毕业论文基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计所在学院专业名称年级学生姓名、学号指导教师姓名、职称完成日期摘要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。

关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机I目录目录 (III)1 引言 (1)1.1 课题背景 (1)1.1.2 开发背景 (1)1.1.3 选题意义 (2)1.2 研究方法及调速原理 (2)1.2.1 直流调速系统实现方式 (4)1.2.2 控制程序的设计 (5)2 系统硬件电路的设计 (6)2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6)2.2 STC89C51单片机简介 (6)2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6)2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (7)2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (8)2.2.4 STC89C51引脚功能 (8)3 PWM信号发生电路设计 (11)3.1 PWM的基本原理 (11)3.2 系统的硬件电路设计与分析 (11)3.3 H桥的驱动电路设计方案 (12)5 主电路设计 (14)5.1 单片机最小系统 (14)5.2 液晶电路 (14)5.2.1 LCD 1602功能介绍 (15)5.2.2 LCD 1602性能参数 (16)5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (18)5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (19)5.3 按键电路 (20)5.4 霍尔元件电路 (21)III5.4.1 A3144霍尔开关的工作原理及应用说明 (22)5.4.2 霍尔传感器测量原理 (23)6 系统功能调试 (24)总结 (25)致谢 (26)参考文献 (27)IV1 引言1.1 课题背景1.1.2 开发背景在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。

大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。

所以直流电机的控制是一门很实用的技术。

直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，转速控制容易，调速后效率很高。

与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。

随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。

适用范围：直流调速器可以应用在造纸印刷、纺织印染、光缆设备、电工技术设备、食品加工机械、橡胶加工机械、生物制药设备、电路板设备、实验器材、特种加工、轻工业、输送设备车辆工程、医疗设备、通讯设备、雷达设备等行业中。

高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。

尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。

11.1.3 选题意义直流电机拥有有良好的起制动性能，可应用于在大范围内的平滑调速，也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。

在控制角度来看，直流调速更是交流拖动系统的基础。

早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础，有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等，控制系统的硬件部分功能比较复杂，功能比较单一，而且软件系统不灵活、不好调试，不利于直流电动机调速技术发展和应用范围。

伴随着单片机控制技术的快速发展，使得许多控制功能算法以及软件得以完成，为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间，并使系统达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

传统的控制系统采用模拟元件，虽然满足了生产要求，但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响，并且线路很复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。

1.2 研究方法及调速原理直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。

不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。

对于直流电动机的转速有以下公式：2φ（公式 1-1）n=U/Ccφ-TR内/C r C c其中：—励磁绕组电阻；U—电压；R内φ—磁通(Wb)；C c—电势常数；C r—转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。

比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率较小，低速传动时易受到磁极饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。

所以磁场控制法并不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。

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1-1所示：图1-1 直流电机的工作原理图电枢控制即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。

在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。

脉宽调速的概念是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3“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。

V，占空比为D=/T，根据上图，当电动机始终接通电源时，电机转速最大为maxV=V*D，可见只要改变占空比D，就可以得则电机的平均速度为：D max到不同的电机速度，从而实现调速。

1.2.1 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来实现PWM，在PWM调速系统中占空比是一个重要参数，电源电压不变时，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值可以改变电枢端电压的平均值：t不变，只改变t，使周期也随之改变。

1、定宽调频法：保持1t，使周期或频率也随之改变。

2、调宽调频法：保持t不变，只改变1t和t。

3、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变11，2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，因而不合适，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。

41.2.2 控制程序的设计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P1.1的高低电平决定直流电机正反转。

根据加、减速按钮，调整P1.1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。

52 系统硬件电路的设计2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计本系统采用STC89C51控制输出数据，由单片机IO口产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路将实时转速送回单片机，进行转速显示，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。

图2-1系统总体设计图2.2 STC89C51单片机简介2.2.1 STC89C51单片机的组成STC89C51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器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：62.2.2 CPU及部分部件的作用和功能中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：STC89C51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00H—7FH。

通常说的内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：STC89C51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：STC89C51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。

72.2.3 STC89C51单片机引脚图2.2.4 STC89C51引脚功能VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”8时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。