15、基于单片机STC89C52的直流电机PWM调速控制系统.doc

第一章:前言

Pwm 电机调速原理 对于电机的转速调整，我们是采用脉宽调制（PWM）办法，控制电机 的时候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方 波脉冲的形式提供电能。不同占空比的方波信号能对电机起到调速作 用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突 变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样，改变 在始能端 EN1 和 EN2 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端 的电压大小，从而改变了转速。 此电路中用微处理机来实现脉宽调制，通常的方法有两种：
（1）用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端 口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时 时间得到不同的占空比。
（2）硬件实验自动产生 PWM 信号，不占用 CPU 处理的时间。 这就要用到 STC89C52 的在 PWM 模式下的计数器 1，具体内容可参考 相关书籍。

51 单片机 PWM 程序

产生两个 PWM，要求两个 PWM 波形占空都为 80/256,两个波形之间要 错开，不能同时为高电平！高电平之间相差 48/256，
PWM 这个功能在 PIC 单片机上就有，但是如果你就要用 51 单片机的

话，也是可以的，但是比较的麻烦.可以用定时器 T0 来控制频率，定 时器 T1 来控制占空比：大致的的编程思路是这样的：T0 定时器中断 是让一个 I0 口输出高电平，在这个定时器 T0 的中断当中起动定时器 T1，而这个 T1 是让 IO 口输出低电平，这样改变定时器 T0 的初值就 可以改变频率，改变定时器 T1 的初值就可以改变占空比。
1.1 前言：
直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能 (直流发电机)的旋转电机。
近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优 良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击 负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统 各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调 速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过 PWM 方式控 制直流电机调速的方法就应运而生。
采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生 一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用 PWM 技术后，避免上述的缺点， 实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且 PWM 调速系统开 关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好； 同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关 元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济 好等特点。
随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机 PWM 调速系统来进 行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、 自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、 飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。
1.2 本设计任务:
任务: 单片机为控制核心的直流电机 PWM 调速控制系统 设计的主要内容以及技术参数:
功能主要包括：
1) 直流电机的正转；
2) 直流电机的反转；
3) 直流电机的加速；
4) 直流电机的减速；
5) 直流电机的转速在数码管上显示；
6) 直流电机的启动；
7) 直流电机的停止；
第二章：总体设计方案

总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。
数码管显示
按键控制
单片机
PWM 电机驱动

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过 P1.0 与 P1.1 其中一口输出与转速相 应的 PWM 脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动 H 型桥式电动机控制电 路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过数码管显示出来。电动机所处速 度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位 显示“F”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”。
1、系统的硬件电路设计与分析
电动机 PWM 驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于 PWM 原理的 H 型桥式驱动电路。

PWM 电路由复合体管组成 H 型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合 分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4 个二极 管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流 和晶体管上的电流过大的保护作用。
在实验中的控制系统电压统一为 5v 电源，因此若复合管基极由控制系 统直接控制，则控制电压最高为 5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两 端的电压就只有 4V 左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我 们运用了 TLP521-2 光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。 输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接 12V 电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得 到了大大的增强。
在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。 脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉 冲频率低则反之。经实验发现，当电动机转动平稳，但加负载后，速度下降

明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在 10Hz 以下，电动机转动有明显跳动 现象。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过 P10 输入高电平信号，P11 输入低电平，电机正转；通过 P10 输入低电平信号， P11 输入高电平，电机反转；P10、P11 同时为高电平或低电平时，电机不转。 通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。
2、系统的软件设计
本系统编程部分工作采用 KELI-C51 语言完成，采用模块化的设计方法， 与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和 功能、PWM 脉宽控制和数码管显示等部分的设计。
单片机资源分配如下表：
P0
显示模块接口
键盘中断
P1
键盘模块接口
P1.0/P1.1
PWM 电机驱动接口
系统时钟

