单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》电子教案

一、课程设计的主要目标任务直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。

随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能[2]。

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，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，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。

二、课程设计系统方案选取1. 直流电动机运行原理脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM 控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 3 要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

直流电动机的转速n 和其他参量的关系可表示为图1：直流电机原理图式中 Ua ——电枢供电电压（V ）； Ia ——电枢电流（A ）； Ф——励磁磁通（Wb ）； Ra ——电枢回路总电阻（Ω）； CE ——电势系数， ，p 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导体数。

课程设计(论文)题目名称直流电机PWM调速器设计课程名称单片机原理及应用学生姓名学号03系、专业信息工程系、信息类指导教师2020年4 月30 日目录摘要 (Ⅰ)1任务及要求 (1)设计任务 (1)设计要求 (1)2设计思想 (6)硬件设计思想 (6)软件设计思想 (6)3电路原理与电路图 (12)4流程图与算法描述 (26)流程图 (27)算法描述 (29)5部份模块电路设计 (30)部份模块电路仿真 (30)6测试分析 (30)7课程设计总结 (33)参考文献 (38)附录（源程序清单） (33)摘要本课题是对直流电机PWM调速器设计的研究，要紧实现对电动机的操纵。

因此在设计中，对直流调速的原理，直流调速操纵方式及调速特性，PWM大体原理及实现方式进行了全面论述。

为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个操纵系统的操纵电路的核心部份，配以各类显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。

采纳带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序操纵下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转操纵.在设计中，采纳PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。

设计的整个操纵系统，在硬件结构上采纳了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳固性和靠得住性，使整个系统的性能取得提高。

关键词：AT89C51单片机； PWM调速；正反转操纵1任务及要求设计任务采纳AT89C51单片机，LED数码管显示部件，人机交互接口采纳独立式键盘，L298电机驱动电路。

该直流电机PWM调速器能实现电机正转，反转，停止，并能实时显示转动的圈数。

设计要求1.设计出硬件电路；2.设计出软件编程方式，并写出源代码；3.用PROTEUS进行仿真；4.论文格式要符合学院的统一规定，结构要合符逻辑，表达要得体。

51单片机控制直流电机PWM调速
实验目的
1．掌握脉宽调制(PWM) 的方法。

2．用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。

实验设备
PC 机一台，单片机最小系统，驱动板、直流电机，连接导线等
实验原理
1．PWM (Pulse Width Modulation) 简称脉宽调制。

即，通过改变输出脉冲
的占空比，实现对直流电机进行调压调速控制。

2．实验线路图：
实验内容：
1. 利用实验室提供的单片机应用系统及直流电机驱动电路板，编制控制程序，实现直流电机PWM调速控制。

实验思考题
本实验中是通过改变脉冲的占空比，周期T 不变的方法来改变电机转速的，还有什么办法能改变电机的转速，应该怎么实现？
附件：
L298简介：
L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。

目录1系统的方案设计 (1)1.1方案的分析 (1)1.2方案的制定 (2)2硬件的设计 (3)2.1单片机主电路的设计 (3)2.2数码管显示部分 (3)2.3L298N调制电动机电路 (5)2.4单片机驱动L298N模块 (6)3 软件设计 (7)3.1操作键盘设计 (7)3.2转速显示设计 (8)3.3PMW调制 (9)4 仿真截图 (10)4.1电机的正转工作状态 (10)4.2电机的反转工作状态 (11)5设计的体会 (12)参考文献资料 (13)附录 (14)仿真图 (14)原程序代码 (15)1系统的方案设计1.1方案的分析本课题以单片机为控制核心，用PMW控制技术实现对直流电机的速度及转向进行控制。

从而实现在数码管上显示当前转速，分别用按键进行加、减速及正反转控制。

单片机的选取：按单片机机器字长可分为：4位（很少用），8位，16位，32位。

按单片机内核可分为：MCS51、A VR、PIC、MSP、HT、ARM等等。

按单片机厂家分就更多了，MCS51内核的厂家就有多种：如SST、Atmel、STC、winbond等。

由于8位单片机的广泛应用场合及其不错的性性，一直受到小型电路解决方案的首选芯片，本方案采用ATMEL公司的AT89C51芯片做为驱动电机的核心电路模块，其性能足以扩展控制一个电机，而且该单片机支持在线编程并提供上千次的擦写功能。

