基于MCS-51单片机的直流小电机PWM调速设计.doc

基于MCS-51单片机的直流小电机PWM调速设计课程论文学 号.・ ****院系：电子与信息工程学院专业：电气工程及其自动化指导老师：****老师设计时间：2013年4月Abstract:The mode of DC-motor PWM speed regulation is introduced briefly, a kind of PWM speed regulation of DC-motor using the MCS-51 Microcontroller is designed detailedly, and this method can implement seven-level speed control of the motor; the diagram of PWM speed regulation was given in the end.Keywords: PWM Single Chip Microcontroller DC-motor.1目录1. 引言 32. 总体设计概述 32.1总体硬件电路设计 42.1.1系统总体设计框图..2.1.2 8051单片机简 4介..2.2 PWM信号发生电路设 4计2.2.1 PWM的基本原 6理2.3直流电机调速的实 6现..3.系统中程序设 7计4.直流电机调速框 10图 11结论.……12致谢.……12参考文献 1221.引言:直流电机的定义：将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流 具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承 受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足 生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的 要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术己远远不能满足现代 科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移, 会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等而用PWM技术后，避 免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗 并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得 平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态 抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路 损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机 PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水 泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水 系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、 火箭、雷达、战车等场合。

2.总体设计概述单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机 的平滑调速PWM是通过控制固定电压的直流电源开美频率，从而改变 负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法在PWM驱动 控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改 变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短通过改变直流电机电枢上 电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速因此， PWM X被称为“开关驱动装置二本系统以89C51单片机为核心，通过单 片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根 据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电 压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速, 并通过单片机控制速度的变化本文所研究的直流电机调速系统主要是由 硬件和软件两大部分组成3硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运 行的平台而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、 处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度 的有效控制。

2.1总体硬件电路设计2.1.1系统总体设计框图本系统采用89C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM 信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电 路交数据重新送I口I单片机，进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控 制，达到直流电机调速的目的图2.1系统总体设计图2.1.2 8051单片机简介1. 8051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接， 其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控 制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法其基本组成如下图所示：4图2-2 8051基本结构图2. CPU及部分部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器 使用的只是前128个单元，其地址为OOH—7FH通常说的内部数据存储 器就是指这前128个单元，简称内部RAMo内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原 始数据或表格，简称内部ROMo定时器：8051片内看*2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功 能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数 中断2个和串行中断1个3. 8051单片机引脚图5图2-3 8051单片机引脚图2.2 PWM信号发生电路设计 2.2.1.PWM的基本原理PWM （脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改 变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法PWM可以 应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电 源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开"时间的长短通过 改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的, 从而来控制电动机的转速也正因为如此，PWM X被称为“开关驱动装 置二如图2.8所示：图2-8 PWM方波6设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,设占空比为D=tl/T, 则电机的平均速度为Va = Vmax * D,其中Va指的是电机的平均速度； Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D = tl/T是指占空比由上面的公式可见，当我们改变占空比D = tl/T时，就可以得到不同 的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占 空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成 是线性关系2.3直流电机调速的实现⑴调速设计思想 图：白流电机控制小意图这里利用定时计数器让单片机P1 口的Pl.o, P1.1脚输出方波，然后 经驱动芯片放大后来控制直流小电机（图2）,让P1 口输出占空比不同的 方波即可达到调速的目的一个电机由P1 口的两根位线来控制驱动芯片的输入电压实际上是 两根位线的电压差，在调速时如果两根位线同时输出方波，它们之间的电 压差控制起来就比较复杂实际中是让其中一根位线长期为低电平，而另 一根位线产生调速方波，这样两根位线的电压差就可通过控制其中一根位 线来控制当需要改变电机转动方向时，可以让输出低电平的位线输出方 波，而让输出方波的位线一直输出底电平即可达到目的定时计数器每中断一次，就使P1 口控制位线（P1.0或P1.1）产生一 个高电平或低电平这里把直流小电机的速度级设为7个等级，由等级数 来决定一个周期的高电平的总个数按一个脉冲（包括高电平和低电平） 为30ms来计算，一个方波周期7个脉冲（图3）,周期即为210ms占空 比为高电平脉冲个数比上一个周期总的脉冲个数7。

当高电平脉冲个数为 1时，占空比为1/7,速度最低；当高电平脉冲个数为7时，占空比为1, 相当于电机全速运行，速度最高7在定时器中断服务程序中，先判断一个方波周期到否,如果到了就将 P1 口控置位线恢复为高电平；如果一个方波周期还没到，就判断高电平脉 冲个数到否，到了就应该将输出电平置低，否则继续保持P1 口控制位线 为高，中断返回，等待下一次定时中断这样P1 口控制位线就输出了所 需占空比的调速方波2）定时/计数器工作方式及控制寄存器的设置a. 选用TO作为产生脉冲用的定时器并且使它工作在模式1下在模 式1中，寄存器THO和TLO以全8位参与操作，构成一个16位定时/计数 器，当THO溢出时向中断标志位TFO进位，并申请中断在这种模式下TO 定时时间最长，有利于在更大的范围内对电机进行调速b. 工作模式寄存器TMODo格式如表1所示：TMOD的高4位用于T1,低4位用于TO, 4种符号含义如下：GATE： 门控位C/T :定时/计数器方式选择位C/T=O为定时器方式，C/T=l时为计 数器方式M1M0：工作模式选择位，具体如下：M1MO=OO：模式0 （13位定时/计数器）M1MO=O1：模式1 （16位定时7计数器）M1MO=1O：模式2 （8位自动重装常数的定时/计数器）8M1MO=11：模式3 （2个8位定时/计数器，仅对TO）因在程序中TO是作为定时器，TO的C/T控制位就应设置为0； T0T 作在模式1,TMOD中控制T0的M1M0应设置为01,其它位全部设置为0, 即应给工作模式寄存器TMOD赋值OlHo⑶定时/计数器常数的计算定时/计数器中的计数器是在计数初值基础上以加法计数的，并能在计 数器从全“1”变为全“0”时自动产生溢出中断请求。

因此，可以把计数 器计数初值设定为TC,定时器定时时间T的计算公式为：T= (M-TC) T 计数式中M为计数器模值，该值和计数器工作模式有关在模式1时M 为在定时器模式下，T计数是单片机振荡周期的12倍上式也可写成：TC=M-T/T计数在程序设计中工作模式为模式1,则计数器模值M=单片机仿真器的晶振频率为22.1184MHz,贝上若定时时间长度为30ms,则：(4)中断控制除特殊功能寄存器TCON和SCON中的某些位与中断有关以外，还有 一个特殊功能寄存器即中断允许寄存器IE用来设定各个中断源的打开和 关闭其形式如表2所示：=65536；假设EA： CPU中断允许位ES：串口中断允许位ET0：定时/计数器0中断允许位9以上各位等于1时，CPU开放中断；等于0时，CPU禁止该中断单 片机系统复位后，IE中各位均被清零，即禁止所有中断因此程序中开T0 中断则应将ETO置1,另外如果要使用中断EA也要置1,故应给IE赋值为82Ho3.系统中的程序设计软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成3.1主程序设计主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值， 这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输 出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。

其程序流程图如图所示软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控 制算法子程序组成主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片 机P1 口生数据送到。