 、特種加工、輕工業、 輸送設備 車輛工程、醫療設備、通訊設備、雷達設備 等行業中。高性能的交流傳動應用比重逐年上升，在工業部門中，用可調速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。

盡管如此，我認為設計一個直流電機調速系統，不論是從學習還是實踐的角度，對一名機電工程專業的大學生都會產生積極地作用，有利于提高學習熱情。

直流電機擁有有良好的起制動性能，可應用于在大范圍內的平滑調速，也可廣泛的應用于許多需要調速或正反向的電力拖動領域中。在控制角度來看，直流調速更是交流拖動系統的基礎。早期的控制系統較大部分以模擬電路作為基礎，有運算放大器、非線性集成電路和少量數字電路等，控制系統的硬件部分功能比較復雜，功能比較單一，而且軟件系統不靈活、不好調試，不利于直流電動機調速技術發展和應用范圍。伴隨著單片機控制技術的快速發展，使得許多控制功能算法以及軟件得以完成，為直流電動機調速控制提供了更大的發展空間，并使系統達到更高的性能。采用單片機構成控制系統，可以節約人力資源和降低系統成本，從而有效的提高工作效率。

傳統的控制系統采用模擬元件，雖然滿足了生產要求，但由于元件易老化和使用時容易受到干擾影響，并且線路很復雜，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現事故。

目前，直流電動機調速系統數字化已經走向實用化，伴隨著電子技術的高度發展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發展的趨勢。因此實現直流無級調速對我們社會生產和生活有著重大的意義。

直流電動機根據勵磁方式不同，分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的機械特性曲線有所不同。對于直流電動機的轉速有以下公式：

n=U/Cc-TR內/CrCc                   （公式 1-1）

其中：

U—電壓； —勵磁繞組電阻；

—磁通(Wb)；Cc—電勢常數；Cr—轉矩常量。

由上式可知，直流電機的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場控制法。比較兩種方法優劣，對于磁場控制法，其控制功率較小，低速傳動時易受到磁極飽和限制，而高速傳動時又受到換向火花和換向器結構限制。所以磁場控制法并不合適，電樞控制法在電機調速中是比較常用的方法。直流電動機的基本結構直流電機的結構是多種多樣的,但任何直流電機都包括定子部分和轉子 部分,這兩部分間存在著一定大小的氣隙,使電機中電路和磁場發生相對運 動.直流電機定子部分主要由主磁極,電刷裝置和換向極等組成,轉子部分 主要由電樞繞組,換向器和轉軸等構成，如圖1-1所示：

圖1-1 直流電機的工作原理圖

電樞控制即在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉速。在電機調速中廣泛使用，其中脈寬調制應用廣泛。脈寬調速的概念是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。

根據上圖，當電動機始終接通電源時，電機轉速最大為，占空比為D=/T，則電機的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得

到不同的電機速度，從而實現調速。

PWM為主控電路的調速系統：基于單片機類由軟件來實現PWM，在PWM調速系統中占空比是一個重要參數，電源電壓不變時，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值可以改變電樞端電壓的平均值：

1、定寬調頻法：保持不變，只改變t，使周期也隨之改變。

2、調寬調頻法：保持t不變，只改變，使周期或頻率也隨之改變。

3、定頻調寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時改變和t。

1，2方法在調速時改變了控制脈沖的周期或頻率，當控制脈沖的頻率與

系統的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因而不合適，用定頻調寬法來改變占空

比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。

軟件采用定時中斷進行設計。當單片機上電后，系統進入準備狀態。當按動按鈕后執行相應的程序，根據P1.1的高低電平決定直流電機正反轉。根據加、減速按鈕，調整P1.1輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時時間，進而控制電壓的大小來決定直流電機的轉速。

2 系統硬件電路的設計

本系統采用STC89C51控制輸出數據，由單片機IO口產生PWM信號，送到直流電機，直流電機通過測速電路將實時轉速送回單片機，進行轉速顯示，從而實現對電機速度和轉向的控制，達到直流電機調速的目的。

STC89C51單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內單一總線連接，其基本結構依然是通用CPU加上外圍芯片的結構模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：

中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。

內部數據存儲器：STC89C51芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H—7FH。通常說的內部數據存儲器就是指這前128個單元，簡稱內部RAM。

內部程序存儲器：STC89C51芯片內部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數據或表格，簡稱內部ROM。

定時器：STC89C51片內有2個16位的定時器，用來實現定時或者計數功能，并且以其定時或計數結果對計算機進行控制。

中斷控制系統：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數中斷2個和串行中斷1個。

3 PWM信號發生電路設計

調速采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調制，工作原理：通過產生矩形波，改變占空比，以達到調整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。模擬信號的值可以連續變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。

電動機PWM驅動模塊的電路采用H橋驅動，設計與實現具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWM原理的驅動電路。

