引言1.1 课题研究的背景由于直流电动机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，在工业场合应用广泛。

近代，由于生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、和动态响应方面都提出了更高的要求，寻找更高效、更可靠、成本更低的直流电机控制方法成为新世纪研究的热点。

近十几年来，单片机作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已经对人类社会产生了深远的影响。

单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集及处理、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。

单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点，尤其是美国Intel 公司生产的MCS-51 系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国已经得到广泛的应用。

由于MCS-51 单片机易于学习、掌握、性能价格比高，另外以MCS-51 单片机的基本内核为核心的各种扩展型、增强型的单片机不断推出，所以在今后若干年内，MCS-51 系列单片机仍是我国在单片机应用领域中首选机型。

单片机技术在自动控制领域中有着十分广泛的应用。

如汽车、航空、电话、传真、视频等，很多行业设计自动控制情况下，通常会涉及单片机技术。

本课题介绍一种基于51 单片机的直流电机闭环调速系统设计——控制器设计，控制系统采用89C51 单片机控制，用PWM驱动控制电机。

调速系统按照其调速方式不同可以分为开环调速和闭环调速两种。

所谓开环调速系统就是由控制部分直接控制电机运转，无需对电机实际转速进行检测；而所谓闭环调速就是通过转速测量电路测量电机转速，将结果在反馈给控制系统对电机进行控制。

两种方法相比较而言，开环调速结构相对简单，而闭环调速精度较高，难度也较大，本文就将采用闭环调速方式。

1.2 国内外研究现状电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。

其中电机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。

电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代。

目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和IGBT 成为主流。

功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。

脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。

1964 年A.Schonung 和H.stemmler 首先提出把PWM 技术应用到电机传动中，从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。

进入70 年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制(简称微机数字控制)成为现代电气传动系统控制器的主要形式。

PWM 常取代数模转换器(DAC)用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。

通常PWM 配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。

在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。

目前，电机调速控制模块主要有以下三种：(1)采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；(2)采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；(3)采用由IGBT 管组成的H 型PWM 电路。

用单片机控制IGBT 管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。

1.3 本课题的主要工作本课题的主要目的主要是完成直流电机闭环调速系统设计——控制器设计。

主要的内容包括：主要的设计内容为通过按键设置电机的转速，单片机时刻检测直流电机的转速。

当检测到的转速与设置的转速出现偏差的时候，单片机通过控制输出PWM 脉冲的占空比来控制电机的转速。

同时检测的电机的转速通过数码管显示出来。

硬件设计要求如下：1、系统电源设计：为整个系统提供不同大小的电源；2、A T89C51 基本工作电路设计：使单片机正常工作；3、复位电路：为单片机提供高电平复位信号；4、时钟电路：为单片机提供时钟信号；5、按键电路：设定电机速度上限；6、电机驱动电路：为单片机控制电机提供驱动电路；7、显示电路：显示当前的电机的转动速度；软件设计要求如下：1、单片机的初始化；2、按键扫描程序；3、显示程序；4、PWM控制子程序；本课题预期目的能够完成硬件的设计，软件的设计，已经能够实现软件和硬件的联合调试，最后达到能够通过键盘按键增加或者减小电机的速度上限，单片机控制电机的速度在设定的范围内，并把测量的电机速度通过LED 显示出来。

2 直流电机调速基本理论随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。

为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。

对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现PWM 调速的方法。

2.1 直流电机调速原理根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。

不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。

对于直流电机来说，人为机械特性方程式为：0 2 N ad a e N e t N U R R n T n n K K K(1) 式中：N U 、N ——额定电枢电压、额定磁通量；e K 、t K ——与电机有关的常数；ad R 、a R ——电枢外加电阻、电枢内电阻；0 n 、n ——理想空载转速、转速降；分析(1)式可得．当分别改变N U 、N 和ad R 时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节，即直流电机的变速主要有3 种方式：1．控制电枢电压N U 改变电机的转速。

2．控制电机的励磁电流改变电机的转速。

3．在电枢回路中，串联电阻ad R 改变电机的转速。

由于( ) f F I ，当改变励磁电流f I 时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。

但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流f I 和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。

而对于调节电枢外加电阻ad R 时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。

对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线如图1 所示。

理想空载转速0 n 随电枢电压升降而发生相应的升降变化。

不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。

当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。

图1 直流电机机械特性曲线基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。

改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。

2.2 PWM 基本原理PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。

在PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过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”。

如图 2 所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。

图2 电枢电压“占空比”与平均电压关系罔设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax 设占空比为D=t1／T，则电机的平均速度为：Vd=DVmax (2) 其中：Vd——电机的平均速度；。

D ——脉冲的占空比，范围在0～1 之间；Vmax ——电机全通电时的速度(最大)；由公式（2）可见，当我们改变占空比D 时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。

电机的电枢电压即受单片机输出脉宽控制，实现了利用脉冲宽度调制技术(PWM)进行直流电机的变速。

严格地讲，平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

2.3 PWM 控制信号的实现PWM 控制信号的产生方法有 4 种：(1)分立电子元件组成的PWM 信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM 信号电路。

它是最早期的方式，现在已被淘汰了。

(2)软件模拟法利用单片机的一个I/O 引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM 波输出。

这种方法易于实现，但要占用CPU 大量时间，需要很高的单片机性能。

(3)专用PWM 集成电路从PWM 控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM 集成电路芯片，现在市场上已有许多种。

这些芯片除了有PWM 信号发生功能外，还有“死区” 调节功能、保护功能等。

在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM 集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。

(4)单片机的PWM 口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM 功能。

单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM 脉冲波，只有在改变占空比时CPU 才进行干预。

方法(2)可实施性强，系统采用此方法产生PWM 信号。

3 硬件设计分析直流电机闭环调速系统硬件由电源电路，电机控制电路、复位电路、晶振电路、单片机系统和人机接口等部分组成。

3.1 硬件设计任务从设计的总体目标和设计需求出发，此次毕业设计的硬件设计主要任务有：1、系统电源设计：为整个系统提供不同大小的电源；2、AT89C52 基本工作电路设计：使单片机正常工作；3、复位电路：为单片机提供高电平复位信号；4、时钟电路：为单片机提供时钟信号；5、按键电路：设定电机速度上限；6、电机驱动电路：为单片机控制电机提供驱动电路；7、显示电路：显示当前的电机的转动速度；这也是本章的主要内容，其结构框图见图3，下面将对各部分进行详细分析。

A T 8 9 C 5 2 4位8段数码管显示电机控制驱动电路按键电路晶振电路复位电路RST XTAL1 XTAL2 P2.0 P1.5~P1.7 P0.0~P0.7 P2.0~P2.3 图3 系统结构框图3.2 系统电源设计由于整个系统都是用单片机和各类芯片及电阻、电容组成的，其工作电压为＋5V，不需要负电压，可采用三端固定正电压集成稳压器7805 系列的芯片。

其输出电压5V，按输出电流不同可分为78M05、78L05，输出电流分别为0.5A 和1.0A，转换成功率分别为2.5W 和5W。