基于单片机的直流电动机控制系统
基于单片机的直流电动机控制系统[20200410140258]
摘 要
直流电机的调速方法多样，驱动电路可以直接采用硬件或硬软件结合的方法来实现，而主电路可用半控器件或全控器件实现。以全控器件构成的直流脉宽调制(PWM)调速具有的精度高、响应快、调速范围宽和耗损低等特点，使之成为直流电机应用的主要调速方式。
本毕业设计的主要任务是设计一个基于单片机的直流电机PWM驱动电路，能设定电机转速，检测并显示电机转速等信息，实现电机的闭环控制。在本次设计的控制系统，首先是硬件系统的设计，其中包含以下几个部分：单片机最小系统，电机驱动电路，测速电路，按键电路，系统供电电路等。软件部分主要是单片机经过PID运算后输出PWM信号控制直流电机运转，在电机加了负载的情况下，能够到达设定的转速，并且趋于稳定，然后能在液晶屏上显示出电机的实际转速。从调试结果来看，该系统的实际转速与设定转速误差小，调整的时间短，转速设定方便，显示直观清晰，符合本课题的要求。
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关键字:直流电机调速PWMPID
目录
1. 绪论 1
1.1直流电动机控制的发展史 1
1.2直流电机的调速方法 1
1.3本课题研究的意义 2
2. 直流电动机控制系统总体设计方案 3
2.1 直流电机控制系统总体设计思路 3
2.2 单片机的选择 3
2.3 电机驱动模块的选择 4
2.4 显示模块的选择 4
2.5 测速模块的选择 4
3. 直流电机控制系统硬件设计 6
3.1 AT89S52单片机最小系统 6
3.2 基于L298N驱动电路的设计 10
3.3 测速传感器设计电路 11
3.4 LCD1602显示模块电路 12
3.5 独立按键模块电路 13
3.6 系统整体电路 13
4. 直流电机控制系统的软件设计 15
4.1 系统主程序 15
4.2 键盘扫描程序 16
4.3 LCD1602读写控制 17
4.4 PWM程序控制 21
4.5 PID软件控制 23
5. 系统调试 26
参考文献 30
致谢 31
1. 绪论
如今，电动机的应用范围已经非常普遍，遍及世界的各个领域和人民的日常生活。作为如今社会最主要的能量转换装置，不管是在交通运输，工农业发展，医疗卫生，航空航天设计，国防科技，商务和办公设备中，还是在人们日常生活所用的家用电器和家用电子产品（如空调，电冰箱，电风扇等等）中，都大量使用着各种各样的电动机。跟据材料可以明显得出，在地球所有的电力资源中，电动机的资源占到了百分之九十以上。电动机与人们的日常生活是密不可分，紧密相连的。
1.1直流电动机控制的发展史
经常使用的直流电机的控制有以下几种方法：第一，选用恒定的直流电压向电机电枢供电，这个方法是最初的直流调速的方法，经过转变电枢中的电阻来实现对电机的调速功能。这个方法简单，价格也比较便宜。但是缺点比较多，比如效率低，在较宽范围内调速不顺利，所以现在很少使用。第二，由于汞弧变流器的到来，使用汞弧变流器代替电机系统，进一步提高了调速性能。尤其是系统迅速响应与电机系统是不能对比的。但是汞弧变流器具有一些缺点：比如不易修复，特别是水银蒸汽能给维护人员造成一定的危害等等。从二十世纪末的80年代起，晶闸管整流装置代替了以往的直流电机，使直流电机驱动完成了一次重大飞跃，使直流调速系统的性能可以极大的提高，直流调速系统不断的发展，应用范围也随之不断的扩大。
1.2直流电机的调速方法
根据公式可知，直流电机转速特性如下：
（1-1）
式（1-1）中，各变量介绍如下：
—电枢端的电压(V)。
—电枢电流(A)。
—电枢电路的总电阻( )。
—每极磁通量(Wb)。
—与电机相关的常数。
由此可以看出直流电机转速控制的方法有三种。
方法一.：改变电枢电路的电阻值。这种方法效率低只能进行有级的调速，所以不适合采用。
