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基于单片机的直流电动机的控制
摘要
随着微电子和计算机技术的发展，直流电机的要求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，并在国民经济各个领域都有应用。
研究直流电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
因为单片机具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点，所以论文采用51系列单片机进行控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。
其中，硬件设计主要包括单片机最小系统、键盘控制模块、直流电动机驱动模块、复位电路模块、晶振电路模块等功能模块的设计。
软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对直流电机转动方向及转动速度的控制。
系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
关键词：
直流电动机；转速控制；方向控制
Abstract
Alongwiththedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,therequirementofthedcmotor’squantitygrowsdaybyday,itiswidelyusedinprinters,electrictoysandotherconsumerproductsaswellasthenumericalcontrolmachinetools,industrialrobots,medicalequipmentandothermechanicalandelectricalproducts,andappliedinallprofessionsandtradesofthenationaleconomy.Studyofdcmotorcontrolsystem,toimprovethecontrolprecisionandresponsespeed,energyconservationisofgreatsignificance.
Becausesinglechiphasadvantagesofhighintegration,strongprocessingpower,goodreliabilityandthecharacteristicsofsimplestructure,lowcostaswellaseasytouse,sothepaperusesthe51seriesmicrocontrollerdesignthecontrolsystem,thewhoiedesignincludehardwaredesignandsoftwaredesigntwoparts.Amongthem,thehardwaredesignmainlyincludestheSCMminimalsystem,thekeyboardcontrolmodule,dcmotordrivermodule,resetcircuitmodule,crystalscircuitmodule,andotherfunctionmodulesdesign.Softwaredesignincludesthemainprogramandeachmodulecontrolprogram.Therebydorealizethefunctionofcontrollingtherotationdirectionandspeed.Thesystemhasthecharacteristicsofintelligence,practicalityandreliability.
Keywords:
dcmotor;speedcontrol;directioncontrol
目录
摘要2
Abstract3
1绪论4
1.1研究背景4
1.2研究价值4
1.3研究内容4
2直流电动机简介5
2.1直流电动机的工作原理及其构造5
2.2直流电动机的PWM调压调速原理6
3控制系统的总体设计6
3.1设计方案分析与比较6
3.2系统结构设计9
3.3单片机89C51简介9
3.4L298N电动机驱动芯片简介10
4硬件设计11
4.1单片机系统电路11
4.2复位电路12
4.3时钟电路13
4.4直流电机驱动电路14
4.5键盘电路15
5软件设计16
5.1单极性可逆电动机驱动系统的电动机启停、正反转控制16
5.2系统总体流程设计17
6仿真调试19
6.1KeilC51软件简介19
6.2Proteus仿真软件简介19
6.3调试20
总结23
参考文献24
附录26
谢辞28
1绪论
1.1研究背景
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。
因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。
近十几年来，单片机作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已经对人类社会产生了深远的影响。
单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集及处理、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点，尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国已经得到广泛的应用。
1.2研究价值
以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机已经开始取代模拟电路作为电机控制器。
当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器，因此研究电机的调速控制有着非常重要的意义。
1.3研究内容
本设计实现的是用单片机来控制直流电机，其中通过4位按键来实现电动机的启停、正反转、加速、减速。
