直流电转速系统设计

摘要

本文设计了直流电机转速控制系统，用来控制直流电机。转速该系统电路主要由主电路和控制电路组成，主电路由桥式PWM变换器电路构成，控制电路由AT89C51单片机来实现。控制电路中还包括键盘、复位、驱动电路等外围电路。系统的核心就是通过主电路产生PWM波来控制电机转动，通过调节占空比就能达到控制转速的目的。桥式可逆PWM变换器电路中有四个端口D1、D2、D3、D4当占空比大于0.5时，D1与D4导通电机正转、当占空比小于0.5时，D2与D3导通电机反转、当占空比为0时电机停止转动。通过键盘输入信号来控制电机加速、减速、正传或反转。

关键词：AT89C51；PWM技术；直流电机

1引言

1.1研究背景

直流电机听起来很多人都觉得不太常见，大家日常接触不到其实它大家的生活并不遥远，人们日常生活中的无论是电视机还是洗衣机等各类生活电器都离不开它。直流电机自从问世以来凭借着优良的性能，不论是大到航天、军工领域还是小到家用电器都深受人们喜爱。但是随着技术不断的升级对直流电机转速的要求也日益提高。传统的调控直流电机系统因为性能越发不能满足各方面的需求逐渐开始被淘汰，单片机应运而生。单片机自问世以来就凭借着功能强大而自身又小巧方便，而利用单片机为核心设计的直流电机转速系统更是深受欢迎。自从二十世纪70年代到现在，单片机已经一路艰辛的走过了近三十年的发展历程，从开始的不被接受到现在位居主流。这就足以说明它存在的必然性，而直流电机的各种性能也随着时代的变迁技术的升级不断的提升着。可以说两者的相结合有偶然性也有着必然性，如果单片机的性能不够优异或者直流电的性能太差结合在一起的系统功能肯定达不到现在目前市面上那么优秀。那么它们一定会被其他的系统所取代，但是它们一直这样坎坷的发展到今天。由最开始的模拟电路控制直流电机转速一步步发展到今天的单片机控制直流电机转速、由最开始的大型器件发展到现在的微型单片机。可以说直流电机转速系统的发展是整个时代科技发展的缩影。并且伴随着单片机的发展，各种基于单片机设计的自动化系统已经不仅仅只是应用于比较高端的军工、航天等科研领域，它已经在生活领域中也得到了广泛的使用；现如今以广泛应用于家庭电脑、电视以及智能化家用设备，极大的方便了人类的生活。

1.2研究意义

直流电机有着独特的魅力吸引着科研人员不断的研究它开发它升级它，比如有良好的起动、调速性能，因此不论在军工还是民用都饱受大家青睐。在单片机出现以前直流电机控制多数依靠模拟电路作为基础，主要由非线性集成电路组成。然而此控制系统功能比较单一、不灵活、调试很困难且组成的硬件部分很复杂容易受到电压波动的影响，模拟元器件的老化也会影响到整体的性能这些都限定了直流电控制技术的发展。随着单片机技术的发展给直流电机控制技术的发展带来新的发展空间，使更多的设计被开发出来，单片机具有控制性能较强、小巧灵活、成本低而且适应温度范围较广等优点。基于单片机的控制系统控制能力强、系统稳点行高而且维护方便因此在这里提出基于单片机设计-直流电机转速系统具有较强的现实意义。

1.3研究方法及内容

本系统基于AT89C51单片机来开发，PWM桥式可逆变换器电路和单片机承担的控制电路共同主电路。系统电路还包括键盘、排阻、驱动、显示器等外围电路均由单片机来实现控制。在单片机中输入好程序后在单片机的控制下桥式可逆电路输出可逆PWM波，由于输出的信号太弱如果用来控制电机转速就有点不太明显于是加入了排阻与驱动芯片共同来放大电流然后利用PWM波来控制电机的正反转、加速、减速。

1.4论文结构

整篇论文一共有五大模块，每个模块内容具体如下所示：

第一章：介绍了直流电机转速系统的研究背景、国内外直流电机转速系统研究现状、研究方法及内容以及有关本论文的论文结构。

第二章：介绍了研究直流电机转速总系统的方案以及方案选择。

第三章：介绍了直流电机PWM调速原理

第四章：介绍了系统中驱动电路的设计和单片、驱动芯片的选择。

第五章：介绍了系统软件设计

2系统方案设计

2.1系统总方案选择

采用AT89C51单片机进行控制。本设计的重点在于利用单片机产生PWM波来控制直流电机的转速因此软件部分比较简单，硬件部分则需要键盘、驱动、直流电机。

系统框架图如图1：

图1系统总体框架图

2.2模块电路方案选择

2.2.1电机调速主电路模块

在单片机出现之前或者说还没有大规模的应用到民用领域之前，为了控制直流电机转速一般采用控制直流电机的导通工作与断开停止之间切换的频率。这种方法很简单只需要连接一个继电器就能控制电机的开关即可控制直流电机转速，但是这样的控制系统有很大的缺点最严重的就是使用寿命问题反复的进行开关会对直流电机的机械造成磨损而且也不是很精准，它只能在一定的范围内调速或者说它只能控制速度在一定的区间内，如果所需的速度超过了它就没法调速控制。

