直流电机调速控制系统设计说明书

基于单片机的直流电机调速控制系统
——设计说明书
院（系）：机电汽车工程学院
专业: 机械设计制造及其自动化
指导老师：刘鹏
组长：鲁云连
组内成员：鲁云连李保亭梁习
闵祥丽李绍勇宋义亮
2010-12-30
目录
课程设计任务书 (3)
设计项目简介 (4)
系统功能模块 (5)
硬件总体框图 (5)
PWM控制电路 (5)
开关控制模块 (8)
基于霍尔传感器的测速模块 (9)
LCD显示模块 (11)
其他电路简介 (12)
软件实现 (14)
单片机系统综合测试仿真
霍尔测速仿真 (15)
参考书目 (17)
总结心得 (18)
课程设计任务书
设计目标：基于单片机的直流电机调速系统
目标要求：
I以MCS-51系列单片机为核心，采用常用的电子器件；
II一个启动开关控制启动和停止，一个转向开关控制正转和反转；
III使用PWM脉冲宽度调制控制直流电机速度；
IV八位拨码开关负责设置占空比，进行脉冲宽度调制；
V可实现电机的正转、反转、刹车、滑行四种状态，并可根据占空比调节转速；
VI单片机采用12MHz时钟，具有常规的上电或手动复位电路；
VII可以显示实时转速，使用LCD或LED显示数码管；
VIII使用C语言或汇编语言编写源程序，并加注必要的注解说明；
IX编写项目功能说明书，确定应用系统的功能和具体参数；
X使用Protel设计电路原理图，并且使用Proteus进行仿真；
XI完成课程设计报告，其中包括设计项目简介、电路原理图、系统功能描述、程序框图、程序清单、心得总结、参考书目等内容。

设计项目简介
直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。

在现代电子产品中，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。

我们熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。

所以直流电机的控制是一门很实用的技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。

上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术得到广泛应用。

本系统就是利用PWM脉冲宽度控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

本系统中采用了市场上使用最广泛的AT89C51单片机，对单片机编写程序实现PWM信号的发生，然后通过光电隔离来减小强电系统和弱电系统之间的干扰影响，之后对PWM信号放大来驱动电机，根据八位转速开关来改变占空比，从而实现电机的调速控制。

正反转调节也是通过单片机内部程序。

测速环节利用霍尔测速传感器收集1s内的脉冲数反馈给单片机，单片机内部程序进行运算，得到速度，并送LED单元显示转速。

显示单元为1602型LCD，可以显示转速单位。

利用4位LED快速动态扫描因显示效果不佳（无法显示单位字符），因而被舍弃。

L298等电机控制芯片因只可以实现正反转和安全性保障，无法改变带电机转
速，被舍弃。

系统功能模块说明
总体框图
1．PWM控制电路
由三极管组成的H型PWM电路。

用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，本设计在采用H桥功率驱动电路。

图2-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于
“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

如图1.1-1所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图4 H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。

例如，如图2-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。

按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图5 H桥驱动电机顺时针转动
图2-3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。

当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图6 H桥驱动电机逆时针转动
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。

如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。

此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。

本例中PWM控制电路
2.开关控制模块
该调速系统是通过八位拨码开关负责设置占空比，进行脉冲宽度调制。

利用上拉电阻实现高电平的输出即采用开关常开为高电平输出，闭合开关实现低电平输出。

进而实现程序的及时调用，实现电机不同级别的调速。

+5V
霍尔转速传感器和磁电式内部结构实际上是一样的，统称为霍尔元器件或磁感应传感器，其感应的东西是磁性物体；光电式转速传感器，基本用途有用在齿轮上，其工作原理是通过感测齿片的数量来间接感测齿轮的转速；其感测的物体
范围较广，但在一些无间隙，同光泽或相似光泽的物体上面会有误差产生，霍尔元器件克服了这一缺点。

