1、中国地质大学长城学院本科毕业设计题目PWM控制的直流电动机调速系统的设计系别信息工程系学生姓名专业电气工程及其自动化学号04309139指导教师职称讲师2013年5月20日PWM控制的直流电动机调速系统设计摘要直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速测量出电机转速，并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有非常好的调速性能，目前，在一些对调速性能要求比较严格的场合中，主要使用的还是直流调速系统。本设计是以单片机AT89C51和L298控
2、制的直流电机PWM调速系统。利用AT89C51芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LED上的实时显示。关键词直流电机；转速；AT89C51；L298；PWM调速ABSTRACTDCMOTORHASAGOODSTARTUPPERFORMANCEANDSPEEDCHARACTERISTICS,ITISCHARACTERIZEDBYSTARTINGTORQUE,MAXIMUMTORQUE,INAWIDERANGEOFSMOOTH,ECONOMICALSPE
3、ED,SPEED,EASYCONTROL,SPEEDCONTROLAFTERTHEHIGHEFFICIENCYSPEEDISANIMPORTANTPHYSICALQUANTITYINTHEOPERATIONOFTHEDCMOTOR,HOWTOACCURATELYANDQUICKLYMEASURETHEMOTORSPEED,ANDTOACHIEVEINPRACTICALWORKWITHAVERYLARGEVALUEINUSEOFTHEMOTORSPEEDCONTROLDCMOTORHASVERYGOODSPEEDPERFORMANCE,INSOMEOCCASIONSMORESTRINGENTRE
4、QUIREMENTSONTHESPEEDPERFORMANCE,THEMAINUSEOFTHEDCSPEEDCONTROLSYSTEMTHISDESIGNISDCMOTORPWMSPEEDCONTROLSYSTEMWHICHISBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERAT89C51ANDL298TOCONTROLUSINGAT89C51CHIPTODESIGNTHELOWCOSTDCMOTORCONTROLSYSTEM,WHICHCANSIMPLIFYTHESYSTEMSTRUCTURE,REDUCETHESYSTEMCOST,ENHANCETHESYSTEMPERFORM
5、ANCE,MEETTHENEEDSOFMOREAPPLICATIONSSYSTEMCONTROLTHEMOVEFORWARD,REVERSE,STOP,ACCELERATIONANDDECELERATIONOFTHEMOTOR,ANDPWMDUTYRATIOINREALTIMEDISPLAYONLEDKEYWORDSDCMOTOR；SPEED；AT89C51；L298；PMWSPEEDAUTOMATIC目录1绪论111研究背景112国内外发展现状113设计目的和意义22直流电动机调速的概述421直流电机调速原理422直流调速系统实现方式523控制程序设计53总体设计方案731设计思路732总体
6、设计规划733系统框架设计84系统硬件设计941系统基本组成9411硬件模块组成9412单片机整个控制模块942单片机AT89C51简介943复位电路及时钟电路1145LED数码管显示13451LED简介13452LED数码管和单片机的连接1446独立键盘控制模块145系统的软件设计1651系统软件设计分析1652系统程序设计分析17521主程序设计17522按键延时程序19523中断子程序1953PWM脉宽控制2054仿真图2155仿真结果分析21结论24参考文献25致谢26附录27中国地质大学长城学院2013届毕业设计第1页共33页1绪论11研究背景在现代化工业中，电动机作为电能转换的传动
7、装置被广泛应用于国防、石油化学、机械、冶金等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和供应量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷模拟电路很容易随时间飘移，会产生一些不
8、必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济等特点。从而这就要求大量使用PWM控制的直流调速系统，因此人们对PWM控制的直流调速系统的研究将会更深一步。12国内外发展现状电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发
9、展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWERMOSFET和IGBT等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了
10、电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数1。直流电机脉冲宽度调制PULSEWIDTHMODULATION简称PWM调速系统基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了脉宽调速永中国地质大学长城学院2013届毕业设计第2页共33页磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进
11、到一个新的高度2。在国外，PWM最早应用在军事工业以及空间技术中，它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在风力发电、电机调速、直流供电等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会
12、不断地改进提高。13设计目的和意义由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。尤其是我国在此领域的现状，再加上PWM调速系统的出现，弥补了这个空白，更加提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速系统仍将处于十分重要地位。对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速稳定运行，在各种干扰不允许有过大的转速波动3。本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大
