基于单片机的直流电机PWM调速控制.doc

齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信2008本 综合实践 1 报告（论文）综合实践1报告实践项目名称：基于单片机的直流电机PWM调速控制班 级： 通信工程081 姓 名： 商秀川 学 号： 2008132053 指导教师： 何鹏 完成日期： 2010-5- 摘要文章设计了以单片机AT89C51控制直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法，给出了程序流程图、KeilC51程序以及Protues的仿真结果。硬件电路实现了对电机的正传、反转、加速、减速的控制。关键字：单片机; 直流电机;PWM调速系统;AbstractA kind of speed regulation system of Pulse Width Modulation (PWM) for DC motor composed of microcontroller AT89C51 was designed. The basic methods of PWM regulating DC motor speed are explained. Programs in KeilC51, program flow chart and a simulation result in Proteus are presented. Clockwise and anticlockwise rotation, acceleration and deceleration of the motor are achieved in hard circuit.Keywords：Single Chip; DC motor; PWM speed regulator system;第一章 绪论课题背景在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的要求调整转速。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。直流电机由于具有速度控制容易，启动制动性能良好，且能在宽范围内平滑调速等特点而在电力、冶炼、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类：励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。随着电力电子技术的发展，创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）是常用的一种调速方法，其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。只要按照一定的规律改变通断电的时间，就可使电机的速度保持在一稳定值上。【1】直流电动机具有良好的线性调速特性。简单的控制性能，优异的动态特性。目前仍然是大多数调速控制电动机的最优选择。近年来随着计算机进入控制领域，以及PWM控制方式成为主流。应用单片机技术和脉宽调制技术对直流电动机进行调速控制。如今，计算机软件和硬件技术的快速发展，在许多领域都有成熟的仿真软件在应用。Labcenter公司推出的Proteus是一套基于标准仿真引擎SPICE3F5的电路分析、实物仿真系统。该软件具有交互式动画仿真、基于图形的仿真和基于微控制器的仿真三种模式。其最大的特点就在于它能够仿真单片机及其外围芯片。通过Proteus软件仿真。可以更好地帮助学生及工程师运用单片机技术进行计算机控制系统的设计。【2】第二章 电路设计原理及原理图2.1 电路框图。电机单片机 pwm 输出 输入指令脉冲数，方向功 率驱动器速度显示速度检测 图2.1 电路框图2.2 PWM控制原理 PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调整、温度控制、压力控制等。 在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通过和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的速度。以此PWM又被称为“开关驱动装置”。【3】图2.2PWM调制PWM控制就是脉冲宽度调制。通过控制电机的电压脉冲宽度，可以改变其电压有效值。从而可以改变它的转速。图中前部分波形与后部分波形周期是一样的，我们通过调节其占空比（图中tH1不等于tH2）。很明显图中前部分波形的电压有效值大于后部分波形的电压有效值，即前者驱动的电机速度比后者的大。2.3各部分原理图图2.3（a）光电脉冲检测与单片机接口原理解析：此电路为简单的红外光电传感器，它由一对红外发射管及接收管组成，红外发射管及接收管分别固定在电机叶片的两侧，当电机转动时，叶片因为可以挡光而使红外接收管在叶片旋转一周内产生多个脉冲，脉冲个数取决于叶片的数量。该脉冲信号（也可以先将它整形）被送入单片机p3.3口（即中断1）进行计数和处理。图2.3（b）按键接口电路原理解析：此电路采用独立式按键电路，在无按键按下时p3.0， p3.1， p3.6口被上拉电阻拉为高电平，与门输出也为高电平。当有按键按下时，其对应的接口立刻变为低电平，而此时与门输出也会变成低电平，此信号连接的是单片机外部中断0的中断请求信号输入端p3.2。