PWM電路由復合體管組成，兩個輸入端高低電平控制晶體管是否導通或截止。NPN的三極管高電平輸入時導通，PNP的三極管低電平輸入時導通，當Q1和Q2都導通時，Q3和Q6截止，Q4和Q5導通，電機兩端都是GND，電機是不轉的，當Q1和Q2都截止時，Q3和Q6導通，Q4和Q5截止，電機兩端都是VCC，電機也是不轉的，那么，當Q1導通，Q2截止時，Q4和Q6導通，電機右邊是電源，左邊是地，電機逆時針轉動，此時保持Q2截止，PWM控制Q1的導通截止，就可以控制電機的速度，同理，當Q1截止，Q2導通時，Q3和Q5導通，電機的左邊是電源，右邊是地，電機順時針轉動，此時保持Q1截止，PWM控制Q2的導通截止就可以控制電機的轉速。4個二極管在電路中的作用是防止晶體管產生不當反向電壓，以及電機兩端電流和晶體管上的電流過大保護。

H橋式電動機驅動電路包括4個三極管和一個電機，因為它的形狀與字母H相似，故因此而得名。如下圖 所示，要使電動機成功運轉，須對對角線上的一對三極管通電。據不同的三極管對的導通通電的情況，電流會從右至左或相反方向流過電機，從而改變電機的轉動方向。

因此要想使電動機運轉，必須使對角線上兩個三極管通電。例如，當Q2管與Q3管導通時，電流 從電源正極經Q2從左到右通過電機，再經 Q3到電源的負極。同樣Q1與Q4亦是如此，由電流箭頭可看，驅動電動機將順時針轉動。

5 主電路設計

5.1 單片機最小系統

液晶部分的電路圖如下圖所示：

LCD 1602也被稱作1602字符型液晶。它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，它有若干個或者等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有也有間隔，這樣則起到了字符間距和行間距的作用，也正因為如此，它不能顯示圖形。

LCD 1602是指顯示的內容為，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。LCD 1602實物圖如圖3-4所示，LCD 1602引腳圖如圖3-5所示。

LCD 1602可以采用兩種方式與單片機連接，一種是采用8位數據總線D0～D7，和RS、R/W、EN三個控制端口；另一種是只用D4～D7作為四位數據分兩次傳送。

進行LCD設計主要是LCD的控制/驅動和外界的接口設計。控制主要是通過接口與外界通信、管理內/外顯示RAM，控制驅動器，分配顯示數據；驅動主要是根據控制器要求，驅動LCD進行顯示。控制器還常含有內部ASCII字符庫，或可外擴的大容量漢字庫。

單片機AT89S52的P1.1與LCD 1602的使能端E相連，GND與讀寫選擇端R/W相連，P1.0與RS相連，當使能端使能時，再通過命令選擇端來控制讀數據，寫數據，寫命令。控制P0端口與LCD 1602的數據端口相連，傳輸數據。

LCD 1602液晶模塊內部的字符發生內存（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。

LCD 1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H，光標復位到地址00H位置；

指令2：光標復位，光標返回到地址00H；

指令3：光標和顯示模式設置I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效；

指令4：顯示開關控制。D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示C：控制光標的開與關，高電平表示有游標，低電平表示無游標B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍；

指令5：光標或顯示移位元S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標；

指令6：功能設置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F：低電平時顯示5×7的點陣字符，高電平時顯示5×10的點陣字符；

指令7：字符發生器RAM地址設置；

指令8：DDRAM地址設置；

指令9：讀忙信號和光標地址BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙；

指令10：寫數據；

指令11：讀數據。

液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。

本設計采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機初始時，因為為高電平，當按鍵按下的時候，會給單片機一個低電平，單片機對信號進行處理

單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O 口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡單且系統更加穩定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的I/O少。根據本設計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。

獨立式鍵盤的實現方法是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，程序開始時將此I/O口置于高電平，平時無鍵按下時I/O口保護高電平。當有鍵按下時，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態就可以了解我們是否有按鍵動作了。

在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區產生的電平不穩定正常現象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現法是先查尋按鍵當有低電平出現時立即延時10~200毫秒以避開抖動（經典值為20毫秒），延時結束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10~200 毫秒，視為干擾信號。當讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調用相應的處理程序。硬件電路如圖3-15所示：

圖 按鍵部分電路

用于測量的A44E集成霍爾開關，磁鋼用直徑D=6.004mm，長度為L=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流，霍爾開關輸出由四位半直流數字電壓表測量，磁感應強度B用95A型集成霍爾元件測量。

圖3-7霍爾片管腳        管腳接線

根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

霍爾傳感器A3144是Allegro MicroSystems公司生產的寬溫、開關型霍爾效應傳感器，其工作溫度范圍可達-40℃～150℃。它由電壓調整電路、反相電源保護電路、霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發器和OC門輸出極構成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩定性好、靈敏度高等特點，有兩種封裝形式，一種是3腳貼片微小型封裝，后綴為“LH”；另一種是3腳直插式封裝，后綴為“UA”。