利用霍尔元件测量转速是较为常用的的测量方法。

市场上有较多的霍尔元件为3000系列霍尔开关传感器3010T ，它采用三端平塑封装，具有工作范围宽、外围电路简单、输出电平与各种数字电路兼容、可靠性高等优点。

霍尔元件测量电动机转速装置由一个测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。

测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。

测速齿轮如图所示，齿轮厚度大于2mm ，固定在待测电动机的转轴上。

霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm 的探头上，对面粘贴小磁钢。

当测速齿轮的每个齿经过探头（磁钢和霍尔元件）正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。

假定测速齿轮上共有K 个齿，显然每个齿经过霍尔元件都会引起一个脉冲信号，则电动机（齿轮）每转一周将总共产生K 个脉冲信号。

如果单片机在1s 内检测到m 个脉冲信号，就表明电动机转过的周数n=m/K 。

因为转速常用r/min 表示，所以结果需要在乘以60，即电动机转速V=60m/K (r/min)。

通过设置让定时器每50ms 产生一次中断，满20次即为1s 。

此时统计计数器的计数值，就可以算出电动机转速。

4．LCD显示模块
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行控制，只要输入所需的控制电压，就可以显示出字符。

1602液晶模块可以显示2行16个字，可以显示字符、数字、字母、符号。

1602型LCD主要技术参数：
显示容量：16×2个字符
芯片工作电压：4.5～5.5V
工作电流：2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压：5.0V
字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm
1602型LCD引脚：
➢引脚1（VSS）：电源地
➢引脚2（VDD）：电源正极
➢引脚3(VL):反视度调整，使用可变电阻调整，通常接地
➢引脚4（RS）：寄存器选择，RS=1，选择数据寄存器；RS=0，选择指令寄存器➢引脚5（R/W）:读/写选择。

R/W=1，读； R/W=0，写
➢引脚6（E）：模块使能端，当E由高电平跳变到低电平时，液晶模块开始执行命令
➢引脚7（DB0）：双向数据总线第0位
➢引脚8（DB1）:双向数据总线第1位
➢引脚9（DB2）：双向数据总线第2位
➢引脚10（DB3）：双向数据总线第3位
➢引脚11（DB4）：双向数据总线第4位
➢引脚12（DB5）：双向数据总线第5位
➢引脚13（DB6）：双向数据总线第6位
➢引脚14（DB7）：双向数据总线第7位
读写操作简介：LCD是慢显示器件，所以在写每条指令前要先读LCD的忙碌状态。

如果LCD正忙于处理其他指令，就等待；如果不忙，再执行写指令。

为此，1602型LCD专门设了一个忙碌标志位BF，该位在连接8位双向数据线的DB7位上。

如果BF为低电平“0”，表示LCD不忙；如果为高电平“1”，则表示LCD出于忙碌状态，需要等待。

显示一个字符的操作过程为“读状态→写指令→写数据→自动显示”。

其他电路简介：
1、时钟电路
单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率高低，振荡器的稳定性和起振的快速性，晶振的频率越高则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也越快。

图3.2时钟电路
本设计采用频率为12MHZ，微调电容C1和C2为30pF的内部时钟方式，电容为瓷片电容。

2、复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要作用是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以重新启动。

图3.3 复位电路
单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，这是单片机的上电复位，也叫初始化复位。

其中电平复位是通过RET端经电阻与电源VCC接通而实现的，当时钟频率适用于12MHZ时，C取100uF，R取10K，为保证可靠复位，在初识化程序中应安排一定的延迟时间。

本次设计选用的电动机型号Z
型，额定功率1.1KW，额定电压220V，额
2-32
定电流6.58A,额定转速1000r/min, 励磁电压220V,运转方式连续。

