单片机控制直流电动机课程设计.docx
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目录
一、设计目的
二、设计任务和要求
三、设计原理分析
四、硬件资源及原理
五、硬件图
六、程序框图
七、程序
八、调试运行
九、仿真截图
十、设计心得体会
一、设计目的
1、通过单片机课程设计，熟练掌握C语言的编程方法，将理论联系到实践中，提高我们的动脑和动手的能力。
2、通过对单片机控制直流电动机控制系统的设计，掌握A/D转换、D/A转换的有关原理，加深对PWM波的理解和使用，同时对单片机的使用更加熟练，通过对简单程序的编写提高我们的逻辑抽象能力。
二、设计任务和要求
任务：
采用单片机设计一个控制直流电动机并测量转速的装置。
要求:
1、通过改变A/D输入端的可变电阻来改变A/D输入电压，D/A输入检测量大小，进而改变直流电机的转速。
2、手动控制。
在键盘上设置两个按键——直流电动机加速键和直流电机减速键。
在手动状态下，每按一次键，电机的转速按照约定的速率改变。
3、键盘列扫描（4*6）。
三、设计原理分析
1.设计思路
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GTR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。
设计以AT89C51单片机为核心，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。
本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
2、基本原理
主体电路：
即直流电机PWM控制模块。
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
这部分电路主要由80C51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，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。
四、硬件资源及原理
1.1直流电机调速原理
直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。
不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速有以下公式：
n=U/Cc-TR内/CrCc其中：
U—电压；—励磁绕组本身的电阻；—每极磁通（Wb）；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。
由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，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。
所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
图1-1直流电机的工作原理图
电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。
在工业生产中广泛使用其中脉宽调制（PWM）应用更为广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即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，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图
根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：
，可见只要改变占空比D，就可以得
到不同的电机速度，从而达到调速的目的。
1．2直流调速系统实现方式
PWM为主控电路的调速系统：
基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D的值有三种方法：
A、定宽调频法：
保持不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。
（图1-2）B、调宽调频法：
保持t不变，只改变，这样使周期（或频率）也随之改变。
（图1-2）C、定频调宽法：
保持周期T（或频率）不变，同时改变和t。
（图1-2）
前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与
系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空
比从而改变直流电动机电枢两端电压。
1.389C51单片机
图1-389C51单片机
2硬件电路设计
2.1pwm波的实现
随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用，以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1：
1，则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：
开始
系统初始化
发加速命令
加速
发减速命令
减速
调用子程序
图2-1程序流程图
2.2直流电动机驱动
在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机
图2-2L298内部结构和功能引脚图
L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱
动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
其内部有两个完全相同的功率放大回路。
其内部结构和引脚功能如图2-2所示。
L298引脚符号及功能
SENSA、SENSB：
分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地
ENA、ENB：
使能端，输入PWM信号
IN1、IN2、IN3、IN4：
输入端，TTL逻辑电平信号
OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：
输出端，与对应输入端同逻辑
VCC：
逻辑控制电源，4.5~7VGND:
地
VSS：
电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高
当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。
当使能端为低电平时,电动机停止转动。
五、硬件图
六、程序框图
1、主程序框图
系统初始化
启动
从键盘发命令送入intx中（x=0或1）
定时中断给电机输入脉冲
电机转动，数码管显示速度
开始
结束
2、中断服务程序框图
中断响应
设置中断返回地址
返回
七、程序
#include
#defineucharunsignedchar
ucharTABLE[10]={0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90};
unsignedintfrq1,c;
voiddelay（unsignedintk）
{
unsignedinti,j;
for（i=0;i {
for（j=0;j<121;j++）
;
}
}
voiddisplay（）
{
ucharqian,bai,shi,ge;
qian=0;
bai=0;
shi=0;
ge=0;
c=frq1;
qian=c/1000;
bai=c/100%10;
shi=c/10%10;
ge=c%10;
P1=0x01;
P2=TABLE[qian];
delay（5）;
P1=0x02;
P2=TABLE[bai];
delay（5）;
P1=0x04;
P2=TABLE[shi];
delay（5）;
P1=0x08;
P2=TABLE[ge];
delay（5）;
}
voidchang（void）interrupt0using0
{
if（INT0==0）
while（!
INT0）
frq1++;
}
voidmain（）
{
unsignedinti=0;
while
（1）
{
TMOD=0x01;
TH0=55536/256;
TL0=55536%256;
TR0=1;
EA=1;
EX0=1;
while（TF0==1）
{ i++;
if（i==10）
{
display（）;
frq1=0;
TF0=0;
}
}
;
}
}
调速程序
#include"reg51.h"
#include"intrins.h"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitP20=P2^0;
sbitP21=P2^1;
ucharflag=0;/***高低电平标志***/
bitdirection=0;/***方向标志***/
staticucharconstant=1;//可以改变占空比
voidtime0（void）interrupt1using1
{
staticuchari;
i++;
/**频率为固定的1kHZ左右，只是占空比发生变化**/
if（i<=constant）
flag=1;
if（i<=10&&i>constant）
flag=2;
if（i==10）
i=0;
TH0=0X9C;
TL0=0X9C;
}
/****改变转向标志*****/
voidint1_srv（void）interrupt2using2
{
if（INT1==0）
{
while（!
INT0）;
constant--;
if（constant==10）
constant=0;
}
}
/*******中断，调节占空比********/
voidchange（void）interrupt0using0
{
if（INT0==0）
{
while（!
INT0）;
constant++;
if（constant==10）
constant=0;
}
}
/*************************/
voidmain（）
{
EA=1;
TMOD=0x02;
ET0=1;
TR0=1;
EX0=1;
IT0=1;
EX1=1;
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