单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》

1、单片机原理及应用课程设计报告设计主题：学院：专业：班级级别：号码：学生姓名：讲师：一年中的月日目录设计主题31设计要求和主要技术指标：41.1设计要求41.2主要技术指标52设计流程52.1主题分析92.2总体构想92.3具体实现123部件说明和相关计算143.1组件描述143.2相关计算154调试过程164.1调试过程164.2问题和解决方案215体验22参考文献23附录一：电路原理图24附录二：程序清单25设计主题：脉宽调制DC电机调速系统本文设计的PWM DC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、霍尔测速电路和独立按键组成。电源采用78系列芯片实现5V和15

2、V。电机调速采用脉宽调制方式，脉宽调制是通过改变51单片机的占空比来实现的。电机启停、调速和转向的手动控制由独立按键实现，发光二极管显示测量数据(速度)。电机转速采用霍尔传感器检测并输出方波，由51单片机计算每秒方波脉冲数，计算电机转速，实现DC电机的反馈控制。关键词：DC电机调速；定时中断；电动机；脉宽调制波形；发光二极管显示器；51单片机1设计要求和主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计了一种单片机控制的DC电机PWM调速装置。1.1设计要求(1)扩展系统中的DC电机控制驱动电路L298，驱动DC测速电机。(2)利用定时器产生可控的脉宽调制波，通过按键改变脉宽调制占空

3、比来控制DC电机的转速。(3)设计一个4键键盘。K1:“启动/停止”。K2:“正转/反转”。K3:“加速”。K4:“减速”。(4)手动控制。在键盘上设置两个键DC电机加速键和DC电机减速键。在手动状态下，每次按下该键时，电机的速度都会以约定的速度变化。(5)*测量并在发光二极管显示屏上显示电机转速(rpm)。(6)实现数字PID调速功能。1.2主要技术指标(1)参考L298规范，扩展系统中的DC电机控制驱动电路。(2)定时器用于产生可控的脉宽调制波，建议定时时间为250微秒。(3)编写键盘控制程序实现转向控制，通过调节脉宽调制占空比实现调速；(4)参考Protuse模拟渲染：图(1)图(1)2

4、设计过程本文设计的DC脉宽调制调速系统采用调压调速。系统主电路采用大功率GTR结构作为开关器件，H桥单极性电路作为功率放大电路。脉宽调制在单片机平台上用汇编语言编程控制。定时器产生宽度可调的矩形波。通过调节波形宽度来控制H电路中GTR的开关时间，从而达到调节电机转速的目的。提高了系统的灵活性和准确性，大大简化了整个脉宽调制脉冲产生过程。本设计以控制驱动电路L298为核心。L298是SGS公司的产品，包含4通道逻辑驱动电路。它是两相和四相电机的专用驱动器，即具有两个H桥的高压大电流双全桥驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可以驱动低于46V和2A的电机。可以驱动两个电机，两个电机分别连接在OUT

5、l和OUT2、OUT3和OUT4之间。5、7、10、12引脚连接输入控制电平，控制电机正反转，ENA、ENB连接控制使能端子，控制电机停止运行。本设计以AT89C52单片机为核心，如下图(2)所示，AT89C52是一款低电压高性能的CMOS 8位单片机，内置8k字节可重复擦除的闪存只读程序存储器和256字节随机存取数据存储器(ram)。该设备由ATMEL的高密度和非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统兼容，并具有内置的通用8位中央处理器和闪存图(2)开环控制或闭环控制可用于控制DC电机的速度。与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性具有以下优点：(1)与开环系统相比，闭环系统的机

6、械特性有了很大的提高；当理想空载转速相同时，闭环系统的静态误差(额定负载下电机转速下降与理想空载转速的比值)要小得多；当要求的静态误差率相同时，闭环速度控制系统的速度控制范围可以大大增加。DC电机的速度控制方案如图(3)所示。转速输出偏差速度设定点调整者驱动电路直流电动机-速度测量装置DC电机速度控制方案图(3)一、DC电机调速选择以下三种控制模式：1、电阻网络或数字电位器：电阻网络或数字电位器用于调节电机的分压，从而达到调速的目的。然而，电阻网络只能实现步进式调速，数字电阻元件价格昂贵。主要问题是通用汽车的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且难以实现。2.继电器：继电器用于控制电机

7、的开启或关闭。该方案的优点是电路相对简单，缺点是继电器响应时间慢，机械结构容易损坏，使用寿命短，可靠性不高。3.高压大电流双全桥驱动芯片由H桥组成：L298N是SGS公司的产品，包含4通道逻辑驱动电路。它是两相和四相电机的专用驱动器，即具有两个H桥的高压大电流双全桥驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可以驱动低于46V和2A的电机。桥式电路确保速度和方向可以简单控制。电子开关因其速度快、稳定性好而被广泛应用于脉宽调制调速技术。上述三种方案调速性能优良，调节平稳，调速范围宽，过载能力大，因此本设计采用第三种方案。其次，以下是脉宽调制的三种调制方法：调节脉冲宽度有三种方法：固定频率和宽度调制、固定

