基于AT89C51单片机的直流电机控制系统的设计.docx
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基于AT89C51单片机的直流电机控制系统的设计
摘要
本文主要介绍了基于AT89C51单片机的直流电机控制系统的设计。
包括介绍直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法，这对于直流电机速度控制系统的实现提供了一个有效的途径。
本次毕业设计主要任务是完成单片机的直流电机控制系统总体设计，包括直流电机的驱动方式，直流电机的控制方式，单片机外围电路、键盘电路、驱动电路、显示电路等硬件设计及相应的驱动程序设计，设计出的控制系统应能够使直流电机实现正反转、加减速调节，并可从键盘输入进行相应工作模式的切换，用显示屏显示当前的状态，如速度、正反转等信息。
关键词：
直流电机调速；单片机；PWM；LCD显示；
Abstract
ThisarticleintroducestheAT89C51microcontrollerbasedDCmotorcontrolsystemdesign.IncludingintroductionofDCmotorspeed-relatedknowledge,aswellasbasicprincipleandimplementingmethodofPWMspeedcontrol,ForrealizationofDCmotorspeedcontrolsystemprovidesaneffectiveway.Thegraduationmajortaskistocompleteoveralldesignofsingle-chipcomputercontrolsystemofDCmotor,Includingthedcmotordrivemode,thecontrolofdcmotor,Microcontrollerperipheralcircuits,circuit,drivingcircuitofthekeyboard,display,designofhardwaresuchascircuitdesignandthecorrespondingdriver,Designthecontrolsystemshouldbeabletoachievethereverse,speedregulationofDCmotorandcanbeenteredfromthekeyboardtothecorrespondingoperatingmodeswitch,thedisplayshowsthecurrentstatus,suchasspeed,reverseandmore.
Keywords:
singlechip;PWM;DCmotorspeed;LCDdisplay;
1绪论……………………………………………………………………………………1
1.1电机调速系统的发展概况……………………………………………………1
1.2论文题研究目的及意义………………………………………………………1
1.3论文主要研究内容……………………………………………………………2
2直流电机的基本理论…………………………………………………………………3
2.1直流电机的基本结构及调速原理……………………………………………3
2.1.1直流电机的基本结构…………………………………………………3
2.1.2直流电机工作原理……………………………………………………3
2.1.3直流电机的基本参数…………………………………………………4
2.1.4直流电机调速原理……………………………………………………4
2.2调速基本原理及其实现方法…………………………………………………4
2.2.1调速基本原理…………………………………………………………6
2.2.2调速实现方法…………………………………………………………6
3系统硬件设计…………………………………………………………………………8
3.1设计要求………………………………………………………………………8
3.2系统方案………………………………………………………………………8
3.3直流电机驱动控制模块………………………………………………………9
3.3.1直流电机驱动方式……………………………………………………9
3.3.2驱动方案选择…………………………………………………………11
3.4直流电机的调速………………………………………………………………11
3.4.1PWM极性选择…………………………………………………………12
3.4.2PWM调脉宽工作方式…………………………………………………12
3.4.3PWM的软件实现………………………………………………………12
3.5控制内容………………………………………………………………………12
3.6系统模块分析与设计…………………………………………………………14
3.6.1单片机最小系统的设计………………………………………………14
3.6.2电源电路设计…………………………………………………………18
3.6.3直流电机驱动电路设计………………………………………………18
3.6.4显示模块设计…………………………………………………………21
3.6.5键盘电路设计………………………………………………………22
3.6.6元件选择与参数计算………………………………………………23
3.6.7系统整体硬件电路…………………………………………………24
3.7设计所需部分器件…………………………………………………………26
3.8技术路线……………………………………………………………………26
3.9应用软件的编制、调试……………………………………………………27
