直流电机PWM调速器单片机课程设计.docx
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直流电机PWM调速器单片机课程设计
课程设计（论文）
题目名称直流电机PWM调速器设计
课程名称单片机原理及应用
学生姓名***
学号03
系、专业信息工程系、信息类
指导教师刘伟春
2009年4月30日
摘要
本课题是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电动机的控制。
因此在设计中，对直流调速的原理，直流调速控制方式及调速特性，PWM基本原理及实现方式进行了全面阐述。
为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。
设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。
关键词：
AT89C51单片机；PWM调速；正反转控制
1直流电机
直流电机的结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图所示。
图直流电动机结构
直流电机工作原理
直流电机模型如图所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体表面固定线圈abcd。
当线圈流过电流时，线圈受到电磁力作用，产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。
图直流电动机电路模型
直流电机主要技术参数
额定功率Pn：
在额定电流和电压下，电机负载能力。
额定电压Ue：
长期运行的最高电压。
额定电流Ie：
长期运行的最大电流。
额定转速n：
单位时间内的电机转动快慢。
励磁电流If：
施加到电极线圈上的电流。
直流电机调速技术指标
调速范围
调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速
与最小转速
之比，即
调速的相对稳定性和静差度
所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。
静差度（又称静差率）是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值，用百分数表示，即
，在一般情况下，取额定转矩下的速度落差
，有
调速的平滑性
调速的平滑性是指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度，用平滑系数
表示，即
式中
和
——相邻两级，即i级与i－1级的速度。
调速时的容许输出
调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴能够输出的功率和转矩。
2单片机识的相关知识
单片机简介
单片机全称为单片机微型计算机（SingleChipMicrosoftcomputer）。
从应用领域来看，单片机主要用来控制，所以又称为微控制器（MicrocontrollerUnit）或嵌入式控制器。
单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机。
单片机的发展史
4位单片机
1975年，美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000；此后，各个计算机公司竞相推出四位单片机。
日本松下公司的MN1400系列，美国洛克威尔公司的PPS/1系列等。
四位单片机的主要应用领域有：
PC机的输入装置，电池充电器，运动器材，带液晶显示的音/视频产品控制器，一般家用电器的控制及遥控器，电子玩具，钟表，计算器，多功能电话等。
8位单片机
1972年，美国Intel公司首先推出8位微处理器8008，并于1976年9月率先推出MCS-48系列单片机。
在这以后，8位单片机纷纷面市。
例如，莫斯特克和仙童公司合作生产的3870系列，摩托罗拉公司生产的6801系列等。
随着集成电路工艺水平的提高，一些高性能的8位单片机相继问世。
例如，1978年摩托罗拉公司的MC6801系列及齐洛格公司的Z8系列，1979年NEC公司的UPD78XX系列。
这类单片机的寻址能力达64KB，片内ROM容量达4--8KB，片内除带有并行I\O口外，还有串行I\O口，甚至还有A\D转化器功能。
8位单片机由于功能强，被广泛用于自动化装置、智能仪器仪表、智能接口、过程控制、通信、家用电器等各个领域。
16位单片机
1983年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列16位单片机纷纷面市。
这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel推出了80C96，美国国家半导体公司推出的HPC16040，NEC公司推出的783XX系列等。
16位单片机主要用于工业控制，智能仪器仪表，便携式设备等场合。
32位单片机
随着高新技术只智能机器人，光盘驱动器，激光打印机，图像与数据实时处理，复杂实时控制，网络服务器等领域的应用与发展，20世纪80年代末推出了32位单片机，如Motorlora公司的MC683XX系列，Intel的80960系列，以及近年来流行的ARM系列单片机。
32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展及开发成本和产品价格的下降，将会与8位单片机并驾齐驱。
64位单片机
近年来，64位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，语音图像通信，算法密集的实时控制场合已有应用，如英国Inmos公司的TransputerT800是高性能的64位单片机。
单片机的特点
1.单片机的存储器ROM和RAM时严格区分的。
ROM称为程序存储器，只存放程序，固定常数，及数据表格。
RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。
2.采用面向控制的指令系统。
为满足控制需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是单片机具有很强的位处理能力。
3.单片机的I/O口通常时多功能的。
由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。
4.单片机的外部扩展能力很强。
在内部的各种功能部件不能满足应用的需求时，均可在外部进行扩展，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来了很大的方便。
AT89C51单片机介绍VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校
图89C51单片机
