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1、引 言直流电机是最常见的一种电机，具有很好的起动、制动和调速等功能。现今，直流电动机被广泛的应用于生产和生活的各个领域，为人们的生产和生活提供便捷。传统的调速具有功耗大，调速困难，易随温度产生漂移，热损耗大等诸多缺点。为了改善这些缺点，使直流电机的调速更加趋于完善，本设计采用基于单片机的PWM控制技术对直流电机进行控制。PWM是一种新的电机调速方式，是针对脉冲的占空比进行调制的一项技术,以往的调节方式大致分为以下三种:（1）固定脉冲宽度而调节频率（2）同时调节脉冲宽度与频率（3）固定脉冲频率而调节脉冲宽度。这三种方式中，前两种在操作时都得改变脉冲的周期，这样做经常会使系统出现共振的现象。因此，
2、我在本设计中采用固定脉冲频率而调节脉冲宽度的方法来获得所需要的驱动电压。这种调节方法有开关频率高（仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流),低速运行稳定 、动态性能优良、效率高(开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小)等优点，在电机调速中被广泛使用。用单片机对直流电机进行控制具有准确性和可操作性。本设计采用的单片机是AT89S52，是一款8051增强型单片机，具有优良的控制性能。本设计为基于单片机的直流电机的调速系统设计，其中选择直流电机为被控对象，采用51单片机完成对直流电机的转速的控制。本设计从硬件和软件两部分进行设计，硬件部分主要完成驱动电路，显示电路，键盘电路的设计。1 绪论
3、1.1 课题研究的目的与意义现如今自动化控制已经被人们所熟知，并且得到了广泛的应用。随着科学技术的不断进步，自动化控制也取得了飞跃性的发展。因为直流电机是自动化控制的主要被控元件，所以它在现代化的工业生产中占据着不可替代的位置。直流电机因其较强的控制能力和良好的线性特性，被多数闭环控制系统所采用。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础。由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异。使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提
4、供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。本设计是将单片机技术应用于直流电机控制系统中，实现对直流电机速度的调控。现今人们把微处理器作为实现对直流电机控制的首选，因为微机控制一方面使系统完全数字化，另一方面还可以提高系统的可靠性。简单的微处理器所控制的电机，仅仅是用微处理器来实现使电路开通或关断的功能，从而实现对电机的控制。复杂的微处理器所控制的电机,要通过对电机的电压、电流和转速的控制，命令电机按给定的指令运行。如今这些都已经不再是难题了，我们可以对可编程控制器进行编程，就可以直接对电机进行控制了，在很大程度上提高了电机的性
5、能。各种控制方法也如雨后春笋一样，随着微处理器的功能不断完善而应运而生。在一般的电机控制方法中，存在电机工作不易稳定，损耗大等诸多缺点，从而不利于大范围的应用。因此设计出低成本，低功耗，控制方便，精度高，可靠性较高的直流电机控制系统，是本课题的研究方向。1.2 课题研究背景与现状1.2.1直流电机调速系统发展与应用 19世纪前后相继诞生了直流电气传动和交流电气传动。直流调速具有调速平滑且范围广，可以快速启动、制动和反转等优点。所以至今为止，直流调速系统仍是调速系统的主要形式。最初的直流电机控制系统通过改变电枢回路中的电阻来实现电机的转速。这种方法简单易行, 价格低廉,设备制造方便 。但缺点是机
6、械特性软、效率低、不能在较宽范围内平滑调速, 所以目前使用的范围并不广泛。自从1957年，第一只晶闸管研制成功后，晶闸管-电动机控制系统成为直流电机控制系统的主要形式。自70年代以来研制了多种全控式电力电子器件，日渐形成应用广泛的PWM装置-电动机控制，简称PWM控制系统或脉宽控制系统。随着单片机功能的不断加强,价格的不断降低以及数字控制技术的飞快发展,给直流调速控制装置由模拟化转向数字化打下了坚实的基础。此装置不仅结构简单,还可以通过更改软件设计来实现不同的控制要求。随着我国经济和科学技术的迅猛发展，很多场合都已经采用了直流电机PWM调速系统来进行调速。大到导弹、雷达、宇宙飞船，人造卫星，小
7、到汽车的自动门窗，遥控模型等都离不开直流电机调速系统。1.2.2直流电机特性 直流电机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，是电力拖动控制系统的主要执行元件，在高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用。新型调速装置和控制技术的不断涌现，使控制方式数字化、网络化成为发展的必然趋势。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，导致采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制控制方式已经成为了控制领域的绝对主流。这种控制方式操作简单，很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。一个好的直流电机，应具有极
8、好的控制性。理想的直流电机控制系统响应速度快,稳定性好,有很强的抗干扰能力，并且要有很高的性价比。从整体来说，直流电机具有干扰小、噪音低、功耗小、效率高、寿命长等诸多优点。本设计对于电机的可控性能要求较高，直流电机通常都是数字变频控制，可控性较强，调速方便。所以选用直流电机作为控制系统被控对象。1.3 课题研究内容现如今，电机在各行各业中都发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而测量电机的转速，调节电机的速度，使它满足人们的各种需要，显得更为重要了。随着科技的发展，PWM调速成为电机调速的新方式，并凭借它的开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等诸多优点，在电机调速中