调速系统主要是通过调节PWM的占空比大小来实现。
2直流电动机简介
2.1直流电动机的工作原理及其构造
电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。
直流电动机的励磁线圈两个端线通有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。
为使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于当线圈边在不同极性的磁极下，将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。
为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转。
直流电动机的构造分为定子与转子两部分。
定子包括：
机座，主磁极，换向极，电刷装置等。
转子包括：
电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。
（1）定子
定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由机座、主磁极、换向级和电刷装置组成。
机座不仅起到导磁的作用，而且会起到机械支撑的作用。
主磁极的作用是在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密，也称主极。
一般大多数直流电机的主磁极都是由直流电流来励磁，因此主磁极上还应该装有励磁线圈。
换向级一般用整块钢板构成，且外面套有换向级绕组。
换向级绕组导线的截面积比较大，而匝数比较少，是因为换向级绕组里有电枢电流流过。
电刷装置的作用是把电动机转动部分的电流引出到静止的电路里。
电刷一般情况下与换向器配合使用。
（2）转子
转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。
电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和点数绕组。
电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。
通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。
换向器又叫做整流子，对于直流电动机来说是一种特殊装置。
它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。
换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。
固定的电刷被换向器用弹簧压在表面，进而让转动着的电枢绕组同外电路连接到一起，与此同时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。
2.2直流电动机的PWM调压调速原理
直流电动机转速n的表达式为：
n=（U-IR）/KΦ（2-1）
式中：
U——电枢端电压；I——电枢电流；R——电枢电路总电阻；Φ——每极磁通量；K——电动机结构参数。
由式2-1可以看出，直流电动机的转速控制方法可分为对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。
本设计使用的是励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。
绝大多数直流电动机使用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
此时电动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：
U0=（t1US+0）/（t1+t2）=t1US/T=αUs（2-2）
式中Us为电源电压，T为一个脉冲周期，t1表示在一个周期T内开关导通的时间，α为占空比，表示一个周期T内开关导通时间与周期的比值，变化范围为0≤α≤1。
当电源电压Us不变，改变α即可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。
3控制系统的总体设计
3.1设计方案分析与比较
1、电动机调速控制模块
方案一：
电动机的分压是采用电阻网络或数字电位器调整，进而实现速度的控制。
但是采用电阻网络仅能实现的是有级调速，采用数字电阻元器件的价格较为昂贵。
最重要的是一般电动机的电阻很小电流很大，尤其是在分压的时候不仅会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。
方案二：
若使用继电器来对电动机的开（关）进行控制，通过开关的切换来实现电动机的加减速。
该方案的优点是电路简单，存在的缺点是继电器的响应时间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。
方案三：
若使用由达林顿管组成的H型PWM电路，单片机可控制达林顿管工作在可调节占空比的状态，从而调整电动机的速度。
由于这种电路工作在管子饱和和截止状态下，效率很高；H型电路可以实现较为简单的方向和速度的控制；电子开关的速度快、稳定性好，是一种极为广泛的PWM调速技术。
综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。
2、PWM调速工作方式
方案一：
双极性工作方式，是在设定的一个脉冲信号周期内，单片机有两个控制端口各输出一个控制信号，通过两信号的高低电平差值来决定电动机的方向和速度。
方案二：
单极性工作方式，是单片机的控制端口接地，另一端输出PWM信号，切换两口的输出来调节PWM的占空比，进而可控制电动机的方向和速度。
因为双极性工作制电压波中的交流成分比单极性工作制的大，电流波动也较大，所以本设计采用了单极性工作制。
3、PWM调速方法
PWM调速原理如图3.1所示
图3.1PWM调速原理图
根据改变占空比方法的不同，PWM调速可分为以下三种：
（1）定宽调频
保持T1不变，改变T2，周期T随之改变。
（2）调宽调频
保持T2不变，改变T1，周期T随之改变。
（3）定频调宽
保持周期T不变，同时改变T1和T2。
