1、目 錄摘 要I第1章 緒論1第2章 系統論述32.1 總體方案32.2 基本原理32.3 原理框圖3第3章 系統的硬件設計53.1 單片機最小系統的設計53.2 電源電路設計63.3 直流電機驅動電路設計73.4 顯示模塊設計83.5 按鈕電路設計83.6 元件參數選擇9第4章 系統的軟件設計114.1 總體方案114.2 相關軟件介紹124.3 應用軟件的編制、調試13第5章 仿真結果與分析145.1仿真電路圖145.2 仿真結果14第6章 總結17參考文獻18附錄A：系統整體硬件電路圖19附錄B：程序代碼20 摘 要 當今，計算機控制系統已經在各行各業中得到了廣泛的應用和發展，而直流驅動控

2、制作為電器傳動的主流在現代化生產中起著主導作用。由于生產過程的不同要求，需要電動機進行不同轉速的運轉。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電動機控制系統有著十分重要的顯示意義。 本設計主要運用AT89C51單片機為核心硬件，對直流電動機進行速度控制。并且輔助以硬件部分的驅動、復位、LED顯示等電路，軟件部分對AT89C51進行模塊化程序的輸入，通過按鈕控制，實現對直流電動機的正轉、反轉、加速、減速和停止等控制功能。同時，由LED與電動機轉速顯示控制效果。利用AT89C51芯片進行低成本直流電動機控制系統設計，簡化系統構成、提高系統性能，滿足了生產要求。關鍵詞：計算機控制 AT89C51單片機

3、 直流電動機第1章 緒論隨著社會的發展，各種智能化的產品日益走入尋常百姓家。為了實現產品的便攜性、低成品以及對電源的限制，小型直流電機應用相當廣泛。對直流電機的速度調節，我們可以采用多種辦法，本文在給出直流電機調整和PWM實現方法的基礎上，提供一種用單片機軟件實現PWM 調速的方法。直流電動機有良好的起動、制動性能, 宜于在廣范圍內平滑調速, 至今在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領域中仍有廣泛的應用。直流調速系統在不斷發展, 尤其是近年來, 國內外各廠家競相推出全數字直流調速裝置, 使得直流調速系統在理論和實踐方面都邁上了一個新的臺階。以往的直流調速裝置是全模擬式設備。變電壓調

4、速是直流調速的主要方法,常用晶閘管可控整流器做可控直流電源。這些舊設備急待更新改造。另外,目前高等院校的電力拖動自動控制系統的實驗教學,還采用全模擬式的實驗設備, 尚無適合于教學的全數字式直流調速實驗裝置,有待于開發。直流電動機具有優良的調速特性，調速平滑、方便，調速范圍廣；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載可實現頻繁的無級快速起動、急停和反轉；能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊運行要求。電動機調速系統采用微機實現自動控制，是電氣傳動發展的主要方向之一。采用微機控制后，整個調速系統實現自動化，結構簡單，可靠性高，操作維護方便，電動機穩態運轉時轉速精度可達到較高水平，靜動態各項指標均能較好地滿

5、足工業生產中高性能電氣傳動的要求。由于單片機性能優越，具有較佳的性能價格比，所以單片機在工業過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。PWM調速系統與可控整流式調速系統相比有下列優點：由于PWM 調速系統的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩的直流電流，低速特性好：同樣，由于開關頻率高，快速響應特性好，動態抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關器件只工作在開關狀態，主電路損耗小，裝置效率高。通過單片機來實現電機調整有多種途徑。相對于其他用硬件或者硬軟結合的方法實現對電機進行調整，采用PWM 用純軟件的方法來實現調速過程，具有更大的靈活性和更低的成本，能夠充分發揮單片機的效能，對于簡易速度

6、控制系統的實現提供了一種有效的途徑。對于軟件，采用計數法加軟件延時法進行設計的思路，為采用純軟件對電機速度的平滑調節提供了一種不錯的解決方案，經過在“油輥電機控制系統”中的實際應用證明，能夠取得滿意的效果。本文是對直流電機PWM調速器設計的研究，主要實現對電機的控制。本課程設計主要是實現PWM調速器的正轉、反轉、加速、減速、急停等操作。并實現電路的仿真。為實現系統的微機控制，在設計中，采用了AT89C51單片機作為整個控制系統的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅動模塊，實現對電動機轉速參數的顯示和測量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及H型驅動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片