并以低廉的价格普及于当今市场中。

数码管的选取，数码管分为单个数码管和多个数码管集成在一起。

由于考虑到电机转速能够达到很高，采用多个数码管集成在一起的比较省线，通过扫描动态显示数码管能够节省I./O接口，采用这种方式比较适合。

关于PMW波，PWM（Pulse Width Modulation）——脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的PWM控制技术。

PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在功率控制与变换的许多领域中。

单片机原理及应用—— P W M直流电机调速控制系统概括直流电动机具有良好的启动性能和调速特性。

具有起动转矩大、调速平稳、经济大范围、调速容易、调速后效率高等特点。

本文设计的直流电机调速系统主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路和独立按键组成的电子产品组成。

电源采用78系列芯片，采用PWM波方式实现电机+5V、+15V调速，PWM为脉宽调制，通过51单片机改变占空比实现。

通过独立的按键实现电机的启停、调速和转向的手动控制，LED实现测量数据（速度）的显示。

电机转速采用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机统计1秒内方波脉冲个数，计算电机转速，实现直流电机的反馈控制。

关键词：直流电机调速； H桥驱动电路； LED显示屏; 51单片机目录摘要2摘要错误!未定义书签。

目录3第 1 章引言41.1 概述41.2 国外发展现状41.3 要求51.4 设计目的及6第 2 章项目论证与选择72.1 电机调速模块72.2 PWM调速工作模式72.3 PWM脉宽调制方式错误!未定义书签。

2.4 PWM 软件实现错误!未定义书签。

第三章系统硬件电路设计83.1 信号输入电路83.2 电机PWM驱动模块电路9第 4 章系统的软件设计104.1 单片机选型104.2 系统软件设计分析10第 5 章 MCU 系统集成调试135.1 PROTEUS 设计与仿真平台错误!未定义书签。

18传统开发流程对比错误!未定义书签。

第一章简介1.1 概述现代工业的电驱动一般要求部分或全部自动化，因此必须与各种控制元件组成的自动控制系统相联动，而电驱动可视为自动电驱动系统的简称。

在这个系统中，生产机械可以自动控制。

随着现代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动电驱动正朝着计算机控制的生产过程自动化方向发展。

以实现高速、高质量、高效率的生产。

在大多数集成自动化系统中，自动化电力牵引系统仍然是不可或缺的组成部分。

控制系统分析课程设计课题：PWM直流调速系统设计系别：电气与电子工程系专业：自动化姓名：学号：指导教师：河南城建学院成绩评定·一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分（按下表要求评定）课程设计成绩评定目录一、设计目的 (1)二、设计要求 (1)三、PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 (1)四、总体设计方案 (4)4.1电路总体结构框图 (4)4.2给定电压电源电路设计 (4)4.3电流调节器设计 (5)4.4 转速调节器设计 (10)五、设计总结 (16)一、 设计目的通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。

通过课程设计： 1. 学会应用所学课程的理论知识独立完成一个课程设计。

2. 能够通过设计掌握独立分析和解决实际问题的能力。

3. 通过设计了解和掌握PWM 技术。

4. 学会使用和查找设计有关的书籍和资料。

5. 学会撰写课程设计总结报告，培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

二、 设计要求1．采用PWM 控制和变换器实现电机调速的功能。

2．使用可逆电路，最常用的可逆电路就是桥式可逆PWM 变换器。

3．学习PWM 技术在实际中的应用。

三、 PWM 变换器的工作状态和电压、电流波形脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可以改变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

PWM 变换器电路有多种形式，可以分为不可逆和可逆两大类，本次设计中要求使用可逆电路，最常用的可逆电路就是桥式可逆PWM 变换器桥式（亦称H 形）电路，如图3-1所示。

这是，电动机M 两端电压AB U 的极性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单级式、受限单级式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM 变换器。

第一章：前言1.1前言：直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机）或将机械能转换成直流电能(直流发电机）的旋转电机。

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,需要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，这是通过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：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，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、经济好等特点。

