详解用单片机构建直流电机PWM调速系统Word格式文档下载.docx

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对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。

现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。

对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。

通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。

目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；

交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节[2]。

高性能的微处理器如DSP（DIGITALSIGNALPROCESSOR即数字信号处理器）的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。

在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。

2系统论述

2.1设计背景

近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。

直流它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;

需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。

2.2设计思路

直流电机PWM控制系统的主要功能包括：

实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。

主体电路：

即直流电机PWM控制模块。

这部分电路主要由AT89C52单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。

其间是通过AT89C52单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。

该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：

设计输入部分：

这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制。

设计控制部分：

主要由AT89C52单片机的外部中断扩展电路组成。

直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。

设计显示部分：

LED数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。

2.3系统框架设计

图2.3直流电机PWM调速方案

直流电机PWM调速方案如图2.3所示，其原理为：

直流电机PWM调速系统以AT89C52单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。

采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转和急停控制；

同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示。

3PWM脉宽调制原理

3.1PWM调速原理

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，改变负速、温度控制、压力控制等等[7]。

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又被称为“开关驱动装置”。

如图3.1所示：

图3.1PWM信号的占空比

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/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=t1/T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/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，我们可以将其近似的看成是线性关系。

3.2PWM调速方法

关于PWM的调速方法，已作省略，内容请见下文说明。

3.3PWM实现方式

方案一：

方案一的部分已作省略。

方案二：

同样，方案二的部分已略，获取说明如下所述。

本设计是大学期间原创作品,获取更多内容，包括Word完整文档、Proteus仿真文件、KeilC语言程序、Visio流程图、L298参考技术手册等内容.YoucansubscribetheWeChatPublicNumber:

交院小智。

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我的围脖：

蒋宇智哟。

文中略去的部分内容如下:

（1）PWM调速方法；

（2）PWM实现方式（方案一和方案二）；

（3）单片机整个控制模块详解；

（4）系统程序总流程图；

（5）Proteus总仿真系统图；

（6）参考文献

（7）附录一：

C程序代码

（8）附录二：

系统总仿真电路图

分享的内容如下所示：

4系统硬件设计

4.1系统基本组成

4.1.1硬件模块组成

（1）单片机控制模块

（2）L298电机驱动模块

（3）LED显示模块

（4）独立键盘控制模块3.3系统硬件各模块电路

4.1.2单片机整个控制模块

单片机整个控制模块的详解内容，已被省略，如何获取完整信息，请见上文部分。

4.2AT89C52的简介

4.2.1AT89C52主要性能

AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

与MCS-51单片机产品兼容；

8K字节在系统可编程Flash存储器；

1000次擦写周期；

全静态操作：

0Hz～33Hz；

三级加密程序存储器；

32个可编程I/O口线；

三个16位定时器/计数器；

八个中断源；

全双工UART串行通道；

低功耗空闲和掉电模式；

掉电后中断可唤醒；

看门狗定时器；

双数据指针；

掉电标识符。

4.2.2AT89C52主要功能列举

（1）拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash

（2）晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）

（3）内部程序存储器（ROM）为8KB

（4）内部数据存储器（RAM）为256字节

（5）32个可编程I/O口线

（6）8个中断向量源

（7）三个16位定时器/计数器

（8）三级加密程序存储器

（9）全双工UART串行通道

4.2.3AT89C52各引脚功能介绍

图4.2.3AT89C52引脚图

AT89C52各引脚如图4.2.3所示，引脚的介绍如下：

VCC：

AT89C52电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

AT89C52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：

"

EA"

为英文"

ExternalAccess"

的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。

如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。

此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：

ALE是英文"

AddressLatchEnable"

的缩写，表示地址锁存器启用信号。

AT89C52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89C52是以多工的方式送出地址及数据。

平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。

此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

此为"

ProgramStoreEnable"

的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。

AT89C52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。

设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89C52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：