A3144E系列單極高溫霍爾效應集成傳感器是由穩壓電源，霍爾電壓發生器，差分放大器，施密特觸發器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏電路，適用于矩形或者柱形磁體下工作。可應用于汽車工業和軍事工程中。

霍爾傳感器的外形圖和與磁場的作用關系如圖2-4所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。

霍爾元件和磁鋼                            管腳圖

圖3-8 霍爾傳感器的外形圖

該霍爾傳感器的接線圖如圖3-9所示。

  圖3-9 霍爾傳感器的接線圖

測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數。霍爾器件作為一種轉速測量系統的傳感器，它有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優點，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖2-6所示，當電機轉動時，帶動傳感器運動，產生對應頻率的脈沖信號，經過信號處理后輸出到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量[6]。

圖3-10霍爾器件測速原理

•   系統調試與存在的問題
  

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發，體會更加深刻。   Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。下面詳細介紹Keil C51開發系統各部分功能和使用。 Keil_c軟件界面如圖

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以網設計，具有很強的數據交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層。

Protel99SE軟件的特點：

• 可生成30多種格式的電氣連接網絡表；
• 強大的全局編輯功能；
• 在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；
• 同時運行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網絡
• 既可以進行正向注釋元器件標號（由原理圖到PCB），也可以進行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設計上的一致性；
• 滿足國際化設計要求（包括國標標題欄輸出，GB4728國標庫）； * 方便易用的數模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；
• 支持用CUPL語言和原理圖設計PLD，生成標準的JED下載文件； * PCB可設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層；
• 強大的“規則驅動”設計環境，符合在線的和批處理的設計規則檢查；
• 智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；
• 提供大量的工業化標準電路板做為設計模版；
  

常見故障：

1、邏輯錯誤：它是由設計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路等。

2、元器件失效：有兩方面的原因：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯誤造成元件失效，如電解電容、集成電路安裝方向錯誤等。

3、可靠性差：因其可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統時好時壞，經不起振動；走線和布局不合理也會引起系統可靠性差。

4、電源故障：若樣機由電源故障，則加電后很容易造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設計要求，電源引線和插座不對，功率不足，負載能力差等。

調試方法：包括多級調試和聯機調試。在調試過程中要針對可能出現的故障認真分析，直至檢查出原因并排除。

本次硬件調試過程中，對所出現的問題進行了認真的分析和改正，最后能夠很好的達到設計要求的效果。

軟件調試一般分為以下四個階段：1、 編寫程序并查錯；2、在C語言的編譯系統中編譯源程序3、對程序進行編譯連接，并及時發現程序中存在的錯誤；4、改正錯誤。

在本次調試中出現的問題有：

1、在程序中有的函數名未定義；

2、在抄錄程序時，少錄入一些字符，如：“；”、“{”、“-”等符號，而出現錯誤；

3、有一些函數名錄入時少寫一個字母或順序顛倒；

4、沒有注意函數名的調用及定義；

5、芯片引腳定義出錯而導致沒有實驗現象。

在軟件調試過程中，對出現的錯誤進行了認真的分析和修改，多次調試成功后，能夠很好的達到既定的設計效果。

仿真整體圖如下：

總結

本文所述的直流電機PWM調速系統是以低價位的單片微機STC89C51為核心的，而通過單片機來實現電機調整又有多種途徑，相對于其他方法，如用硬件或者硬件與軟件相結合的方法對電機轉速進行調整，采用PWM軟件方法來實現調速過程的優點是擁有更大靈活性和更低成本，它能夠有效發揮單片機控制優點和效能，對于簡易的速度控制系統實現提供了較為有效的途徑。

致謝

經過這次畢業設計我感受頗多，在正式進行設計之前，我參考了一些網上的資料，通過對這些設計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。

此次畢業設計不僅是對前面所學單片機技術和運動控制理論的一種檢驗，更是對所學知識大融合，站在新的高度看待新的問題，而且也是對自己運用所學知識的能力的一種提高。通過這次畢業設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學習的東西還太多。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。

本設計在硬件上采用了基于PWM技術的H型橋式驅動電路，解決了電機馬驅動的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統結構及算法，提高了單片機的使用效率，且更有效的控制電機。

這次畢設使我深感要注重理論知識，注重理論聯系實際。以前一直覺得理論知識離我們很遠，理論只是大談空談，這才發現理論的重要性，這才發現理論知識與生活的聯系的重要性。

最后，我要感謝魏老師對我這次畢業設計的大力支持，使我不僅在知識方面有了更深一步的了解，并且在我設計東西的思路與邏輯方面有更深刻的影響，使我知道了設計思路與邏輯的重要性，讓我獲益匪淺。