13、功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台PROTUES之上，运用C语言编程控制。由定时器来产生固定宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。本设计以AT89C51单片机为核心，以键盘按键作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了实验性的基本要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。本文介绍了直流电机的工作原理、脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总
14、体结构，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM中国地质大学长城学院2013届毕业设计第3页共33页波
15、；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该设计中AT89C51单片机做为控制芯片。通过设计基于AT89C51单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握AT89C51的同时进一步加深对直流电动机调速方法的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。中国地质大学长城学院2013届毕业设计第4页共33页2直流电动机调速的概述21直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线
16、有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式2/CRCETEMRACEUN（公式21）其中U电压；RA励磁绕组本身的电阻；每极磁通WB；TEM电磁转矩；CE电势常数；CR转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法4。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运动直流
17、电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图1所示图1直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制PWM应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”4。中国地质大学长城学院2013届毕业设计第5页共33页图2电枢电压占空比和平均电压的关系图如图2所示，如果电机始终接通
18、电源时，电机转速最大为VMAX，占空比为DT1/T，则电机的平均速度为DVVMAXD，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。22直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统基于单片机类由软件PROTUES来实现PWM调速，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压UD不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值，其方法如下A、定宽调频法保持1T不变，只改变T，这样使周期或频率也随之改变。B、调宽调频法保持T不变，只改变1T，这样使周期或频率也随之改变。C、定频调宽法保持周期T或频率不变，同时改变1T和T。前两
19、种方法在调速时改变了控制脉冲的周期或频率，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压5。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。23控制程序设计控制程序设计有两种方法软件延时法和计数法。软件延时法的基本思路是设电机始终接通电源时，电机转速最大为VMAX，设占空比为D1T/T，则电机的平均速度为VAVMAXD，其中VA指的是电机的平均速度；VMAX是指电机在全通电时的最大速度；D1T/T是指占空比。当我们改变占空比D1T/T时，就可以得到不同的电机平均速度VA,
20、从而达到调速的目的。严格来说，平均速度VA与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据加、减速按钮，调整输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。在本设计中PWM脉冲调制的中国地质大学长城学院2013届毕业设计第6页共33页控制流程如图3所示图3PWM控制流程中国地质大学长城学院2013届毕业设计第7页共33页3总体设计方案31设计思路直流电机PWM控制系统的主要功能包括实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、
21、反转和急停，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过AT89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统主要由以下电路模块组成设计输入部分这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制，以及对PWM占空比和转速的实时显示。设计控制部分主要由AT89C51单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制