前两种发法在改变占空比的同时改变了脉冲频率，当控制脉冲频率与系统固有频率接近时，将会引起振荡，所以，本设计采用第三种方法来调速。
4、PWM软件实现方式
方案一：
使用定时器作为脉宽控制的定时方式，此方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只有几个微秒。
方案二：
使用软件延时方式，此方式不如方案一精确，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是由于方案二不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，因此本设计采用方案二。
3.2系统结构设计
系统的结构框图如下图3.2所示，主要包括4位键盘电路、电源电路、89C51单片机芯片、直流电动机、PWM驱动电路、晶振电路以及复位电路七大部分。
4位键盘和单片机相连，主要用来控制直流电机，其中一位控制直流电机的启动和停止；一位控制直流电机的正反转；一位可以使直流电机加速；还有一位可以使电机减速。
电源主要为单片机提供电源。
晶振电路是为单片机提供振荡脉冲。
复位电路是将单片机的硬件做初始化操作。
而电机的加减速则需要调节PWM的占空比来调节（具体见第一章）。
图3.2系统的结构框图
本设计选用LM629直流电机，而单片机则采用51系列中的89C51单片机。
3.3单片机89C51简介
之前已经学习过80C51芯片，在本设计中采用89C51单片机芯片。
他们之间芯片各脚的定义是完全兼容的，唯一的区别是89C51内部集成了4K的FLASH-ROM,而80C51内部是厂家做好的掩膜式ROM,除了在烧写ROM的时候方式不同，在电路中的功能是一样的。
因此在电路上没有区别。
89C51单片机的主要特性：
4K字节可编程闪烁存储器；128*8位内部RAM；有五个中断源；两个16位定时器/计数器和32位可编程输入/输出线；具有时钟电路和片内振荡器；有可编程的串行通道；低功耗的闲置和掉电模式。
图3.480C51管脚图
3.4L298N电动机驱动芯片简介
使用L298N可以对电动机进行驱动,此芯片中含有两个桥式电路，可以对两台电动机进行驱动，本设计中只需要驱动一台电动机，所以选择L298N进行驱动是可行的方案。
其管脚如图3.5所示，IN1、IN2、IN3、IN4为四个输入；ENA和ENB为两个使能输入；SENSA和SENSA为电机电流（或叫桥驱动电流）检测引脚，一般不用直接接地；OUT1、OUT2、OUT3、OUT4为四个输出。
图3.5L298N管脚图
4硬件设计
4.1单片机系统电路
整个89C51单片机的系统电路就是将晶振电路模块、复位电路模块、键盘电路模块、直流电动机的驱动电路同89C51单片机连接在一起，再有就是单片机的Vcc接+5V电源，Vss接地，如图4.1所示。
本设计通过四个按键来实现对电动机的控制，按键与P2口相连，按下按键改变电平，将改变的电平通过单片机送给P0.0和P0.1口，在送到L298N的输入端口，从而对电动机的启停和方向进行控制；还将其产生在PWM脉冲送到L298N的使能端，从而对电动机的速度进行控制。
图4.1系统电路图
4.2复位电路
复位电路用于产生复位信号，通过RST（高电平有效）引脚送入单片机，进行复位操作。
该引脚上出现持续两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，便可实现复位，复位电路对单片机系统顺利的工作有着至关重要的作用。
它可以保证程序从指定处开始执行，即从程序存储器的0000H地址单元开始执行程序。
另外，当程序进行出错或操作错误使系统处于“死机”状态时，需复位以重新启动。
复位信号的产生有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电实现的。
通电时，电容两端相当于短路，于是RET引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容进行充电，RET端电压慢慢降下来，降到一定程度时变成低电平，单片机开始正常工作。
对干扰抵抗能力差。
最简单的上电自动复位电路。
按键手动复位电路是通过电阻接高电平实现的。
按键手动复位电路。
在现代工业控制中，根据实际需要，一般采用兼有上电外部复位与按键复位的电路，这样复位电路能输出两种电平的复位控制信号，以适应外围I/O接口芯片所需要的不同复位电平信号。
而在本设计中采用的是按键手动复位,如图4.2所示。
RST
图4.2复位电路图
4.3时钟电路
时钟电路是单片机系统的心脏，它控制者单片机的工作节奏。
单片机虽然内部有振荡电路，但是要形成时钟，必须外部附加电路。
微型计算机的CPU实质上就是一个复杂的同步时序电路，所有工作都是在时钟信号控制下进行的。
每执行一条指令，CPU的控制器都要发出一系列特定的控制信号。
AT89C51单片机的时钟信号通常由两种方式产生：
一是内部振荡方式，二是外部时钟振荡方式。
内部时钟电路，在AT89C51单片机内部有一个高增益反相放大器，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接定时反馈回路，振荡器OSC就能自激振荡，并在单片机内部产生矩形时钟脉冲信号。
定时反馈回路常由石英晶振和微调电容组成，其中石英晶振的频率是单片机的重要性能指标之一，时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。
一般情况下，石英晶振的频率选为典型值12MHz，这样有利于得到没有误差的波特率。
内部时钟电路对外接电容C1、C2并没有严格要求，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用。
电容C1和C2典型值在60～70pF之间振荡器有较高的频率稳定性。
选择30pF左右时对应的时钟频率为难12MHz，外接陶瓷振荡器时，电容值通常选择为47pF。
外部时钟电路是利用外部振荡信号直接作为时钟源直接接入XTAL1和XTAL2。
通常XTAL2端直接接至内部时钟电路，输入端XTAL1接地。
由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，所以建议接一个4.7～10K
的上拉电阻。
时钟电路则是由振荡电路产生震荡脉冲，从而得到晶振频率的电路。
