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基于单片机的直流电机调速系统软件设计
论文题目：
基于单片机的直流电机调速系统软件设计
专业：
电气工程及其自动化
本科生：
（签名）＿＿＿＿
指导教师：
（签名）＿＿＿＿
摘要
直流电动机是一种新型，机电一体化电机，具有调速性能好，启动容易，能够重载启动等优点，现已广泛用于工业控制的各个领域。
显然对它的控制也越来越重要。
本文主要介绍了基于单片机的直流调速系统，研究了利用89C52单片机控制直流电机并对其进行速度的测量。
首先，本文介绍了直流电机的发展以及研究目的。
其次，设计出整个系统的方案以及绘制出各模块的硬件电路图。
然后，运用软件Keil51设计出相应的测速、电流保护、按键子程序、PWM调速同时给出相应的程序流程图。
最后，通过上述设计，并且通过试验，能够完成对直流电机的起停、正反转、刹车、调速等控制，完成整个系统的功能，满足设计要求。
关键词：
单片机系统，直流电机调速，PWM信号
Subject:
TheDCMotorbasedonMicrocontrollercontrolspeed
Specialty:
ElectricalEngineeringandAutomation
Name:
（Signature）＿＿＿＿
Instructor:
（Signature）＿＿＿＿
ABSTRACT
DCMotorisanewkindofthemechanicalandelectricalintegratedmotor,withtheadvantagesofspeedalter,highreliability,starteasier,andoverloadstarting,highefficiencyandgoodspeedperformancehasbeenwidelyusedinindustrialcontrolfields.Itisalsoclearthatthecontrolisthemostimportant.
ThisarticledescribedtheDCspeedcontrolsystem,andthisalwaysdependedonMicrocontroller.AkindofspeedregulationsystemofPulseWidthModulation（PWM）forDCmotorcomposedofmicrocontrollerAT89C52andL298wasdesigned.Firstly,thisarticledescribestheprogressoftheDCmotorandresearchpurposes.Secondly,designedkindsofmodulesandbasedon89C52controlsystem,thendesignedthecircuitdiagram.Thirdly,designusingsoftwareKeil51correspondingspeed,protection,display,andthespeedcontrolofPWM,thengiveoutflowchart.Finally,throughthedesigningandthetesting,tocompletetheDCmotorforstarting,stopping,rotating,brakingandspeedcontrol.Meetthedesignrequirements.
KEYWORDS:
SCMsystem,DCMotorSpeedControl,PWMsignal
第一章绪论
1.1课题研究的背景
在现代化的工业生产过程中，电力传动装置的使用十分广泛，随着社会的发展和各种技术的更新，以及生产质量和工艺的不断增长和改善，自动调速已经广泛应用到各行各业中并且对其要求也越来越高。
对调速系统的控制，可分为直流调速和交流调速。
直流电机的调速具有很好的调速特性，有很大的过载能力，并且可以平滑，快速调速。
可以轻易的实现多次正转反转并且能够适应生产和生活中的各种控制要求，至今在机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域一直都有广泛的应用，到目前为止仍是调速系统的主要形式。
直流电机是出现最早的电动机，可以分为有换向器和无换向器两类。
虽然直流电机在价格，性能，维护等方面不如交流电动机，但是直流电动机具有调速性能好，启动容易，能够重载启动等优点，所以目前直流电动机的应用很广泛。
直流电动机就是因其转速比较灵活，方法简单，且有很多优点。
因此在传动控制领域占有很高的地位。
研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义，为此对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，而有一种通过使用价格低廉、通用性很强单片机为控制芯片的方法，以PI调节控制算法为基础，完成直流电机转速的调节，达到了控制性能好、成本低的目的。
另外，以单片机为核心的电机调速系统还有维修简单、柔性强等优点。
在直流电机的测速系统中，随着现代技术的发展已经广泛使用PWM技术来对电机的转速进行控制，而且在电机的调速模块中，是从最初的用电位器调整直流电压从而达到电机调速的目的；然后是采用继电器的开关切换对电机进行速度的控制；现在是用封装集成好的H型器件，或是IGBT组成的H型电路，从而对电机进行调速。
通过比较发展过程中的电机控制方法可知，在以上三种控制模块里主要以H型电路的驱动最为简单，可以简单控制电机的速度和转向的变化，因此也出现了L298N这些内部H桥型的芯片的封装，从而可以直接利用L298N这些类似芯片直接来驱动电机。
1.2国内发展状况
我国在很早从第一只晶闸管研发成功以后，晶闸管直流调速系统就得到了快速的发展和广泛的运用。
现在，全国各大高校、科研单位和电子生产厂家都在进行数字直流调速系统的开发，同时有了很多关于直流调速系统控制的算法。
（1）直流电动机及直流调速系统的参数辨识的方法。
该方法是应用最小二乘法，在系统或某环节的输入输出特性中，可获得系统环节内部参数。
（2）直流电动机调速系统的内模控制方法。
该方法是针对双闭环控制所产生的一种，能够取代PI调节器解决超调问题的一种内模控制算法。