随着我国经济和文化事业的发展,在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

1.2本设计任务:任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统设计的主要内容以及技术参数:功能主要包括：1)直流电机的正转;2)直流电机的反转;3)直流电机的加速;4) 直流电机的减速；5) 直流电机的转速在数码管上显示； 6) 直流电机的启动； 7) 直流电机的停止；第二章：总体设计方案总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1。

0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM 脉冲,另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递,驱动H 型桥式电动机控制电路,实现电动机转向与转速的控制。

单片机控制PWM的直流电机调速系统的设计摘要：在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。

在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能关键字：AT89C51单片机；PWM技术；编码器；直流电动机The Design Of PWM Controlled DC Motor Speed ControlSystem Based On Single ChipAbstract：In the national production, along with the development of modern technology, electronic technology has been a comprehensive development, the technology has been applied in various fields. In all kinds of mechanical system, due to the dc motor has a good start, brake and the performance of speed, dc motor control system has been widely used in industry, spaceflight, most commonly used dc speed control technology is a pulse width modulation (PWM) dc speed control technology, which has a high precision, fast response time, high speed range and width of the low loss characteristics and use of computer digital control has become a kind of method of dc speed control system, the hardware circuit of a high degree of standardization, control software to carry out complex operation can be realized, different from the general linear optimization and adjustment of the adaptive, nonlinear, intelligent control law, also have information storage, data communication and fault diagnosis cannot achieve such simulation systemKeywords:AT89C51 microcontroller; PWM technology; encoder; DC Motor目录1.引言............................................................................................................ 错误！未定义书签。

课程基于单片机的直流电机pwm 调速目录1系统的方案设计 (1)1.1方案的分析 (1)1.2方案的制定 (2)2硬件的设计 (3)2.1单片机主电路的设计 (3)2.2数码管显示部分 (3)2.3L298N调制电动机电路 (5)2.4单片机驱动L298N模块 (6)3 软件设计 (7)3.1操作键盘设计 (7)3.2转速显示设计 (8)3.3PMW调制 (9)4 仿真截图 (10)4.1电机的正转工作状态 (10)4.2电机的反转工作状态 (11)5设计的体会 (12)参考文献资料 (13)附录 (14)仿真图 (14)原程序代码 (15)1系统的方案设计1.1方案的分析本课题以单片机为控制核心，用PMW控制技术实现对直流电机的速度及转向进行控制。

从而实现在数码管上显示当前转速，分别用按键进行加、减速及正反转控制。

单片机的选取：按单片机机器字长可分为：4位（很少用），8位，16位，32位。

按单片机内核可分为：MCS51、A VR、PIC、MSP、HT、ARM等等。

按单片机厂家分就更多了，MCS51内核的厂家就有多种：如SST、Atmel、STC、winbond等。

由于8位单片机的广泛应用场合及其不错的性性，一直受到小型电路解决方案的首选芯片，本方案采用ATMEL公司的AT89C51芯片做为驱动电机的核心电路模块，其性能足以扩展控制一个电机，而且该单片机支持在线编程并提供上千次的擦写功能。

并以低廉的价格普及于当今市场中。

数码管的选取，数码管分为单个数码管和多个数码管集成在一起。

由于考虑到电机转速能够达到很高，采用多个数码管集成在一起的比较省线，通过扫描动态显示数码管能够节省I./O接口，采用这种方式比较适合。

关于PMW波，PWM（Pulse Width Modulation）——脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的PWM控制技术。

课程设计设计题目：基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统仿真设计院系：电子信息与电气工程学院专业：电气工程及其自动化年级：姓名：指导教师：上海交通大学年月日题目基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计一、设计的目的1.将理论知识运用于实践当中,掌握模拟电路设计的基本方法、基本步骤以及基本要求。

在实践中了解电子器件的功能与作用。

2.学会信号发生器的设计方法，完成要求的性能和指标。

3.锻炼、提高在电子设计中发现问题、分析问题、解决问题的能力。

二、设计的内容及要求三、指导教师评语四、成绩指导教师(签章)年月日1 引言早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。

随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。

由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。

所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。

所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。

微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。

此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。

为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。

对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。

现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。