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1、单片机原理及应用课程设计报告设计题目:学院：专业:班级:学号:学生姓名:指导教师:目录设计题目:PWM直流电机调速系统本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现 +5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变 占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测 量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1 秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键
2、词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机1设计要求及主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装 置。设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机 的转速。（3）设计一个4个按键的键盘。K1: “启动/停止”。K2：“正转/反转”。K3：“加速”。K4: “减速”。（4）手动控制。在键盘上设置两个按键-直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。（5）*测
3、量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）.（6）实现数字PID调速功能。主要技术指标（1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。（2）使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。（3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速;（4）参考Protuse仿真效果图：图（1）图（1）2设计过程本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为 开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台 之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的 宽度来控制H电路中的G
4、TR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵 活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道 逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电 流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱 动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接 输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压
5、，高性能8 位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存 储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统， 片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛 的应用。图（2）对直流电机转速的控制即可采用开环控制，也可采用闭环控制。与开环控制相比， 速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特 性相比，其性能大大提高;理想空载转速相同时，闭环系统的静差（额定负载时电机转速 降落与理想空载转速之比）要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可
6、以大大提高。直流电机的速度控制方案如图(3)所示。转速设定值| I偏差II转速输出衫调 驱 直 直流电机速度控制方案图(3)一、以下是直流电机调速3种控制方式选择：1、电阻网络或数字电位器：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻 网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般 电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。2、继电器:采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简单，缺点 是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。3、H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片：L298
7、N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电 机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻 辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。桥型电路保证了可以简单地实现转速和方 向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于上述三种方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本 设计采用方案三。二、以下是PWM脉宽的3种调制方式：调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。采用了定频调宽方式， 因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软 件实现上比较方便。最后
8、再以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求 和发挥部分的要求。在设计中，采用了 PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计 算达到精确调速的目的。三、驱动电路设计单片机输出的电机控制PWM信号接在ENA端口，IN1和IN2端口控制电机正反转， 通过一个非门实现。对应的OUT 1和OUT2输出接在直流电机两端。如图（4）所示。图（4）题目分析在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据 每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在控制系统设计中占重要地 位。键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过输出与转速相应的PWM脉冲，另 一口输出
9、高电平，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电 动机所处速度级以速度档级数表示。速度分4档，快慢与电动机所处速度级快慢一一 对应。在程序中通过软件产生，送出预设占空比的波形。PWM （脉冲宽度调制）是一系列 周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必 须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。整体构思本系统采用AT89C51作为控制核心，用按钮来调节电机转速和数码管来显示设定 转速和测量转速。由上述提供的方案和最后选择结果，则用H桥组成的高电压大电流 双全桥式驱动芯片L298作为本系统的驱动电路和用带有测速计的电机模型来取得电机
10、的实际转速。如图（5）所示。驱动AT89C51LED数码管单片机显示单元直流测速按 1直流电机控制系统总体框图上位机软件主要由3部分组成: 图（6）所示。主程序、键盘扫描程序、中断处理程序。主程序流程如具体实现定时中断处理程序实现采用定时方式1,因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为的延时。对定时器置 初值0xFF9C可定时100us。当100us定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理 程序，完成对定时器的再次赋值。PWM脉宽控制实现一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数c16TimeH和低电平持续时间系数c16TimeL组成，本设计中采用的脉冲频率为10000Hz，可得c16TimeH+
11、c16TimeL=65536, 占空比为c16TimeH/（c16TimeH+c16TimeL），因此要实现定频调宽的调速方式，只需通 过程序改变全局变量c16TimeH，c16TimeL的值。其程序流程框如图（7）：图（7）3元件说明及相关计算元件说明：电动机：选择电动机参数：额定电压：6V额定转速：6000rpm 减速比：1：空载转速：128rpm10ms/转单片机选择：AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS?8位单片机，片内含 8k?bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256?bytes的随机存取数据存储 器（RAM），器件采用ATMEL公司的高
12、密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51 指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单 元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。？ 主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容？8k字节可重擦写Flash闪速存储器？ -1000 次擦写周期?全静态操作：0Hz-24MHz? 三级加密程序存储器？ -256X8字节内部RAM? -32 个可编程I / O 口线？3个16位定时/计数器？ - 8个中断源？可编程串行UART通道？ 低功耗空闲和掉电模式?？ 功能特性概述：？AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪
13、速存储器，256字节内部RAM, 32 个I/O 口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通 信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两 种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器， 串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并 禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。L298电机驱动：L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标 准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）L298提供两 个使能输入端，可
14、以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。LED显示屏PROTEUS设计与仿真平台相关计算：在程序中通过软件产生，送出预设占空比的波形。PWM （脉冲宽度调制）是一系列 周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必 须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。设PWM周期为T，高电 平时间为TH，低电平时间为TL，电压为VCC，则输出电压的平均值为：UAV=VCC*TH/ （TH+TL） =VCC*TH/T=aVCC，当VCC固定时，其值取决于波形的占空比a，而的占空比 由单片机软件内部用于控制输出的寄存器值决定。PWM脉宽控制实现一个脉冲
15、周期可以由高电平持续时间系数c16TimeH和低电平持续时间系数c16TimeL组成，本设计中采用的脉冲频率为10000Hz，可得c16TimeH+c16TimeL=65536, 占空比为c16TimeH/（c16TimeH+c16TimeL），因此要实现定频调宽的调速方式，只需通 过程序改变全局变量c16TimeH, c16TimeL的值。4调试过程调试过程:1、初始状态，未调试之前，仿真图如下图（8）。图2、启动仿真后，手动控制。在键盘上设置两个按键一直流电动机加速和直流电动机 减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变LED显示屏 上显示电机转速的设定值和电机转速实际值。如下图（9）图（10）图（11）所示。图（10）加速调节电机转速图（11）减速调节电机转速3、示波器显示PWM方波，状态（电机高速挡反转），显示如下图（12）。图（12）4、示波器显示PWM方波，状态（电机高速挡反转），显示如下图（13）。图（13）5、电机实际转速获取:在Proteus中只有一种直流电机
