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1、直流电转速系统设计摘 要本文设计了直流电机转速控制系统，用来控制直流电机。转速该系统电路主要由主电路和控制电路组成，主电路由桥式PWM变换器电路构成，控制电路由AT89C51单片机来实现。控制电路中还包括键盘、复位、驱动电路等外围电路。系统的核心就是通过主电路产生PWM波来控制电机转动，通过调节占空比就能达到控制转速的目的。桥式可逆PWM变换器电路中有四个端口D1 、D2、D3、D4当占空比大于0.5时，D1 与D4导通电机正转、当占空比小于0.5时，D2与 D3导通电机反转、当占空比为0时电机停止转动。通过键盘输入信号来控制电机加速、减速、正传或反转。关键词：AT89C51；PWM技术；直流
2、电机AbstractDC motor has been widely used in various fields. In this paper, the DC motor speed control system is designed to control the DC motor speed. The system circuit mainly consists by the main circuit and control circuit.The main circuit consists by a bridge PWM converting circuit, control circ
3、uit achieved by the AT89C51 microprocessor. The control circuit also includes the keyboard, reset, drive, circuit and other peripheral circuits.The core of the system is to generate the PWM wave through the main circuit to control the motor rotation, By adjusting the duty cycle can achieve the purpo
4、se of controlling the speed .Bridge riverside PWM converter circuit has four ports D1, D2, D3, D4.When the duty cycle is greater then 0.5, D1 and D4 turn on the motor .When the duty cycle is less than 0.5, D2 and D3 turn on the motor reversal the motor stops turning when the duty cycle is 0.We can c
5、ontrol the motor acceleration .deceleration, forward or reverse through the keyboard input signal.Key words: AT89C51 microcontroller; PWM technology; DC Motor1引言1.1研究背景直流电机听起来很多人都觉得不太常见，大家日常接触不到其实它大家的生活并不遥远，人们日常生活中的无论是电视机还是洗衣机等各类生活电器都离不开它。直流电机自从问世以来凭借着优良的性能，不论是大到航天、军工领域还是小到家用电器都深受人们喜爱。但是随着技术不断的升级对直流
6、电机转速的要求也日益提高。传统的调控直流电机系统因为性能越发不能满足各方面的需求逐渐开始被淘汰，单片机应运而生。单片机自问世以来就凭借着功能强大而自身又小巧方便，而利用单片机为核心设计的直流电机转速系统更是深受欢迎。自从二十世纪70年代到现在，单片机已经一路艰辛的走过了近三十年的发展历程，从开始的不被接受到现在位居主流。这就足以说明它存在的必然性，而直流电机的各种性能也随着时代的变迁技术的升级不断的提升着。可以说两者的相结合有偶然性也有着必然性，如果单片机的性能不够优异或者直流电的性能太差结合在一起的系统功能肯定达不到现在目前市面上那么优秀。那么它们一定会被其他的系统所取代，但是它们一直这样坎
7、坷的发展到今天。由最开始的模拟电路控制直流电机转速一步步发展到今天的单片机控制直流电机转速、由最开始的大型器件发展到现在的微型单片机。可以说直流电机转速系统的发展是整个时代科技发展的缩影。并且伴随着单片机的发展，各种基于单片机设计的自动化系统已经不仅仅只是应用于比较高端的军工、航天等科研领域，它已经在生活领域中也得到了广泛的使用；现如今以广泛应用于家庭电脑、电视以及智能化家用设备，极大的方便了人类的生活。1.2研究意义直流电机有着独特的魅力吸引着科研人员不断的研究它开发它升级它，比如有良好的起动、调速性能，因此不论在军工还是民用都饱受大家青睐。在单片机出现以前直流电机控制多数依靠模拟电路作为基
8、础，主要由非线性集成电路组成。然而此控制系统功能比较单一、不灵活、调试很困难且组成的硬件部分很复杂容易受到电压波动的影响，模拟元器件的老化也会影响到整体的性能这些都限定了直流电控制技术的发展。随着单片机技术的发展给直流电机控制技术的发展带来新的发展空间，使更多的设计被开发出来，单片机具有控制性能较强、小巧灵活、成本低而且适应温度范围较广等优点。基于单片机的控制系统控制能力强、系统稳点行高而且维护方便因此在这里提出基于单片机设计-直流电机转速系统具有较强的现实意义。1.3 研究方法及内容本系统基于AT89C51单片机来开发，PWM桥式可逆变换器电路和单片机承担的控制电路共同主电路。系统电路还包括