在单片机出现之后就多了选择，可以选择利用H型PWM电路可由林顿管构成。当林顿管处于一种状态时它的占空比是可调的，用单片机来控制它并稳定在此状态就可以精准的调整直流电机转速。而且H型电路还可以实现直流电机方向的控制。

2.2.2PWM调速控制方式

单片机工作制：双极性工作制，一个脉冲周期内两个控制口各自输出一个控制信号，两信号高低电平相反。

单极性工作制，单片机一个控制口输出低电平另一个输出PWM信号。

因为单极性工作制较为方便在这里选择单极性工作制。

3直流电机PWM调速原理

3.1PWM调脉宽方式

本系统的核心就再要要是单片机产生PWM脉冲波来控制电机转速，要使单片机产生PWM脉冲波就需要来调脉冲波的宽度。单片机产生的PWM波具一定的频率与宽度想要改变其宽度就可以从频率下手，可以在固定器频率时来调整期宽度反之亦可在控制宽度的条件下改变频率达到同样的效果。这两种之外还可以同时进行即改变频率的同时改变宽度。

3.2桥式可逆PWM变换器

直流电机的转度与其两端的电压是正比关系，控制电压就能控制电机转速。而控制电机两端电压在这里就要用到脉宽调制器。选择利用脉冲宽度调制的方法就可以达到控制电压大小即控制电机转速[4]。

桥式可逆PWM变换器电路如图2所示。

图2桥式可逆PWM变换器电路图

桥式可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图3所示。

图3PWM波形图

如图2所示的桥式可逆PWM变换器所示，电机周围分别有四个三极管D1、D2、D3、D4，只有当最少两个以上的三极管导通时电机才可能运转。由于该电路的特点D1、D2、D3、D4不能连续导通。

要使电机转动则需要处在对角线上的两个导通，D1、D4导通另外两个截止或者D2、D3导通另外两个截止。

而不同的两个三极管导通将会导致流过电机的电流方向不同，从而导致电机的转向不同。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为

(1)

如果定义占空比，电压系数

则在桥式可逆变换器中

(2)

调速时，当占空比大于0.5则电机正转、占空比小于0.5则电机反转[14]。

双极式控制的桥式可逆PWM变换器具有以下优点：

1）电流一定连续。

2）可使电动机在四象限运行。

4元器件选择及部分硬件电路设计

4.1单片机的选择

AT89C51作为一种优秀的单片机功能强大可以执行各种控制系统，内部芯片集成了8位中央处理器性能优良，而且硬件部分也很完美而且性价比也很合适。经过选择，决定采用AT89C51。

4.1.1主要特性

•8031CPU与MCS-51兼容

•4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)

全静态工作：0Hz-24KHz

•三级程序存储器保密锁定

•128*8位内部RAM

•32条可编程I/O线

•两个16位定时器/计数器

•6个中断源

•可编程串行通道

•低功耗的闲置和掉电模式

•片内振荡器和时钟电路

图4单片机芯片管脚图

4.1.2管脚说明

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：主要用来存储外部程序的数据

P1口：可做输入也可做为输出端口

P2口：主要作为输出端口

P3口是AT89C51中的一个特殊端口的它具有的特殊功能，如下表所示：

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号

I/O口的内部结构如图5：

图5I/O口的内部结构图

I/O口作为输入口时存在两种工作方：分别为读端口、读引脚。

读端口工作时，不能把外部的数据读入到cpu[2]。

读引脚时，通过读引脚操作可以把外部数据读入到cpu上。

RST：复位输入。

ALE/PROG：输出电平。

/PSEN：选通信号。

/EA/VPP：高电平时，作为内部程序存储器。

XTAL1：反向振荡放大器和内部时钟工作电路的输入

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

4.1.3振荡器特性

XTAL1作为反向放大器的输入、XTAL2作为反向放大器输出。反向放大器可作为片内振荡器。

4.1.4芯片擦除

在芯片擦操作中，代码阵列全部被写为“1”对所有的数据进行清除然后进行重新编程[9]。在闲置模式下，CPU停止工作，但是仍有部分系统在工作：定时器、计数器。在掉电模式下，RAM的内容将会被保存并且冻结振荡器，禁止其他所有的功能直到接收到下一个硬件复位信号[11]。