只要我们在软件设计时设置外部中断0为下降沿触发响应；这时当有按键按下时p3.2口的电平由高跳变为低（即为下降沿）。相应中断后就可以通过检测按键口的状态即可判断是哪一个键按下了。然后再执行对应的功能程序。在这里，我们先规定这三个键对应的功能。Sw1功能键 ; Sw2上一个/减1 ; Sw3下一个/加1;图2.3（c）功能指示灯电路及接口原理解析：这四只LED是功能选择指示灯，其定义的功能分别是：p1.0：功能选择确认/返回 p1.1：显示模式 p1.2：设置速度 p1.3：电机正反转我们先定义按键与功能指示灯所要完成的功能，以便之后的软件设计。由于按键SW1状态与p3.0相关（外中断0的引入信号），这种硬件连接方法决定了我们在编程时用中断方式来响应按键功能设置。所以此部分功能是要在系统启动后且按下SW1键后才能响应进入这部分的功能设置。（即按下除SW1外的键是不能进入设置的）。当单片机检测到SW1键有按下时就响应中断，点亮p1.0口处的LED表示已进入功能设置状态，此时如果按下SW2,则指向下一功能（指示灯为下一个（p1.1口的）亮，表示将要选择显示模式设置），按SW3则相反，是指向上一个的功能选项（p1.3口的灯亮），表示将要选择电机正反转设置。如此反复选定要设置的项后，要再按SW1键表示确认。单片机检测到确认信号后就转到相应的处理程序。假如经过以上的一番左右选择后，确定将要对显示模式进行设置（此时指示灯对应的是p1.1口的LED亮），按确认键后，软件转向显示模式设置的程序进行后继处理（对应下面软件部分程序标号为WORK1的程序段）。其余功能选项处理步骤雷同，但如果这一步选择了p1.0对应的功能并确认那程序会直接转到中断返回。注意在这后继的程序中，SW2,SW3分别表示的功能是自减自增；例如在设置速度功能下每按一次SW2则设定速度减1 r/s。每按一次SW3则设定速度加1 r/s。详细的处理方案请参考后面软件设计部分的“INT0中断服务程序,扫描键盘”子程序。这里就不细说了。图2.3（d）电机驱动电路（H桥路）及控制接口原理解析：p3.4为单片机pwm波输出口，用于控制电机速度。P3.5为电机正反转控制口。在电路图中我们可以看到，不管p3.5状态如何，逻辑与门u1,u2在任何时刻都是一开一闭，即R6,R7处必有一处为低电平，假设R7处为低电平，当p3.4驱动信号为1时，即R6处为高电平。电路中三极管Q1,Q3开Q2，Q4闭。电机电流从左流向右，为正转。反之，当p3.5改变状态后，R6为低电平。Q1,Q3截止Q2，Q4开。电机电流从右流向左，为反转。我们在上面做功能选项电机正反转设置时，就是通过改变p3.5口的状态来改变电机转向的。图2.3（e）LED数码显示接口电路原理解析：数码管我们用的是共阴极数码管。只要在p0，p2口输出需要显示的字型码即可显示相应的数字。2.4本章小结本章按照直流电机PWM调速控制系统的设计要求，确定了直流电机PWM调速控制系统的设计方案，并按设计方案设计出系统的方案框图，并跟据系统的方案确定了系统的硬件结构，并画出系统的硬件原理图，最后设计出系统的单元电路图。第三章 软件设计进行应用软件设计时可采用模块化程序设计方法，本系统用的是单片机C51语言，其优点是：（1）每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改；（2）程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其他部分可以保持不变，便于功能扩充和版本升级；（3）对于使用频率的子程序可以建立子程序库，便于多个模块调用；（4）便于分工合作，多个程序员同时进行程序的编写和调试工作，加快软件的便是进度。【4】3.1定义分配存储单元7EH ：设pwm高电平标志位7FH ：显示模式标志位（显示设置速度/采样速度）29H ：速度存储单元（m/s）22H ：计100ms次数存储单元25H ：采样速度存储单元（高位）26H ：采样速度存储单元（低位）20H ：T1计数值存储单元（高8位）21H ：T1计数值存储单元（低8位） 23H ：采样时间低位存储单元（Tp）24H ：采样时间低位存储单元（Tp）27H ：pwm高电平时的计时初值（低8位）28H ：pwm高电平时的计时初值（高8位）2AH ：pwm低电平时的计时初值（低8位）2BH ：pwm低电平时的计时初值（高8位）3.2软件设计及部分流程图根据设计要求，首先确定软件设计方案，即确定该软件应该完成哪些功能，其次是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块，以及每一个程序模块的具体任务是什么，模块的划分有很大的灵活性，根据模块的划分原则，将程序划分成测速模块，显示模块，PWM控制模块等，部分程序程序模块流程图如下图所示。 开始 初始化 关外中断0 采样显示开中断0，扫描键盘载入功能设置速度比较 调整PWM 图3（1）主程序流程开始P3.3是否有上升沿设工作方式，装初值 开计时器1计时器溢出P3.3是否有下降沿22H单元+1，重装计时初值P3.3是否有上升沿计时器溢出22H单元+1，重装计时初值 停止计时，存储计时值 数据处理 送显示 图3（2）速度采样程序流程图开始点亮D1灯P3.0按下？P3.6按下？显示灯左移P3.6弹起？P3.1按下？