22、实现部分主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。设计显示部分LED数码管显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。32总体设计规划321设计任务基于MCS51系列单片机AT89C51，设计单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置，实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LED上的实时显示。322设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。（3）设计一个4个按键的键盘。K1“启动/停止”。K2“正转/反转”。K3“加速”。K4“减速
23、”。（4）手动控制。在键盘上设置两个按键直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。（5）测量并在LED显示器上显示电动机转速（RPM）。中国地质大学长城学院2013届毕业设计第8页共33页33系统框架设计方案说明直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，完成电机正反转、加减速和急停控制；同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示，直流电机PWM调速方案
24、如图4所示图4直流电机PWM调速方案中国地质大学长城学院2013届毕业设计第9页共33页4系统硬件设计41系统基本组成411硬件模块组成（1）单片机控制模块（2）最小系统电路（3）L298电机驱动模块（4）LED显示模块及转速显示模块（5）独立键盘控制模块412单片机整个控制模块单片机整个控制模块如图5所示图5单片机整体控制模块42单片机AT89C51简介AT89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存中国地质大学长城学院2013届毕业设计第10页共33页器的集中控制方法。基本组成如
25、图6所示图6AT89C51基本结构图单片机AT89C51与MCS51兼容，由中央处理器，存储器，32位可编程I/O口线，两个16位定时器/计数器，一个全双工串行口和5个中断源构成。4K字节可编程闪烁存储器寿命为1000写/擦循环，通常数据保留时间为10年。全静态工作频率范围0HZ24HZ，三级程序存储器锁定，采用可编程串行通道，含有片内振荡器和时钟电路，此外，拥有低功耗的闲置和掉电模式为使用提供了方便11。中央处理器CPU8位CPU是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器AT89C51芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内
26、部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。内部程序存储器AT89C51芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。定时器AT89C51片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。AT89C51单片机引脚结构如图7所示图78051单片机引脚图中国地质大学长城学院2013届毕业设计第11页共33页43复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块，是每个单片机系统所必须的电路部分。如图8所示图8单片机最小系统
27、有时系统在运行过程中出现程序跑飞得情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5，即475525V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过475V低于525V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作12。高频率的时钟有利于程序的更快运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样
28、处理，所以选取适合的频率即可。适合频率的晶振介入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30PF陶瓷电容帮助起振。44L298电机驱动模块L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚MULTIWATT封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比中国地质大学长城学院2013届毕业设计第12页共33页较方便13。L298N的内部电路结构图如图9所示图9L298N内部电路结构图感性
29、负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机，利用按键K2控制电机的正反转，K1按键控制电机的停转，K3、K4分别控制直流电机的加减速。当使能端为高电平时，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。在对直流电动机电压的控制和驱动中，L298在使用上可以分为两种方式线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性
30、放大驱动方式是半导体功率器件工作在线性区，优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重14。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制，L298逻辑功能如表1表1L298功能逻辑图IN1IN2ENA电机状态XX0停止101顺时针011逆时针000停止110停止在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件。另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱IN1IN2ENAOUT1OUT2OUT3OUT4IN3IN4E
31、NB6V动力电源中国地质大学长城学院2013届毕业设计第13页共33页动，系统采用集成电路L298来驱动电机，L298引脚接线图如图10所示图10L298引脚接线图L298是双H高电压大电流功率集成电路。直接采用L逻辑电平控制，可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路15。其内部结构和引脚功能如图22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