4.2驱动电路

当单片机通过程序调控后输出控制电机的脉冲信号时因功率较小对电机的效果不是太明显所以需要一个驱动电路来放大信号。经过选择，驱动电路采用的是L298集成芯片，选择此驱动芯片是因为L298性能比较优异，很适合作为本次设计中驱动电路。

4.2.1芯片L298性能及特点

L298作为一种性能优异的驱动芯片一直以来被用来驱动直流电机，深受人们的喜爱。不论是在军工业还是民用领域如果要选择驱动芯片来驱动直流电机它是不二之选。它能这样备受喜爱不是没有原因的，它是一种能够在很高的电压和很大电流下工作[3]，它性能非常优异，输出电流大、功率强。它输出电流为2A,最高输出电流为4A。它的最高工作电压则可以达到50V.

它的功能非常强大除了用来可以驱动直流电机还可以利用在汽车中用来驱动电磁阀步，它的特点就是它的输入端是可以直接和单片机相连可以直接受单片机控制，很方便简洁。

4.2.2L298引脚图以及功能

引脚1（SENSA）与引脚15（SENSB）：接地。

引脚2（OUT1）：芯片的输出端。

引脚3（OUT2）：。芯片的输出端。

引脚5（IN1）：芯片输入端直接接单片机。

引脚6（ENA）：与用户提供的输出极电源相连。

引脚9（VCC）：接驱动芯片电源。

引脚10（IN3）与引脚12（IN4）：芯片输入端接单片机。

引脚11（ENB）：使能端。

引脚13（OUT3）：输出端。

引脚8(GND)：接地、引脚14(OUT4)：输出端、引脚4(VS)：接12v电压

图6L298引脚

4.3PWM控制双极性主电路

PWM控制主电路由一个L289驱动、四个二极管和桥式PWM可逆变换器组成。

PWM控制主电路的主要是用来控制电机的正反转具体步骤如下：

此电路中D​1、D4或者D2、D3不是连续导通的，故可以利用D1、D4导通为正传或D2、D3导通为反来控制直流电机的转向。

首先为了保证两芯片所输出的信号恰好相反，要将IC1与IC2两个的HIN与LIN相互对接。

当右端加高电平、左端加低电平期间，D1、D4导通且D2、D3截止。此时直流电机顺时针转动正转[6]。

当右端加低电平、左端端加高电平期间，D2、D3导通且D4、D1截止。此时直流电机反转[10]。

图7系统主电路

4.4键盘

键盘在此处起到的作用与在电脑系统中类似，都是起到向内部主系统或主机CPU输入数据的作用。键盘扫描只是CPU的工作内容之一。键盘的工作方式主要是根据CPU的工作情况来确定。要保证即时相应按键操作的又不多占用CPU的工作时间[8]。

本系统设定需要用到的键盘输入较少，只需要用到四个按键。一个为系统总开关、一个为speedadd加速、一个为speeddet、还有一个为保护作用。几个按键其中起到控制电机转速作用的两个直接连接到单片机上。

此外本系统设计的特点在于，当按下速度加时电机开始运转此时显示器上显示的为正值即正转，需要反转时按下speeddet减速键。然后速度开始逐渐减小显示器上的数值也逐渐减小，继续按减速键当数值变为负数时开始反转。想要反转速度加快就继续按speeddet键即可。若想恢复正转，首先先按下speedadd键开始反转减速然后开始加速，显示器上的负数数值开始逐渐加大当其变为正数时电机开始正转。

4.5显示器设计

采用LM018L作为显示器，如图8所示。

图8显示器电路

如上图所示该LCD显示器的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7端口与单片机的AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7相连接。RS、RW、E端口则与单片机A8、A9、A10相连接。其余管脚空接。

4.6排阻

4.6.1排阻定义

顾名思义就是将许多个参数相同的电阻管脚并在一起共同构成一个电阻。但是如果每个电阻都分别的去和别的器件的管脚相连接就会使线路或者系统很复杂，由于每一个电阻都是需要接地的所以排阻就将所有电阻的一个管脚连接起来作为公共管脚用来接地。