P3.6按下？右移指示灯P3.0按下？左移指示灯 具体功能程序熄灭所有指示灯中断返回图3（3） 键盘扫描主程序（int0）开始检测p1口状态1D1亮？D2亮？D4亮？D3亮？显示模式标志位取反转向标志位取反显示当前速度值中断返回 P3.弹起？P3.6按下？P3.1按下？速度单元减1且送显示P3.0按下？速度单元加1且送显示图3（4）具体功能程序的流程上面列出了INT0中断服务程序和 采样显示子程序的主要流程.。其余的就不写了，我在程序中注释得很清楚；相信大家不难看懂。第四章PROTEUS和KeiL软件构造虚拟实验室4.1简单介绍Proteus和Keil软件Proteus 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，可以仿真51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及外围电路（ 如LCD、RAM、ROM、键盘、马达、LED、AD/DA、部分SPI 器件、部分IIC 器件等），当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，但对初学者来说，主要是熟悉单片机设计的原理和方法，用Proteus 和Keil 相结合的虚拟实验室也是非常可取的。Keil 是德国开发的的一个51 单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C 语言和汇编语言的编译器软件， 后来随着开发人员的不断努力以及版本的不断升级， 使它已经成为了一个重要的单片机开发平台，其界面友好，操作也不复杂，用户极为庞大。Keil 的uVision2 可以进行纯粹的软件仿真（仿真软件程序，不接硬件系统）；也可以利用硬件仿真器，搭接上单片机硬件系统， 在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真； 还可以使用uVision2 的内嵌模块Keil Monitor-51， 在不需要额外的硬件仿真器的条件下，搭建单片机硬件系统对项目程序进行实时仿真。Keil C 与Proteus 在各自的环境下都可以进行一定程度仿真调试。然而，Keil C 只能对程序进行调试，不能看到硬件的运行结果，因此并不直观；而Proteus 软件在对单片机系统进行仿真调试的时候只能对硬件做出改动， 不能直观的了解程序运行的情况，难以对程序中存在的不足和错误进行修改。如果能把这两者结合起来， 同时观察程序的运行情况和当时硬件系统所处的状态，则可以方便地找出系统设计中存在的软、硬件错误。利用PROTEUS 与Keil 整合构建单片机虚拟实验室， 解决了传统单片机教学中以理论为主实践少， 且实践以验证实践为主；学校设备落后的问题。使得每个学单片机的人，都可以拥有自己的实验室。在系统设计中。在Proteus中绘制的电路原理如图所示，加载单片机控制程序后。启动仿真。电动机开始转动。按键实现加速或减速控制。图4.1系统仿真原理图该系统使用AT89C51单片机输出PWM信号电路，控制方便具备一定的实用价值。利用Proteus进行系统仿真设计有助于培养学生及工程技术人员运用微型计算机设计控制系统的能力。4.2本章总结本章介绍了利用Proteus 和Keil 软件构建单片机虚拟实验室，结合一个实际例子，说明了用Proteus 和Keil 软件构建虚拟单片机实验室不仅简单可行，而且非常经济，解决了传统单片机实验室设备资金短缺和维护难的问题。不过，仿真软件不可能完全模拟出实际的硬件环境，另外要注意，虚拟实验室跟实际的基于开发板和仿真器的单片机实验有很多不同之处，如Proteus 软件仿真时基本上没考虑其晶振的，因为它默认芯片上自带有晶振电路的，而实际开发板电路必须接晶振电路的。一定要在理解单片机的基础上多做硬件调试， 只有这样才能真正学好单片机。结论通过本次设计实验，使我对Proteus有了进一步的了解，使我在软件的设计水平上有了进一步的提高。在本次设计中，也碰到一些问题，主要是对电路图的绘制工作中，在连线方面由于粗心大意，将单元电路的某处连错了，结果造成在对总体仿真时没有达到预期效果，在我的反复检查下发现了问题的所在，通过此过程，我深深的明白了“细节决定成败”的含义。绘制出原理图后，根据所要求的元器件我能最终完成系统的仿真工作，相应的也能完成仿真测试报告，但是实物的设计工作难度比较大，花费的资金也不少，因此我组决定最后，不做实物，只是相应的完成电路原理图、系统仿真图和仿真测试报告的工作。通过设计，我对数字电路的知识掌握得更深，知道了怎样运用计算机对仿真软件，明白了什么叫“虚拟实验室”。同时，通过本设计大大激发了我对电子设计的兴趣，相信以后的我在电子设计方面将有更大大发展。本设计由于我的能力有限本设计处于理论阶段，要完成理论向实践的转化，还有很长的路要走。同时本设计还存在很多问题有待解决，在今后的学习中，我会不断的研究下去，期待该设计能更加完善。参考文献1. 赵鸿图. 基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速系统J电子技术, 2008,(10) .2. 周彬. 基于Proteus的单片机PWM直流调速系统设计J重庆职业技术学院学报, 2007,(04)3. 李维军,韩小刚,李晋. 