基于AT89S52单片机的直流电机调速系统研究

刘朋

渤海大学



基于AT89S52单片机的直流电机调速系统研究

刘朋

渤海大学

转速在直流电机运行中起到重要的作用，如何更好地测量出电机的转速，做好对电机的调速工作具有重要的意义和作用，电机在运行的过程中具有很好的性能，当前的电机调速性能比较严格，而且使用了直流调速系统。本文详细分析了电动机的转速系统，电动机的硬件系统主要是：控制驱动，测试以及硬件电路；软件设计采用C语言编程。该系统使用脉冲的方式有利于电动机的启动，而且可以调节脉冲宽度，通过光电开关可以更好的测量电动机的转速，在液晶显示屏上可以对电机的转速进行显示，最终实现对电动机转速进行控制的目的，可以对出现的问题进行分析。

直流调速 LCD显示 PWM控制 C程序

1　直流调速及PWM控制原理

1.1直流电机调速原理

直流电机的工作方式不同，有自我控制和他人控制两种，不同的方式会产生不同的机械特性，有以下几种转速方式：

其中：U—电压；—励磁绕组本身的电阻；—每极磁通（Wb）；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。通过式子表示，通过电枢控制法可以对电机的速度进行控制，还可以通过磁场控制法进行控制，磁场控制法的控制功率不高，低速的时候因为磁极饱和的问题，磁圈内部可能会有较大的电感，所以会获得较差的动态响应，在工业生产的时候使用最主要的是电枢控制法。

其中：U—电压；R内—励磁绕组本身的电阻；φ—每极磁通（Wb）；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。由上式可知，通过电枢控制法可以对直流电机的速度进行控制，虽然控制的功率不大，但是可能会受到磁极饱和的影响，在高速运行的时候可能会受到换向器结构的限制，由于线圈的电感强度比较大，动态响应较差。电枢控制法是工业生产中常用的方法。

在电压不变的情况下可以进行变速控制，如果电枢上增加了控制电压信号的话，这是有利于电机运转的，传统的方式是串联一个电阻，通过改变电阻有利于调速，但是这种方法没有很高的效率，而且平滑度不高，在串联电阻上可能会花费很多的功率，所以会获得很低的经济效益，如果转速越慢，可能会获得较大的能耗。因为电力的发展，控制电枢和电压的方法很多。

1.2PWM脉宽调制原理

PWM脉冲宽度调制技术实现了对脉冲宽度进行调制的目的，有利于获得波形技术。下式是占空比计算公式：

式中t1表示一个周期内开关管导通的时间，T表示一个周期的时间。

2　硬件设计

2.1单片机选型

2.1.1单片机AT89S52的基本组成

本设计通过利用单片机AT89S52，包括以下几个部分。（1）一个8位微处理器CPU。（2）数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）内部程序存储器ROM。（4）两个定时/计数器，不仅可以对外部事件计数，而且可以进行定时。

2.1.2单片机AT89S52的引脚说明

VCC：芯片正极输入，接+5V。GND：电源地端。XTAL1、XTAL2：接外部晶振的引脚。如果单片机使用的外部时钟信号，就可以接地。RES：如果复位信号持续两周以上为高电平，就可以复位。ALE：地址锁存控制端。！PSEN：在外部程序内部选择了各种信号端。！EA/VPP：访问程序存储器控制信号。P0~P3：四个I/O口，每口8线，共计32根I/O口线。

2.2驱动电路

2.2.1L298内部的原理

本设计可以更好的控制电压和电机驱动，有两种控制方法，因为线形放大有利工作，而且线性比较好并且输出波动小，最终会对邻近的电路产生干扰，因为只能在范围狭窄的地区工作，因为电路的功率不高，在进行驱动的时候，PWM波使L298工作在开关状态。如果在开关的状态下工作时，可能会出现很低的损耗级别，最终也是容易控制的。

2.3键盘设计

2.3.1键盘的功能及分类

可以对单片机中添加许多外围设备，这样才有利于更好地使用单片机，键盘是使用得最多的输入设备，作为按键组合，通过命令输入可以对系统进行查询。

键盘根据结构可以分为矩阵式和独立式，矩阵式键盘也叫做行列式键盘，因为有比较多的按键，而且可以更好地对功能进行控制。

因为有不同的键码和识别原理，可以通过编码和编非编码的形式设计键盘。使用软件编程就可以很好的进行键盘的定义，也叫做非编码键盘；这句印件电路也可以更好的识别按键，设计硬件电路也可以更好的识别按键，这就叫做编码键盘。

