基于单片机AT89S52的直流电机PWM调速控制系统

第一章:前言

1.1前言：

直流電機的定義：將直流電能轉換成機械能(直流電動機)或將機械能轉換成直流電能(直流發電機)的旋轉電機。

近年來，隨著科技的進步，直流電機得到了越來越廣泛的應用，直流具有優良的調速特性，調速平滑，方便，調速範圍廣，超載能力強，能承受頻繁的衝擊負載，可實現頻繁的無極快速起動、制動和反轉，需要滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調速、改變電壓調速等技術已遠遠不能滿足現代科技的要求，這是通過PWM方式控制直流電機調速的方法就應運而生。

採取傳統的調速系統主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時間飄移，會產生一些不必要的熱損耗，以及對雜訊敏感等。而用PWM技術後，避免上述的缺點，實現了數字式控制模擬信號，可以大幅度減低成本和功耗。並且PWM調速系統開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時，開關頻率高，快回應特性好，動態抗干擾能力強，可獲很寬的頻帶；開關元件只需工作在開關狀態，主電路損耗小，裝置的效率高，具有節約空間、經濟好等特點。

隨著我國經濟和文化事業的發展，在很多場合，都要求有直流電機PWM調速系統來進行調速，諸如汽車行業中的各種風扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統、柔巾機、導彈、火炮、人造衛星、太空船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰車等場合。

1.2本設計任務:

任務: 單片機為控制核心的直流電機PWM調速控制系統

設計的主要內容以及技術參數:

功能主要包括：

1)直流電機的正轉；

2)直流電機的反轉；

3)直流電機的加速；

4) 直流電機的減速；

5) 直流電機的轉速在數碼管上顯示；

6) 直流電機的啟動；

7) 直流電機的停止；

第二章：總體設計方案

總體設計方案的硬體部分詳細框圖如圖一所示。

鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P1.0與P1.1其中一口輸出與轉速相應的PWM 脈衝，另一口輸出低電平，經過信號放大、光耦傳遞，驅動H 型橋式電動機控制電路，實現電動機轉向與轉速的控制。電動機的運轉狀態通過數碼管顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數顯示。正轉時最高位顯示“三” ，其他三位為電機轉速；反轉時最高位顯示“F ”，其他三位為電機轉速。每次電動機啟動後開始顯示，停止時數碼管顯示出“0000”。

1、系統的硬體電路設計與分析

電動機PWM 驅動模組的電路設計與實現具體電路見下圖。本電路採用的是基於PWM 原理的H 型橋式驅動電路。

单片机 PWM 电机驱动 数码管显示

按键控制

PWM電路由複合體管組成H型橋式電路構成，四部分電晶體以對角組合分為兩組：根據兩個輸入端的高低電平決定電晶體的導通和截止。4個二極體在電路中起防止電晶體產生反向電壓的保護作用，防止電動機兩端的電流和電晶體上的電流過大的保護作用。

在實驗中的控制系統電壓統一為5v電源，因此若複合管基極由控制系統直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動機兩端的電壓就只有4V左右，嚴重減弱了電動機的驅動力。基於上述考慮，我們運用了TLP521-2光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅動電流；電動機驅動部分通過外接12V電源驅動。這樣不僅增加了各系統模組之間的隔離度，也使驅動電流得到了大大的增強。

在電動機驅動信號方面，我們採用了占空比可調的週期矩形信號控制。脈衝頻率對電動機轉速有影響，脈衝頻率高連續性好，但帶帶負載能力差脈衝頻率低則反之。經實驗發現，當電動機轉動平穩，但加負載後，速度下降明顯，低速時甚至會停轉；脈衝頻率在10Hz以下，電動機轉動有明顯跳動現象。而具體採用的頻率可根據個別電動機性能在此範圍內調節。通過P10輸入高電平信號，P11輸入低電平，電機正轉；通過P10輸入低電平信號，P11輸入高電平，電機反轉；P10、P11同時為高電平或低電平時，電機不轉。通過對信號占空比的調整來對電機轉速進行調節。

2、系統的軟體設計

本系統編程部分工作採用KELI-C51語言完成，採用模組化的設計方法，與各副程式做為實現各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和數碼管顯示等部分的設計。

單片機資源分配如下表：

P0 顯示模組介面

鍵盤中斷

P1 鍵盤模組介面

P1.0/P1.1 PWM電機驅動介面系統時鐘

①PWM脈寬控制：本設計中採用軟體延時方式對脈衝寬度進行控制，延時程

式函數如下：

/*****************延時函數*************************/

delays()

{

uchar i;

for(i=5000;i>0;i--);

}

②鍵盤中斷處理副程式：採用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執行。

要實現按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否鬆開該按鍵時，每進行一次增加/減少一定的占空比。

③顯示副程式：利用數組方式定義顯示緩存區，緩存區有8位，分別存放各個數碼管要顯示的值。

④定時中斷處理程式：採用定時方式1，因為單片機使用12M晶振，可產生最高約為65.5ms的延時。對定時器置初值B1E0H可定時20ms，即系統時鐘精度可達0.02s。當20ms定時時間到，定時器溢出則回應該定時中斷處理程式，完成對定時器的再次賦值，並對全局變數time加1，這樣，通過變數time可計算出系統的運行時間。

3、軟體設計中的特點:

對於電機的啟停，在PWM控制上使用漸變的脈寬調整，即開啟後由停止勻加速到默認速度，停止則由於當前速度逐漸降至零。這樣有利於保護電機。鍵盤處理上採用中斷方式，不必使程式對鍵盤反復掃描，提高了程式的效率。

第三章：系統硬體電路設計

整體框圖如下：