方法二：改变电机主磁通。这种方法虽然能无级调速，但是调速的范围非常小，只能够减小磁通，使电动机变速，属于恒功率变速。
方法三：调整电枢电压，从而改变转速。这种方法动态反应快，所以只能适用于要求要能在大范围内无级平滑的调速系统。
在以上几个方法中，第一个方法缺点很多，目前很少使用。第二个调速的范围不够大。所以，直流电机调速的方法主要是通过改变两端电压来实现调速的。本系统就是通过调节PWM占空比来改变电机两端的电压，从而达到了调速的目的。
1.3本课题研究的意义
直流电机在现阶段逐渐取代其他电机，占主导地位。第一，它能够取代步进电机。在数字伺服控制的开始，步进电机就已经经历了一个大的发展阶段。随着技术的发展，要求伺服系统的速度更快了，而且分辨率的要求也高了，所以步进电机的开环控制系统就无法满足了。由于步进电机的固有的特点，即便选用了闭环控制，也无法达到这些要求。第二，取代异步电动机。早在80年代和90年代左右，异步电机的变频控制技术得到了巨大的发展和应用。随着技术和科技的发展，直流电机驱动控制器越来越便宜了，而且性能越来越高了，直流电机逐渐在很大程度上远远超过了异步电机。主要是因为直流电机的变速范围更加大了，运行更加稳定，而且启动时的力矩大，体积小，过载能力强，效率高。当前，变频器的价钱和直流电机控制器的价钱不分上下。第三，研制电动车辆电动机。为了减少燃油车辆造成的污染问题，电动车辆的研制被称为具有深远意义的革命性策略。最先选用的是有刷直流电机来驱动电动机，这主要是因为车辆的运行只能使用直流电机才能运行。在电子技术的发展之后，电动车驱动元件也可以使用交流异步电动机。但是直流电机还是最适合的，因为直流电机启动力矩大，省电，长寿命，高效率等等许多优点，主要由于这些优点它适合电动车辆的运行特性。
所以本课题对直流电机的转速进行控制，实现从启动很快达到给定速度，并且速度稳定，波动小，还可进行快速的正反转切换，对以后直流电机应用的健康发展，提供了良好的条件基础。
2. 直流电动机控制系统总体设计方案
在这一章节中先给出了控制系统的总体设计思路，接着根据总体控制系统的要求对各个模块进行逐步的选型，然后讲述了重点选择这些模块的理由。
2.1 直流电机控制系统总体设计思路
本课题需要控制直流电动机的转速，并且能够在液晶屏上显示出来，对速度的精确值要求很高，所以在本设计中加了PID控制，并且采用PWM来调速，能够在电机加了负载的情况下，使速度达到设定值并趋于稳定。本课题系统包括以下几个部分组成：单片机最小系统，电机驱动电路，测速电路，显示电路，按键电路，电源供电电路。图2-1为系统的整体设计框图。
图2-1 系统整体设计框图
2.2 单片机的选择
本课题采用AT89S52芯片来完成对直流电动机的一系列的控制，包括对转速的显示，PWM控制信号的输出等等。而且此芯片十分廉价，功耗低，性价比高。还有一种方法就是采用atmega16单片机，通过对它的编程来输出PWM信号控制电机转速。通过以上两种方法的比较，AT89S52芯片价钱便宜，但是编程略微复杂，第二个价钱高，但是编程简单。所以从成本的角度看，本人采用AT89S52芯片来控制整个系统。其实，最主要选用AT89S52芯片的原因是：如今，51系列单片机是应用最为广泛的单片机，而且大学里自动化等等专业的学生都学过，是必修课程。起初还考虑用AT89C51芯片的，因为学校课本上教的就是AT89C51单片机，但是通过网上资料的查询，AT89S52性能比AT89C51要好（比如AT89S52比AT89C51多一个定时器T2），本毕业设计中就用到定时器T2。可以说，如果没有定时器T2，本毕业设计就无法进行。所以，综上所述，最后决定还是选择AT89S52芯片。
2.3 电机驱动模块的选择
选择电机驱动模块，我想出两个方案。方案一：选用电机驱动模块L298N，这个方案的益处就在于电路单一，几乎不增添别的原件，而且市场上此芯片品种比较完全，价格也比较便宜。
摘 要