4.6.2排阻的作用

由于有单片机产生的驱动电流很小无法使电机转速有很明显的改变，固需要增加一个排阻来增加电流[15]。

图9排阻管脚图

如图9所示，在本系统中排阻的1端口接地，其他的八个端口接AT89C51单片机的Po端口。排阻的2、3、4、5、6、7、8、9与单片机的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7相连接。

5软件部分设计

5.1主程序与系统初始化模块模块

主程序：对键盘输入信号的处理和保持与其他外部设施通信的功能[13]，如图10。

初始化子程序：主要用于完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，如图11。

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​图10主流程图图11初始化子程序

此程序共有2个中断源：外部中断0，用于电机故障处理；外部中断1，用于键盘输入处理。

5.2模块程序设计

5.2.1外部中断0模块设计

将外部中断0设定为故障中断享有最高优先级，为了保证电机出现故障时能立即停止转动保护电机不被损坏，当直流电机出现故障时向CPU申请中断。系统响应中断后封锁PWM输出，使电机停转[12]。

5.2.2外部中断1模块设计

将外部中断1设定为键盘输入中断，高优先级。当由于实验需求需要电机正、反、加速、减速，由键盘输入然后向CPU申请中断，读取键盘输入的信号按照其要求来操作。

6总结与展望

6.1总结

本次历时两个多月的设计是以单片机AT89C51和桥式可逆PWM变换器为核心以及基础的，通过相应的控制程序实现了对硬件的有效调控，完成了总体的功能设计。并通过实际焊接作出了实物，其功能也符合最初的设计要求。通过一段时间以来的学习、研究与设计。完成了一下几项工作：

（1）认真了解分析了课题设计要求，并整理出了大体的思路确定了要研究的大致方向及内容。

（2）研究了国内外现有的直流电机调速系统，去图书馆以及通过网络查阅了有关直流电机转速系统设计的相关资料，对本系统的设计有了初步的认识和了解。

（3）仔细学习研究了各主要模块所需元件，为硬件电路的设计提供了解决思路。

（4）软件开发是基于硬件电路完成的，使硬件模块的都能得到有效控制，设计实现了对直流电机速度的调控功能。

（5）对系统进行总体仿真与测试，从结果来看，虽然仍存在一些问题，但是这些问题均可以得到有效解决，也不会影响到装置设计功能的实现。

（6）在装置总体仿真以及调试完成后，又进行了实际的焊接操作，通过自己动手也熟悉并掌握了一些焊接机巧，收获颇多，对我以后从事相关研究非常有益。

（7）通过本次毕业论文设计将自己大学四年所学的知识就行了一次实践，不可不说以前觉得学习就是学知识。通过本次毕业设计才知道学到的东西不等于自己就真的掌握了，想要变成自己的还要通过大量的实践去再次从另一个角度再次学习再次认识。只有在一次次的磨合中、认识中才能最终学会。

6.2展望

最开始接到这个论文时很迷茫不知道该怎么下手很多都不会到后来论文定稿之间的过程可以说自己一个很大的收获，感谢老师一次一次的给我指导，一点点的引导。

在整个大学四年的学习过程中，虽然也进行过不少次实践类的试验与设计，但真正能将这四年学习到的全部知识整合在一起的也只有这次的毕业设计了，在整个装置的研究设计与实现操作中，确实让我学习到了很多课堂上学不到的东西。

直流电机转速系统的设计和研究涉及到了多方面的内容，在设计过程当中，需要不断的探索和总结，遇到的新问题需要在一如既往的学习当中去完善和解决。

在设计之初，并不确定要是有何种硬件实现设计功能，后来通过对大量查找资料并多方对比，才得以了解。因此在研究过程中依然存在研究不能更加深入的问题。此外，由于本身能力有限，对于整个系统的设计依然不够完善，想到的还太少导致所实现的功能还不够多元化，在技术方面还存在技术盲区需要去挖掘。

总体来看，该设计还是实现了直流电机转速系统的基本设计功能，所调控速度范围适宜且精准。在实际装置的制作实现上也由于其集成化的设计特点而便于操作，使其在使用时方便简单适合各种不同的用户。最后，希望自己可以不断努力，继续学习相关的知识及技术，不断对单片机相关知识进行更加深入的了解，以此来解决设计有局限性的地方以及功能不够多元化等问题，能够将本设计进一步优化，使设计更加人性化，让它成为真正意义上，兼具美观和实用价值的直流电机转速系统。

当今时代科技水平发展迅速，技术升级日新月异而且，随着国家对相关领域的重视程度不断提高，财政投入不断加大，技术与人才的积累不断增加，未来我们必定能在电子技术领域大步向前，并在国际市场上拥有自己的一片天地，为我国进军世界电子技术领域贡献一份力量。

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