7、機在程序控制下，不斷給光電隔離電路發送PWM波形，H型驅動電路完成電機正反轉控制.在設計中，采用PWM調速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現對電動機的調速。設計的整個控制系統，在硬件結構上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化了硬件電路，提高了系統的穩定性和可靠性，使整個系統的性能得到提高。第2章 系統論述2.1 總體方案直流電機PWM控制系統的主要功能包括：直流電機的加速、減速以及電機的正轉和反轉，調整電機的轉速，還能方便的讀出電機轉速的大小，實現電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數）、暫停、連續功能。 該直流電機系統由以下電路模塊組成：振蕩器和

8、時鐘電路，這部分電路主要由89C51單片機和一些電容、晶振組成。輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現。控制部分：主要由89C51單片機的外部中斷擴展電路組成。顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數碼顯示部分。顯示部分由SM410564四位共陽數碼管組成顯示模塊；LED數碼顯示部分由七段數碼顯示管組成。直流電機PWM控制實現部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊組成。2.2 基本原理1）主體電路： 直流電機PWM控制模塊：這部分電路主要由89C51單片機的I/O端口、定時計數器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉和反轉，并且可以調整電機的轉速，還可

9、以方便的讀出電機轉速的大小和了解電機的轉向，能夠很方便的實現電機的智能控制。 此外，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數）、暫停、連續功能。其間是通過89C51單片機產生脈寬可調的脈沖信號并輸入到L298驅動芯片來控制直流電機工作的。2）各部分電路模塊的組成： （a）設計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現。 （c）設計控制部分：主要由89C51單片機的外部中斷擴展電路組成。 （b）設計顯示部分：是直接采用SM410564四位共陽數碼管組成顯示模塊。3）直流電機PWM控制實現部分： 主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊組成。2.3 原理框圖1）系統組成：如圖2-1所

10、示圖2-1 直流電機PWM調速方案 2）方案說明： 直流電機PWM調速系統以AT89C51單片機為控制核心，由命令輸入模塊、LED顯示模塊及電機驅動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給直流電機驅動芯片發送PWM波形，H型驅動電路完成電機正，反轉控制；同時單片機不停的將從鍵盤讀取的數據送到LED顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知道它的轉向。 第3章 系統的硬件設計3.1 單片機最小系統的設計1）單片機AT89C51： AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦出只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATME

11、L高密度非易失存儲器制造技術，與工業標準MCS-51指令集合輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且廉價的方案。2）復位電路及時鐘電路： 復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統運行的基本模塊。兩種常用復位電路：上電復位和手動復位。其中：上電復位，如圖3-1所示；手動復位，如圖3-2所示。 圖3-1 上電復位 圖3-2 手動復位有時系統在運行過程中出現程序跑飛的情況，在程序開發過程中，經常需要手動復位。所以本次設計選用手動復位。高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有利于實現更高的信號

12、采樣率，從而實現更多的功能。但是高速對系統的要求較高，而且功耗大，運行環境苛刻。考慮到單片機本身用于控制，而并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都有好處。本次設計選取12.0M無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯2個30pF陶瓷電容幫助起振。單片機最小系統如圖3-3所示： 圖3-3 單片機最小系統3.2 電源電路設計直流穩壓電源的基本原理：直流穩壓電源一般有電源變壓器T、整流濾波電路及穩壓電路所組成，基本框圖如圖3-4所示。圖3-4 直流電源原理1） 電源變壓器T： 將220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui，變壓器副邊與原

13、邊的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器的效率。2） 整流電路： 整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。3） 濾波電路： 各濾波電路C滿足RL-C=（35）T/2，式中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。4） 穩壓電路: 常用的穩壓電路有兩種形式：一是穩壓管穩壓電路，二是串聯型穩壓電路。二者的工作原理有所不同。穩壓管穩壓電路其工作原理是利用穩壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節與穩壓管串聯的限流電阻上的壓降來達到穩定輸出電壓的目的

14、。它一般適用于負載電流變化較小的場合。串聯型穩壓電路是利用電壓串聯負反饋的原理來調節輸出電壓的。集成穩壓電源事實上是串聯穩壓電源的集成化。3.3 直流電機驅動電路設計由于單片機P3口輸出的電壓最高才有5V，難以直接驅動直流電機。所以我們需要使用恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298N來驅動電機。本設計所采用的L298N，可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.57V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2.546V，輸出電流可達2.5A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT

15、3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅動一臺電動機，連接于OUT1和OUT2端口之間（電動機在子圖中未畫出）。此外，5，7腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。同時，需要加四個二極管在電機的兩端，防止電機反轉的時候產生強大的沖擊電流燒壞電機。具體直流電機驅動電路，如圖3-5所示。 圖3-5 驅動電路3.4 顯示模塊設計本次設計顯示模塊直接采用的是SM410564 四位共陽數碼管顯示。又因為單片機的輸出端口輸出的電流較小，點亮數碼管的能力不大，所以需要采用三極管對輸出電流進行放大，此次三極管采用的是C9013，具體放大電路如圖3-6所示：

16、圖3-6 放大電路3.5 按鈕電路設計正轉、反轉、急停、加速、減速五個開關分別與單片機的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4相連，然后再與地相連。急停實現直流電機的停轉，正轉實現直流電機的正轉，反轉實現直流電機的反轉，加速實現直流電機的加速，減速實現直流電機的減速，其電路如圖3-7所示。 圖3-7 控制按鈕電路3.6 元件參數選擇1）實際計算過程 （a）變壓器選擇：變壓器選擇雙15V變壓，考慮到電流不需要太大，最大電流為1A，實際選擇變壓器輸出功率為10W，可以很好的滿足要求。 （b）整流橋：考慮到電路中會出現沖擊電流，整流橋的額定電流是工作電流的23倍。選取RS301（100V，

17、3A）即可，實際購買過程中選擇了RS30（700V，3A）也符合設計要求。 （c）濾波電容：考慮到對紋波電壓要求比較高，故選擇了2200F耐壓值為25V以及100F耐壓值50v的電解電容。 （d）去耦電容：去耦電容的選擇是7812及7805芯片要求的，查手冊可知分別為0.01F，用來濾除高頻分量防止產生自激。 （e）電解電容：為了防止負載產生沖擊電流，故在輸出端加入2200F、耐壓值為25V的電解電容。 （f）7805支路的元件參數基本相同。2） 直流電源產生電路:12V如圖3-7所示、5V如圖3-8所示: 圖3-7 12V電源 圖3-8 5V電源注：系統整體硬件電路圖，詳見附錄A。第4章 系

18、統的軟件設計4.1 總體方案利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經放大后驅動直流電機，改變輸出脈沖的電平的持續時間，達到使電機正轉、反轉、加速、減速、停轉等目的。由軟件編程從P3.0/P3.1管腳產生PWM 信號，經驅動電路輸出給電機，從而控制電機得電與失電。軟件采用延時法進行設計。單片機上電后，系統進入準備狀態。當按動啟動按鈕后，根據P3.0為高電平時實現電機正轉，P3.1為高電平時實現電機反轉。根據不同的加減速按鈕，調整P3.0/ P3.1輸出高低電平時的占空比，從而可以控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時的有效值，進而控制電機的加減速。 其總體流程圖如圖4-1所示：圖4-1 總體程序流程

19、圖P3.0/P3.1脈沖寬度調制器(PWM) 通道,它們產生可由編程決定寬度和間隔的脈沖。脈沖的間隔周期是由一個FOR循環控制,來產生不同的占空比。單片機產生的PWM信號不能直接驅動電機,這就需要設計合適的驅動電路，用以可以間接地驅動電機，使其能夠正常運行。為此，我們可借助于恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298N來完成對電動機的驅動。具體的設計方法是通過Keil C編程，Proteus聯合仿真來實現的。4.2 相關軟件介紹1）Proteus Proteus是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供Schematic Drawing，SPICE仿真與PCB設計功能，這一點Proteus與multisim

20、比較類似，只不過它可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，與Keil和MPLAB不同的是它還提供了周邊設備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真，例如373，led，示波器，Proteus提供了大量的元件庫有RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB，里面有大量的例子參考。 （a）Proteus可提供的仿真元件資源Proteus軟件提供了可仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件和多達30多個元件庫； （b）Proteus可提供的仿真儀表資源虛擬儀器儀表的數量、類型和質量，是衡量仿真軟件實

21、驗室是否合格的一個關鍵因素。在Proteus軟件中，理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用； （c）除了現實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來； （d）Proteus還提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。2）Keil Keil是德國開發的一個51單片機開發軟件平臺，最開始只是一個支持C語言和匯編語言的編譯器軟件。后來隨著開發人員的不斷努力以及版本的不斷升級，使它已經成為了一個重要的單片機開發平臺，不過KEIL的界面并不是非常復雜，操作也不是非常困難，很多工程師的開發的優秀程序都是在

