单片机课程设计《PWM直流电动机调速控制系统》

单片机原理及应用课程设计报告设计题目：学院：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：年代日目录设计题目：PWM直流电机调速系统本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采纳78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采纳PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，经过51单片机改变占空比实现。经过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，经过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反响控制。重点词：直流电机调速；准时中止；电动机；波形；LED显示器；51单片机设计要求及主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。2）使用准时器产生可控的PWM波，经过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。（3）设计一个4个按键的键盘。K1:“启动/停止”。K2：“正转/反转”。K3：“加速”。K4:“减速”。（4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速依据商定的速率改变。（5）*丈量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）.（6）实现数字PID调速功能。主要技术指标(1）参照L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。使用准时器产生可控PWM波，准时时间建议为250us。(3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并经过调整PWM波占空比，实现调速；(4）参照Protuse仿真奏效图：图（1）图（1）设计过程本文设计的直流PWM调速系统采纳的是调压调速。系统主电路采纳大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由准时器来产生宽度可调的矩形波。经过调治波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调治电机速度的目的。增添了系统的灵便性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程获得了大大的简化。本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包括4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。本设计以AT89C52单片机为核心，以以下列图（2），AT89C52是一个低电压，高性能8位，片内含8kbytes的可屡次擦写的只读程序积蓄器和256bytes的随机存取数据存储器（），器件采纳的高密度、非易失性积蓄技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央办理器和Flash积蓄单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。图（2）对直流电机转速的控制即可采纳开环控制,也可采纳闭环控制。与开环控制比较,速度控制闭环系统的机械特色有以下优胜性：闭环系统的机械特色与开环系统机械特性比较,其性能大大提高;理想空载转速同样时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速下降与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率同样时,闭环调速系统的调速范围能够大大提高。直流电机的速度控制方案如图（3）所示。偏差转速输出转速设定值+调驱直-直流电机速测度控制方案图(3)一、以下是直流电机调速3种控制方式选择：1、电阻网络或数字电位器：采纳电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，进而达到调速的目的。但是电阻网络只好实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不只会降低效率，并且实现很困难。2、继电器：采纳继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的长处是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、靠谱性不高。、H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片：L298N是SGS公司的产品，内部包括4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。桥型电路保证了能够简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，牢固性也极佳，是一种广泛采纳的PWM调速技术。兼于上述三种方案调速特色优异、调整圆滑、调速范围广、过载能力大，所以本设计采纳方案三。二、以下是PWM脉宽的3种调制方式：调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。采纳了定频调宽方式，因为采纳这类方式，电动机在运行时比较牢固；并且在采纳单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。最后再以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要乞降发挥部分的要求。在设计中，采纳了PWM技术对电机进行控制，经过对占空比的计算达到精确调速的目的。三、驱动电路设计单片机输出的电机控制PWM信号接在ENA端口，IN1和IN2端口控制电机正反转，经过一个非门实现。对应的OUT1和OUT2输出接在直流电机两端。如图（4）所示。图（4）题目剖析在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大批的工作就是怎样依据每个生产对象的实质需要设计应用程序。所以，软件设计在控制系统设计中占重要地位。键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机经过输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出高电平，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机所处速度级以速度档级数表示。速度分4档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。在程序中经过软件产生，送出预设占空比的波形。PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，因为每个脉冲的高电平常间和低电平常间之和必定等于周期数，所以输出电平的保持时间必定由准时器来控制。整体构思本系统采纳AT89C51作为控制核心，用按钮来调治电机转速和数码管来显示设定转速和丈量转速。由上述供给的方案和最后选择结果，则用H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片L298作为本系统的驱动电路和用带有测速计的电机模型来获得电机的实质转速。如图（5）所示。驱动AT89C51单片机直流

LED数码管显示单元测速上位机按直流电机控制系统整体框图(5)软件主要由3部分组成：主程序、键盘扫描程序、中止办理程序。主程序流程如图（6）所示。图(6）主程序流程图‘详尽实现准时中止办理程序实现采纳准时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为的延时。瞄准时器置初值0xFF9C可准时100us。当100us准时时间到，准时器溢出则响应该准时中止办理程序，完成瞄准时器的再次赋值。PWM脉宽控制实现一个脉冲周期能够由高电平连续时间系数c16TimeH和低电平连续时间系数c16TimeL组成，本设计中采纳的脉冲频率为10000Hz，可得c16TimeH+c16TimeL=65536，占空比为c16TimeH/(c16TimeH+c16TimeL)，所以要实现定频调宽的调速方式，只需经过程序改变全局变量c16TimeH，c16TimeL的值。其程序流程框如图（7）：图（7）元件说明及相关计算元件说明:电动机：选择电动机参数：额定电压：6V

