1、本科畢業論文（設計）題目 基于單片機的直流電機PMW調速系統設計學 院 理工學院 專 業 電子信息工程 年 級 2010 級 學 號 2010114050 姓 名 陳倩倩 指 導 教 師 周銀福 成 績 2014年4月22日目 錄摘要1關鍵詞1Abstract1Keywords:11 引言21.1 背景意義21.2 本設計任務22 總體設計方案22.1 方案一：PWM調速22.2 方案二：晶閘管調速33 單元模塊設計43.1 H橋驅動電路設計方案43.2 調速原理63.3 系統硬件電路設計73.3.1 STC89C5273.3.2 H橋驅動電路93.3.3基于霍爾傳感器的測速模塊101霍爾傳感

2、器的工作原理103.3.4顯示模塊方案113.3.5按鍵功能133.4 調速設計模塊133.4.1 PWM波軟件軟件設計133.4.2 系統設計總框架圖144 系統功能調試154.1 調試軟件介紹154.2 系統原理圖164.3 主程序流程圖16總 結18參考文獻19致 謝20附錄 程序清單21基于單片機的直流電機PMW調速系統設計摘要：本文介紹一種基于STC89C52單片機控制的PMW直流電機脈寬調速系統。系統以廉價的STC89C52單片機為控制核心，以直流電機為控制對象，電機的轉速可通過按鍵進行調整 。利用單片機作為控制核心設計直流電機的調速系統，解決以往復雜的模擬電路設計問題，增加對直流

3、電機速度的可控性，提高調速系統的精度，且成本低廉，具有很好的使用價值。關鍵詞：直流電機 PMW脈寬調速 STC89C52Abstract: this paper introduces a pulse width PMW based on STC89C52 single chip microcomputer control dc motor speed control system. System with cheap STC89C52 as the control core, dc motors as control object. the speed of the motor cocoa t

4、hrough buttons to increase or decrease. Using single chip microcomputer as control core design of a dc motor speed control system, solve the complex problem of analog circuit design, increase of the dc motor speed control, improve the accuracy of speed control system, and low cost, has the very good

5、 use value.Keywords: dc motor, PMWpulse width speed regulation, STC89C521 引言1.1 背景意義在現代電子產品中，自動控制系統，電子儀器設備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機、工業設備等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術。直流電機具有良好的啟動性能和調速特性，它的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，轉速控制容易，調速后效率很高。與交流調速相比，直流電機結構簡單，生產成本低，維護工作量小。隨著大功率晶體管的

6、問世以及矢量控制技術的成熟，使得矢量控制變頻技術獲得迅猛發展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調速裝置，并在工業上得到廣泛應用。適用范圍：直流調速器在數控機床、造紙印刷、包裝機械、印制電路板設備、醫療設備、通訊設備、雷達設備、等行業廣泛應用。高性能的交流傳動應用比重逐年上升，在工業部門中，用可調速直流傳動取代交流傳動將成為歷史的必然。盡管如此，我認為設計一個直流電機調速系統，不論是從學習還是實踐的角度，對一名電子信息工程專業的大學生都會產生積極地作用。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：1) 直流電機的啟動、停止；2) 直流電機

7、的正轉、反轉；3) 直流電機的加速、減速；4) 直流電機的轉速在數碼管上顯示。2 總體設計方案2.1 方案一：PWM調速采用由達林頓管組成的H型PWM電路（圖2.1）。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩定；并且在采用單片機產生PWM脈沖的軟件實現上比較方便。且對于直流電機，采用軟件延時所產生的定時誤差在允許范圍。圖2.1 PWM調速電

8、路顯示器其結構圖如圖2.2所示：單片機速度采集電路電機鍵 盤電機驅動電路圖2.2 電機調速系統框圖2.2 方案二：晶閘管調速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統是最早應用靜止式變流裝置供電的直流電動機調速系統。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調速系統，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）。如圖3，VT是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現平滑調速。晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性；晶閘管可控整流器

9、的功率放大倍數在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）代替旋轉變流機組直流電動機調速系統（G-M系統），得到了廣泛的應用。但是由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝

10、置。圖2.3 晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）兼于方案二調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案一。3 單元模塊設計3.1 H橋驅動電路設計方案圖3.1所示的H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機，電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。圖3.1H橋驅動電路要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖3.2所示，當左端加低電平，右端加高電平時，Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右流

11、過電機，然后再經 Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。 圖3.2 H橋驅動電機順時針轉動圖3.3所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。圖3.3 H橋驅動電機逆時針轉動3.2 調速原理直流電動機根據勵磁方式不同，直流電動機分為自勵和他勵兩種類型。不同的勵磁方式的直流電動機機械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機的轉速有以下公式：n=U/Ccf-IR內/CrCcf 。其中：U電壓; R內勵磁繞組本身的電阻；f每極磁通（Wb）；Cc電勢常數; Cr轉矩常量；I-負載電流。由上式

