基于单片机的直流电机调速系统设计论文.doc

沈阳航空航天大学课 程 设 计（论文）题目 基于单片机的直流电机调速系统设计班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 目 录0. 前言 11. 总体方案设计 12. 硬件电路设计 22.1 单片机最小系统的设计 22.1.1 单片机AT89S52 22.1.2 复位电路及时钟电路 32.2 直流电机驱动电路设计 42.3 显示模块设计 52.4 键盘电路设计 72.5 元件选择与参数计算 73. 软件编程 83.1 PWM波软件设计 93.2 数码管显示设计 104. 系统调试与分析 104.1 软件调试 114.2 仿真图形 125. 结论及进一步设想 13参考文献 13课设体会 15附录Ⅰ 元件清单 16附录Ⅱ 总体电路图 17附录Ⅲ 源程序 18 基于单片机的直流电机调速系统设计基于单片机的直流电机调速系统设计孙扩 沈阳航空航天大学自动化学院摘要：本文设计的是基于单片机的直流电机调速系统设计，本系统设计以AT89C52单片机为核心，分成两个模块，一是直流电机控制系统：此系统采用PWM使直流电机以5个弹跳按钮作为输入达到控制直流电机的停止、加速、减速、正转、反转；另一个是转速显示系统：此系统主要实现对转速的计数，并用LED数码管将其结果显示。

其中采用采用PWM可以较为简单的对直流电机转速的控制；LED数码管可以准确的将转数显示出来，在实际应用中很方便关键词：AT89C52单片机；PWM；直流电机调速；LED显示 0. 前言直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一采用微机控制后，整个调速系统体积小、结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求本文介绍了基于单片机的直流电机PWM调速的基本方法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法重点介绍了基于MCS一51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径1. 总体方案设计89S52单片机为核心的直流电机控制系统控制简图如图1所示，由软件转换成PWM 信号，并由P3.0、P3.1输出，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。

软件采用定时中断进行设计单片机上电后，系统进入准备状态当按动启动按钮后，根据P3.0为高电平实现电机正转，P3.1为高电平时实现电机反转根据不同的加减速按钮，调整P3.0/ P3.1输出高低电平时的预定值，从而可以控制P3.0/ P3.1输出高低电平时的占空比，进而控制电压的大小控制程序应用于电机的加减速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，脉冲频率在40Hz以上，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实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳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 P3.0输入高电平信号P3.1输入低电平与P3.0输入低电平P3.1输入信号分别实现电动机的正转与反转功能通过对信号占空比的调整来对直流电机进行调节AT89C52显示模块驱动模块电源模块输入模块图1 系统硬件框图2. 硬件电路设计由单片机硬件设计原理可知：（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路；（2）留有余地。

在设计硬件电路时，要考虑到将来修改、扩展的方便2.1 单片机最小系统的设计单片机最小系统：所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路2.1.1 单片机AT89S52AT89S52 8位单片机是MSC-51®系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51®设计结构后，利用自身优势技术——（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如51F020等高性能单片机AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。

根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装 DIP-40封装89S52引脚图如图2所示图2 DIP-40封装89S52引脚图2.1.2 复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位，如图3，图4所示 图3 上电复位 图4 手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位所以本次设计选用手动复位高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚并联2个30pF陶瓷电容帮助起振最小系统如图5所示图5 最小系统2.2 直流电机驱动电路设计由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。

所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机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，控制电机的停转同时需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机具体驱动电路如图6所示 图6 驱动电路2.3 显示模块设计在本设计课题中采用的是7段4位共阳极LED数码管，它的引脚图如图7所示图7 7段4位共阳极LED数码管引脚图7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，7段数码管分共阴和共阳两种显示方式，本设计中采用共阳极显示器共阳极显示器的发光二极管的阳极连接在一起，当公共阳极接电源+5V时，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。

通常将控制发光二极管发光的8位字节数据编码称为LED显示的段选码，要构成多位LED显示时，除需要段选线外，还需要位选线，以确定段选码对应的显示位，位选线控制第几个LED显示段选线控制显示字形8个阴极分别与8个限流电阻相连，在接到相应的电路中(发光二极管的工作电流选取在10-20ma，限流电阻太大，数码管会太亮),其连接图如图8所示图8 7段共阳极LED连接图因为单片机的输出端口输出的电流小，点亮数码管的能力不大，所以需要采用三极管放大输出电流，此次三极管采用的是C9013，具体放大电路如图9所示 图9 放大电路2.4 键盘电路设计正转、反转、急停、加速、减速五个开关分别与单片机的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4相连，然后再与地相连急停实现直流电机的停转，正转实现直流电机的正转，反转实现直流电机的反转，加速实现直流电机的加速，减速实现直流电机的减速，其电路如图10所示 图10 按键电路2.5 元件选择与参数计算（1）整流电路参数输出电压平均值： Uo(AV)=2 (1)输出电流平均值： IO(AV)= (2)平均整流电流： ID(AV)= (3)最大反向电压： URM= (4)整流二极管的选择（考虑电网）： (5)（2）滤波电路参数滤波电容选择：RLC=(3～5)一般选几十至几千微法的电解电容，耐压>（3）实际计算过程1.要使7812正常工作，必须保证输入与输出之间维持大于2V的压降，因此7812输入端直流电压必须保证14V以上。

7812输入端的电流是对变压器副边输出电压U（t）整流、滤波后得到的假设整流电路内阻为0，负载电流为0，7812输入端有最大电压U=1.414Uef，Uef是U（t）有效值由于滤波电容不可能无限大，所以U＜1.414Uef，根据经验可知U=1.2Uef，可知Uef=14.4V，考虑到整流桥经过两个二极管约有1.4V的压降，得变压器可取15V2.变压器选择：变压器选择双15V变压，考虑到电流不需要太大，最大电流为1A，实际选择变压器输出功率为10W，可以很好的满足要求3.整流桥：考虑到电路中会出现冲击电流，整流桥的额定电流是工作电流的2~3倍选取RS301（100V，3A）即可，实际购买过程中选择了RS307（700V，3A）也符合设计要求4.滤波电容：考虑到对纹波电压要求比较高，故选择了2200μF耐压值为25V以及100μF耐压值50v的电解电容5.去耦电容：去耦电容的选择是7812及7805芯片要求的，查手册可知分别为0.01μF、，用来滤除高频分量防止产生自激6.为了防止负载产生冲击电流，故在输出端加入2200μF、耐压值为25。