完整word版基于单片机的直流电机控制器的设计.docx
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完整word版基于单片机的直流电机控制器的设计
1系统论述
1.1设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括：
直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，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，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。
该直流电机系统由以下电路模块组成：
振荡器和时钟电路：
这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
1.2基本原理
主体电路：
即直流电机PWM控制模块。
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、减速以及电机的正转和反转，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，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。
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。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
1.3总体设计框图
系统组成：
直流电机PWM调速方案如图1.1所示：
方案说明：
直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。
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，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。
图1.1直流电机PWM调速方案
2直流电机单元电路设计和分析
2.1直流电机驱动模块
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。
现在介绍下直流电机的运行原理
2.1.1直流电机类型
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：
直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。
下面以直流电动机作为研究对象。
2.1.2直流电机结构
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。
图2.1直流电动机结构
2.1.3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。
图2.2直流电动机电路模型
2.1.4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。
2.1.5直流电机PWM调速原理
（1）直流电机转速
直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向和电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向和转速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均和n相反，是制动转矩。
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1.1：
U=Ea-Ia（Ra+Rc）……………………………………………式1.1
式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻和电刷接触电阻的总和；
Rc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：
n=Ua-IR/CeΦ……………………………………………式1.2
式1.2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。
由1.1式和1.2式得
n=Ea/CeΦ………………………………………………式1.3
由式1.3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。
（2）PWM电机调速原理
对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3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，下面对这一变化进一步推导。
图2.3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：
U平=U·D……………………………………………式1.4
由式1.3得到：
n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD；
在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ，是常数。
图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比和转速的关系图。
图2.4占空比和电机转速的关系
由图看出转速和占空比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较小，可以近视为线性关系。
由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。
2.1.6电机驱动模块的电路设计
根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地]连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5所示
●2SK1058:
CMOSS管
●74L26:
三太门
●1N4006:
二极管
●VSCOURCE:
电源
●MOTOR-ENCODER:
直流电机
●RES:
电阻
●AT89C51:
单片机（在此并未显示）
图2.5直流电机驱动电路
然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用L298芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由L298芯片组装的驱动模块如图2.6所示。
所用元器件如下所示：
●1N4006:
二极管
●AT89C51:
单片机（在此并未显示）
●RES:
电阻
●MOTOR-ENCODER:
直流电机
●L298:
电机驱动芯片
●RESPACK-8:
排阻
图2.6直流电机及其驱动电路
2.1.7程序设计流程图
图2.7定时中断服务流程图
2.2直流电机的中断键盘控制模块
2.2.1外部中断设置
（1）外部中断允许设置
中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。
如：
开放外部中断0的设置：
SETBEX0
SETBEA
开放外部中断0和1的设置：
SETBEX0
SETBEX1
SETBEA
（2）外部中断触发方式设置
单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式和TCON的IT位有关。
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
电平触发设置方法：
CLRITX，为低电平触发方式。
脉冲触发设置方法：
SETBITX＝1，为脉冲下降沿触发方式。
在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。
（3）外部优先级设置
外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。
PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。
×
×
×
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
2.2.2外部中断扩展方法
在图2.8为外部中断扩展方法，设X1、X2、X3、X4、X5为外部警情信号，X1代表是加速信号，X1=0表示加速；X2代表减速信号，X2=0表示减速；X3代表正转信号，X3=0表示正转；X4代表反转信号，X4=0表示反转；X5代表停止信号，X5=0表示停止处理。
图2.8外部中断扩展电路
当系统检测到有中断请求时，响应如下中断服务流程图2.9。
图2.9中断服务流程
2．31602LCD液晶显示模块
2.3.1引脚分布和接口信号说明
（1）引脚分布
1602液晶显示共有16个引脚，其引脚分布如图2.5所示。
图2.101602液晶显示模块引脚分布
（2）引脚功能
1602引脚功能如表2.1所示
表2.11602引脚功能
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
VSS为地电源
9
D2
DataI/O
2
VDD
VDD接5V正电源
10
D3
DataI/O
3
VEE
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
0输入指令，1输入数据
12
D5
DataI/O
5
R/W
0写入指令或数据，1读信息
13
D6
DataI/O
6
E
1读取信息，1→0执行指令
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
2.3.2LCD液晶电路
图2.111602液晶显示模块组成
2.3.3显示程序流程图如3.12所示
图2.12
3直流电机PWM控制系统的实现
3.1总电路图
图3.1直流电机
3.2总电路功能介绍
直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。
操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。
振荡、时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出。
直流电机转动速度由LCD液晶显示。
操作开关状态由液晶显示器显示。
3.3直流电机控制程序
ORG0000H
SJMPDISPLAY
ORG0003H
LJMPBUTTON;外部0中断入口地址
ORG000BH
LJMPDINGSHI;定时中断T0入口地址
RSEQUP3.0
RWEQUP3.1
EEQUP3.4
ORG0030H;此次直流电机的设计以LCD字符夜晶的
;显示程序为主程序
DISPLAY:
SETBEA;打开中断总开关
SETBEX0;打开外部中断0开关
SETBIT0;
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