额定转速：

6000rpm

减速比：

1：空载转速：128rpm单片机选择：

10ms/转AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS?8位单片机，片内含8k?bytes的可屡次擦写的只读程序积蓄器（PEROM）和256?bytes的随机存取数据积蓄器（RAM），器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性积蓄技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央办理器（CPU）和Flash积蓄单元，功能兴隆AT89C52单片机合适于好多较为复杂控制应用途合。?主要性能参数：·与MCS-51产品指令和引脚圆满兼容?·8k字节可重擦写Flash闪速积蓄器?·1000次擦写周期?·全静态操作：0Hz－24MHz?·三级加密程序积蓄器?·256×8字节内部RAM?·32个可编程I／O口线?·3个16位准时／计数器?·8其中止源?·可编程串行UART通道?·低功耗安闲和掉电模式??功能特色归纳：?AT89C52供赐予下标准功能：8k字节Flash闪速积蓄器，256字节内部RAM，32个I／O口线，3个16位准时／计数器，一个6向量两级中止结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器实时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。安闲方式停止CPU的工作，但赞成RAM，准时／计数器，串行通讯口及中止系统连续工作。掉电方式保留RAM中的内容，但振荡器停止工作并严禁其余全部部件工作直到下一个硬件复位。L298电机驱动：L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298供给两个使能输入端，能够在不依赖于输入信号的状况下，使能或禁用L298器件。LED显示屏PROTEUS设计与仿真平台相关计算：在程序中经过软件产生，送出预设占空比的波形。PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，因为每个脉冲的高电平常间和低电平常间之和必须等于周期数，所以输出电平的保持时间必定由准时器来控制。设PWM周期为T，高电平常间为TH，低电平常间为TL，电压为VCC，则输出电压的平均值为：UAV=VCC*TH/（TH+TL）=VCC*TH/T=aVCC，当VCC固准时，其值取决于波形的占空比a，而的占空比由单片机软件内部用于控制输出的寄存器值决定。PWM脉宽控制实现一个脉冲周期能够由高电平连续时间系数c16TimeL组成，本设计中采纳的脉冲频率为