22、KEIL的平臺上編寫出來的。可以說它是一個比較重要的軟件，熟悉他的人很多很多，用戶群極為龐大，要遠遠超過偉福等廠家軟件用戶群，操作有不懂的地方只要找相關的書看看，到相關的單片機技術論壇問問，很快就可以掌握它的基本使用了。 （a）Keil的UVision2可以進行純粹的軟件仿真(仿真軟件程序，不接硬件電路)，也可以利用硬件仿真器，搭接上單片機硬件系統，在仿真器中載入項目程序后進行實時仿真； （b）可以使用UVision2的內嵌模塊Keil Monitor-51，在不需要額外的硬件仿真器的條件下，搭接單片機硬件系統對項目程序進行實時仿真； （c）uVision2調試器具備所有常規源極調試，符號調試

23、特性以及歷史跟蹤，代碼覆蓋，復雜斷點等功能。DDE界面和shift語言支持自動程序測試。4.3 應用軟件的編制、調試 使用Keil 軟件工具時，項目開發流程和其它軟件開發項目的流程極其相似。1）創建一個項目，從器件庫中選擇目標器件，配置工具設置；2）用C語言或匯編語言創建源程序；3）用項目管理器生成應用；4）修改源程序中的錯誤；5）測試，連接應用。注：控制程序，詳見附錄B。第5章 仿真結果與分析5.1仿真電路圖 如圖5-1所示：圖5-1 仿真電路圖5.2 仿真結果1）半速運行狀態，運行結果如圖5-1所示： 圖5-1 電機半速運行2）按下急停鍵，停止運行如圖5-2所示：圖5-2 電機停止運行3）

24、按下加速鍵，加速運行如圖5-3所示：圖5-3 電機加速運行4）按下減速鍵，減速運行如5-4所示：圖5-4 電機減速運行5） 按下反轉鍵，反轉運行如圖5-5所示：圖5-5 電機反向運行第6章 總結本次的課程設計也讓我看到了團隊的力量，我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發揚團結協作的精神。團結協作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。這次課程設計，運用AT89C51單片機為核心硬件，設計了直流電機的轉速控制系統。實現了對直流電機的停止、加速、減速、正轉、反轉等多種控制功能，基本滿足設系統計的要求。同時，在驅動芯片和電動

25、機的連接之間我們有加入續流二極管，在電機反向運轉時進行續流，避免燒壞電機及其他元件。在此設計中P0口作為輸出端口，我們在P0口接入了排阻使電路復位后P0口輸出的為高電平。通過本次課程設計，學習與掌握了AT98C51單片機的基本原理及其各種應用，對它的各種硬件接口與軟件設計方法有較深入的認識。對自動控制系統的動、靜態性能及其控制有了一定的認識。本設計重點在于應用，因此在設計過程中使自己的動手能力得到鍛煉，同時提高了解決實際問題的能力參考文獻1 張琛.直流無刷電動機原理及應用M，北京：北京機械工業出版社，1996.2 周興華.用單片機控制直流電機變速J，電子制作，2006，Vol.34，NO.6：

26、 34-35.3 岳東海，顏鵬.直流電機PWM無級調速控制系統設計J，價值工程，2010，Vol.14，NO.2:135-136.4 郭浩.3A驅動能力PWM直流電機控制電路的制作J，電子制作，2007，Vol.9，NO.10:42-43.5 楊斌文，梅英，徐宇明.并勵直流電動機的機械特性分析（英文）J，湖南文理學院報（自然科學版），2006，V0l.18,DO.2: 60-61,68.6 王鑒光.電動機控制系統M，北京：北京機械工業出版社，1994.7 王小明.電動機的單片機控制M，北京：北京航空航天大學出版社，2002.8 顧繩谷.電機及拖動基礎M, 北京：機械工業出版社，2007.附錄A

27、：系統整體硬件電路圖系統整體硬件電路圖附錄B：程序代碼#include<at89x51.h>#define unchar unsigned char#define unint unsigned intunsigned char code dispcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf; /顯示代碼unsigned char dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/位選口unsigned char dispbu

28、f4=0,0,0,0;unsigned char dispbitcnt;unint mstcnt;unint i;unint count=0;unchar tp=0;void ledshow();void keyscan();void delay();void just();void turn();void motorstop();void speedup();void speeddown();void main(void)P3_0=1;P3_1=0;dispbuf0=16;TMOD=0x02;TH0=0x06;TL0=0x06;TR0=1;ET0=1;EA=1;while(1)ledshow();/數碼管顯示keyscan();/鍵盤掃描/延時10ms程序void delay()unsigned char i,j;for(i=20;i>0;i-)for(j=248;j>0;j-);/鍵盤掃描程序void keyscan()unchar temp=0;P1=0xff;if(P1&0x1f)!=0x1f)delay();if(P1&0x1f)!=0x1f)temp=P1&a