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1、综合实践 1报告 实践项目名称：基于单片机的直流电机PWM调速控制 班 级： 通信工程081 姓 名： 商秀川 学 号： 2008132053 指导教师： 何鹏 完成日期： 2010-5- 齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 2 摘要 文章设计了以单片机AT89C51控制直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。介绍 了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法，给出了程序流程图、 KeilC51程序以及Protues的仿真结果。硬件电路实现了对电机的正传、反转、 加速、减速的控制。 关键字：单片机; 直流电机;PWM调速系统;齐齐哈尔大学通信与电子工程学
2、院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 3 Abstract A kind of speed regulation system of Pulse Width Modulation (PWM) for DC motor composed of microcontroller AT89C51 was designed. The basic methods of PWM regulating DC motor speed are explained. Programs in KeilC51, program flow chart and a simulation result in Pr
3、oteus are presented. Clockwise and anticlockwise rotation, acceleration and deceleration of the motor are achieved in hard circuit. Keywords：Single Chip; DC motor; PWM speed regulator system;齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 4 第一章 绪论 课题背景 在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较 高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的要求
4、调整转速。电动机的调速性 能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。 因此，调速技术一直是研究的热点。 直流电机由于具有速度控制容易，启动制动性能良好，且能在宽范围内平滑 调速等特点而在电力、冶炼、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动 机转速的控制方法可分为两类：励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控 制磁通，其控制功率虽然小但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花 和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常 用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。 传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。
5、随着电力电子技术的发展，创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制 （Pulse Width Modulation, PWM）是常用的一种调速方法，其基本原理是用改 变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制马达的速度，在脉 宽调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。只要按照 一定的规律改变通断电的时间，就可使电机的速度保持在一稳定值上。【1】 直流电动机具有良好的线性调速特性。简单的控制性能，优异的动态特性。 目前仍然是大多数调速控制电动机的最优选择。近年来随着计算机进入控制领 域，以及PWM控制方式成为主流。应用单片机技术和脉宽调制技术对直流电动机 进行调速控
6、制。 如今，计算机软件和硬件技术的快速发展，在许多领域都有成熟的仿真软件 在应用。Labcenter公司推出的Proteus是一套基于标准仿真引擎SPICE3F5的电 路分析、实物仿真系统。该软件具有交互式动画仿真、基于图形的仿真和基于 微控制器的仿真三种模式。其最大的特点就在于它能够仿真单片机及其外围芯 片。通过Proteus软件仿真。可以更好地帮助学生及工程师运用单片机技术进行 计算机控制系统的设计。【2】齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 5 第二章 电路设计原理及原理图 2.1 电路框图 。 电机 单片机 pwm 输出 输入 指令 脉冲 数，
7、方向 功 率 驱动器 速度显示 速度检测图 2.1 电路框图 2.2 PWM控制原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压， 进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调整、 温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通过和断开电源，并根 据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短通过改变直流电机电枢 上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的速度。以此PWM 又被称为“开关驱动装置” 。 【3】 图 2.2PWM 调制齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论
