基于单片机的直流电机调速系统设计

朱新华 周 龙

基于单片机的直流电机调速系统设计

朱新华 周 龙

（武汉轻工大学 电气与电子工程学院，武汉 430023）

本文介绍了一种基于AT89C52单片机的直流电机调速系统设计。本系统以AT89C52芯片为主控，利用PWM调制技术，完成直流电机的转速快慢、正反转调节，并通过LED数码显示管将转速脉冲计数显示出来。利用Proteus软件仿真调速，测试结果表明：电机的转速能通过按键进行调节，也能够较好地控制转速精度和动态响应范围。同时，它在社会各领域中有着较广泛的实际运用。

AT89C52 脉宽调制 直流电机调速 LED数码显示

引言

由于直流电动机具有制动、起动转矩较大，转速范围广，容易实现稳定调速，可靠性高等优点，使得其在电力、冶金、机械制造等电机调速要求较高的领域中得到了较为广泛的应用[1]。随着各种高技术的发展，诸多领域对直流电机在起制动、正反转、调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等性能方面都提出了更高的要求，同时，直流电机的调速系统设计也得到了快速的发展。

1 系统总体框架

本文以AT89C52单片机芯片为主控．利用Proteus软件仿真，实现了直流电机控制系统的调速设计，并通过按键的方式来控制PWM输出占空比，从而完成对直流电机的转速大小、方向的调节。

直流电机调速控制系统主图如图1所示。该系统主要是包括AT89C52芯片、直流电动机、PWM占空比显示电路等几部分。系统运行时，由软体设计生成PWM信号，并由P3.0、P3.1输出，经过驱动电路输出给电动机，从而控制电动机上电与掉电。此外，采用定时器定时中断进行控制设计。单片机得电后，系统进入初始状态。当按下启动按键后，P3.0是高电平时实现电机正转，P3.1是高电平时实现电机反转。依据不同的加减速键，P3.0口与P3.1口输出高低电平的预定值，进而控制P3.0与P3.1输出的不同占空比，以控制电动机进行速度调节。

图1　系统结构图

2 硬件设计

根据实际试验需求，本系统采用AT89C52单片机作为微处理器。该单片机具有功耗低、性能高、成本低等优点。内含8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线[2]，兼容标准MCS-51指令系统，2个全双工串行通信口，3个16位定时器/计数器，不需扩展即可满足该系统设计要求。

（1）直流电机驱动电路设计。由于AT80C52的P3口输出的最高电压只有5V，不能直接驱动电机旋转，因此就需要使用芯片L298N来驱动电机旋转。L298N芯片可接受标准的TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5V～7V的电压。4脚VS要接电源电压，VS压值范围VIH为正2.5V～46V。输出的电流可高达2.5A，用来驱动电感性的负载。1脚和15脚下管的发射极分别引出，以便接入电流采样电阻，形成电流传感的信号。L298N可同时驱动2个电动机，2脚、3脚和13脚、14脚之间可分别接电机。本实验装置仅用来驱动一台电动机。5，7脚接输入控制电机的电平，控制电机的正反转。EnA和EnB接电机使能端，控制电机的停转。此外，还需要4个二极管加在电机的两端做保护，以防止电机反转电流烧坏电机。详细驱动电机电路如图2所示。

图2　驱动电机电路图

（2）LED数码管显示设计。在本设计实验中，采用的是7段4位共阳LED数码管，因为AT89C52芯片的输出电流小，点亮LED数码管的能力太小。因此，选择使用集成芯片放大单片机的输出电流。此外，本设计采用74HC573做数码管驱动芯片，其引脚及驱动芯片连接图如图3所示。

图3　显示模块图

（3）按键电路设计。正转键、反转键、急停键、加速键、减速键分别与AT89C52的P1.0口、P1.1口、P1.2口、P1.3口、P1.4口相连接，而后又与地相连。按急停键实现电动机的停转，按正转键实现电动机的正转，按反转键实现电动机的反转，按加速键实现电动机的加速，按减速键实现电动机的减速。

3 软件编程

本设计采用Keil软件经行软件调试，利用AT89C52的P3口，软件编制输出一串占空比不同的脉冲，经L298N放大后驱动直流电机，改变占空比，达到电动机正转、反转、加速、减速、停转等目的的设计[3]。由程序在P3.0与P3.1口产生PWM信号，经过驱动电路后输出给电机，进而控制电机上电与掉电。程序采用延时法进行设计。主控芯片得电后，软体系统进入就绪状态。当按动启动按键后，P3.0输出高电平时实现电动机正转，P3.1输出高电平时实现电机反转。依据不同的加减速按键，调整P3.0与P3.1输出不同的电压占空比，从而控制P3.0与P3.1输出电平的有效值，进而控制电动机的加减速旋转。总体设计流程图如图4所示。

图4　系统软件总流程图

（1） PWM波软件设计。通过控制按键运行电路，改变高电平定时时间的长度来调整高电平所占的宽度，其由变量high_width控制。变量change、decrease、increase分别用来实现电机的转向、加速、减速。程序设计的流程如图5所示。

图5　脉宽调制设计图

（2）LED显示软件设计。检测按键按下的情况变化，利用数码管将电动机转速显示出来，并根据按键的变化，变化数值的显示。显示流程如图6所示。

图6　显示流程图

4 软件调试仿真

本次设计采用的是keil仿真器和proteus，进行软件调试、仿真。首先，在Keil软件工具中，用C语言编写和调试电机调速的源程序，编译生成.hex文件。而后，在Proteus软件仿真环境下设计规划仿真电路，如图7所示。在仿真电路图的AT89C52中导入.Hex文件，最后运行仿真程序进行软、硬件交互仿真[4]。

图7　仿真图

按加速键，仿真电机有图8所示的正向加速仿真结果。

图8　仿真电机正向加速运行图

按减速键，仿真电机有图9所示的正向减速仿真结果。

图9　仿真电机正转减速运行图

按下急停键，仿真电机有图10所示的停止旋转运行过程。

图10　仿真电机停转运行过程图

按下反转键，仿真电机有图11所示的反向加速仿真结果。

图11　仿真电机反转加速运行图

5 结束语

直流电机调速系统采用单片机AT89C52做主控，通过按键对电机经行控制，将转速脉冲计数通过数码管显示，使得对电动机自动控制的实现更为方便，灵活，对简易速度控制系统的实现提供了一种有效方法，在工业控制、农业和国防等领域有很广泛的应用。

[1]曾太强，许建平.基于DSP的直流电机数字调速系统设计[J].电力电子技术，2008，（2）：73-75.

[2]何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[3]刘小春，首珩.无刷直流电动机的单片机控制[J].自动化技术与应用，2009，（3）：129-131.

[4]侯玉宝，陈忠平.基于Proteus51系列单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2008.

Microcontroller Based DC Motor Speed Control System Design

ZHU Xinhua,ZHOU Long
(Wuhan University of Light Industry of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan 430023)

In this paper, a DC motor speed control system based on single chip microcomputer is introduced. The system takes AT89C51 single chip computer as the core, the speed and direction regulation of DC motor is accomplished by PWM modulation technology. The speed pulse counter is displayed by LED digital tube. Using Proteus software simulation speed, the test results show that: the speed of the motor can be adjusted by the key, and better control the speed accuracy and dynamic response range. The system has a very wide range of applications In reality .

AT89C52 single chip microcomputer,Pulse Width Modulation,DC motor speed regulation, LED display