直流电机的调速方法多样，驱动电路可以直接采用硬件或硬软件结合的方法来实现，而主电路可用半控器件或全控器件实现。以全控器件构成的直流脉宽调制(PWM)调速具有的精度高、响应快、调速范围宽和耗损低等特点，使之成为直流电机应用的主要调速方式。
本毕业设计的主要任务是设计一个基于单片机的直流电机PWM驱动电路，能设定电机转速，检测并显示电机转速等信息，实现电机的闭环控制。在本次设计的控制系统，首先是硬件系统的设计，其中包含以下几个部分：单片机最小系统，电机驱动电路，测速电路，按键电路，系统供电电路等。软件部分主要是单片机经过PID运算后输出PWM信号控制直流电机运转，在电机加了负载的情况下，能够到达设定的转速，并且趋于稳定，然后能在液晶屏上显示出电机的实际转速。从调试结果来看，该系统的实际转速与设定转速误差小，调整的时间短，转速设定方便，显示直观清晰，符合本课题的要求。
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关键字:直流电机调速PWMPID
目录
1. 绪论 1
1.1直流电动机控制的发展史 1
1.2直流电机的调速方法 1
1.3本课题研究的意义 2
2. 直流电动机控制系统总体设计方案 3
2.1 直流电机控制系统总体设计思路 3
2.2 单片机的选择 3
2.3 电机驱动模块的选择 4
2.4 显示模块的选择 4
2.5 测速模块的选择 4
3. 直流电机控制系统硬件设计 6
3.1 AT89S52单片机最小系统 6
3.2 基于L298N驱动电路的设计 10
3.3 测速传感器设计电路 11
3.4 LCD1602显示模块电路 12
3.5 独立按键模块电路 13
3.6 系统整体电路 13
4. 直流电机控制系统的软件设计 15
4.1 系统主程序 15
4.2 键盘扫描程序 16
4.3 LCD1602读写控制 17
4.4 PWM程序控制 21
4.5 PID软件控制 23
5. 系统调试 26
参考文献 30
致谢 31
1. 绪论
如今，电动机的应用范围已经非常普遍，遍及世界的各个领域和人民的日常生活。作为如今社会最主要的能量转换装置，不管是在交通运输，工农业发展，医疗卫生，航空航天设计，国防科技，商务和办公设备中，还是在人们日常生活所用的家用电器和家用电子产品（如空调，电冰箱，电风扇等等）中，都大量使用着各种各样的电动机。跟据材料可以明显得出，在地球所有的电力资源中，电动机的资源占到了百分之九十以上。电动机与人们的日常生活是密不可分，紧密相连的。
1.1直流电动机控制的发展史
经常使用的直流电机的控制有以下几种方法：第一，选用恒定的直流电压向电机电枢供电，这个方法是最初的直流调速的方法，经过转变电枢中的电阻来实现对电机的调速功能。这个方法简单，价格也比较便宜。但是缺点比较多，比如效率低，在较宽范围内调速不顺利，所以现在很少使用。第二，由于汞弧变流器的到来，使用汞弧变流器代替电机系统，进一步提高了调速性能。尤其是系统迅速响应与电机系统是不能对比的。但是汞弧变流器具有一些缺点：比如不易修复，特别是水银蒸汽能给维护人员造成一定的危害等等。从二十世纪末的80年代起，晶闸管整流装置代替了以往的直流电机，使直流电机驱动完成了一次重大飞跃，使直流调速系统的性能可以极大的提高，直流调速系统不断的发展，应用范围也随之不断的扩大。
1.2直流电机的调速方法
根据公式可知，直流电机转速特性如下：
（1-1）
式（1-1）中，各变量介绍如下：
—电枢端的电压(V)。
—电枢电流(A)。
—电枢电路的总电阻( )。
—每极磁通量(Wb)。
—与电机相关的常数。
由此可以看出直流电机转速控制的方法有三种。
方法一.：改变电枢电路的电阻值。这种方法效率低只能进行有级的调速，所以不适合采用。
方法二：改变电机主磁通。这种方法虽然能无级调速，但是调速的范围非常小，只能够减小磁通，使电动机变速，属于恒功率变速。
