基于Proteus的单片机PWM直流电机速度控制系统设计

乔志杰 曾金明

(1安徽电子信息职业技术学院；2解放军蚌埠汽车士官学校 安徽蚌埠 233030)

1 引言

直流电机具有良好的起、制动性能，并且适合大范围的平滑调速，因此在各类需要调速或快速正反向的机电控制系统中得到广泛运用。PWM直流调速技术以其开关频率高、低速运行稳定、动态性能优越、效率高等优点，在电机调速中被普遍应用。PWM控制技术易于在单片机控制中实现，从而为直流电机控制的数字化提供了机会。采用单片机构成直流电机速度控制系统，不仅可以降低控制系统成本，也是单片机应用的一个重要方面。

Proteus[1]是英国Labcenter公司开发的电路分析、实物仿真系统，具有模拟和数字电路仿真、单片机和它的外围电路组成的系统仿真[2]、LCD显示、虚拟仪器、示波器、逻辑分析仪系统仿真等功能，可与Keil编程软件进行联调。基于Proteus软件的良好仿真特性，程序在Proteus中成功完成仿真调试的同时，即可以说明所设计程序的准确性，从而初步实现系统设计中的控制程序设计部分，并为系统硬件电路的设计提供一定的参考价值[2]。

2 直流电机的PWM调压调速原理

脉宽调制[3](Pulse Width Modulation， PWM)就是对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM控制技术[4]利用半导体开关器件的导通和关断，将直流电压转换成一定频率方波电压，见图1。

图1 周期性PWM矩形脉冲

则上式可化为：U0=α×U(U为脉冲幅值)

α即为占空比，由上式可知，要改变直流输出电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比α来实现，实际应用中脉冲幅值通常是不变的，所以可以通过控制占空比α的大小实现直流输出电压在0～U之间的有效控制，也就是改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)以达到变压目的，从而利用PWM控制技术实现对直流电机转速的调节。

3 系统设计

3.1 总体方案的确定

本方案以AT89C51单片机为控制器，将单片机产生的控制信号加在电机驱动[4]模块L298芯片上以控制直流电机。应用4个按键，实现直流电机的正转、反转、加速、减速、停止等功能，设计方案采用了PWM技术来控制电机，利用占空比的改变实现速度的精确控制。运用软件与硬件相结合的控制方法，实现了单片机对直流电机的稳定速度控制。

硬件电路设计框图如图2所示，电路结构由以下部分组成：显示模块、单片机、按键模块、电机驱动模块。

图2 直流电机速度控制系统硬件框图

3.2 电机驱动模块

应用L298芯片作为电机驱动模块。L298是双H桥直流电机驱动芯片，可以方便的驱动两个直流电机，也可以驱动一个四相电机，能利用单片机的I/O口作为控制信号，芯片电路简单，应用方便。

L298的使能端为高电平时，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。

3.3 按键模块

按键采用独立式键盘结构，使用AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3四个引脚控制4个独立按键，4个按键分别实现电机转向、加速、减速、停止的功能。独立式键盘一般用在按键较少的场

合，独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，各根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。所以只需要检测I/O口线的电平状态，就可判断是键盘上哪个键被按下。

3.4 显示模块

显示模块采用的是液晶LCD显示模块 LM016L。

(1)其主要接口有[5]：

第1脚：VSS为地电源。

第2脚：VDD接5V正电源。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14 脚：D0～D7 为8位双向数据线。

(2)单片机与LCD的连接

(RS，R/W，E)控制引脚接P3口，8个数据信号接P1口。VSS和VEE 接单片机地，VDD接单片机的电源VCC。

3.5 直流电机速度控制系统的Proteus仿真电路

直流电机速度控制系统Proteus仿真[6]电路如图3所示。

Proteus元件库中有多类电机元件，在此选用带编码器的电机MOTOR-ENCODER来仿真，其编码输出可提供两路路具有90度相位差的编码脉冲，利用这两路信号通过74LS386门后的脉冲信号反馈给T0后计数，实现对转速的检测。从虚拟仪器模式[7]里选取示波器模块实现对L298电机驱动模块的ENA信号检测，利用图表模式对编码器的两路信号进行电压信号分析。

图3 直流电机速度控制系统Proteus仿真电路

4 直流电机速度控制系统软件设计

当系统启动后，单片机进行初始化设置，如系统的初始化、LCD初始化和定时器的初始化。单片机检测是否有键按下，通过对按键的判断，对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的时间长度，由变量分别实现电机的转向、加速、减速和停止，控制PWM的输出信号，从而控制电机的转速，依次循环使电机趋于稳定系统程序流程如图4所示。

图4 系统程序流程图

5 单片机控制系统综合仿真调试

5.1 系统仿真联调

在Keil uVision[8]集成开发环境下进行源程序编译。对程序编译调试完毕后，在Proteus电路图中，双击单片机AT89C51，打开其属性编辑框，在“Program File”栏中选取扩展名为“.HEX”的目标代码文件，并将其时钟频率改为12MHZ。在Proteus仿真界面中单击电路图中的运行按钮，就可以实现直流电机的仿真控制[9]。

5.2 仿真结果

当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击加速或是减速按钮，显示模块便开始显示数字。通过按键控制电机的驱动模块可以实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。从图5～图8仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。

图5 电机加速前的波形和加速后的的波形

图6 编码器信号

图7 加速正转和反转时的电机运行图

图8 电机速度显示界面

6 结论

从图5可以看出，加速后的占空比增大，符合设计要求，说明该速度控制系统是有效的，能够反映实际系统速度控制的要求。运用Proteus和Keil对直流电机控制进行了软件和硬件的设计，通过单片机AT89C51，可以方便的控制直流电机的速度和转向，仿真结果表明：系统具有外围器件简单，运行稳定的特点，达到了比较满意的控制效果[9]。

参考文献：

[1]张靖武，周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2007.34.

[2]肖云茂，孙毅，张华兴.基于Proteus的PC机对步进电机运动控制仿真[J].机械设计与制造，2009，47(4)：188.

[3]陈景贤.单片机控制的直流电机PWM 调速控制器设计[J].湛江师范学院学报， 2008，29(3)：123.

[4]杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].机床电器，2008，35(1)：45.

[5]董继承，黄宇.带时钟的数字温度计的设计与制作[J].中国科技信息，2007，19(8)：65.

[6]茹占军，谢家兴.基于AT89S52单片机直流电机调速系统的设计[J].软件导刊，2010，9(8)：106.

[7]王毅，王平，苏伟达，等.基于数字PID控制的直流电机控制系统的设计[J].福建师范大学学报，2010，26(4)：59.

[8]陈艳，李娜娜，杨永双.Proteus和Keil在单片机教学中的应用[J].科技教育创新，2009，38(20)：194.

[9]李明.基于Proteus的单片机对步进电机运动控制仿真[J].价值工程，2012，31(5)：153.