32、VCC逻辑控制电源，457VGND地VSS电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高45LED数码管显示451LED简介LED（LIGHTEMITTINGDIODE），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“PN结”。中国地质大学长城学院2013届毕业设计第14页共33页当电流通过导线作用于这个晶片的
33、时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成PN结的材料决定的。除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极管。严格地讲，术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管（IRED,INFRAREDEMITTINGDIODE）；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管。452LED数码管和单片机的连接LED数码管接线如图11所示图11LED数码管接线电路的接法决定了必须采用逐位
34、扫描显示方式。即从段选口送出某位LED的字型码，然后选通该位LED，并保持一段延时时间。然后选通下一位，直到所有位扫描完，完成对PWM的占空比在LED上的实时显示。46独立键盘控制模块独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。消除键抖动。一般按键在按下的时候有抖动的问题，即键的簧片在按下时会有轻微的弹跳
35、，需经过一个短暂的时间才会可靠地接触。若在簧片抖动时进行扫描就可能得出不正中国地质大学长城学院2013届毕业设计第15页共33页确的结果。因此，在程序中要考虑防抖动的问题。最简单的办法是在检测到有键按下时，等待（延迟）一段时间再进行“行扫描”，延迟时间为1020MS。这可通过调用子程序来解决，当系统中有显示子程序时，调用几次显示子程序也能同时达到消除抖动的目的。按键控制模块如图12所示图12按键控制模块中国地质大学长城学院2013届毕业设计第16页共33页5系统的软件设计51系统软件设计分析在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序
36、。因此，软件设计在控制系统设计中占重要地位。在程序中通过软件产生PWM，送出预设占空比的PWM波形。PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。设PWM周期为T，高电平时间为TH，低电平时间为TL，电压为VCC，则输出电压的平均值为AVUVCCTH/（THTL）VCCTH/TAVCC，当VCC固定时，其电压值取决于PWM波形的占空比A，而PWM的占空比由单片机软件内部用于控制PWM输出的寄存器值决定。软件主要由3部分组成主程序、键盘扫描程序、中断处理程序。主程序流程如图12所示图
37、12主程序流程图中国地质大学长城学院2013届毕业设计第17页共33页52系统程序设计分析521主程序设计该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态。MAINTIME0_INTWHILE1/按键处理IFKSW0/检测开始、停止DELAYM20/延时去抖IFKSW0SWSWWHILEKSW0/等待键释放IFKLR0/检测左转、右转DELAYM20/延时去抖IFKLR0LRLRWHILEKLR0/等待键释放IFKSPU0/检测加速DELAYM20/延时去抖IFKSPU0PWMHIFPWMHPWMPWMHPWM1中国地质大学长城学院2013届毕业设计第18页
38、共33页WHILEKSPU0IFKSPD0/检测减速DELAYM20/延时去抖IFKSPD0PWMHIFPWMH0PWMH1WHILEKSPD0/IFSW0M10M20BN0CLEARRAMIFSW1BN0CLEARRAMPUTINPWM10/显示PWM个位PUTINPWM/10/显示PWM十位PUTIN12/显示PUTINPWMH10/显示PWMH个位PUTINPWMH/10/显示PWMH十位IFLR0M10中国地质大学长城学院2013届毕业设计第19页共33页M2MPUTIN11/显示左转LIFLR1M1MM20PUTIN10/显示右转RLEDXS/数码管显示522按键延时程序通过按键延时
39、程序来判断按键的按下与否，消除按键的抖动VOIDDELAYUNSIGNEDINTI/延时单次6USWHILEIVOIDDELAYMUNSIGNEDINTT/延时单次1MSUNSIGNEDCHARIWHILET0FORI0IPWMH中国地质大学长城学院2013届毕业设计第20页共33页M0IFCOUNTERPWMCOUNTER0M153PWM脉宽控制一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数C16TIMEH和低电平持续时间系数C16TIMEL组成，本设计中采用的脉冲频率为10000HZ，可得C16TIMEHC16TIMEL65536，占空比为C16TIMEH/C16TIMEHC16TIMEL，因此要实
40、现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变全局变量C16TIMEH，C16TIMEL的值。程序流程框图如图13所示图13程序流程框图开始初始化等待键盘按下PWM调速控制开始键是否按下反向键是否按下减速键是否按下加速键是否按下NPWM调速控制N将速度取反YNYPWM调速控制YNY中国地质大学长城学院2013届毕业设计第21页共33页54仿真图在该设计中，利用PROTEUS软件进行仿真。仿真结果如图14所示图14仿真图如仿真图所示，其中按键从下到上分别为电机开始转动、正反转、加速和减速控制。由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流所以必须有外围的驱动电路，因此本次设计用电机用L298电机驱
41、动芯片，其中IN1、IN2控制电机的转动。并用共阴的数码管来显示其占空比。55仿真结果分析当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，当按键K1按下的时候电机开始转动；当K2没按下的时候电机开始正转，按下的时候反转；当K3按下的时候电机加速，K4按下开始减速。从仿真结果可以看出，本设计可以实验性得到预期的仿真效果。中国地质大学长城学院2013届毕业设计第22页共33页初始状态，直流电机运行效果如图16图
