单片机的直流电机速控制

目录

0.前言1

1.用单片机控制直流电机转速的基本理论1

1.1 直流电机调速原理1

1.2 PWM基本原理及设计方案2

2.硬件电路的设计3

2.1 系统分析与硬件设计模块4

2.2 设计该系统所需部分器件5

2.3 直流电机的功能简介5

2.4 直流电机调速控制系统模块6

2.5 显示设计模块6

3.系统软件的设计8

4.系统调试和结果分析9

4.1仿真图形9

5.结论和总结11

参考文献11

附程序清单12

基于单片机的直流电机速度控制

7段数码管显示单元

谭康康沈阳航空航天大学北方科技学院

摘要：本文介绍了基于单片机的直流电机PWM调速的基本方法，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。重点介绍了基于MCS-51单片机的用软件生产PWM信号以及信号占空比调节的方法。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。

本次课程设计主要任务是以四位共阳数码管显示电机速度，它能间接直观的观察到电机速度的变化，用独立键盘来手动控制电机的转速，其中控制核心部分是单片机，单片机输出微弱的电流信号经过L298N驱动芯片放大从而使电机满足转速的要求。

关键字：四位共阳数码管；AT89S52单片机；PWM；直流电机调速

0.前言

随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现PWM 调速的方法。对基于MCS-51系列单片机实现直流电机调速系统进行研究和设计，能够在不同的按钮作用下分别实现直流电机的停止、加速、减速、正转、反转控制；能够实现基于MCS-51系列单片机的直流电机PWM的调速设计。

本文研究的是基于MCS-51系列单片机的直流电机PWM调速系统属于微机

控制领域，通过对单片机的学习和研究对自己以后从事硬件产品的开发有一定的实际指导意义。

1.用单片机控制直流电机转速的基本理论

1.1 直流电机调速原理

根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特性方程式为：

2N ad a e N e t N U R R n T n n K K K φφ+=-=-∆（ 1-1）

式中N U ,N φ—— 额定电枢电压、额定磁通量；

e K ,t K －－与电机有关的常数；

ad R ,a R ——电枢外加电阻、电枢内电阻；

0n ,n ∆——理想空载转速、转速降。

分析(1-1)式可得．当分别改变N U 、N φ和ad R 时，可以得到不同的转速n ，

从而实现对速度的调节。由于φ=T ，当改变励磁电流f I 时，可以改变磁通量φ的

大小，从而达到变磁通调速的目的。

如图1-1所示。理想空载转速n 随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。

图1-1 直流电动机机械特性曲线 图1-2 电枢电压“占空比”与平均电压关系

1.2PWM 基本原理及设计方案

1.2.1 PWM 基本原理

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，如电机调速、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，从而控制电动机的转速。因此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电

时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为max V ,设占空比为D =1t /T ，则电机的平均速度为:

d V =max V *D （1-2）

式中，d V —— 电机的平均速度;

max V －－电机全通电时的速度(最大);

D =1t /T －－占空比。

由公式（1-2）可见，当我们改变占空比时D =1t /T ，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度d V 与占空比D =1t /T 并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

1.2.2 设计方案

本文主要介绍利用单片机对PWM 信号的软件实现方法。MCS 一51系列典型产品AT89S52具有两个定时器0T 和1T 。通过控制定时器初值0T 和1T ，从而可以实

现从S52的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM 信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f ，定时器／计数器为N 位，则定时器初值与定时时间的关系为：

16(2)10

n N t T f ω=-⨯⨯ (1-3) 式中，T ω—— 定时器定时初值；

N —— 一个机器周期的时钟数。N 随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值 ，从而改变占空比D =1t /T ，进而达到控制电机转速的目的。

2.硬件电路的设计

本设计以AT89S52单片机为核心，以5个弹跳按钮作为输入达到控制直流电机的停止、加速、减速、正转、反转，以四位共阳数码管显示电机速度大小。在设计中，采用PWM 技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的