RXD，串行通信输入。

P3.1：

TXD，串行通信输出。

P3.2：

INT0，外部中断0输入。

P3.3：

INT1，外部中断1输入。

P3.4：

T0，计时计数器0输入。

P3.5：

T1，计时计数器1输入。

P3.6：

WR：

外部数据存储器的写入信号。

P3.7：

RD，外部数据存储器的读取信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

来自反向振荡器的输出。

4.2.4AT89C52的内部资源

AT89C52有6个中断源：

两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。

这些中断每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。

IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。

AT89C52内部具有看门狗定时器及3个16位可编程定时器/计数器。

16位是指他们都是由16个触发器构成，故最大计数模值为

。

可编程是指它们的工作方式由指令来设置，或者当计数器用，或者当定时器用，并且记数（定时）的范围也可以由指令来设置。

这种控制功能是通过定时器方式控制器TMOD来完成的。

存储器结构：

MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。

外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。

程序存储器：

如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。

对于89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：

2000H~FFFFH。

数据存储器：

AT89C52有256字节片内数据存储器。

高128字节与特殊功能寄存器重叠。

也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。

当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。

直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。

例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元：

MOV0A0H,#data

使用间接寻址方式访问高128字节RAM。

例如，下面的间接寻址方式中，R0内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。

MOV@R0,#data

堆栈操作也是简介寻址方式。

因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。

4.3L298电机驱动模块

4.3.1L298电机驱动简介

L298是SGS公司的产品，L298N为15个管角的单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用L298N来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载（比如继电器，直流和步进马达）和开关电源晶体管。

内部包含4通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；

Vs电压最大值也是36V。

L298N可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。

4.3.2L298内部的原理图

图4.3.2L298内部原理图

4.3.3L298引脚符号及功能

引脚

功能

SENSA、SENSB

分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地

ENA、ENB

使能端，输入PWM信号

IN1、IN2、IN3、IN4

输入端，TTL逻辑电平信号

OUT1、OUT2、OUT3、OUT4

输出端，与对应输入端同逻辑

VCC

逻辑控制电源，4.5~7V

VSS

电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高

GND

地

4.3.4L298的逻辑功能

IN1

IN2

ENA

电机状态

X

停止

1

顺时针

逆时针

当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；

输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;

;

IN1与IN2相同时,电机快速停止。

当使能端为低电平时,电动机停止转动。

在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件（L298）在使用上可以分为两种方式：

线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式。

半导体功率器件工作在线性区优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。

开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制，L298直流电机驱动模块见图4.3.4。

图4.3.4L298直流电机驱动模块

4.4LED数码管显示

4.4.1LED简介

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极管。

严格地讲，术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管；

发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管；

发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；

但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管。

图4.4.1PN结原理图

4.4.2LED七段数码管的结构

共阴极共阳极管脚图

其中：

图（a）为共阴极结构，8断发光二极管的阴极端连接在一起，阳极端分开控制，使用时公共端接地，要使哪根发光二极管，则对应的阳极端接高电平。

图（b）为共阳极结构，8端发光二极管的阳极端连接在一起，阴极端分开控制，使用时公共端接电源。

要使哪根发光二极管，则对应的阴极端接地。

其中7段发光二极管构成7笔的字形“8”,1根发光二极管构成小数点。

图“c”为引脚图，从a-g引脚输入不同的8位二进制编码，可显示不同的数字或字符。

通常把控制发光二极管的7（或8）位二极管编制称为字段码。

不同数字或字符其字段码不一样，对于同一个数字或字符，共阴极连接和共阳极连接的字段码也不一样，共阴极和共阳极的字段码互为反码。

4.4.3常见数字和字符的字段码

显示字符

共阴极字段码

共阳极字段码

3FH

C0H

C

39H

C6H

06H

F9H

D

5EH

A1H

2

5BH

A4H

E

79H

86H

3

4FH

B0H

F

71H

8EH

4

66H

99H

P

73H

8CH

5

6DH

92H

U

3EH

C1H

6

7DH

82H

T

31H

CEH

7

07H

F8H

Y

6EH

91H

8

7FH

80H

L

38H

C7H

9

6FH

90H

8.

FFH

00H

A

77H

88H

“灭”

00

B

7CH

83H

……

4.4.4LED数码管和单片机的连接

图4.4.4LED数码管电路连接图

电路的接法决定了必须采用逐位扫描显示方式。

即从段选口送出某位LED的字型码，然后选通该位LED，并保持一段延时时间。

然后选通下一位，直到所有位扫描完。

4.4.5简单的程序流程

图4.4.5简单的程序流程图

4.4.6本系统中单片机与LED的连接

图4.4.6仿真系统数码管电路图（部分）

4.5独立式键盘控制模块

4.5.1键盘的功能及分类

键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。

键盘的分类如下：

（1）键盘按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类。

这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。

编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别；

非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。

（2）键盘按照其结构可分为独立式键盘与矩阵式键盘两类。

键盘主要用于按键较少的场合,矩阵式键盘主要用于按键较多的场合，也称行列式键盘。

4.5.2独立式键盘

独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线