这种方法比较简单且使系统具有很好的动态和静态性能。
（3）单神经元自适应智能控制方法。
这是一种单神经元自适应智能控制的方法。
这种方法也具有良好的静，动态性能，还具有很好的自适应性。
（4）模糊控制方法。
这种方法在小惯性系统中应有比较广，经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。
上述的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。
国内研究直流电机调速已经从最初的简单控制电机的运动上升到开辟新的算法和高速可靠的去控制电机，使直流电机更快更有效地发展。
1.3国外发展状况
直流电机的产生已有一百四十多年的历史。
在设计和制造的技术上有了很大进步，新材料、新技术的应用以及整流电源的普及，促进了一般工业所用直流电机的不断扩大，品种的日益繁多。
从小至数瓦，大到万余千瓦，广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、机床制造、纺织印染等各个部门中，特别是近几年电子计算技术广泛应用在直流电机设计制造中。
从直流电动机的演变历史，也可以纵观直流电动机的发展历史和动向、从四十年代后期到五十年代的前期，直流电动机的电源主要是采用M-G电动发电机组，六十年代初，电动发电机组电源已被水银整流器逐渐代替，到六十年代后期，由于可控硅整流装置的出现，并得到迅速发展，可控硅整流电源已占统治地位。
由于直流电源供电方式的不断更新换代，特别是在最近的十几年期间，进一步促使了直流电动机的单机功率、转速等的不断提高，使直流电机目前朝着高转速、大功率的方向发展。
另外，由于绝缘技术和分析技术的进步，直流电动机已迅速向小型，高速，大功率，低惯量等方面发展。
随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究和开发也在不断的发展和改善，尤其是80年代在这方面的研究最繁荣的鼎盛时期。
大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量的研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等，其实在这些方面国外和国内都做了很高程度的研究。
目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调速装置，有各种各样的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。
使得直流电机的发展愈来愈迅速，用途更广，给社会乃至全人类创造更多的财富。
1.4本课题研究的目的及意义
直流电动机具有良好的起动、制动性能，且能实现平稳大范围的调速，在许多需要调速或快速正反转的电力拖动系统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。
起初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十分复杂，功能很单一，并且系统非常不灵活，调速困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和使用范围的推广。
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，但是因其受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行稳定性、准确性都得不到保证甚至还会出现事故。
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和更广阔的发展空间，并使系统能够达到更高的性能。
一种节约了人力资源和降低系统成本的控制系统随着采用单片机构成了新的较简单的控制系统，有效的提高了系统的工作效率。
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必然趋势。
在工业自动化领域，直流电机又有着十分广泛的应用。
直流电机以其优良的性能在驱动、控制、牵引等许多场合起到了十分重要的作用。
铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机、机车直流辅助电机、矿用机车直流牵引电机、船用直流电机、轧钢电机和其它直流电机，由于它们作为国民生活的基础，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，直流电动机又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。
第二章设计方案的选择
2.1电动机的供电方案的选择
变压调速是直流调速系统中的最主要的方法，而调节直流电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：
旋转交流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。
（1）旋转交流机组就是G-M系统，用交流电动机和直流发电机组组成机组，来获得可调的直流电压。
适用于调速要求不高，能够可逆运行的系统，但其体积大、费用高。
效率低、维护不方便，因此适用面较窄。
（2）静止可控整流器，如晶闸管可控整流器，可以通过调节触发装置来触发脉冲的相位，从而改变平均电压，实现平滑调速，控制作用快同时性能也较好。
（3）直流斩波器和脉宽调制交换器采用的是PWM技术，用不可控整流电源供电或直流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。
与上述两种方法相比此方法有很多的优越性。
主电路简单，需要的功率器件较少；谐波少，电机损耗及发热都较小；稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。
通过对比以上三种方案的优缺点并且以及我们常用的经验熟悉度，本次设计在根据脉宽调速要求，采用直流PWM调速系统。
2.2电机调速控制模块
（1）可以通过采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过不断地切换开关来调整电机的速度。