软件实现
PWM调脉宽方式
调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。

我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

在PWM软件实现方式中我们使用了采用计数法，即根据转速开关开关不同，赋给转速标志S一个不同的值。

输出时，根据S值不同，运行不同个数的延时程序，而总的输出时间是不变的，以此来实现对占空比的控制。

程序框图及清单见附页
单片机系统综合调试
霍尔测速仿真：
测速系统仿真：
假定某电动机转速为3000r/min/。

如果测速齿轮有16个齿，这样每转一周将产生16个脉冲，即每检测到一个脉冲需要约1.25m（脉冲周期约1250us）。

用另外一个单片机U2产生一个半周期为600us的方波来模拟霍尔脉冲，从而对测速系统进行Proteus仿真。

模拟测速系统接线图
U2程序
//模拟霍尔脉冲
#include<reg51.h>
sbit cp=P3^2; //将cp位定义为P3.2引脚，从此脚输出脉冲信号
/*延时约600微秒*/
void delay()
{
unsigned char i;
for(i=0;i<200;i++)
;
}
void main(void)
{
while(1)
{
cp=1; //置高电平 delay(); //等待600微秒 cp=0; //置低电平 delay(); //等待600微秒 } }
显示单元：
D 7
14
D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07
E 6
R W 5R S 4V S S 1V D D 2V E E
3
LCD1602
参考书目
●胡汉才.单片机原理及其接口技术（第二版）清华大学出版社●付家才.单片机控制工程实践技术化学工业出版社
●谭浩强,张基温. C语言设计教程高等教育出版社
●刘建辉,冀常鹏.单片机智能控制技术国防工业出版社
●王东峰,王会良,董冠强.单片机C语言应用100例电子工业出版社●王为青，程国纲单片机Keil CX51应用开发技术人民邮电出版社●杨居义.单片机原理与工程应用清华大学出版社
心得总结
课程设计过程中上网看过不少类似的系统，我们的这个系统较之于他们的硬件结构更加简单。

他们的系统产生PWM波多是靠两片电平比较器，而我们的是靠软件。

有一种说法，说如果很多功能都用单片机中的程序来实现的话，会造成CPU压力很大，影响系统稳定和响应速度。

我们的系统在用Proteus仿真时，CPU的负载控制在了30%以下，应该在系统稳定和精度方面达到了要求。

这是自己全心全意做的一次课程设计，从参考书目数量就可以看得出来，这还不包括在网上查的资料。

感觉有几个欣喜的瞬间令人难忘，一个就是第一次将程序敲入Keil，调试改错了接近一个小时，数次“山穷水尽疑无路”，终于在快要吃晚饭的前夕习惯性的点了编译按钮之后，下方的编译结果提示“0 error,0 warning”，这是编程最爽的一件事情了！另一个就是用Proteus画出了电路图，载入编译生成的Hex文件后，修改电气错误、修改程序、完善程序代码，最后点下开关，电机终于开始转动！我的心也随着转动的电机开始飘飘然起来。

我在小组里负责的就是程序，调试完仿真完之后，我的任务就完成的差不多（后来才知道我太天真了）。

之后显示单元改用了1602型LCD，显示效果更好了，但是程序代码也增加很多。

之后的工作更像是按部就班，平淡地将零散的东西归纳总结成有条理的说明书。

本来以为仿真成功后就大功告成，后来不断地发现问题，不断地修改调试。

有时候调试很长时间都没有理想的结果，那种情况下感到很焦急，连吃饭的时间都忘了。

但是也不能放弃，还得硬着头皮做下去。

本来说
明书都已经完成的差不多了，但是周二和周三时老师又分别就光电隔离和动态显示进行了指导，于是又得修改。

但所有的这些都获得了更好的效果，出成果的那一刹那的欣喜是多少背后的焦虑和付出换来的。

编程是我喜欢的。

小组里每个人都有任务，每人禀赋不同，完成自己擅长的喜爱的工作，汇聚到一块，就成了团队的结晶。

设计教室也很凉爽很舒服，我一直呆在这儿，包括上周末，专注了近两周时间做设计，收获不少。

平时以为自己已经掌握的东西，真正用起来发现自己并没有真正掌握。

像是单片机的复位电路，上电复位和按钮复位，它们是怎么工作的，用的元件参数为什么不同，这些东西都是我在课程设计过程中意识到的并且通过查资料得到了比较满意的答案。

感谢这段时光。