本设计中选取内部时钟电路，如下图4.3所示。
图4.3内部时钟电路
4.4直流电机驱动电路
直流电动机的驱动主要由L298N驱动芯片和TLP521-4光电隔离芯片组成，如图4.4所示。
电动机停止时，单片机P0.0和P0.1口输出低电平；电动机运转时，单片机P0.0和P0.1口输出高电平；电动机正转时，单片机P0.0口输出低电平,P0.1口输出高电平；电动机反转时，单片机P0.0口输出高电平，P0.1口输出低电平；PWM脉冲调速采用定频调宽法，单片机P2.0口输出固定频率为1kHz的PWM脉冲，脉冲频率通过定时中断实现。
图4.4直流电动机驱动电路
4.5键盘电路
键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，平时按键开关总是处于断开的状态，当按下时闭合。
用户通过键盘可向CPU输入数据信息、地址信息和各种命令。
键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的称为编码键盘，而由软件实现的称为非编码程序。
键盘根据连接方式的不同分为独立连接式和矩阵式。
独立式按键是指用一根I/O接口线构成的单个按键电路。
每个独立按键单独占用一根I/O接口线，彼此之间相互独立。
一般当按键数目较少的时候选用独立式键盘。
矩阵式键盘是指由若干按键组成的矩阵样式的输入设备，包括键盘开关矩阵、输出锁存、输入缓冲器。
矩阵键盘识别按键是否按下最常用的方法是行扫描法。
即由行线逐行发出低电平信号，判断与其对应的列线的电平信号，如果电平信号为高电平则说明没有按键按下，反之。
如果该电平信号为低电平则说明有按键按下（即低电平有效）。
当按键较多的时候通常选用矩阵式键盘，节省I/O接口。
常见的键盘扫描方式有程控扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式。
由于键盘按键为机械开关，由于机械触点的弹性作用。
按键的时候，不管是按下键位还是放开按键都会产生一定程度的键抖动，据此将按键分为前沿抖动（按下）和后沿抖动（放开）。
如果对按键抖动不进行处理的话，必然会导致按键一次而输入多次信号，为了确保功能顺利实现和按键准确，必须消除按键抖动，通常用硬件和软件两种方式来消除按键抖动。
硬件法指在输出线路上添加硬件线路来消除，一般采用R-S触发器和单稳态电路来实现。
而软件法则指在判断是否有按键按下程序之后，添加一个延时程序（5～10s）当消除按键抖动后再次进行
检测按键状态，如果前后的检测结果都是有按键按下，说明确实有按键按下。
同理，当按键释放时也进行相应的处理。
本设计键盘电路如图4.5所示，由四位按键组成，其中K1控制电动机的启动和停止，K2控制电动机的正转和反转，K3控制电动机的加速，K4控制电动机的减速。
K1
K2
K4
K3
图4.5键盘电路
5软件设计
5.1单极性可逆电动机驱动系统的电动机启停、正反转控制
1.系统框图
如图5.1所示，控制系统由单片机、键盘模块、直流电动机驱动模块、电动机组成。
单片机P2.4采集电动机启停控制按键信号，P2.5采集电动机正反转控制按键信号，P2.6采集电动机加速控制按键信号，P2.7采集电动机减速控制按键信号，P2.0输出PWM脉冲，P0.0和P0.1输出电动机启停控制和旋转方向控制电平。
图5.1控制系统总图
2.软件程序设计
软件程序包括键盘信号采集、PWM脉冲输出、电动机旋转方向电平输出几个部分。
键盘信号采集电动机启停控制按键信号由单片机P2.4口采集，当采集到第一次按键信号时，电动机启动；当采集到第二次按键信号时，电动机停止。
电动机正反转控制按键信号由单片机P2.5口采集，当采集到第一次按键信号时，电动机正转；当采集到第二次按键信号时，电动机反转。
电动机加速控制按键信号由单片机P2.6口采集，每采集到一次加速按键信号，PWM脉冲占空比加1%。
电动机减速控制按键信号由单片机P2.7口采集，每采集到一次减速按键信号，PWM脉冲占空比减1%。
电动机启停方向电平输出电动机停止时，单片机P0.0和P0.1口输出低电平；电动机运转时，单片机P0.0和P0.1口输出高电平。
电动机旋转方向电平输出电动机正转时，单片机P0.0口输出低电平,P0.1口输出高电平；电动机反转时，单片机P0.0口输出高电平，P0.1口输出低电平。
PWM脉冲输出PWM脉冲调速采用定频调宽法，单片机P2.0口输出固定频率为1kHz的PWM脉冲，脉冲频率通过定时中断实现。
5.2系统总体流程设计
整个系统的软件流程图如下图5.2所示。
按下K1键，电动机启动；
按下K2键，电动机反转；
按下K3键，电动机加速；
按下K4键，电动机减速；
再次按下K1键，电动机停止。
图5.2系统结构流程图
6仿真调试
6.1KeilC51软件简介
KeilC51集成开发环境是目前开发80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立、管理、程序编译、链接、目标代码生成、软硬件仿真等完整的开发流程。
尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。
图6.1keil界面图
6.2Proteus仿真软件简介
Proteus是来自英国LabcenterElectronics公司的利用现代EDA工具方便快捷开发单片机系统的仿真软件。
英国LabcenterElectronics公司推出的Proteus，可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS-232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列、ARM7/LPC2000系列以及Z80等，集编辑、编译、仿真调试与一体。
它的界面（图6.2）简洁友好，可利用该软件提供的数千种数字/模拟仿真元器件以及丰富的仿真设备，使得在程序调试、系统仿真时，不仅能观察到程序执行过程中单片机寄存器和存储器等内容变化，还可从工程的角度直观地看到外围电路工作情况，非常接近工程应用。
另外ProteusISIS还能与第三方集成开发环境（如KeilC51的μVi
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