课 程 设 计
设计题目：基于单片机的直流电机调 速系统
学 院：机电汽车工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机101-2班 姓 名： * * 学 号：2010******** 指导老师：* * *
完成时间：2013年6月2日
目录
1、直流电机调速系统概述...................3
1.1 直流电机结构...........................3 1.2 直流电机工作原理....................3 1.3 直流电机PWM调速原理...........4 1.4 ATC51单片机........................5
2、直流电机调速系统设计....................6
2.1 PWM波形程序的实现与控制.....7 2.2 H桥驱动设计...........................8 2.3 L298功率放大器.......................9
3、软件设计.........................................11
3.1 程序流程图............................11 3.2 主程序设计.............................13 3.3 功能程序设计.........................14 3.4 系统仿真................................17 3.5 系统仿真结果分析..................18
4、设计总结.........................................19 5、参考资料.........................................20
1、直流电机调速系统概述
1.1直流电机结构
直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极，转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向片和电刷引出，直流电机结构如下图所示
1.2直流电机工作原理
由上图可知，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中的电流方向改变时，线圈受力的方向也改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。
1.3直流电机PWM调速原理
对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为右图所示 的脉动电压，可以 看出，在T不变的 情况下，改变t1和
t2宽度，电压将发生变化。下面对这一变化作进一步的推导。
设电机接全电压U时，其转速最大为nmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T,则电枢的平均电压为
U平=U•D 则
n
EaU•DCeCe
下图为施加不同的占空比时测的的转速与
占空比的关系图
1.4 ATC51单片机
ATC51单片机结构框图
它的基本组成包括：
（1）一个8位的微处理器；
（2）片内数据存储器RAM为128B,有21 个特殊功能寄存器；
（3）片内程序存储器Flash Rom有4KB； （4）可寻址片内外统一编址的KB的
ROM，可寻址片内外KB的RAM; （5）4个8位并行I/O接口（P0~P3）;一 个全双工通用异步串行接口UART; （6）两个16位的定时/计数器；
（7）5个中断源、两个优先级的中断控制 系统；
（8）具有位操作功能的布尔处理机及位寻 址功能；
（9）片内振荡器和时钟产生电路。 51单片机的引脚图
2、直流电机调速系统设计
2.1 PWM波形程序的实现与控制
随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器T0,T1作定时器使用，工作在方式1，通过8位拨码开关的接通与断开控制PWM脉动脉冲的占空比并且通过P0口读入51单片机控制PWM波形产生的相应程序进而控制直流电动机的速度。
PWM脉冲波形产生程序 ITT0: CPL P1.5 JNB P1.5,Z1
MOV A,P0 ;读取P0口电平
MOV R0,A ；通过R0改变占空比
MOV A,#0FFH SUBB A,R0
MOV TH0,A ；低电平定时 SETB TR0 ；启动计时 RETI
Z1: MOV A,P0 ;读取P0口电平
MOV R0,A ；通过R0改变占空比 MOV TH0,R0 ;高电平计时 SETB TR0 ;启动计时 RETI
2.2 H桥脉宽放大器设计
脉宽调制放大器电路（H桥）
直流脉宽调制系统主电路的结构形式有
多种，按输出极性有单极性输出和双极性输出之分，而双极性输出的主电路又分为H型和T型，H型脉宽放大器又可分为双极式和单极式。上图是H型双极式脉宽放大器电路。
图中四只开关管分为两组，VT1和VT3为一组，VT2和VT4为另一组。同一组中的两只开关管同时导通，同时关断，且两组开关管之剑可以交替地导通、断开，实现电机的正反转。如图所示，在VT1和VT3导通时电动机正转，当VT2和VT4导通时，电动机反转，同时通过控制PWM波的占空比来调节直流电动机的转速。
2.3 L298功率放大器