4系统软件设计………………………………………………………………………28
4.1系统总体设软件设计思想……………………………………………………28
4.2系统各个模块软件设计……………………………………………………29
4.2.1产生PWM波的软件设计……………………………………………30
4.2.2测量速度的软件设计………………………………………………31
4.2.3电机转向的软件设计………………………………………………32
4.2.4电机加减速的软件设计……………………………………………32
4.2.5LCD显示的软件设计…………………………………………………32
5调试与仿真…………………………………………………………………………33
5.1设计仿真原理图……………………………………………………………33
5.2调试仿真问题解析…………………………………………………………36
6结论与总结…………………………………………………………………………37
参考文献…………………………………………………………………………38
致谢………………………………………………………………………………39
附录（程序清单）…………………………………………………………………40
1绪论
1.1电机调速系统的发展概况
1964年H.stemmler和A.Schonung首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。
进入80年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。
直流电机调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。
用于功率输出控制，其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。
电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。
目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。
PWM取代数模转换器（DAC）
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。
脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用[3]。
1.2论文题研究目的及意义
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。
随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。
它对单片机的要求是：
具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。
因此该设计中选用单片机AT89C51通过设计基于AT89C51单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，对运动控制的相关知识进行巩固。
1.3论文主要研究内容
完成单片机的直流电机控制系统总体设计，包括直流电机的驱动方式，直流电机的控制方式，单片机电路、键盘电路、驱动电路、显示电路等硬件设计及相应的驱动程序设计，设计出的控制系统应能使直流电机正反转、加减速调节，并可从键盘输入进行相应工作模式的切换及加减速调节，用显示屏显示当前的状态，如速度、正反转等信息[12]。
2直流电机的基本理论
2.1直流电机的基本结构及调速原理
2.1.1直流电机的基本结构
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2-1所示[9]。
图2-1直流电动机结构
2.1.2直流电机工作原理
直流电机电路模型如图2-2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向[14]。
图2-2直流电动机电路模型
2.1.3直流电机主要技术参数
直流电机的主要额定值有：
额定功率Pn：
在额定电流和电压下，电机的负载能力。
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，以r/min为单位。
励磁电流If：
施加到电极线圈上的电流[3]。
2.2调速基本原理及其实现方法
2.2.1调速基本原理
（1）直流电机转速的数学模型可用图2-3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T1的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩[9]。
图2-3直流电机的数学模型
根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式（2-1）：
（2-1）
式（2-1）中，
为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；
是外接在电枢回路中的调节电阻。
由此可得到直流电机的转速公式为：
（2-2）
式（2-2）中，
为电动势常数，
是磁通量。
由（2-1）和（2-2）得：
（2-3）
由式（2-3）中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转[1]。
对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为图2-4所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变t1和t2宽度，得到的电压将发生变化[14]，下面对这一变化进一步推导。