①PWM 脉宽控制：本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程 序函数如下：
/*****************延时函数*************************/ delays()
{
uchar i; for(i=5000;i>0;i--);
}
②键盘中断处理子程序：采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识 别、按键功能执行。
要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松 开该按键时，每进行一次增加/减少一定的占空比。
③显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有 8 位，分别存放各 个数码管要显示的值。
④定时中断处理程序：采用定时方式 1，因为单片机使用 12M 晶振，可产生 最高约为 65.5ms 的延时。对定时器置初值 B1E0H 可定时 20ms，即系统时钟精度 可达 0.02s。当 20ms 定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完 成对定时器的再次赋值，并对全局变量 time 加 1，这样，通过变量 time 可计算 出系统的运行时间。
3、软件设计中的特点:
对于电机的启停，在 PWM 控制上使用渐变的脉宽调整，即开启后由停止匀加速到默认速 度，停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电机。键盘处理上采用中断方式，不 必使程序对键盘反复扫描，提高了程序的效率。

第三章：系统硬件电路设计

第四章：系统功能调试

3、输出波形如下：
4、加速分 5 档，波形依次如下：

5、减速分 5 档，波形如下：

第五章：程序

/************头文件*********/
#include<reg51.h>
#include<absacc.h>
#include <intrins.h>
/************************** /

/********自定义变量********/
#define uint unsigned int //自定义变量
#define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw;
uchar j; //定时次数，每次 20ms uchar f=5; //计数的次数
sbit P10=P1^0; //PWM 输出波形 1 sbit P11=P1^1; //PWM 输出波形 2 sbit P12=P1^2; //正反转
sbit P13=P1^3; //加速 sbit P14=P1^4; //减速 sbit P15=P1^5; //停止 sbit P16=P1^6; //启动 uchar k;
uchar t; //脉冲加减
/**************************/*
/*********控制位定义********************/
uchar code
smg[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71};// 程 序存储区定义字型码表
char data led[4]={0x08,0x04,0x02,0x01}; //位码 uint x; //数码管显示的数值
display(); //数码管显示 delays(); //延时函数 key();
displays();
/*****************************************/

/***************主函数********************/ main (void)

{
TMOD=0x51; //T0 方式 1 定时计数 T1 方式 1 计数 TH0=0xb1; //装入初值 20MS
TL0=0xe0;
TH1=0x00; // 计数 567 TL1=0x00;
TR0=1; //启动 t0
TR1=1; //启动 t1 gw=sw=bw=qw=0; //数码管初始化 P0=0xc0;
P2=1;
while(1) //无限循环
{
display(); //数码管显示 key();

}
}
/*****************************************/

/***************数码管显示****************/ display()
{
uchar i;

gw=x%10; //求速度个位值，送到个位显示缓冲区 sw=(x/10)%10; //求速度十位值，送到十位显示缓冲区 bw=(x/100)%10; //求速度百位值，送到百位显示缓冲区 qw=x/1000; //求速度千位值，送到千位显示缓冲区 for(i=0;i<4;)
{
P2=led[i];
if(i==0) //显示个位
{
P0=smg[gw]; delays();
}
else if(i==1) //显示十位
{
P0=smg[sw]; delays();
}
else if(i==2) //显示百位
{

P0=smg[bw]; delays();
}
else if(i==3) //显示千位
{
if(k==0) //正转时显示"三"
{
P0=0x49;
delays();
}
else
{

i++;
}
}
P0=0x71; //反转时显示"F"
}
}

/*******************************************************/

/*****************延时函数*************************/ delays()
{
uchar i; for(i=5000;i>0;i--);
}
/************************************************/

/*********t0 定时*中断函数*************/ void t0() interrupt 1 using 2
{
TH0=0xb1; //重装 t0 TL0=0xe0;
f--;
if(k==0)
{
if(f<t) P10=1;
else P10=0; P11=0;
}
else
{

if(f<t) P11=1;
else P11=0; P10=0;
}
if(f==0)
{ f=5;
} j++;
if(j==50)
{ j=0;
x=TH1*256+TL1; //t1 方式 1 计数，读入计数值 TH1=0x00;
TL1=0x00;
x++;
display();
}
}
/****************按键扫描**************/ key()
{
if(P12==0) //如果按下，
{
while(!P12) //去抖动 display();
k=~k;
}
if(P16==0) //启动
{
while(P16==0); IE=0x8a;
}
if(P13==0) //加速
{
while (P13==0); t++;
}
if(t>=5) t=5;
if(P14==0) //减速
{

while(P14==0); t--;
}
if(t<1) t=1;
if(P15==0) //停止
{
while(P15==0);

EA=0; P10=0; P11=0;
}
}
/******************************************************/