基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统J. 机电一体化, 2004, (05) .4. 贾玉瑛,王臣. 基于单片机控制的PWM直流调速系统J. 包头钢铁学院学报, 2005, (04) .5. 宋健,姜军生,赵文亮,孙学岩. 基于单片机的直流电动机PWM调速系统J. 农机化研究, 2006, (01) .6. 杨靖. 用单片机控制的直流电机调速系统J. 机床电器, 2008, (01)7. 卢春华,姚海燕,张莉. 基于单片机的直流电机调速系统设计J. 硅谷, 2009, (20) .8. 陈树新. 由单片机控制的直流电机调速系统J. 电子技术, 1997, (02) .附表;全部程序 ORG 0000H LJMP START ORG 0003HLJMP TOINT0 ORG 000BHLJMP T0INT ORG 0050HSTART: MOV SP,#40H SETB P3.4;使电机旋转 SETB P3.5;设正转 SETB 7EH ;设pwm高电平标志 MOV 29H,#08H ;设定速度初值（m/s）CLR 7FH;初始化显示模式位（显示速度）MOV 22H,#00H ;清计100ms次数存储单元MOV 25H,#00H ;清采样速度存储单元MOV 26H,#00HMOV 20H,#00H ;清T1计数值MOV 21H,#00H MOV 23H,#00H ;清采样时间存储单元（Tp）MOV 24H,#00HMOV 27H,#57H ;装入pwm高电平时的计时初值MOV 28H,#9EH MOV 2AH,#57H ;装入pwm低电平时的计时初值MOV 2BH,#9EHMOV TL0,#57H;将初值装入计时寄存器T0MOV TH0,#9EHMOV TMOD,#01H;设T0工作方式1，定时状态 SETB EA;开中断 SETB ET0;允许T0溢出中断 SETB TR0;启动T0 SETB IT0;设置INT0的中断触发类型，下降沿触发 SETB PT0;设优先级，T0为高级中断MAIN: CLR EX0 ;关中断0LCALL TODESPLAY ;调采样显示子程序 SETB EX0;开中断0，扫描键盘载入功能设置LCALL COMPLETE ;调用速度比较子程序 LJMP MAIN ; 采样显示子程序 TODESPLAY: PUSH ACC PUSH PSW MOV TMOD,#90H ;设GATE=1,T1工作方式1 MOV TH1,#3CHMOV TL1,#0B0H ;定时100ms JB P3.3,$ JNB P3.3,$ ;等待上升沿 SETB TR1;开计时 LOOP1: JBC TF1,ADDNUM1 ;溢出则转满100ms存储单元22h加1 NX1: JB P3.3,LOOP1 ;等待p3.3下降 LOOP2: JBC TF1,ADDNUM2 ;溢出则存储单元22h加1 NX2: JNB P3.3,LOOP2;等待p3.3有上升沿 CLR TR1;停止计时MOV 20H,TL1MOV 21H,TH1 ;测量到的数据小数部分放在20h，21h LJMP DESPLAY;跳到数据处理及速度显示程序段 ADDNUM1: MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H ;重新装入定时器初值 CLR TF1;清计数溢出标志位 INC 22H;100ms存储单元22h加1 LJMP NX1ADDNUM2: MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H CLR TF1 INC 22H LJMP NX2 DESPLAY: MOV A,22HCJNE A,#00H,ONDES;大于100ms则转CLR C;先低位相减要清进位/借位标志MOV A,20HSUBB A,#0B0HMOV 23H,A;低位存入23hMOV A,21HSUBB A,#3CHMOV 24H,A;高位存入24h LCALL CHUFA ;调除法程序计算速度值存放在26h，25h JB 7FH,MOSHI1 ;检测显示模式标志位7FHJB OV,SW1 ;溢出显示错误ErMOV A,25H JNZ SW1;25h不为0则显示错误MOV A,26H;判断26h值是否超过99 CLR CSUBB A,#63H JNC SW1 ;超过99显示错误ErMOV A,26H DA A ;显示26h中的速度，25h实际上无用ANL A,#0FHMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV P0,AMOV A,26H DA ASWAP A ANL A,#0FHMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV P2,A LJMP GO MOSHI1:MOV A,29H ;显示预设定的速度值 DA AANL A,#0FHMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTR;查表MOV P0,A;送显示MOV A,29H DA ASWAP A ANL A,#0FHMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV P2,A LJMP GOSW1: MOV