本科毕业论文基于单片机的pwm直流可逆调速系统设计.docx

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本科毕业论文基于单片机的pwm直流可逆调速系统设计

学士学位毕业设计（论文）

基于单片机的PWM直流可逆调速系统设计

学生姓名：

学号：

指导教师：

所在学院：

专业：

电气工程及其自动化

摘要

本设计主要介绍了该系统的硬件以及软件具体设计，并对硬件方框图和软件流程图作了一定的描述。

根据硬件方框图设计了以下功能模块STC89C52芯片，通过L298全桥驱动芯片，对脉冲进行处理，放大，输出控制电机的转速。

控制L298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。

通过数码管将速度等级显示出来，此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。

系统设计合理、功能完善、性能优越，在实际生产中应用效果良好，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。

关键词：

STC89C52单片机PWM调速

ABSTRACT

Thispaperintroducesthedesignofthesystemhardwareandsoftwaredesign,andthehardwareblockdiagramandsoftwareflowchartandgivessomedescription.AccordingtothehardwareblockdiagramofthefollowingfunctionmodulesofSTC89C52chip,thedesign,theL298fullbridgedriverchip,thepulseprocessing,amplification,outputtocontrolthespeedofmotor.ControloftheL298highpowerHbridgedriveDCmotorhastocontrolthespeedofthe.Throughthedigitaltubedisplayspeedgrade,alsocanthroughthebuttoncontrolmotorstoryofinversion,andthemotorspeedtoaddandsubtract.Thesystemdesignisreasonable,completefunctions,superiorperformance,goodresultsintheactualproduction,easytocontrol,simpleandflexibleconfigurationadvantages.

Keywords:

STC89C52MCUPWMspeedcontrol

前言

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：

模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。

并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点[1]。

随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

本设计主要介绍了该系统的硬件以及软件具体设计，并对硬件方框图和软件流程图作了一定的描述。

根据硬件方框图设计了以下功能模块STC89C52芯片，通过L298全桥驱动芯片，对脉冲进行处理，放大，输出控制电机的转速。

控制L298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。

通过数码管将速度等级显示出来，此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。

1绪论

1.1课题研究的背景

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：

模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。

并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点[2]。

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。

改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术[3]。

随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

1.2国内外技术发展的现状

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、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，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故[4]。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

1.3本设计的目标任务

本系统已STC89C52单片机为核心，通过内部定时器产生PWM波形，控制LN298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。

通过数码管将速度等级显示出来，此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。

功能主要包括：

（1）直流电机的正转控制；

（2）直流电机的反转控制；

（3）直流电机的加速控制；

（4）直流电机的减速控制；

（5）数码管显示电路设计与实现；

（6）单片机最小系统设计；

（7）电机驱动电路设计。

2系统总体方案

2.1主控制芯片的选择

本次设计采用STC12C5A60S2单片机作为为控制，STC12C5A60S2单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

51成本低廉，使用方便，适合与本系统的检测与控制[5]。

2.2显示电路的比较与选择

方案一：

采用数码管显示。

数码管显示具有亮度高、显示简单简洁、成本低廉，可靠性高、响应速度快等有点。

在实际工程中，人即便站在很远的位置也能看清楚数码管显示的信息。

虽然数码管驱动简单，采用硬件驱动即不需要程序控制，完全不占用CPU的资源。

方案二：

采用LCD12864液晶显示。

LCD12864液晶器虽然显示信息丰富，能够显示汉字和字符，并且显示平稳、省电、美观。

但软件操作简单，无需专门的驱动程序方能驱动器件，系统的实时性需要也能满足。

另外液晶显示器不需要在室外进行显示，虽然显示亮度低、字符较小，但距离近时显示的信息完整[6]。

因此符合实际的工程需要。

综上分析，我们采用了第一个方案，即用LED数码管显示信息。

2.3电机调速控制模块

方案一：

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。

方案二：

采用由三极管组成的H型PWM电路。

用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H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[7]。

兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案二。

2.4电源电路与电机驱动电路

本设计电源选择直流稳压电源模块。

将插线板电源经过变压、整流、滤波、稳压后输出。

为系统提供稳定可靠的电源。

虽说会有一些不稳定因素但携带方便，所以选择锂电池来负责电源。

电机驱动我采用大功率电机驱动专用芯片。

L298内部继承大功率H桥路。

具有稳定性高、使用简单，驱动力大等特点。

能够驱动大功率电机和控制电机的正传和反转，同时对于电机调速也是非常理想的选择。

因此采用此种方法。

3系统硬件方案设计

3.1系统总电路框图设计

本系统以STC89C52单片机为核心，通过内部定时器产生PWM波形，控制LN298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。

通过数码管将速度等级显示出来，此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。

图1系统总体框图

3.2系统模块电路设计及原理

3.2.1单片机最小系统设计

单片机最小系统是整个系统的核心控制部分，以STC89C52单片机为核心，配以外围电路：

时钟电路、上点复位电路构成。

主要完成数据的采集处理和转换。

MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年继MCS-48系列8位单片机之后推出的高档8位单片机，此单片机凭其稳定的性能、高性价比以及良好的兼容，在各个领域得到了最为广泛的应用，也是我国目前应用最广的单片机系列。

在性能和功能方面，MCS-51单片机大大优于MCS-48单片机。

MCS-51系列有多种机型可供用户选择[8]。

（1）单片机内部结构

MCS--51系列单片机最早的典型代表为8051,87581,8031，由于其型号和生产厂商的不同，在片内存储器容量、中断系统、外围功能模块、最高时钟频率以及处理器速度等方面有很大的不同，但它们的指令系统完全兼容，硬件系统的基本结构也相同，其主要的性能特点如下

1）8位CPU.