8、宽度和宽度调制以及频率调制。采用固定频率和宽度调制方法，因为这样，电机运行相对稳定；用单片机实现脉宽调制脉冲更加方便。最后，以键盘作为输入，控制DC电机的起停、速度和方向，满足基本要求和部分要求。设计中采用脉宽调制技术控制电机，通过计算占空比达到精确调速的目的。第三，驱动电路设计单片机输出的电机控制脉宽调制信号连接到ENA端口，IN1和IN2端口控制电机的正反转，通过非门实现。OUT1和OUT2输出连接到DC电机的两端。如图(4)所示。图(4)2.1主题分析在设计单片机控制系统时，除了硬件设计之外，大量的工作是如何根据各个生产对象的实际需要来设计应用程序。因此，软件设计在控制系统设计中起着重要

9、的作用。键盘向单片机输入相应的控制指令，单片机通过P3.7输出转速对应的脉宽调制脉冲，另一个端口输出高电平驱动H桥电机控制电路，从而实现电机转向和转速的控制。电机所处的速度水平由速度水平表示。速度分为四档，速度与电机的速度等级一一对应。在程序中，脉宽调制由软件产生，并输出预设占空比的脉宽调制波形。脉宽调制是一系列具有固定周期和可调占空比的脉冲。由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的保持时间必须由定时器控制。2.2总体构想该系统以AT89C51为控制核心，用按钮调节电机转速，用数码管显示设定转速和测量转速。根据上述方案和最终的选择结果，采用由H桥组成的高压大电流双

10、全桥驱动芯片L298作为系统的驱动电路，利用带转速表的电机模型获得电机的实际转速。如图(5)所示。AT89C51单片微型计算机led分段显示显示装置驱动电路直流电动机上位机转速计按一个按钮DC电机控制系统总体框图(5)软件主要由三部分组成：主程序、键盘扫描程序和中断处理程序。主要的程序流程如图(6)所示。图(6)主程序流程图2.3具体实现时间中断处理器的实现采用计时模式1，因为单片机采用12M晶振，最大延迟约为65.5毫秒，将初始值0xFF9C设置为计时器可计时100微秒。当计时时间达到100us时，定时器溢出，并响应计时中断处理程序再次分配定时器。脉宽调制脉宽控制的实现脉冲周期可以由高电平持

11、续时间系数C16时间和低电平持续时间系数C16时间组成。本设计中使用的脉冲频率为10000Hz，可以获得c16TimeL=65536，占空比为c16TimeH/(c16TimeH c16TimeL)。因此，为了实现定频宽调制的调速方式，只需要通过程序改变全局变量C16的时间。程序流程框图如图(7)所示：图(7)3组件描述和相关计算3.1组件描述：电机：选择电机参数：额定电压：6V额定转速：6000转/分减速比：1: 46.7空载速度：128rpm10ms/转微控制器的选择：AT89C52是美国ATMEL公司生产的一种低电压、高性能的8位单片机，它包含8K字节的可重复擦除只读程序存储器(PERO

12、M)和256字节的随机存取数据存储器(ram)。该设备由ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，并与标准的MCS-51指令系统和8052产品引脚兼容。该芯片内置通用8位中央处理器和闪存单元。强大的AT89C52单片机适用于许多复杂的控制应用。主要性能参数：完全兼容MCS-51产品说明和引脚，8kb可重写闪存有1000个擦除周期全静态操作：0 Hz-24 MHz三级加密程序存储器2568字节内部RAM32可编程输入输出端口3个16位定时器/计数器8个中断源可编程串行UART通道的低功耗空闲和掉电模式功能特性概述：AT89C52提供以下标准功能：8字节闪存、256字节内部RAM、32个I/O

13、端口、3个16位定时器/计数器、6矢量两级中断结构、全双工串行通信端口、片内振荡器和时钟电路。同时，AT89C52可以降低到0Hz静态逻辑运行，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲模式停止中央处理器，但允许随机存取存储器、定时器/计数器、串行通信端口和中断系统继续工作。掉电模式保存随机存取存储器的内容，但振荡器停止工作，所有其他组件被禁止工作，直到下一次硬件复位。L298电机驱动：L298是一款单片集成的高压、大电流、双向全桥电机驱动器，设计用于连接标准TTL逻辑电平并驱动电感负载(如继电器、线圈、DC和步进电机)。L298提供两个使能输入，可以独立于输入信号启用或禁用L298设备。发光二极

14、管显示器PROTEUS设计与仿真平台3.2相关计算：在程序中，脉宽调制由软件产生，并输出预设占空比的脉宽调制波形。脉宽调制是一系列具有固定周期和可调占空比的脉冲。由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的保持时间必须由定时器控制。在脉宽调制周期t、高电平时间TH、低电平时间t1和电压VCC的情况下，输出电压的平均值为UAV=VCC * th/(th t1)=VCC * th/t=avcc。当VCC固定时，其电压值取决于脉宽调制波形的占空比，脉宽调制的占空比由单片机软件中用于控制脉宽调制输出的寄存器值决定。脉宽调制脉宽控制的实现脉冲周期可以由高电平持续时间系数C16时间和低电平持续时间系数C16时间组成。本设计中使用的脉冲频率为10000Hz，可以获得c16TimeL=65536，占空比为c16TimeH/(c16TimeH c16TimeL)。因此，为了