图2-4施加在电枢两端的脉动电压
设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。
若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：
（2-4）
由式（2-3）得到：
（2-5）
在假设电枢内阻转小的情况下式中
，是常数。
图2-5为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。
图2-5占空比与电机转速的关系
由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻一般较小，故可以近视其为线性关系。
由此可见，改变施加在电枢两端电压就可以变电机的转速度，这就是直流电机PWM调速原理。
2.2.2PWM实现方法
PWM信号的产生通常有两种方法：
一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。
本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。
51系列典型产品AT89C51具有两个定时器
和
。
通过控制定时器初值
和
，从而可以实现从C51的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。
大致的的编程思路是这样的：
T0定时器中断是让一个I/O口输出高电平，在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1，而这个T1是让I/O口输出低电平，这样改变定时器T0的初值就可以改变频率，改变定时器T1的初值就可以改变占空比。
如果单片机的时钟频率为
，定时器／计数器为
位，则定时器初值与定时时间的关系为：
（2-6）
——定时器定时初值；
——一个机器周期的时钟数；
本设计以AT89C51单片机为核心，以6个弹跳按钮作为输入达到控制直流电机的启动、停止、加速、减速、正转、反转，以LCD显示电机速度大小。
设计中采用PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到调速的目的[11]。
3系统硬件设计
3.1设计要求
（1）通过键盘改变脉冲的占空比从而达到改变转速使得电机转速从高到低，从低到高。
（2）通过改变输出电平的极性从而改变电机的转向，实现电机的正转反和转。
（3）能够通过LCD显示电机的的转向。
（4）通过启动键启动电机，从而达到防止电机误启动的目的。
（5）能够通过电机最终显示电机的速度。
3.2系统方案
（1）速度加减的实现:
单片机通过控制L298的使能端“允许”或者“禁止”，通过改变a（脉冲宽度）的值，从而达到控制PWM脉冲宽度调节电机转速的目的，即采用P1.1通过软件延时程序延时得到PWM信号与ENA引脚相连，来调节电机的加速减速。
（2）正反转的控制:
单片机通过L298中的H桥，从AT89C51中的P1.0输出控制信号与L298的IN2相连，同时P1_0输出的电信号与非门相连再输入到IN1来达到控制BJT的基极电压，IN1与IN2具有互锁的控制L298中H桥的BJT通断，从而达到控制电机转向的目的。
（3）电机速度的显示:
单片机通过P3.4／T0接受电机发出的脉冲信号（在仿真是采用proteus里MOTOR-encoder电机，用这个可以简单的测得电机的转速，主要原理是编码器可以根据电机转一圈输出脉冲数，根据统计的脉冲量得到电机的转数，中间的是编码器转一周，高电平一次。
根据这可以测出转速。
左右两边是检测左转还是右转。
哪边先高电平，就是往哪边转。
在本次设计中采用检测每转动一周高电平一次来简单的计算电机的转速。
单片机T1采用模式一定时中断定，T0采用模式一计数中断定计数模式，由高8位TH0和低8位TL0两个8位寄存器组成，当设定计算值为65536-50000=15536（D）时，转换为十六进制就是3CB0（H），此时，TH0=3C，TL0=B0，定时器T1计数50ms，此时电机每转动一周P3.4高电平一次，存储电机转动的转数，同时采集2.5S之后将电机的转数进行LCD显示。
3.3直流电机驱动模块方案分析
3.3.1直流电机驱动方案
方案一：
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：
采用继电器对电动机的开或关进行控制。
方案三：
直流电机是可以正反转的。
本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。
图3-1H型桥式驱动电路
PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：
根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。
4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。
从而驱动电机沿另一方向转动[15]。
方案四：
采用驱动芯片L298N驱动直流电机，L298N具有驱动能力强，外围电路简单等优点，分析知采用驱动芯片L298N驱动直流电机。
表3-1L298N驱动芯片真值表
电机
旋转方式
控制端IN1
控制端IN2
输入PWM信号改变脉宽可调速
调速端A
调速端B
M1
正转
高
低
高
/
反转
低
高
高
/
停止
低
低
高
/
3.3.2驱动方案选择
综合上诉四中方案，在本次设计中采用方案四，片机通过控制L298的使能端“允许”或者“禁止”，通过改变a（脉冲宽度）的值，从而达到控制PWM脉冲宽度调节电机转速的目的，即采用P1.1通过软件延时程序延时得到PWM信号与ENA相连，来调节电机的加速减速。