8、文） 6 PWM控制就是脉冲宽度调制。 通过控制电机的电压脉冲宽度，可以改变其电压有效值。从而可以改变它的转 速。 图中前部分波形与后部分波形周期是一样的，我们通过调节其占空比（图中 tH1不等于tH2） 。很明显图中前部分波形的电压有效值大于后部分波形的电压 有效值，即前者驱动的电机速度比后者的大。 2.3各部分原理图 图 2.3（a）光电脉冲检测与单片机接口 原理解析：此电路为简单的红外光电传感器，它由一对红外发射管及接收管 组成，红外发射管及接收管分别固定在电机叶片的两侧，当电机转动时，叶片 因为可以挡光而使红外接收管在叶片旋转一周内产生多个脉冲，脉冲个数取决 于叶片的数量。该脉冲信号（
9、也可以先将它整形）被送入单片机p3.3口（即中 断1）进行计数和处理。齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 7 图 2.3（b）按键接口电路 原理解析：此电路采用独立式按键电路，在无按键按下时p3.0， p3.1， p3.6 口被上拉电阻拉为高电平，与门输出也为高电平。当有按键按下时，其对应的 接口立刻变为低电平，而此时与门输出也会变成低电平，此信号连接的是单片 机外部中断0的中断请求信号输入端p3.2。只要我们在软件设计时设置外部中 断0为下降沿触发响应；这时当有按键按下时p3.2口的电平由高跳变为低（即 为下降沿） 。相应中断后就可以通过检测按键口的
10、状态即可判断是哪一个键按下 了。然后再执行对应的功能程序。在这里，我们先规定这三个键对应的功能。 Sw1功能键 ; Sw2上一个/减1 ; Sw3下一个/加1;齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 8 图 2.3（c）功能指示灯电路及接口 原理解析：这四只LED是功能选择指示灯，其定义的功能分别是：p1.0：功 能选择确认/返回 p1.1：显示模式 p1.2：设置速度 p1.3：电机正反转 我们先定义按键与功能指示灯所要完成的功能，以便之后的软件设计。 由于按键SW1状态与p3.0相关（外中断0的引入信号） ，这种硬件连接方法 决定了我们在编程时用中断方
11、式来响应按键功能设置。所以此部分功能是要在 系统启动后且按下SW1键后才能响应进入这部分的功能设置。 （即按下除SW1外 的键是不能进入设置的） 。当单片机检测到SW1键有按下时就响应中断，点亮 p1.0口处的LED表示已进入功能设置状态，此时如果按下SW2,则指向下一功能 （指示灯为下一个（p1.1口的）亮，表示将要选择显示模式设置） ，按SW3 则相反，是指向上一个的功能选项（p1.3口的灯亮） ，表示将要选择电机正 反转设置。如此反复选定要设置的项后，要再按SW1键表示确认。单片机检 测到确认信号后就转到相应的处理程序。假如经过以上的一番左右选择后，确 定将要对显示模式进行设置（此时指示
12、灯对应的是p1.1口的LED亮） ，按 确认键后，软件转向显示模式设置的程序进行后继处理（对应下面软件部分程 序标号为WORK1的程序段） 。 其余功能选项处理步骤雷同，但如果这一步选择了p1.0对应的功能并确认那 程序会直接转到中断返回。 注意在这后继的程序中，SW2,SW3分别表示的功能是自减自增；例如在设 置速度功能下每按一次SW2则设定速度减1 r/s。每按一次SW3则设定速度 加1 r/s。详细的处理方案请参考后面软件设计部分的“INT0中断服务程序,扫 描键盘”子程序。这里就不细说了。齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 9 图 2.3（d）
13、电机驱动电路（H 桥路）及控制接口 原理解析：p3.4为单片机pwm波输出口，用于控制电机速度。P3.5为电机正 反转控制口。在电路图中我们可以看到，不管p3.5状态如何，逻辑与门u1,u2 在任何时刻都是一开一闭，即R6,R7处必有一处为低电平，假设R7处为低电平， 当p3.4驱动信号为1时，即R6处为高电平。电路中三极管Q1,Q3开Q2，Q4闭。 电机电流从左流向右，为正转。反之，当p3.5改变状态后，R6为低电平。 Q1,Q3截止Q2，Q4开。电机电流从右流向左，为反转。 我们在上面做功能选项电机正反转设置时，就是通过改变p3.5口的状态 来改变电机转向的。齐齐哈尔大学通信与电子工程学院
14、 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 10 图 2.3（e）LED 数码显示接口电路 原理解析：数码管我们用的是共阴极数码管。只要在p0，p2口输出需要显示 的字型码即可显示相应的数字。 2.4本章小结 本章按照直流电机PWM调速控制系统的设计要求，确定了直流电机PWM调速 控制系统的设计方案，并按设计方案设计出系统的方案框图，并跟据系统的方 案确定了系统的硬件结构，并画出系统的硬件原理图，最后设计出系统的单元 电路图。齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信 2008本 综合实践 1 报告（论文） 11 第三章 软件设计 进行应用软件设计时可采用模块化程序设计方法，本系统用的是单片机C
15、51 语言，其优点是：（1）每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试 和修改；（2）程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其他部分可以保持不 变，便于功能扩充和版本升级；（3）对于使用频率的子程序可以建立子程序库， 便于多个模块调用；（4）便于分工合作，多个程序员同时进行程序的编写和调 试工作，加快软件的便是进度。 【4】 3.1定义分配存储单元 7EH ：设 pwm 高电平标志位 7FH ：显示模式标志位（显示设置速度/采样速度） 29H ：速度存储单元（m/s） 22H ：计 100ms 次数存储单元 25H ：采样速度存储单元（高位） 26H ：采样速度存储单元（低位） 20H ：T1 计数值存储单元（高 8位） 21H ：T1 计数值存储单元（低 8位） 23H ：采样时间低位存储单元（Tp） 24H ：采样时间低位存储单元（Tp） 27H ：pwm 高电平时的计时初值（低 8位） 28H ：pwm 高电平时的计时初值（高 8位） 2AH ：pwm 低电平时的计时初值（低 8位） 2BH ：pwm 低电平时的计时初值（高 8位） 3.2软件设计及部分流程图 根据设计要求，首先确定软件设计方案，即确定该软件应该完成哪些功能， 其次是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块，以及每一个程序模块 的具体任务是什么，模块的划分有
