单片机直流电机调速系统的设计
单片机直流电机调速系统的设计[20200128191908]
【摘要】
本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89S52单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以H桥驱动直流电机转动，采用独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给H桥电路发送PWM波形，来完成电机正反转控制。在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了单片机控制，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。
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关键字:】AT89S52单片机；PWM调速；正反转控制。
一．引言 1
（一）方案一：直接加直流电源来控制电机的转速 1
（二）方案二：采用AT89S52单片机进行控制 1
（三）方案分析 2
二．系统设计 3
（一）系统功能 3
（二）系统框图 3
（三）单片机的介绍 3
（四）直流电机单元电路设计与分析 7
三．硬件设计 11
（一）单片机最小系统电路 11
（二）直流电机H桥驱动电路 11
（三）独立按键电路 13
（四）ISP程序下载接口电路 14
（五）电路原材料清单 14
（六）使用工具及仪表清单 15
四．软件设计 16
（一）程序流程图 16
（二）按键扫描程序 16
（三）定时器中断子程序 17
五．调试过程 19
（一） H桥电路问题 19
（二） 按键处理问题 19
参考文献 20
总结 21
致谢 22
附录 23
附录一程序源代码 23
附录二电路图 26
一.引言
在电气传动领域中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层次的提高，对人类的生产与生活，产生了深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。
由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难, 触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提高了工作效率。
因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，使电路更简单，模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路复杂,使用单片机微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度和精度高、有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制灵活性和适应性强,单片机的控制方式是由软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只需修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移,控制精度高、数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了控制系统的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。
（一）方案一：直接加直流电源来控制电机的转速
根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。
（二）方案二：采用AT89S52单片机进行控制
本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89S52进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作，显示速度。AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器.具有4K字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器(PEROM), ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器. AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案. 三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和 电模式、片内振荡器和时钟电路。
（三）方案分析
方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。方案二在可操作性与实时性方面都都结合了本专业特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用本学科特点。所以，设计采用方案二。
二.系统设计
（一）系统功能
本系统利用单片机控制直流电机，采用H桥来驱动直流电机，并设有五个按键，控制电机的正转、反转、加速、减速、启动和停止。
（二）系统框图
图2.1 总体设计方框图
（三）单片机的介绍
40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。
图2.2 AT89S52结构框图
图2.3 AT89S52
此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。
P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。
表1? P1口管脚复用功能
端口引脚 复用功能
P1.0 T2（定时器/计算器2的外部输入端）
P1.1 T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）
P1.5 MOSI（用于在线编程）
P1.6 MISO（用于在线编程）
P1.7 SCK（用于在线编程）
③ P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。
【摘要】
本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89S52单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以H桥驱动直流电机转动，采用独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给H桥电路发送PWM波形，来完成电机正反转控制。在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了单片机控制，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】AT89S52单片机；PWM调速；正反转控制。
一．引言 1
（一）方案一：直接加直流电源来控制电机的转速 1
（二）方案二：采用AT89S52单片机进行控制 1
（三）方案分析 2
二．系统设计 3
（一）系统功能 3
（二）系统框图 3
（三）单片机的介绍 3
（四）直流电机单元电路设计与分析 7
三．硬件设计 11
（一）单片机最小系统电路 11
（二）直流电机H桥驱动电路 11
（三）独立按键电路 13
（四）ISP程序下载接口电路 14
（五）电路原材料清单 14
（六）使用工具及仪表清单 15
四．软件设计 16
（一）程序流程图 16
（二）按键扫描程序 16
（三）定时器中断子程序 17
五．调试过程 19
（一） H桥电路问题 19
（二） 按键处理问题 19
参考文献 20
总结 21
致谢 22
附录 23
附录一程序源代码 23
附录二电路图 26
一.引言
在电气传动领域中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层次的提高，对人类的生产与生活，产生了深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。
由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难, 触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提高了工作效率。
因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，使电路更简单，模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路复杂,使用单片机微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度和精度高、有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制灵活性和适应性强,单片机的控制方式是由软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只需修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移,控制精度高、数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了控制系统的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。
（一）方案一：直接加直流电源来控制电机的转速
根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。
（二）方案二：采用AT89S52单片机进行控制
本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89S52进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作，显示速度。AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器.具有4K字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器(PEROM), ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器. AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案. 三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和 电模式、片内振荡器和时钟电路。
（三）方案分析
方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。方案二在可操作性与实时性方面都都结合了本专业特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用本学科特点。所以，设计采用方案二。
二.系统设计
（一）系统功能
本系统利用单片机控制直流电机，采用H桥来驱动直流电机，并设有五个按键，控制电机的正转、反转、加速、减速、启动和停止。
（二）系统框图
图2.1 总体设计方框图
（三）单片机的介绍
40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。
图2.2 AT89S52结构框图
图2.3 AT89S52
此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。
P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。
表1? P1口管脚复用功能
端口引脚 复用功能
P1.0 T2（定时器/计算器2的外部输入端）
P1.1 T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）
P1.5 MOSI（用于在线编程）
P1.6 MISO（用于在线编程）
P1.7 SCK（用于在线编程）
③ P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。
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