此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间较慢、机械结构易被损坏,且成本较高。
（2）采用H桥组成的PWM电路。
用单片机来控制H桥使电机工作在占空比可调的开关状态，从而能够精确调整电机的转速，效率很高，可以保证电机实现转速和方向的控制。
这个方案调速性优良、调速范围很广并且可以实现平滑调速。
因此经过对比，我们选用第二种方案来驱动电机产生速度和方向的转换。
2.3PWM调宽方式
PWM的调脉宽的方式有：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
在这里我们选用了定频调宽的方式，这种方式使电机的运转比较稳定；并且在用单片机产生PWM时用软件方法产生相对比较简单且易实现。
PWM的软件实现方式：
（1）采用软件延时，但这种方式下的精度不高，且占用处理器资源。
（2）直接由软件产生一组二进制数控制PWM波形发生器产生PWM波，但这种方法还需要设计一个波形发生器，需要器件较多，成本较高，比较麻烦。
（3）采用定时器作为脉宽控制的定时方法，且单片机内部自带定时器相对简单，并且产生的脉宽精度极其精确，所以我选用定时器产生PWM。
因此，这种方法相对比较简单，且实用，软件设计过程中也易产生及控制PWM波。
2.4PWM调速工作方式
（1）双极性工作制。
双极性工作制是指在一个脉冲周期内，单片机两端控制两个口输出一个控制信号，两信号高低电平相反，用两信号的高低电平时差来决定PWM波从而驱动电动机的转向和转速的变化。
（2）单极性工作制。
单极性工作制是指单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，经过两口输出的切换和对PWM占空比调节，改变端口的高低电平来控制正反转，PWM的占空比的调节来改变电机的转速。
由于单极性工作制电压中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们选用了单极性工作制。
2.5显示模块的选择
（1）采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中，亮度高，对于显示数字合适，但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。
（2）采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合，如显示数字则浪费资源，且价格也相对较高。
（3）采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，并且连接很方便，所以在此设计中采用了LCD液晶显示屏。
2.6键盘方案的选择
（1）采用矩阵式键盘，这种方法可以由较少的I/O口实现数目较多的键盘。
但是适合需要较多的键盘。
但硬件比较复杂，且程序结构比较繁琐。
（2）使用独立键盘，即每一位I/O口可对应连接成一个键，这种方法比较简单，又因为本次设计只需要五个按键，所以选择这种不占用多余的I/O口。
比较较简单，鉴于系统需要的键盘数不多，且有空余的I/O口，所以选用该种方案。
2.7论文主要研究内容
主要介绍系统整体，从选题的背景及直流电机的发展和意义到整体系统的设计。
展示整个设计的硬件的选材和软件的思路，以及在做毕设过程中的总结与收获。
本课题研究的对象是直流电动机，对其转速进行控制。
其基本思想是利用89C52单片，通过单片机的定时中断来产生并且调正PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制电机转速。
系统硬件设计为：
以89C52为心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。
具体内容如下：
（1）介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。
（2）完成以89C52的直流电机数字控制系统硬件设计。
（3）以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速。
（4）对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。
第三章直流电动机调速系统的设计
3.189C52单片机的简介
3.1.189C52单片机的基本组成
8052单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本组成如下图所示：
图3-189C52的基本组成图
中央处理器CPU：
它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：
芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH.通常说的的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。
特殊功能寄存器：
是用来对片内各部分进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。
内部程序存储器：
此芯片内部共有8K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。
并行I/O口：
芯片内部有4个8位的I/O口（P0,P1,P2,P3）,以实现数据的并行输入输出。
串行口：
它用来实现单片机与其他设备之间的串行数据传送。
定时器：
芯片内部有3个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：
该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时、计数中断3个和串行中断1个。
震荡电路：
它外接石英晶体和微调电容即可构成单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。
系统允许的最高晶振频率为12MHz。
3.1.2CPU及8个部件的作用功能介绍如下
89C52单片机个引脚的原理与功能：
VCC:
供电电压；GND：
接地；