9、键盘、排阻、驱动、显示器等外围电路均由单片机来实现控制。在单片机中输入好程序后在单片机的控制下桥式可逆电路输出可逆PWM波，由于输出的信号太弱如果用来控制电机转速就有点不太明显于是加入了排阻与驱动芯片共同来放大电流然后利用PWM波来控制电机的正反转、加速、减速。1.4 论文结构整篇论文一共有五大模块，每个模块内容具体如下所示：第一章：介绍了直流电机转速系统的研究背景、国内外直流电机转速系统研究现状、研究方法及内容以及有关本论文的论文结构。第二章：介绍了研究直流电机转速总系统的方案以及方案选择。第三章：介绍了直流电机PWM调速原理第四章：介绍了系统中驱动电路的设计和单片、驱动芯片的选择。第五章：
10、介绍了系统软件设计2 系统方案设计2.1系统总方案选择采用AT89C51单片机进行控制。本设计的重点在于利用单片机产生PWM波来控制直流电机的转速因此软件部分比较简单，硬件部分则需要键盘、驱动、直流电机。系统框架图如图1：图1系统总体框架图2.2模块电路方案选择2.2.1电机调速主电路模块在单片机出现之前或者说还没有大规模的应用到民用领域之前，为了控制直流电机转速一般采用控制直流电机的导通工作与断开停止之间切换的频率。这种方法很简单只需要连接一个继电器就能控制电机的开关即可控制直流电机转速，但是这样的控制系统有很大的缺点最严重的就是使用寿命问题反复的进行开关会对直流电机的机械造成磨损而且也不是
11、很精准，它只能在一定的范围内调速或者说它只能控制速度在一定的区间内，如果所需的速度超过了它就没法调速控制。在单片机出现之后就多了选择，可以选择利用H型PWM 电路可由林顿管构成。当林顿管处于一种状态时它的占空比是可调的，用单片机来控制它并稳定在此状态就可以精准的调整直流电机转速。而且H型电路还可以实现直流电机方向的控制。2.2.2 PWM调速控制方式单片机工作制：双极性工作制，一个脉冲周期内两个控制口各自输出一个控制信号，两信号高低电平相反。单极性工作制，单片机一个控制口输出低电平另一个输出PWM信号。因为单极性工作制较为方便在这里选择单极性工作制。3直流电机PWM调速原理3.1 PWM调脉宽
12、方式本系统的核心就再要要是单片机产生PWM脉冲波来控制电机转速，要使单片机产生PWM脉冲波就需要来调脉冲波的宽度。单片机产生的PWM波具一定的频率与宽度想要改变其宽度就可以从频率下手，可以在固定器频率时来调整期宽度反之亦可在控制宽度的条件下改变频率达到同样的效果。这两种之外还可以同时进行即改变频率的同时改变宽度。3.2桥式可逆PWM变换器直流电机的转度与其两端的电压是正比关系，控制电压就能控制电机转速。而控制电机两端电压在这里就要用到脉宽调制器。选择利用脉冲宽度调制的方法就可以达到控制电压大小即控制电机转速 4。桥式可逆PWM变换器电路如图2所示。图2 桥式可逆PWM变换器电路图桥式可逆PWM
13、变换器的四个驱动电压波形如图3所示。图3PWM波形图如图2所示的桥式可逆PWM变换器所示，电机周围分别有四个三极管D1、D2、D3、D4，只有当最少两个以上的三极管导通时电机才可能运转。由于该电路的特点D1、D2、D3、D4不能连续导通。要使电机转动则需要处在对角线上的两个导通，D1、D4导通另外两个截止或者D2、D3导通另外两个截止。而不同的两个三极管导通将会导致流过电机的电流方向不同，从而导致电机的转向不同。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为(1)如果定义占空比，电压系数则在桥式可逆变换器中(2)调速时，当占空比大于0.5则电机正转、占空比小于0.5则电机反转 14。双极式控制的桥
14、式可逆PWM变换器具有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。4元器件选择及部分硬件电路设计4.1单片机的选择AT89C51作为一种优秀的单片机功能强大可以执行各种控制系统，内部芯片集成了8位中央处理器性能优良，而且硬件部分也很完美而且性价比也很合适。经过选择，决定采用AT89C51。4.1.1主要特性 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片
15、内振荡器和时钟电路图4单片机芯片管脚图4.1.2管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：主要用来存储外部程序的数据P1口：可做输入也可做为输出端口P2口：主要作为输出端口P3口是AT89C51中的一个特殊端口的它具有的特殊功能，如下表所示：P3口管脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号I/O口的内部结构如图5：图5I/O口的内部结构图I/O口作为输入口时存在两种工作方：分别为读端口、读引脚。读端口工作时，不能把外部的数据读入到cpu2。读引脚时，通过读引脚操作可以把外部数据读入到cpu上。RST：复位输入。ALE/PROG：输出电平。/PSEN：选通信号。/EA/VPP：高电平时，作为内部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器和内部时钟工作电路的输入XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.1.3振荡器特性XTAL1作为反向放大器的输入、XTAL2作为反向放大器输出。反向放大器可作为片内振荡器。4.1.4芯片擦除在芯片擦操作中