c16TimeH和低电平连续时间系数10000Hz，可得c16TimeH+c16TimeL=65536，占空比为c16TimeH/(c16TimeH+c16TimeL)，所以要实现定频调宽的调速方式，只需经过程序改变全局变量c16TimeH，c16TimeL的值。调试过程调试过程：1、初始状态，未调试从前，仿真图以以下列图（8）。(8)2、启动仿真后，手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速依据商定的速率改变。LED显示屏上显示电机转速的设定值和电机转速实质值。以以下列图（9）图（10）图（11）所示。图（9）启动仿真后图(10)加速调治电机转速图（11）减速调治电机转速3、示波器显示PWM方波，状态（电机高速挡反转），显示以以下列图（12）。图（12）4、示波器显示PWM方波，状态（电机高速挡反转），显示以以下列图（13）。图（13）5、电机实质转速获得：在Proteus中只有一种直流电机集成了测速传感器，在找寻栏里找寻motor-encoder，即可获得这类电机模型。本设计中设置电机转一圈发出60个脉冲。依据实质运行状况及结合所编写程序，确立转速公式为：V=N*15;V:速度R/minN:每秒采样的脉冲个数如右图所示,为带测速功能的直流电机模型遇到问题及解决举措：问题一：打开仿真软件读取程序时出现以以下列图所示的黄色条幅？当你在丈量时仿真必定停止。也就是说，你想用探针等工具丈量参数时，要停止仿真，即，在非仿真状态下，先放好探针等工具，再仿真。问题二：运行程序时，仿真软件底部出现以以下列图黄色字符？经过上网查阅资料，给出的答案是电路中GND网络中存在逻辑竞争矛盾，检查一下每个接地点可否存在接线错误。也许是逻争征用，是程序里边那边赋值有误。问题三：部分源程序不懂，没法进行仿真，直流电机调速3种控制方式选择？经过上网查阅资料和图书室借阅图书获得的资料，程序获得了圆满基本上达到了设计目的。实现经过单片机对直流电机的控制，经过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了直流电机调速运行的靠谱性。直流电机调速方式的选择详见。心喜悦会经过十天的学习，工作中，经过查阅相关资料认识了PWM直流电机调速系统，加深了对直流电机调速控制系统的认识，熟习了单片机在控制系统中的运用。并且在所学知识的基础上，利用已有的直流调速系统设计，试一试了自己的一些研究。并且，使我将本来所学的知识系统化，理论化，合用化。对怎样使用已有知识及获得相关资料方面的能力又有了提高。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不停发现错误，不停改正，不停领悟，不停获龋最后的检测调试环节，自己就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。此次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了好多问题，最后在老师、同学们的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和实践过程中，必定要不懈努力，不能够遇到问题就想到要退缩，必定要不胜其烦的发现问题所在，今后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不能够能收获成功，收获欢欣，也永远不能够能获得社会及别人对你的认同!此次的课程设计给我好多专业知识以及专业技术上的提高，同时，设计让我感想很深。使我对抽象的理论有了详尽的认识。经过此次课程设计，我掌握了常用元件的鉴别和测试;熟习了常用仪器、仪表;认识了（PID仿真ISSI）的连线方法;以及怎样提高电路的性能等等，掌握部分程序的编写和仿真，经过盘问资料，也认识PWM直流电机调速了系统。参照文件[1]李广弟等.单片机基础[M].，2001.[2]等.[M].，2009.[3]陈海宴.[M].，2010.[4]等.单片机技术基础[M].，2007.[5]钟富昭等.典型模块设计与应用[M].，2007.[6]李同样.单片机入门与开发[M].机械工业第一版社，2008.[7]陈伯石.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业第一版社，2003.钟富昭.8051单片机典型模块设计与应用[M].北京：人民邮电第一版社，2007张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京：电子工业第一版社，2007杨恢先.单片机原理及应用[M].北京：人民邮电第一版社，2006孟庆涛.图解电子控制电路[M].北京：人民邮电第一版社，2006谢维成.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学第一版社，2006周润景.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天第一版社，2006李光飞.单片机课程设计实例指导[M].北京:北京航空航天第一版社，2004杜坤梅.电机控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学第一版社，2002李广第.单片机基础（校订版）[M].北京：北京航空航天大学第一版社，2001陈光东.单片微型计算机原理与接口技术（第二版）[M].武昌：华中科技大学第一版社，1999何耀三.电气传动的微机控制[M].重庆：重庆大学第一版社，1997薛钧义.MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用[M].西安：西安交通大学第一版社，1997陈志强胡辉.单片机应用系统设计实践指南.自编教材附录一：电路原理图附录二：程序清单#include<>#include<>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineTHC00xf9#defineTLC00x0f//2msunsignedcharcodeDuan[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};//共阴极数码管，0-9段码表unsignedcharData_Buffer[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};//显示缓冲uchari=0;sbitAddSpeed=P1^1;sbitSubSpeed=P1^2;sbitPWM_FC=P1^0;inte,e1,e2;//pid偏差floatuk,uk1,duk;//pid输出值floatKp=10,Ki=12,Kd=;//pid控制系数10,12,intout=0;uintSpeedSet=380;uintcnt=0;uintInpluse=0,num=0;//脉冲计数uintPWMTime=100;//脉冲宽度unsignedchararry[];voidSendString(uintch);voidPIDControl();voidSystemInit();voiddelay(ucharx);voidPWMOUT();voidSetSpeed();voidSegRefre();/主函数/voidmain(){SystemInit();while(1){SetSpeed();SegRefre();

//按键设定速度//数码管显示刷新PWMOUT();

//输出

PWM}}voidPIDControl()

//pid

偏差计算{e=SpeedSet-num;//偏差=设定值-1sduk=(Kp*(e-e1)+Ki*e+Kd*(e-2*e1+e2))/50;

收集的脉冲值//

增量式

PID公式/50

是对

duk

进行减小办理uk=uk1+duk;out=(int)uk;//if(out>1000){

输出为占空比out=1000;}elseif(out<0){out=0;}uk1=uk;e2=e1;e1=e;

//变量值移位PWMTime=out;}voiddelay(ucharx){uinti,j;for(i=x;i>0;i--)for(j=50;j>0;j--);}voidPWMOUT()

//输出

PWM脉冲{if(cnt<PWMTime)

//高电平常间为

PID输出

PWMTime{PWM_FC=1;}else{PWM_FC=0;}if(cnt>1000)cnt=0;}voidSystemInit(){TMOD=0X21;TH0=THC0;TL0=TLC0;TH1=0xC0;TL1=0XC0;ET1=1;ET0=1;TR0=1;TR1=1;EX0=1;//中止0用来丈量转速IT0=1;EA=1;e=0;//初始化差值e1=0;e2=0;}voidSetSpeed(){if(AddSpeed==0){delay(200);if(AddSpeed==0){

//消抖办理SpeedSet+=10;if(SpeedSet>1500){SpeedSet=1500;}}}if(SubSpeed==0){delay(20