42、16电机运转按下急停键，直流电机停止运行结果如图17图17电机停转按下加速键，直流电机正向加速运行结果如图18中国地质大学长城学院2013届毕业设计第23页共33页图18电机正转加速按下反减速键，直流电机减速运行结果如图19图19电机反转减速中国地质大学长城学院2013届毕业设计第24页共33页结论通过本次毕业设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次毕业设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括直流电机PWM调速、AT89C51单片机、L
43、289引脚图及其引脚功能，LED数码管显示等，为本次毕业设计提供了一定的资料。在做毕业设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过求助于老师、理清了思路。同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了毕业设计中的道道难题。通过本次毕业设计实践，我学到了许多东西，知道光靠书本上的东西是不够的，需额外去查资料。无论是在硬件还是软件设计上，我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西如（PWM）。也锻炼了我的PROTUES画图能力，以前学的时候元器件都是给定的只要到库里面找出名字就可以，只要连线就可以，而这次是根据自己的设计需要去画，感觉不同。本次设计我能独立完成，算是有了
44、很大的收获。总的感受有以下几方面1、通过本次毕业设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等有了一定的认识。2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。同时这次做毕业设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力，只有这样，才能做好。通过本次设计，我的知识领域得到进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同时锻炼了自己独立完成任务的能力，并掌握了很多软件、硬件开发
45、方面的知识。另外，我还认识到无论做什么工作，都需要踏实，勤奋，严谨的态度，这对我以后的工作将会产生深远的影响。同时，也培养了自己认真的科学态度和严谨的工作作风，为将来能更好的适应工作岗位打下了良好的基础。另外，由于实际条件的限制，本设计不能进行现场调试和试运行都是无法完成的。若以后条件允许，可以对以上设计进行进一步完善。当然，设计中肯定还有其他不足和纰漏之处，请各位老师指正。中国地质大学长城学院2013届毕业设计第25页共33页参考文献1袁涛H桥功率驱动电路的设计研究电子科技大学，2005年2汪卫华伺服系统数字实现技术研究国防科学技术大学，2003年3罗金成智能全数字直流调速系统理论研究与设计
46、武汉理工大学，2006年4杨红玉利用PCI1780实现直流电动机PWM调速J机电产品开发与创新，2008年5柳亚平基于MCU无线遥控电动滑板控制系统江南大学，2008年6刘启新电力与拖动基础A北京中国电力出版社，20077朱清慧张凤蕊PROTEUS教程电子线路设计、制版与仿真A北京清华大学出版社，20118张义和王敏男例说51单片机A北京人民邮电出版社，20109李朝青单片机原理及接口技术A北京北京航空航天大学出版社，200610高锋单片微型计算机原理与接口技术（第二版）A北京科技出版社，199911李铁基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究兰州理工大学，2006年12卢涛激光微加工系统研制郑
47、州大学，2002年13陈志玲微波电磁特性综合测量仪的研制华南师范大学，2010年14张贵强无轴传动技术同步控制的研究东北大学，2005年15郭丽君基于LABVIEW的温室移动机器人导航系统J农机化研究，2011年16LANDAUIDFROMROBUSTCONTROLTOADAPTIVECONTROLCONTROLENGPRAC719991113112417HORNGJHNEURALADAPTIVETRACKINGCONTROLOFADCMOTORINFORMATIONSCI199911811318LYSHEVSKISENONLINEARCONTROLOFMECHATRONICSYSTEMSWI
48、THPERMANENTMAGNETDCMOTORSMECHATRONICS9199953955219MUMMADIVCSTEADYSTATEANDDYNAMICPERFORMANCEANALYSISOFPVSUPPLIEDDCMOTORSFEDFROMINTERMEDIATEPOWERCONVERTERSOLARENERGYMATERSOLARCELLS612000365381中国地质大学长城学院2013届毕业设计第26页共33页致谢为期四年的大学生涯已经接近了尾声。此次毕业设计的完成，凝聚着许多人的关怀和帮助。首先要感谢我敬爱的指导教师王新旺。他们在学术上的精心指导和严格要求，在系统研究和调
49、试过程中给予的及时帮助。这些使我的课程设计得以顺利完成，并激励着我在今后的人生道路上不断开拓进取，勇往直前。在此，我们再一次对诸位老师的培养和关怀表示诚挚的谢意同时我们也非常感谢所有教导过我的老师们，他们不但在毕业设计中指导我们学习和生活，而且在完成论文期间给我许多帮助和建议，他们兢兢业业、对工作认真负责的态度为我们做出了好的表率，时刻鞭策着我们向他们学习。非常感谢我的同学们，在与他们共同的学习、工作、生活过程中，他们给予了我及时的帮助和建议，开拓了我的思路。我对他们致以真诚的谢意和衷心的祝福。最后，向所有帮助过我的人致以最诚挚的谢意。中国地质大学长城学院2013届毕业设计第27页共33页附录附录1/CXCINCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINELED_WXP2DEFINELED_DXP0/定义变量UCHARPWM20/定义PWM周期数UCHARPWMH1/定义高电平脉冲个数计数器UCHARCOUNTER0/定义脉冲个数计数器UCHARLEDPL