设计使用了5个按键，所以可以更好的完成设计。

2.3.2独立式键盘

独立键盘可以接I/O线，键盘也是独立的，这种工作状态并不会影响其他接口，如果改变了电平接口，可以对按键更好地进行识别。本设计中用到五个独立按键，具备各种功能。

2.4数码管设计

2.4.1LED简介

LED，也叫做发光二极管，这种二极管可以自由发光。不仅可以更好地发射可见光，而且可以发射有限的紫外线，也可以发射红外线二极管，这种二极管就叫做LED。

LED也叫做环氧树脂固化，里面包括半导体，可以外接导体进行供电，因为它是LED的发光器件，所以它的材料会对光的颜色产生影响。LED通过导线可以对PN结产生作用，电子和空穴可以相互结合，最终可以发出各种可见光。

2.4.2LED七段数码管的结构

图LED七段数码管的结构

图（a）是阴极结构图，通过发光二极管可以进行串联，最终可以收到各种信号，而且可以进行连接，也能够公共端接地，如果连接高电平的话，可以接入二极管。图（b）是阳极结构，和其他的连接方式有着明显的区别，而且可以并连在阳极，这和阴极有着很明显的区别，而且可以并联在二极管的阳极端，但是需要获得5伏的供电源，可以获得低电平信号，阴极端接收信号时，二极管就会发光。分析LED图，可以通过共阳极的形式，这样可以更好的进行电源供电，但是设计可能会面临各种问题，所以需要进行电能消耗。因此，本设计采用共阴极LED数码管。

2.5光电编码器

设计元件利用光电编码器，可以更好的进行仿真，而且在电机的内部会有光电编码器，最终可以测速。

在光电编码器的内部会有光栅，可以进行LED发光，这样才能更好地计算反光，机械角最终也可以转化为脉冲信号，如果用单片机计数，最终可以得出电机的转速，使用角位移，就可以更好的计算角速度和物理量，那么精度更高，应用范围也会更广泛。

3　软件设计

3.1主程序

单片机会自动的运行函数main，系统可以初始化运行，能够运行函数init，因为单片机启动就会中断，所以要设置好定时器，定时时间为250us。这时计数器可以启动T1，可以更好的计数电动机的脉冲，电动机也可以通过按键查询的方式，查找是否按下了按键，按下按键可以通过中断定时器对脉冲进行调制，最终得到脉冲W，我们需要判断k5是否按下，这样才能更好的显示转速，如果初始化函数，就会中断启动，最终需要设置定时器时间T0。

3.2定时器中断程序

如果要中断执行程序，首先要打开定时器，位数为1时，开启T0就会中断，定时器的设置时间为250US，在一个时间段，如果T等于M，电机不会工作.如果T=100，则T清零，重新返回定时中断；如果T不是100，则直接返回定时中断。可以根据不同的需要，改变周期内的电平时间，最终会出现Pwm波，通过频率可以更好地接通电源，占空比的改变也能够改变平均电压，与直流电机联系紧密，最终可以对电机更好地进行调速。

3.3LED数码管显示

设计的过程中可能会存在LED数码管，所以可以根据顺序进行显示，可以显示脉宽的个位，十位以及百位，最终更好的运行程序，也能够对数码管进行确定，可以显示字符的字码段，然后进入循环。出现字码段“W%10”后，可以延迟1m完成，通过第三个LED数码管可以发现字码段，延迟了1m的话，选择第三个和第四个，最终可以重新开始进行无限循环。

3.4独立式键盘控制

本设计出现了5个独立式按键，可以更好的控制电机，包括电机的加速和减速等各种功能，通过LED数码管可以显示按键功能，在程序运行后可以检测按键的闭合情况，如果按下了按键，可以检测相关按键，令其K=0。当K1按下时，判断W的值，W为100时，令W=0，则占空比为0，电机停止运行；W不为100时，W加1，占空比增加，电机加速。当K2按下时，与K1相反。K3按下时，令A！=A，电机转向，LED D5的亮或灭显示电机转向。K4按下时，令W=0，占空比清零，电机停止转动。按下K5，并保持按下的状态，能查阅当前的占空比。返回检测K1，依次无限循环。

4　结语

本文使用的直流电机的调速系统，可以通过单片机更好地对电机进行调整，和其他的硬件或者是软件进行比较的话，可以更好的调整电机，而且通过软件方法可以降低调速过程的成本，也可以更好地发挥单片机的效能，你通过PID算法进行闭环控制，但是因为时间不充分的问题，所以在设计过程中会存在许多缺点，我们需要在学习的过程中更好地克服这些问题。

［1］卢春华，姚海燕，张莉.基于单片机的直流电机调速系统设计［J］.硅谷 ，2009（20）.

［2］李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［3］张方.电机及拖动基础［M］.北京：中国电力出版社，2008.