2）片内128BRAM（MCS--52子系列有256BRAM）。

3）片内4KBROM/EPROM（8051/8751）.

4）特殊功能寄存器区。

5）两个优先级的5个中断源结构。

6）4个8位并行I/O口（P0，P1，P2，P3）。

7）两个16位定时/计数器（MCS--52子系列有3个）.

8）全双工串行口。

9）布尔处理器。

MCS-51的典型产品有8031,8051,8751.8051内部有4KBROM，8071内部有4KBEPROM，8031片内无ROM；初此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。

在单片机芯片的内部，其基本结构的构成是通用CPU加上外围芯片的模式，内部主要由9个部件通过单一总线连接而成。

这9个主要部件是：

1个8位的中央处理器（包括ALU,ACC,TMP1,TMP2，B寄存器，PSW及相应的定时和控制逻辑），4KB/8KB程序寄存器（ROM/EPROM），128B/256B的数据寄存器（RAM），32条I/O接口线（图中P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7），中断控制逻辑（具有5个中断源，2个中断优先级），定时器控制逻辑（具有2个可编程定时器/计数器），串行接口控制逻辑（具有可工作于多处理机通信，I/O接口扩展或全双工通用异步接收发送器的串行接口），21个专用寄存器（包括程序计数器PC、堆栈指针寄存器SP、程序状态字存器PSW、数据指针寄存器DPTR等）以及片内振荡器和时钟电路（由OSC及相关电路组成）[9]。

（2）复位电路逻辑图

RST引脚是复位信号的输入端。

复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上。

若使用频率位6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。

整个复位电路包括芯片内、外两部分。

外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每一个机器周期的S5P2时刻对触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。

复位操作有上电复位和按键手动复位两种方式。

我们采用按键手动复位的电平方式，如图2。

通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现。

图2按键手动复位原理图

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除此之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也需要按复位键重新启动。

AT89S52是第9脚复位，当有键按下去时，复位端成高电平，单片机复位[10]。

（3）振荡电路

晶体振荡电路属于反馈振荡器。

从能量的观点来看，一般的功率放大器是在是在输入信号的控制下，把直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量的电路。

而反馈振荡器是不需要输入信号的控制就能自动地将直流能量转换为特定频率和振幅的交变能量的电路。

AT89S52芯片内部都有一个高增益反相放大器用于构成振荡器晶体振荡电路其属于反馈振荡器。

振荡又分外部振荡和内部振荡[11]，如下图所示：

图3晶振时钟原理图

设计中根据实际情况选择了内部振荡这种方式对单片机进行驱动。

反相放大器的输入端为XATAL1，输出端为XATAL2。

分别是89S52的19脚和18脚，在XATAL1和XATAL2两端跨接石英晶体及两个电容，就构成了稳定的自激振荡器。

电容一般都取33P，单片机接11.0592MHz的晶振。

振荡器产生的信号送到CPU，作为CPU的时钟信号，驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。

3.2.2直流电机的调速设计

根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：

（1）调节电枢供电电压U。

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

（2）改变电动机主磁通。

改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。

If变化时间遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

（3）改变电枢回路电阻R。

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。

但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。

弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用[12]。

调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

（1）旋转变流机组。

用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。

用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。

用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。

改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。

该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。

且技术落后，因此搁置不用[13]。

V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。

它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。

V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。

最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。

图4晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）

直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。

它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。

图5为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。

当开关VT接通时，电源电压U。

加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。

如此反复，得电枢端电压波形如图5（b）所示。

图5直流斩波器原理电路及输出电压波型

（a）原理图　　（b）电压波型

采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。

当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。

脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。

脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。

与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：

（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：

10000左右。

由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。

（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。

（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。

脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。

目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统[14]

3.2.3测速发电机

测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比，分为直流与交流两种。

其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。

改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。

当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又称速度传感器。

测速发电机广泛应用于各种速度或者位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或者通过反馈来提高系统稳定性和精度。

3.2.4数码管显示电路设计

（1）共阴数码管管脚说明与原理图

七段LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的极管的接线形式，可分成共阴极型和共阳极型。

实训室实训扳上使用的是四位一体的共阴数码管[15]。

LED数码管的封装如图6所示。

图6数码管的封装形式及内部结构

（2）数码管码值的推算

LED数码管的A—DP七个发光二极管因以不同亮灭的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码，下面列出共阴极的字形码，“数字”是要数码管要显示的数字，“字形码”是单片机P0口要输出的十六进制数据。

例如数字“0”和数字“7”的字形码推算方法如图7所示：

图7数码管码值的推算方法

同理，按照上述的推倒方法和原则我们得出数字0——9的编码。

（3）数字的显示规律——查表法

由于显示的数字0－9的字形码没有规律可循，只能采用查表的方式来完成我们所需的要求了。

这样我们按着数字0－9的顺序，把每个数字的笔段代码按顺序排好，建立的表格如下所示：

TABLEDB[]={3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH}，当我们要显示一个数字，比如‘4’的时候，我们就可以查表TABLEDB[4]找到66H，送P0口就可以了[16]。

（4）数码管显示电路图

图8数码管显示电路

设计中，用到了四位七段共阴数码管。

LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，