方法三：调整电枢电压，从而改变转速。这种方法动态反应快，所以只能适用于要求要能在大范围内无级平滑的调速系统。
在以上几个方法中，第一个方法缺点很多，目前很少使用。第二个调速的范围不够大。所以，直流电机调速的方法主要是通过改变两端电压来实现调速的。本系统就是通过调节PWM占空比来改变电机两端的电压，从而达到了调速的目的。
1.3本课题研究的意义
直流电机在现阶段逐渐取代其他电机，占主导地位。第一，它能够取代步进电机。在数字伺服控制的开始，步进电机就已经经历了一个大的发展阶段。随着技术的发展，要求伺服系统的速度更快了，而且分辨率的要求也高了，所以步进电机的开环控制系统就无法满足了。由于步进电机的固有的特点，即便选用了闭环控制，也无法达到这些要求。第二，取代异步电动机。早在80年代和90年代左右，异步电机的变频控制技术得到了巨大的发展和应用。随着技术和科技的发展，直流电机驱动控制器越来越便宜了，而且性能越来越高了，直流电机逐渐在很大程度上远远超过了异步电机。主要是因为直流电机的变速范围更加大了，运行更加稳定，而且启动时的力矩大，体积小，过载能力强，效率高。当前，变频器的价钱和直流电机控制器的价钱不分上下。第三，研制电动车辆电动机。为了减少燃油车辆造成的污染问题，电动车辆的研制被称为具有深远意义的革命性策略。最先选用的是有刷直流电机来驱动电动机，这主要是因为车辆的运行只能使用直流电机才能运行。在电子技术的发展之后，电动车驱动元件也可以使用交流异步电动机。但是直流电机还是最适合的，因为直流电机启动力矩大，省电，长寿命，高效率等等许多优点，主要由于这些优点它适合电动车辆的运行特性。
所以本课题对直流电机的转速进行控制，实现从启动很快达到给定速度，并且速度稳定，波动小，还可进行快速的正反转切换，对以后直流电机应用的健康发展，提供了良好的条件基础。
2. 直流电动机控制系统总体设计方案
在这一章节中先给出了控制系统的总体设计思路，接着根据总体控制系统的要求对各个模块进行逐步的选型，然后讲述了重点选择这些模块的理由。
2.1 直流电机控制系统总体设计思路
本课题需要控制直流电动机的转速，并且能够在液晶屏上显示出来，对速度的精确值要求很高，所以在本设计中加了PID控制，并且采用PWM来调速，能够在电机加了负载的情况下，使速度达到设定值并趋于稳定。本课题系统包括以下几个部分组成：单片机最小系统，电机驱动电路，测速电路，显示电路，按键电路，电源供电电路。图2-1为系统的整体设计框图。
图2-1 系统整体设计框图
2.2 单片机的选择
本课题采用AT89S52芯片来完成对直流电动机的一系列的控制，包括对转速的显示，PWM控制信号的输出等等。而且此芯片十分廉价，功耗低，性价比高。还有一种方法就是采用atmega16单片机，通过对它的编程来输出PWM信号控制电机转速。通过以上两种方法的比较，AT89S52芯片价钱便宜，但是编程略微复杂，第二个价钱高，但是编程简单。所以从成本的角度看，本人采用AT89S52芯片来控制整个系统。其实，最主要选用AT89S52芯片的原因是：如今，51系列单片机是应用最为广泛的单片机，而且大学里自动化等等专业的学生都学过，是必修课程。起初还考虑用AT89C51芯片的，因为学校课本上教的就是AT89C51单片机，但是通过网上资料的查询，AT89S52性能比AT89C51要好（比如AT89S52比AT89C51多一个定时器T2），本毕业设计中就用到定时器T2。可以说，如果没有定时器T2，本毕业设计就无法进行。所以，综上所述，最后决定还是选择AT89S52芯片。
2.3 电机驱动模块的选择
选择电机驱动模块，我想出两个方案。方案一：选用电机驱动模块L298N，这个方案的益处就在于电路单一，几乎不增添别的原件，而且市场上此芯片品种比较完全，价格也比较便宜。
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