基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计

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基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计

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- l- Y9 y1 Q2 ]; M; H摘  要
2 G2 q, S( {: \* n  d; {本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。

关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机
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, t- r5 ^; c$ i& y目录
( @7 x. f% e- N6 q! S( A目录        III
1 引言        1
6 h( Y: s) j+ ^5 d2 p8 A7 h1.1 课题背景        1
) \9 j2 j( t' |! c+ O1.1.2 开发背景        1
- W0 B. _* j0 p, u/ P! k# `1.1.3 选题意义        2
1.2 研究方法及调速原理        2
1.2.1 直流调速系统实现方式        4
% s; C* {' M( ^5 ?, i: M1.2.2 控制程序的设计        5
( f+ E7 i, L2 Y* ]  i2 系统硬件电路的设计        6
2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计        6
  \& W& c0 @0 U; M; F" M$ z2.2 STC89C51单片机简介        6
  T% u1 W- ]* S1 b" q# [2.2.1 STC89C51单片机的组成        6
2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能        7
2.2.3 STC89C51单片机引脚图        8
2.2.4 STC89C51引脚功能        8
3 PWM信号发生电路设计        11
) T2 C  v! j0 q# ~! s% C) B3 T3.1 PWM的基本原理        11
3.2 系统的硬件电路设计与分析        11
' |& _) ~3 G1 Z3.3  H桥的驱动电路设计方案        12
6 E- k3 p, A( r! J9 v- D5 主电路设计        14
5.1 单片机最小系统        14
5.2 液晶电路        14
1 L+ B7 E2 U- A  ^5.2.1  LCD 1602功能介绍        15
5.2.2  LCD 1602性能参数        16
' q/ F5 X' c7 u' O  p0 p: o5.2.3  LCD 1602与单片机连接        18
" ~# z; K; ?3 B6 {! w2 x! @5.2.4  LCD 1602的显示与控制命令        19
# V% Z! L+ X2 Y" W( _5.3 按键电路        20
5.4  霍尔元件电路        21
+ O0 w! T1 X7 m! ~% W, }2 y. f% ^5.4.1  A3144霍尔开关的工作原理及应用说明        22
+ U" Q% z! ^/ D4 e( g) Z5.4.2   霍尔传感器测量原理        23
  I' S% }0 b+ N. p0 p: Y6 系统调试与存在的问题        24
; e9 h$ L7 z$ x7 [6 @! V6.1   软件介绍        25
6.2   硬件调试        25
" M! B) |: L. a% m% X! C: F6.3   软件调试        26
: k$ @0 X* c- k5 Q总结        26
致谢        26
. T# q# n' e# M参考文献        27
. t/ T$ N! A+ U# j* F5 i" H; ]
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% b  C/ s# k1 S% ]) ^; y3 ^1 引言
1.1 课题背景
1 ~2 ~! O  g# \6 Y1 C  i/ z) ^
* v, X+ `1 Z7 h) X3 G: h1.1.2 开发背景

在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、 两相低电压交流电机
! k3 P8 {  v( \9 y+ x直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器可以应用在造纸印刷、纺织印染、光缆设备、电工技术设备、食品加工机械、橡胶加工机械、生物制药设备、电路板设备、实验器材 、特种加工、轻工业、 输送设备 车辆工程、医疗设备、通讯设备、雷达设备 等行业中。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。
, k- d% b: R$ H. f* e尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。
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1.1.3 选题意义
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7 i6 c; A* |$ q+ ~2 t) H直流电机拥有有良好的起制动性能，可应用于在大范围内的平滑调速，也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。在控制角度来看，直流调速更是交流拖动系统的基础。早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础，有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等，控制系统的硬件部分功能比较复杂，功能比较单一，而且软件系统不灵活、不好调试，不利于直流电动机调速技术发展和应用范围。伴随着单片机控制技术的快速发展，使得许多控制功能算法以及软件得以完成，为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间，并使系统达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
7 Y. t  a- l3 m传统的控制系统采用模拟元件，虽然满足了生产要求，但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响，并且线路很复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。

7 m/ S1 `2 @. x1.2 研究方法及调速原理

! H& c; }1 o! F1 ?- T! _直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式：

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