12、可知，直流電機的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態響應較差。所以在工業生產過程中常用的方法是電樞控制法。電樞控制是在勵 磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉速。在工業生產中廣泛使用其中脈寬調制（PMW）應用更為廣泛。脈寬調速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速，因此，PMW又被稱為“開關驅動

13、裝置”。圖3.4電樞電壓占空比圖根據上圖，如果電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為：VD=Vmax*D，可見只要改變占空比D，就可以得到不同的電機速度，從而達到調速的目的。3.3 系統硬件電路設計 STC89C52 STC89C52是美國Atmel公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含8kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），STC89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀

14、寫口線。主要功能特性：兼容MCS51指令系統。8k可反復擦寫(1000次)Flash ROM，32個雙向I/O口，256x8bit內部RAM，時鐘頻率0-24MHz，可編程UART串行通道。3個16位可編程定時/計數器中斷，2個串行中斷，2個外部中斷源，共6個中斷源，2個讀寫中斷口線。其引腳排列圖如下圖3.5：圖3.5 STC89C52的引腳排列引腳功能如下：Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器

15、時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。P2口：P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會

16、輸出一個電流（IIL）。在訪問8位地址的外部數據存儲器（如執行MOVXRI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上位電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1所示。RST：復位輸入 。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片復位。ALE/PROG：當訪問外部

17、程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。

18、表3.1 P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時/計數器0）P3.5T1（定時/計數器1）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD（外部數據存儲器讀選通） XTAL1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 H橋驅動電路基于三極管的使用機理和特性，在驅動電機中采用H橋功率驅動電路直流電機控制使用H橋驅動電路如圖3.7，當PWM1為低電平,PWM2為高電平時，使三極管Q1、Q6同時導通Q2、Q5截止，從而實現電機正向轉動以

19、及轉速的控制；同理，當PWM1為高電平,PWM2為高電平時，使三極管Q2、Q5同時導通Q1、Q6截止，從而實現電機反向轉動以及轉速的控制。圖3.6 H橋的電機驅動電路基于霍爾傳感器的測速模塊1霍爾傳感器的工作原理 霍爾效應：在一塊半導體薄片上，當它被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體另外兩邊將產生一個大小與控制電流I和磁感應強度B乘積成正比的電勢EH，即EH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導體薄片就是霍爾元件。 工作原理：霍爾開關集成電路中的信號放大器將霍爾元件產生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓EH放

20、大后再經信號變換器、驅動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉過了一個齒。單位時間內輸出的脈沖數N，因此可求出單位時間內的速度VNT。2霍爾傳感器的電路原理圖霍爾效應：EH=KHIB 其中KH是系數，I是電流，B是磁感應強度。當電機轉動時，有磁鐵一端轉到霍爾器件時，電壓就會改變，而產生一個脈沖送入單片機。圖3.7霍爾傳感器的測速電路顯示模塊方案方案一： 選擇主控為ST7920的帶字庫的LCD12864來顯示信息。12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數常用的漢字及ASCII碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設計成比較理想的結果。方案二：采

21、用四個LED發光二極管顯示，其成本低，簡單明了，容易顯示控制。綜合以上方案，我們選擇了經濟實惠LED來作為速度級別顯示。3.8LED原理圖按鍵功能3.9按鍵框架圖按鍵部分，有5個按鍵，按鈕如上圖所示：S3鍵是正轉按鈕，S4鍵是反轉按鈕，S5鍵是加速按鈕，S6鍵是減速按鈕，S7鍵停止按鈕。3.4 調速設計模塊 PWM波軟件軟件設計在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。圖3.10P

22、WM方波設方波周期T=20ms，由計時器T0 來實現。定時時間：t=NTcy fosc=12NHz Tcy=1us計數值為：N=t/Tcy=20ms/1us=20000t1脈沖先設初始值為10ms，則根據公式可得N=10000。通過按鍵來改變t1的值，如按加速鍵時，t1由10000變為11000，按減速鍵時，t1由原來的10000變為9000，這樣就改變了占空比。 系統設計總框架圖：本系統采用89C52控制輸出數據，由PWM信號發生電路產生PWM信號，送到直流電機，直流電機驅動裝于電機軸上的碼盤來對電機轉動的轉數進行測量。圖3.11系統設計總框架圖通過按鍵電路，信號輸入進單片機，然后從單片機通

23、過驅動電路使電機轉動，電機有磁鐵一段轉到霍爾器件時，電壓改變而產生信號又送入單片機，單電機再把信號通過數碼管驅動電路，最終使得數值在數碼管上顯示。4 系統功能調試4.1 調試軟件介紹Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯網設計，具有很強的數據交換能力和開放性及3D模擬功能，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。按照系統功能來劃分，Protel99se主要包含6個功能模塊：電路工程設計部分、印刷電路板設計系統、自動布線系統、電路模擬