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，没脚可吸收8个TTL门电路，当做通用I/O口使用时，输出级是漏极开路电阻，故需外接上拉电阻才能有高电平输出，当作地址/数据总线使用时，不需要外接上拉电阻，可是不能做通用的I/O口使用；由输出变换成输入端口作用时需先向端口写入1（为了防止高电平因内部结构被拉成低电平造成误读）；在不接片外存储器与不扩展I/O端口时，可作为准双向I/O口。
在接有片外存储器或扩展的I/O端口时，P0端口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。
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4个TTL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在编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P1有两个端口有第二功能，P1.0的第二功能是T2时钟的输出，P1.1的第二功能是T2EX（定时/计数器2）。
P2口：
也是一个准双向I/O口，P2口的电路结构与P1口类似，驱动部分与P1口相同，在接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256KB时，P2端口用作高8位地址总线。
能够驱动4个TTL门电路。
P3口：
也是准双向I/O口，输出级接有内部上拉电阻，作输入时，必须先向相应的端口锁存器写入1。
P3口作为AT89c52的一些特殊功能口，管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写通道）P3.7/RD（外部数据存储器读通道）。
REST:
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持REST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低位字节。
图3-289C52的最小系统
3.2对系统功能的要求
（1）通过L298H桥驱动，实现控制和调整直流电机转速和转向的功能。
并实现由单片机控制实现直流电动机的加速、减速、正转、反转、急停。
（2）用1602液晶显示模块简单的实现电机速度的显示，在LCD上显示电机的工作状态，观察电流和转速的变化。
（3）实现闭环调速，测出电机的实际转速，与设定的值相比较形成偏差并且根据偏差调节转速。
（4）实现电流保护的作用。
3.3系统的整体框图
直流电机的调速系统控制硬件主要包括单片机（AT89C52）控制模块，L298N电机驱动模块，LCD1602电机速度显示模块，独立式键盘控制模块及测速反馈模块。
本系统通过L298驱动电机运转，独立式按键控制电机的运行状态使其分别出现电机的正转，反转，加速，减速，急停。
测速反馈模块测出当前电机的转速与给定8052的速度的比较，进而做出相应的改变。
系统整体框图如图所示：
图3-3系统框图
3.4直流电动机的简介
电动机是用来驱动生产机械的，根据负载的需要，在生产需要中希望电动机的转速能在一定或更宽广的范围内进行调节，且要求调节的方法既简单又经济。
直流电动机在这些方面都有非常突出的优点。
直流电动机按照励磁方式可以为：
自励、他励和永励。
电动机可以分为控制电动机和功率电动机，其中控制电动机分别为
（1）步进电动机；
（2）伺服电动机；（3）无刷直流电动机。
而功率电动机可以分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机的工作原理：
将直流电源通过电刷，接通电枢绕组，使电枢道题有电流流过；电动机内部有磁场存在；载流的转子（电枢）导体将受到电磁力的作用；所有导体将产生的电磁力作用于转子，使转子以n（r/min）旋转以便拖动机械负载。
直流电动机的特点:
直流电机的启动转矩大，效率高，无励磁损耗，调速性能好。
从直流电动机的转速公式：
U—电枢两端的电压Ia—流过电枢的电流
Ra—电枢电路电阻Ce—直流电动机电动势常数
—励磁磁通
可知，调速的方法有两种：
1）电枢控制，即用调节电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。
2）磁场控制，即用调节励磁电流来调速。
基于以上特性,改变电枢电压,实现对直流电机速度调节的方法，被广泛使用。
改变电枢电压可通过多种途径实现,如晶闸管供电速度控制系统、大功率体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。
电枢电路中接入调速电阻的情况：
电枢电路接入调速电阻R后，由式可见，机械特性的斜率将随之增大，它和负载特性Tl+To的交点将逐步下移，于是电动机的转速下降。
这种调速方法的优点是简单易行。
缺点是接入电阻后电枢的铜耗增大，电动机的效率要降低，另外电动机的机械特性将变软，使负载变动时转速产生较大的变化。
调节励磁电流来调速：
从公式可见，减少励磁电流时，气隙磁通量
将减少，电动机的转速升高。
这种调速方法所用设备简单，调节简单且方便，且效率高，缺点是随着转速和电枢电流的增加，电机的温升升高，换向变坏，转速过高时还可能出现不稳定的现象。
改变电枢电压时最常用的调速方法，可以用两种办法来实现，分别是可控整流法和脉宽调制变换器PWM法。
可控整流法是通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变晶闸管电流输出的整流电压即电枢电压。
这种方法原理简单，线性好，但是控制电路比较复杂，易产生较大热量。
PWM法是通过调节电动机电枢电压的接通时间与通电周期的比值来控制直流电动机转速。
其优点是具有调速精度高，响应速度快，可靠性高以及易于采用单片机控制。
3.5直流调速系统的概述
直流调速是指为了满足工作机械生产和生活的要求，人为地或自动地改变直流电动机的转速。
从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或加工电压等方法来改变电动机的机械特性，
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