验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
/INT0（外部中断0）
/INT1（外部中断1）
T0（记时器0外部输入）
T1（记时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
3硬件电路设计
对题目进行深入的分析和思考，可以将整个模块分为以下几个部分：
控制部分、隔离电路、驱动电路和负载的续流电路。
系统的框图如图所示
控制电路设计
控制电路主要是由单片机来控制的，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制，新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。
单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。
电机
图系统方框图
隔离电路设计
隔离电路主要作用是防止驱动电路中的电流过大，与单片机直接相连是可能会烧毁单片机而加的保护性电路。
其电路图如下图所示。
其中1、2、3、4脚分别接单片机的、、、口，电阻起限流作用，电阻R1、R3、R5、R7的阻值为470Ω，电阻R2、R4、R6、R8的阻值都为1KΩ。
图隔离电路工作原理图
其工作原理如下：
当电机中的电压正常时，发光二极管导通，发光使得光敏三极管导通，电路接通正常工作；当电机中电压很高是发光二极管被击穿，电路不导通，从而起到保护单片机的作用。
驱动电路设计
开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上。
与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件开通时，器件的电流很大但压降却很小；器件关断时，压降很大电流却很小。
因此驱动器的功率消耗小，发热量少，效率较高。
通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进行控制。
我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要的也是最常用的驱动方式。
采样控制理论中有一个重要结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。
PWM驱动方式易于与处理器接口，使用简单，性能较好相应的驱动电路有多种形式，最常用的一种是H桥电路。
H桥电路可以使用分立元件制作，也可以选用集成H桥电路，从制作的简单性，工作的可靠性，使用的方便性等方面来说，选用H桥芯片是更好。
集成H桥芯片有非常多的型号，可以满足不同的需求，我们的设计选用的是L298的芯
图L298的引脚和外形图
表L298引脚符号及功能
引脚
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，~7V
VSS
电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高
GND
地
驱动电路为H桥电路，图为H桥驱动电路的工作原理图。
同一侧的晶体管不能同时导通。
当SW1和SW4导通，SW2和SW3截止时，电流由正电流经SW1，从电机正极流入电机，再经由SW4流入，此时电机正向运转。
同样当SW2和SW3导通时，电流由负极进入电机，电机反向运转。
当SW1和SW3或SW2和SW4同时导通时，电机处于制动（刹车）状态。
电路中二极管主要起续流保护作用，由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。
图H桥驱动电路工作原理图
我们此次设计的模块采用的为H桥芯片L298，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有两套H桥电路。
图为L298的内部原理图。
图L298的内部原理图
L298需要两个电压，一个为逻辑电路工作时所需的5V电压VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。
驱动电路的输入可直接与单片机或FPGA的引脚相连，在这里我们使用的是与单片机相连，且我们为了进一步提高电路的抗干扰能力，还使用了光电耦合器件组成的隔离电路，对控制电路和能够电路进行电气隔离。
参见表，我们来分析电路的工作原理。
使能端输入使能，控制输入端A输入PWM信号，控制输入端B输入PWM的反相信号，在一个PWM周期内，电机的电枢承受双极性的电压。
电机的速度和方向均由PWM决定。
PWM占空比为50%时，对应电机的转速为0即电机停止转动；占空比为0%~50%对应的电机转速-MAX~0，即电机反转；占空比为50%~100%对应的电机转速为0~+MAX，即电机正转。
电机的转动速度由PWM脉冲的频率决定，频率高是电机转动速度快，即电机加速；频率降低是，电机转动速度减慢，即电机减速。
使能端输入PWM信号，控制输入端A和控制输入端B输入控制电机状态的信号。
电机状态参见表
表直流电机PWM调速方案
使能端
控制A
控制B
电机状态
高电平
高电平
低电平
正转
低电平
高电平
反转
同高或同低
停止
低电平
任意
任意
自然停转
图直流电机PWM调速方案
续流电路设计
由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。
我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。
二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。
由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。
为保护芯片加上洗续流电路。
电路的工作原理替如图所示。
电路的工作原理：
当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。
图续流电路工作原理图
整个电路原理图
图整个电路原理图
该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态。
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0003H
LJMPINT0
ORG000BH
LJMPITT0
ORG0030H；系统初始化
START:
MOVSP,#60H；赋初值
MOVR0,#00H；给R0送值0
MOVR1,#00H；给R1送值0
CLR；置0
CLR；置0
CLR；置0
MOVTMOD,#01H；写控制字
MOVTL0,#0FFH；置定时常数
MOVTH0,#0FFH
SETBEA；允许中断
SETBEX0；允许外部中断0
SETBET0；允许TL0中断
CLRIT0
SETBTR0；启动TL0
图主流程图
显数设计
