单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》.doc-资料库

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单片机原理及应用课程设计报告设计题目：学专班学院：业：级：号：学生姓名：指导教师：年月日 1

目录设计题目 .......................................... 3 1 设计要求及主要技术指标： ........................4 1.1 设计要求 .................................... 4 1.2 主要技术指标 ................................ 5 2 设计过程 ........................................ 6 2.1 题目分析 .................................... 9 2.2 整体构思 ................................... 10 2.3 具体实现 ................................... 12 3 元件说明及相关计算 ............................. 14 3.1 元件说明 ................................... 14 3.2 相关计算 ................................... 15 4 调试过程 ....................................... 16 4.1 调试过程 ................................... 16 4.2 遇到问题及解决措施 ......................... 20 5 心得体会 ....................................... 21 参考文献 ......................................... 22 附录一：电路原理图 ............................... 23 附录二：程序清单 ................................. 24 2

设计题目：PWM 直流电机调速系统本文设计的 PWM 直流电机调速系统，主要由 51 单片机、电源、H 桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用 78 系列芯片实现+5V、+15V 对电机的调速采用 PWM 波方式，PWM 是脉冲宽度调制，通过 51 单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED 实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过 51 单片机对 1 秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；PWM 波形；LED 显示器；51 单片机 3

1 设计要求及主要技术指标：基于 MCS-51 系列单片机 AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机 PWM 调速控制装置。 1.1 设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路 L298，驱动直流测速电动机。（2）使用定时器产生可控的 PWM 波，通过按键改变 PWM 占空比，控制直流电动机的转速。（3）设计一个 4 个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。（4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。（5）*测量并在 LED 显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字 PID 调速功能。 4

1.2 主要技术指标 (1）参考 L298 说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控 PWM 波，定时时间建议为 250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整 PWM 波占空比，实现调速； (4）参考 Protuse 仿真效果图：图（1）图（1） 5

2 设计过程本文设计的直流 PWM 调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率 GTR 为开关器件、H 桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM 调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制 H 电路中的 GTR 通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个 PWM 脉冲的产生过程得到了大大的简化。本设计以控制驱动电路 L298 为核心，L298 是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。可驱动 2 个电机，OUTl、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个电动机。 5、7、10、12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB 接控制使能端，控制电机的停转。本设计以 AT89C52 单片机为核心，如下图（2），AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用。 6

图（2）对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图（3）所示。转速设定值偏差转速输出 + - 调节驱动器电路直流电机测速装置直流电机速度控制方案图(3) 一、以下是直流电机调速3种控制方式选择： 1、电阻网络或数字电位器：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 7

2、继电器：采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 3 、H 桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片： L298N 是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。桥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，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。兼于上述三种方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。二、以下是 PWM 脉宽的 3 种调制方式：调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。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。最后再以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了 PWM 技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。三、驱动电路设计单片机输出的电机控制 PWM 信号接在 ENA 端口，IN1 和 IN2 端口控制电机正反转，通过一个非门实现。对应的 OUT1 和 OUT2 输出接在直流电机两端。如图（4）所示。 8

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