L298双H桥直流电机驱动板可以驱动两台直流电动机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，若要对直流电动机进行PWM调速，需要设置IN1、IN2，确定电动机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速，控制方式及直流电机状态如下表所示：
L298 引脚符号及功能：
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
GND: 接地
VSS ：电机驱动电源，最小值需比输入的低 电平电压高
3、软件设计
3.1 程序流程图
开始 系统初始化 否 中断？ 关中断
是
读取P2 口数据 判断状态 正转？ P1.6=1 P1.7=1正转
反转？ 停车？ 刹车？ P1.6=0 P1.7=1 反转 P1.5=0 O1.6=0 P1.7=0 停车 P1.5=1 P1.6=1 P1.7=1 刹车 开中断 读8位拨码开关数据 调整PWM波占空比 调速 RETI 3.2 主程序设计
ORG 0000H AJMP START
ORG 0003H;判断中断的状态 LJMP INT2
ORG 000BH;PWM波形产生的中断 LJMP ITT0
ORG 0030H;系统初始化
START:MOV SP,#60H;设置一固定堆栈地址 MOV R0,#00H CLR P1.5 CLR P1.6 CLR P1.7
MOV TMOD,#01H;计数器T0工作方式1 MOV TL0,#0FFH;设置计数初值 MOV TH0,#0FFH SETB EA;开中断
SETB EX0;允许外部中断 SETB ET0;允许T0中断 CLR IT0
SETB TR0;启动T0计数
SJMP $ 3.3 功能程序设计 判断状态中断程序： INT2: CLR EX0;关中断 MOV A,#0FFH
MOV P2,A;P2口置1 MOV A,P2;读取P2口 JNB ACC.0,SC;判断刹车 JNB ACC.1,ZZ;判断正转 JNB ACC.2,FZ;判断反转 JNB ACC.3,TZ;判断停车 SETB EX0;开中断 LCALL TTS;延时程序 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS RETI
PWM波形产生中断程序：
ITT0: CPL P1.5;L298使能取反 JNB P1.5,Z1
MOV A,P0;读取P0口
MOV R0,A;通过P0口改变占空比
MOV A,#0FFH;设置低电平计数值 SUBB A,R0 MOV TH0,A
SETB TR0;启动T0计数 RETI
Z1: MOV A,P0;改变占空比 MOV R0,A
MOV TH0,R0;设置高电平计数值 SETB TR0;启动T0计数 RETI 正转子程序：
ZZ: SETB P1.6;L298INT1置1 CLR P1.7;L298INT2清零 LCALL TTS;延时程序 LCALL TTS LCALL TTS
SETB EX0;允许中断 RETI 反转子程序：
FZ: CLR P1.6;L298INT1取反 SETB P1.7;L298INT2置1 LCALL TTS;延时程序
LCALL TTS LCALL TTS
SETB EX0;允许中断 RETI 停转子程序：
TZ: CLR P1.5;L298使能端清零 CLR P1.6;L298INT1清零 CLR P1.7;L298INT2清零 LCALL TTS;延时程序 LCALL TTS LCALL TTS
SETB EX0;允许中断 RETI 刹车子程序：
SC: SETB P1.5;L298使能端置1 SETB P1.6;L298INT1置1 SETB P1.7;L298INT2置1 LCALL TTS;延时程序 LCALL TTS LCALL TTS
SETB EX0;允许中断 RETI
延时子程序：
TTS: MOV R3,#0E0H TT1S: MOV R4,#30H TT0S: DJNZ R4,TT0S DJNZ R3,TT1S RET END 3.4 系统仿真
正转仿真
3.5系统仿真结果分析
通过仿真结果表明，直流电机基于51单片机的控制基本实现了正转、反转、停车的功能，并且可以通过八位拨码开关控制PWM波形的占空比，进而实现对速度的实时调节，但是刹车功能效果不明显。
设计总结
刚刚接到这个课题，感觉真的无从下手，因为直流电机的正反转等功能完全可以通过电力电子及硬件实现的观念已经先入为主。连续两天都在思考这个问题，最后通过请教老师、上网以及在图书馆查阅资料，我发现，应用单片机控制更加的方便简单、更加精细，虽然自己也不知道到底能不能很好的完成任务，但是我对单片机这门课程产生了更大的兴趣。
带着种种问题，我不断的去查阅相关资料。八位拨码开关在此之前根本都没有听说过；L298功率放大器只听说过，对于引脚功能、工作原理根本一无所知；H桥以前只是在课本上见过图片，对于其功能的没有清晰的认识。更重要的是在课程设计期间，我熟练掌握了Keil uVision2编程软件、Proteus 7 Professional系统仿真软件，读程、编程的能力显著提升，对于以后自学电力电子学大有裨益。
参考资料
【1】C51单片机实用教程/张晓乡主编 电子工业出版社，2010.8
【2】新编单片机原理及应用/汪贵平等编著 机械工业出版社，2009.9
【3】单片机控制工程实践技术/付家才主编 化学工业出版社，2004.3
【4】机电传动控制/邓星钟等编著 华中科技大学出版社，2007.7
【5】机电一体化系统设计/张建民等编著 高等教育出版社，2000.7
【6】基于Proteus的单片机应用技术/江世明著 电子工业出版社，2009.6