24、仿真系統、可編程邏輯設計系統、高級信號完整性分析系統。存儲器和特殊功能寄存器的存取、中斷功能、靈活的指針KeilC52軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC52生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。KEIL C52編譯器由uVision2集成開發環境與編輯器和調試器以及C52編譯器組成。其中uVision2集成開發環境中的工程(project)是由源文件、開發工具選項以及編程說明三部分組成的;編輯器和調試器包括源代碼編輯器、

25、斷點設置、調試函數語言、變量和存儲器。Proteus軟件是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供可仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件和多達30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結果的影響，Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。提供Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設計功能，同時可以仿真單片機和周邊設備，可以仿

26、真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。一臺計算機、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實驗教程，就可相當于一個設備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬，就建立一個完善的虛擬實驗室。在計算機上學習電工基礎，模擬電路、數字電路、單片機應用系統等課程，并進行電路設計、仿真、調試等。當電路設計完成之后，為了減少在電路板上調試時的難度，保證電路設計的正確性，將Keil c52編譯生成的*.HE

27、X 文件載入Proteus軟件，實現電路仿真。4.2 系統原理圖圖4.1直流電機的調試功能仿真如下圖1、正轉時，電機正轉，數碼管最高位顯示上“口”,其它三位先所給定頻率。2、反轉時，電機反轉，數碼管最高位顯示下“口”,其它三位先所給定頻率。4.3 主程序流程圖-開始按鍵是否按下系統化初始化按鍵正轉反轉加速 減速 加速 減速讀取鍵值顯示器數值增大顯示器數值減少顯示器數值增大顯示器數值減少按停止鍵停機程序圖4.2主程序流程圖總 結采用單片機技術來實現直流電機的調速，則直流電機具有良好的啟動性能和調速特性，它的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，轉速控制容易，調速后效率很

28、高，因而具有較寬的應用范圍和廣闊的應用的前景。通過這次畢業設計，我深深懂得了要不斷把所學知識學以致用，也發現了自己的知識薄弱，還需通過自身不斷努力，不斷提高自己的分析問題、解決問題的能力，同時也提高了我的專業技能，拓展了我的專業知識面，使我更加體會到要想完成一件事必須認真、踏實、勤于思考、和謹慎穩重。參考文獻1 傅豐林模擬電子線路基礎 M. 西安：西安電子科技大學出版社，2001.1.2 江志紅51單片機技術與應用系統開發案列精選 M. 北京：清華大學出版社，2008.12.3 王選民 智能儀器原理及設計 M. 北京:清華大學出版社，2008.7.4 文東 孫鵬飛 C語言程序設計 M. 北京：

29、中國人民大學出版社，2009.2.5 楊加國 單片機原理與應用及C52程序設計 M. 北京：清華大學出版社，2008.3.6 王曉明，電動機的單片機控制M.北京航空航天大學出版社，2002.7先鋒工作室.單片機程序設計實例M.清華大學出版社，2003.8黃堅，自動控制原理及其應用M.高等教育出版社，2004.9康華光，陳大欽.模擬電子電路M.高等教育出版社，2004.10李華.MCS-51系列單片機實用接口技術M.北京航空航天大學出版社，2001.致 謝這次畢業設計，凝結了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設計。首先，我要特別感謝周老師對我的悉心指導，在畢

30、業設計期間周老師指導我，幫助我清理設計思路 ，完善操作方法，并對我所做的設計提出有效的改進方案。老師淵博的知識、嚴謹的作風、誨人不倦的態度和學術上精益求精的精神讓我受益終生。作為一個本科生的畢業設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，想要完成這個設計是難 以 想 象 的。因 此 ，特 別 需 要 感 謝 周 銀 福 老 師 給予 的 耐 心 細 致 的 指 導 ，在 此 ，再一次向周銀福教師以及關心幫助我的教師同學表示最誠摯的謝意！ 其次，學校在這方面也給我們提供了很大的支持和幫助，學校領導比較重視，每個設計小組配有專門的指導老師，幫助我們能順利完成整個設計。

31、對于學校和老師為我的畢業設計所提供的極大幫助和關心，在此我致以衷心的感謝！ 最后，還要感謝同學四年來對我的關心與支持，感謝各位老師在學習期間對我的嚴格要求。同時也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒有你們的關心與支持，我不可能這么快完成我的畢業設計！這幾個月的歲月是我學生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠的美好的回憶，在這里有治學嚴謹而不失親切的老 師，也 有 互 相 幫 助 情 同 骨 肉 的 同 學 ，更 有 和 諧 、融 洽 的 學 習 生 活 氛 圍，這 里 將 是我永遠向往的地方。借此論文之際，我想向所有人表達我的最誠摯的謝意，愿我們將來都越來越好。附錄 程序清單#include #include #include /* /*自定義變量*/#define uint uns