9、被普遍运用。利用单片机对直流电机进行直接的控制具有准确的自动调节作用。 本课题采用单片机作为主控制器件，主要完成直流电机调速系统的设计，实现对直流电机的控制，具体研究内容如下：1、学习直流电机的工作原理，搭建直流电机控制系统。2、针对直流电机控制系统进行调研并确定系统设计方案。3、选择传感器和变换电路，构成速度检测电路。4、使用场控制器件构成H桥，实现直流斩波调速系统。5、完成系统的硬件设计，其中主要完成主电路、驱动电路、显示电路、反馈电路等设计，通过单片机控制电路、驱动电路等模块实现对电机转速的控制。6、使用单片机技术研究，实现相应的调节器，实现速度闭环控制。7、进行系统软件设计，采用模块化
10、的设计方法，应用C语言进行编程。8、通过实验进行软、硬件验证和系统调试，实现整个系统的设计。1.4 论文主要内容和结构本设计论文共5章，具体内容和结构安排如下：第1章绪论，主要阐述课题研究的目的与意义，研究的背景与现状，研究方向以及研究的主要内容和结构。第2章主要介绍了设计的方案及各方案的比较。第3章主要是系统硬件设计，详细介绍了具体硬件电路元器件参数的选择以及具体电路的设计。第4章主要是系统软件设计，介绍了系统主程序的设计思路以及系统各部分功能在软件中的实现。第5章主要是试验与系统调试，主要介绍了试验具体情况并且对实验数据进行分析。2 直流电机调速的方案设计2.1 设计思路直流电机PWM控制
11、系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转、停止和复位，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89S52单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过AT89S52单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到驱动模块来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转、停止和复位进行控制。设计
12、控制部分：主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管直流电机驱动模块组成。设计显示部分： LED数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。2.1.1 直流电机调速系统的整体方案设计直流电机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，是电力拖动控制系统的主要执行元件。新型调速装置和控制技术的不断涌现，使控制方式数字化、网络化成为发展的必然趋势。直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易
13、在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。目前，直流电机控制技术已经日渐成熟，随着科技的发展社会的进步，对于直流电机的控制要求越来越高，不同的设计的方案各有利弊，本人着重实用性、普遍性以及通用性等方面设计出一种基于单片机控制的直流电机调速系统。具体功能设计如下：1、通过软硬件结合完成对直流电机实时转速的显示。2、利用单片机编程实现电机的启动、复位、停止、加速、减速、正转和反转等几个工作模式。本系统整体框架如图2-1所示，整个系统由电源、主控制电路、显示电路、键盘电路、驱动电路、反馈电路和直流电机等组成。键盘电路显示电路速度反馈电路驱动电路主控制电路直流电机电源PWM 图2-1
14、系统整体框架图2.2 具体方案设计与比较2.2.1电源的选择AT89S52形单片机给定的工作电压为5V，数码管供电电压为5V。由于所做的设计不需要很高的精度要求，结合这个电源分析，只要给系统5V的电压基本上就能输出显示和运行。该方法方便简单又实用。2.2.2控制器模块控制器主要功能是用于控制各模块的运行。本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52作为直流电机调速系统控制器。AT89S52的运算处理功能强大，软件编程简便易懂，可以实现各种算法以及逻辑控制等功能。由于它的功率损耗低、占用空间小、投入成本低等诸多优点，使其得到了大众的认可，被广泛的应用于生产和生活的各个方面。2.2.3键盘的选择
15、键盘是必不可少的输入设备，用于实现人和机器的交流。键盘按结构形式可以分为两种，一种是非编码键盘，另一种是编码键盘。前者是硬件的键盘和键码，而后者则是利用软件编程的方法来产生虚拟的键码。一般我们选用的都是第一种非编码键盘，因为它的结构简单，成本低，操作简便。非编码键盘的种类繁多，常用两种是独立式键盘和行列式键盘。键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过数码管显示出来。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”。方案1：独立式键盘独立式键盘的按键数是根据所使用的I/O口线的根数来确定的。这种键盘的按键比较少，且各按键是独立存在的，所以它们的工作也是独立的，互不影响。在本设计中使用了7根I/O口线，因此键盘就设计了7个按键，我们可以根据实际情况灵活编码，对键盘的各种功能进行控制。如图2-2。 图2-2 独立式键盘这种键盘的缺点是占用的I/O口线比较多，当设计的按键较多时就很麻烦了，所以独立式键盘适用于按键较少的场合。方案2：行列式键盘行列式键盘是用I/O口线作为行和列所组成的键盘，键盘的行数为M，接P
