基于单片机的直流电机调速器设计与仿真

陈峰

（江苏商贸职业学院，江苏南通，226011）

0 引言

小型直流电机可通过调节其电压来控制电机的转动方向和转速大小。以单片机为核心，采用脉宽调制（PWM）通过调节输出脉冲的占空比来实现直流电机的调速控制，转速大小由输出脉冲的占空比来决定[1-2]。本文采用单片机控制数模转换芯片DAC0832来设计实现直流电机调速器系统。

1 系统功能

利用单片机实现对直流电机转动方向和不同转速控制；通过“启停”按键控制直流电机的启动或停止；通过“正反转”按键设置直流电机的正转或反转；设置“调速+”和“调速-”两个按键实现对直流电机以不同档位的转速控制；采用LCD1602液晶显示屏实时显示直流电机的运行状态，主要包括直流电机的转动方向和转速档位。

2 硬件设计

调速器系统的总体设计框图如图1所示，由单片机、时钟电路、复位电路、按键控制电路、LCD1602液晶显示电路、数模转换电路、放大电路和直流电机共同组成。

图1 调速器系统设计框图

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统是指能够保证单片机能独立工作所必须的外围电路，主要由电源、时钟电路和复位电路组成，电路图如图2所示。

图2 单片机最小系统电路图

2.2 按键控制电路

根据系统的功能，系统可采用4个按键来控制直流电机的启停，设置直流电机的正反转和转速档位加减，各按键的功能如表1所示。

表1 按键功能

由于只有4个按键，电路采用独立式键盘结构，其电路如图3所示，采用单片机P3.0-P3.3引脚构成独立按键电路。

图3 按键控制电路

2.3 液晶显示电路

采用1602液晶显示屏实时显示直流电机的运行状态，电路如图4所示；数据引脚接单片机的P0口，寄存器选择端（RS）、读写信号线（R/W）、使能端（E）三个控制引脚分别接单片机的P1.0-P1.2引脚。LCD1602液晶显示屏的第一行显示直流电机当前的运行状态，第二行显示直流电机的正反转情况以及转速档位。

图4 液晶显示电路

2.4 直流电机控制电路

直流电机控制电路如图5所示，采用数模转换芯片DAC0832将数字信号转换为电流输出，并通过运算放大器将电流信号转换为电压信号并使电压信号达到负载要求。利用单片机改变数字量就可以改变输出电压大小从而实现直流电机的转速档位控制。

由于直流电机转动方向由电压的正负来控制，因此DAC0832采用双极性电压输出电路，由以上运放的连接方法，可以推导出输出电压与输入数字量的关系：Vo＝Vref×(B－128)/128，其中 Vref为参考电压，B为输入数字量。当参考电压为正时，当数字量在0x01-0x7f变化时，输出电压为负值，控制直流电机反转，当数字量在 0x80～0xff变化时，输出电压为正值，控制直流电机正转。

图5 直流电机控制电路

3 软件设计

系统软件设计主要包括LCD1602显示程序、按键控制程序和DAC0832数模转换程序组成,系统的软件设计流程图如图6所示。

图6 软件设计流程图

其中变量state用来表示直流电机的运行状态，state=0表示直流电机停止，state=1表示直流电机正常运行，变量flag用于表示直流电机的正反转状态，flag=0表示直流电机正转，flag=1表示直流电机反转，数组fwd存放直流电机正转时不同档位所对应的数字量，数组rev存放直流电机反转时不同档位所对应的数字量，变量index表示直流电机转速档位。

4 系统仿真

根据系统功能要求利用Keil软件编写控制程序并编译调试生成HEX文件，与Proteus软件进行联合仿真调试。在数模转换芯片DAC0832双极性电压输出电路的输出端添加电压表用于观察直流电机电压。系统上电时仿真效果和直流电机运转时的仿真效果分别如图7和图8所示。

图7 系统上电时仿真效果

图8 电机运行时仿真效果

系统上电时，单片机控制数模转换芯片DAC0832无输出电压，直流电机工作在停止状态；当按下按键K1时，系统正常工作，电机根据系统设置的档位和正反转情况进行转动。图8所示仿真效果表明直流电机在工作运转状态，单片机控制数模转换芯片DAC0832输出电压为5.88V，电机工作正转运行状态，转速档位为2。

5 结束语

该直流电机调速器以单片机为核心，单片机输出不同的数字量控制数模转换芯片DAC0832输出不同的电压来实现对直流电机转动方向和4档转速的控制。该直流电机调速器可应用于家庭小型风扇电机的转速控制。