通过，口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示
程序代码：
MOVDPTR,#TAB
MOV40H,#0；置0
MOV41H,#0；置0
LED:
SETB；置1
CLR；清0
MOVA,40H；将40H的内容送往A
MOVCA,@A+DPTR；查表
MOVP0,A；查表所得A值送往P0口
LCALLTTS；调用延时
CLR；清0
SETB;置1
MOVA,41H；将41H的内容送往A
MOVCA,@A+DPTR；查表
MOVP0,A；查表所得A值送往P0口
LCALLTTS；调用延时
CLR；口清0
LJMPLED；跳转到LED
ORG2000H
TAB:
DB40H,79H,24H,30H,19H
DB12H,02H,78H,00H,10H
功能程序设计
结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停
程序代码：
ITT0:
CPL；口取反
JNB,Z1
MOVA,#0FFH；低电平定时
SUBBA,R0
图数码显示流程图图中断子程序流程图
MOVTH0,A
SETBTR0；启动TL0
RETI
Z1:
MOVTH0,R0；高电平定时
SETBTR0
RETI
INT0:
CLREX0；实现键盘控制
MOVA,#0FFH
MOVP2,A
MOVA,P2
JNB,JIA
JNB,JIAN
JNB,ZZ
JNB,FF
JNB,TZ
AJMPCC
JIA:
CJNER0,#0FFH,AA；实现电机加速
AJMPCC
AA:
MOVA,R0
ADDA,#5
MOVR0,A
AJMPCC
JIAN:
CJNER0,#00,BB；实现电机减速
AJMPCC
BB:
MOVA,R0
SUBBA,#5
MOVR0,A
AJMPCC
CC:
MOVA,R0；数码显数
MOVB,#5
DIVAB
MOVB,#10
DIVAB
MOV40H,A
MOV41H,B
SETBEX0
LCALLTTS；调用延时
LCALLTTS；调用延时
LCALLTTS；调用延时
LCALLTTS；调用延时
RETI
ZZ:
SETB；电机正传
CLR
LCALLTTS
LCALLTTS
LCALLTTS
SETBEX0
RETI
FF:
CLR；电机反转
SETB
LCALLTTS
LCALLTTS
LCALLTTS
SETBEX0
RETI
TZ:
CLR；实现电机停止
CLR
LCALLTTS
LCALLTTS
LCALLTTS
SETBEX0
RETI
TTS:
MOVR3,#0E0H；延时子程序
TT1S:
MOVR4,#30H
TT0S:
DJNZR4,TT0S
DJNZR3,TT1S
RET
END
仿真图
在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。
Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。
运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）数字电路、模拟电路、数模混合电路，是目前唯一能实现对51、PIC、AVR、HC11、ARM等处理器的仿真软件。
最后，点击运行按钮，启动系统仿真，图中电机处于初始化状态。
仿真结果如图所示。
图仿真结果1
相应电机的显示如图所示
图仿真结果2
仿真结果分析
当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。
点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。
显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。
电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。
且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。
因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。
5结束语
通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。
不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。
在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：
直流电机PWM调速、AT89C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。
在做课程设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。
通过求助于刘老师、理清了思路。
同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了课程设计中的道道难题。
最后经过指导老师刘老师的耐心指点和连续的奋战才算基本合格。
办事只要有了头绪，就会简单很多。
本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。
总的感受有以下几方面：
1、巩固了课本上的知识。
通过本次设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等有了一定的认识。
2、在本次课程设计中，我进一步加强了自己的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。
特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。
3、通过本次课程设计，让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。
同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做，只有这样，才能做好。
在设计过程中，得到了我的指导老师刘老师的悉心指导与帮助，在此表示衷心的感谢。
参考文献
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北京航空航天大学出版社，．
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[4]刘湘涛,江世明．单片机原理与应用[M]．北京：
电子工业出版社,2006：
1-4．
[5]周澜景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京航空航天大学出版社，2006．5．
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