3.4直流电机的调速
3.4.1PWM极性选择
方案一：
双极性工作制。
方案二：
单极性工作制。
3.4.2PWM调脉宽方式
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
3.4.3PWM软件实现方式
方案一：
采用软件延时方式，在引入中断之后，将有一定的误差。
方案二：
采用定时器作为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确。
综合程序的编制以及自身学术水平的限制的考虑本设计采用方案一。
3.5控制内容
采用单片机构成的直流电动机数字PWM调速系统,其控制核心主要由最小系统、电源模块、显示模块、直流电机组成。
系统采用L298N芯片作为PWM驱动直流电动机的供电主回路。
单片机通过软件延时处理输出PWM信号,实现了直流电动机的转速控制,在运行中获得了良好的动静态性能。
（1）键盘识别：
通过P1口的低电平输入识别不同的按键。
（2）通过对单片机程序烧录实现对直流电机的停止、加速、减速、正转、反转控制。
（3）由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流所以必须有外围的驱动电路，因此本设计采用L298N芯片放大单片机微弱的电流。
图3-2系统硬件框图
3.6系统模块分析与设计
3.6.1单片机最小系统的设计
单片机最小系统：
所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以使单片机工作的系统。
一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。
图3-3单片机最小系统整体框
控制器部分分析：
AT89C51为ATMEL所生产的可电气烧录清洗的8051相容单芯片，其内部程序代码容量为4KB。
（一）AT89C51主要功能列举如下：
1、为一般控制应用的8位单芯片
2、晶片内部具时钟振荡器
3、内部程式存储器（ROM）为4KB
4、内部数据存储器（RAM）为128B
5、外部程序存储器可扩充至64KB
6、外部数据存储器可扩充至64K7、32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制
8、5个中断向量源
9、2组独立的16位定时器
10、1个全多工串行通信端口
图3-4AT89C5111、8751及8752单芯片具有数据保密的功能
12、单芯片提供位逻辑运算指令[10]
（三）复位电路及时钟电路
图3-5RC复位电路
（四）时钟电路
晶体振荡器的简称，AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
晶体振荡电路如图3-6，晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率[16]。
3.6.2电源电路设计
直流稳压电源的基本原理：
直流稳压电源一般有电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。
图3-7直流电源原理
（1）电源变压器T的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。
（2）整流电路：
整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
图3-8整流电路
（3）滤波电路：
各滤波电路C满足RL/C=（3~5）T/2，式中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
（4）稳压电路:
常用的稳压电路有两种形式：
一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路[2]。
常用稳压电路归纳如下表
表3-2常用的稳压电路
电路名称
典型电路
输出电压及有关参数
特点与用途
稳压管稳定电压
电路简单，适用于输出电压恒定，负载电流变化小的场合，常用作基准电源
可调稳压电源
电路引入电压串联负反馈，使输出电压更稳定且可调，可获得负电源
串联型稳
压电路
电路较复杂，输出电压可调，输出电流较大，应用范围广
集成稳压
电源
系列为正电源
系列为负电源
输出电压固定，为5V，9V，12V，15V，18V等，可根据需要选用
电路简单，输出电压固定
3.6.3直流电机驱动电路设计
在本次设计中采用Ｌ298N电机与其连接的电气原理图如图3-10所示
图3-10直流电机驱动电路
3.6.4显示模块设计
在本设计课题中采用的是FM160128是一种图形点阵液晶显示器，它的引脚图如图3-11所示。
图3-11FM160128
主要技术参数和性能：
模块内自带-15负压，用于LCD的驱动电压
3.6.5键盘电路设计
工作原理:
采用行扫描和列扫描，过程如下：
1.CPU先使行线Ｐ１.１为低，其余行线为高
2.CPU读入输入缓冲器的状态，以确定哪条列线为0状态，若此时Ｐ１.７0，
则"C"键按下；若Ｐ１.５为0，则"E"键按下
3.若输入缓冲器（列线）状态全部为1，说明Ｐ１.０行没有键盘按下，CPU
继续使Ｐ１.１为0，其余行线为高，再读入输入缓冲器的状态，以确定哪条列线为0，从而判断是哪个键盘按下
4.当判断那个键盘按下后，程序转入相应的键盘处理程序
图3-12矩阵式键盘结构
启动、停止、正转、反转、加速、减速六个开关采用键盘扫描分别与单片机列P1.4、P1.5、P1.6、P1.7行P3.0、P3.1、P3.2、相连。
实现直
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