A,#0AH;显示ErMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV P2,A MOV A,#0BHMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV P0,A GO: POP PSW POP ACC RETONDES: CJNE A,#01,DO1 ;如果所测脉冲周期超过200ms,则速度显示0 MOV A,#01H ;在100ms200ms内 LJMP MOON1 DO1: MOV A,#00HMOON1: MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV A,#00H MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV P2,APOP PSW POP ACCRETCHUFA: PUSH ACC ;4四字节除二字节除法程序PUSH PSWMOV R2,#00HMOV R3,#01HMOV R4,#0F8HMOV R5,#48HMOV R6,24H ;所计的时间高位 MOV R7,23H ;所计的时间低位 CLR CMOV A,R3SUBB A,R7MOV A,R2SUBB A,R6 JC DVD1SETB OV RETDVD1: MOV B,#10HDVD2: CLR CMOV A,R5 RLC AMOV R5,AMOV A,R4 RLC AMOV R4,AMOV A,R3 RLC AMOV R3,AMOV A,R2 RLC AMOV R2,AMOV F0,C ; CLR C MOV A,R3SUBB A,R7MOV R1,AMOV A,R2 SUBB A,R6 ANL C,/F0 JC DVD3MOV R2,AMOV A,R1MOV R3,A INC R5DVD3: DJNZ B,DVD2MOV A,R4MOV R2,AMOV A,R5MOV R3,A CLR OVMOV 25H,R2MOV 26H,R3 POP PSW POP ACCSETB P1.7 NOP RETTABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8HDB 80H,90H,86H,70H;字码表;INT0中断服务程序,扫描键盘TOINT0: PUSH PSW PUSH ACCMOV A,#0FEH ;LED指示 MOV P1,AMOV 28H,AJNB P3.0,$ ;等待p3.0键弹起ST1: JNB P3.0,CHULI ;若再次按下p3.0则功能返回RETU1: JNB P3.6,KEY1RETU2: LJMP ST1CHULI: LJMP EXITKEY1: LCALL LEDPLAY1JNB P3.6,$JIANCE1: JNB P3.0,FUNK JNB P3.1,YOUPLAYNEXTKEY1: JNB P3.6,ZUOPLAYNEXTKEY2: LJMP JIANCE1;选择功能，等待p3.0按下FUNK: MOV A,28H CJNE A,#0FEH,WORK1WORK0: LJMPEXIT ;确认返回WORK1: CJNE A,#11111101B,WORK2 LJMP FUNK1WORK2: CJNE A,#11111011B,WORK3 LJMP FUNK2WORK3: CJNE A,#11110111B,WORK0 LJMP FUNK3 LEDPLAY1: MOV A,28H ;LED显示左移 1 RL A CJNE A,#111101111B,XIANSHI1 MOV A,#0FEHXIANSHI1: MOV P1,A MOV 28H,A RETLEDPLAY2: MOV A,28H ;LED显示右移 RR A CJNE A,#011111111B,XIANSHI2 MOV A,#0F7HXIANSHI2: MOV P1,A MOV 28H,A RETYOUPLAY: LCALL LEDPLAY2 JNB P3.1,$ LJMP NEXTKEY1ZUOPLAY: LCALL LEDPLAY1 JNB P3.1,$ LJMP NEXTKEY2 FUNK1: CPL 7FH ;转换显示模式 2LJMP EXITFUNK2: LCALL SSXIANSHI;3 JNB P3.0,$ ;等待p3.0键弹起 ,设定速度值（+/-）JIANCE2: JNB P3.1,UPSPEED;按p3.1速度加1XIAGE1: JNB P3.6,DOWNSPEED ;按p3.6速度减1XIAGE2: JNB P3.0,EXIT LJMP JIANCE2 FUNK3: CPL P3.5 ;电机换向 4 LJMP EXIT UPSPEED: MOV A,29H; 5 CJNE A,#63H,JIAYI LJMP TAIDAJIAYI: INC 29H TAIDA: LCALL SSXIANSHI JNB P3.1,$ ;等待p3.1键弹起 LJMP XIAGE1 DOWNSPEED: MOV A,29H;6 CJNE A,#63H,JIANYI LJMP TAIXIAOJIANYI: DEC 29H TAIXIAO: LCALL SSXIANSHI JNB P3.6,$ ;等待p3.6键弹起 LJMP XIAGE2 SSX