摘 要
随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义。长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位。
本设计是基于单片机控制的PWM直流电机调速系统，系统以STC89C51单片机为核心，以130小直流电机为控制对象，以L298N为H桥驱动芯片实现电动机的转速反馈控制。调节PWM 占空比从而控制电机两端电压，以达到调速的目的。用4*4键盘输入有关控制信号及参数，并在12864 LED上实时显示输入参数及动态转速。系统的硬件设计部分包括按键模块、电动机驱动模块、STC89C51单片机系统、光电门测速模块、保护电路、供电电源和直流电机。系统的软件部分包括键盘控制程序设计、显示程序设计、主控程序设计。整个系统实现了单片机控制电机的启制动、正反转、速度调节的效果。
关键词：STC89C51单片机；直流电机；PWM ；占空比
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Abstract
With the progress of the times and the development of science and technology, motor speed control system in the industrial and agricultural production, transportation and daily life plays an increasingly important role, therefore, the study of motor speed has a positive meaning. Long-term since, the DC motor is widely used in the control system, and has been in control field to dominate.
The design is based on the single chip microcomputer control of PWM DC motor speed control system, the system uses STC89C51 single chip microcomputer as the core, with 130small DC motor as control object, with L298N H bridge driver chip to realize the motor speed feedback control. Regulation of the PWM duty cycle to control the motor voltage at both ends, so as to achieve the purpose of speed. With 4*4 keyboard input control signal and parameters, and in 12864LED real-time display input parameters and dynamic speed. System hardware design part comprises a key module, motor drive module, STC89C51 singlechip system, photoelectric door gun module, protection circuit, power supply and a DC motor. System software includes keyboard control program design, program design, main control program design. The entire system to achieve the single-chip microcomputer to control the motor start and brake, reverse, speed regulating effect.
Keywords ：STC89C51 single chip microcomputer；DC motor；PWM；Duty ratio
II
目 录
摘 要 .................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................ II 1 引言 ............................................................................................................... 1 1.1 直流调速系统概况 .................................................................................... 1 1.2 设计目的和意义 ........................................................................................ 2 1.3 国内外发展现状 ........................................................................................ 3 1.4 设计要求和内容 ........................................................................................ 3 2 直流调速原理分析与方案确定 ................................................................... 4 2.1 直流PWM调速系统原理分析 ................................................................ 4 2.2 方案论证和选择 ........................................................................................ 6 3 系统硬件设计 ............................................................................................. 10 3.1 按键控制模块 .......................................................................................... 10 3.2 电动机驱动模块 ...................................................................................... 11 3.4 STC89C51单片机系统 ......................................................................... 16 3.5 光电门测速模块 ...................................................................................... 17 3.6 保护电路 .................................................................................................. 18 3.7 供电电源 .................................................................................................. 18 3.8 直流电动机的说明 .................................................................................. 18 3.9 系统总体设计电路图 .............................................................................. 19 4 系统软件设计 ............................................................................................. 21 4.1 键盘控制程序设计 .................................................................................. 21 4.2 显示程序设计 .......................................................................................... 23 4.3 主控程序设计 .......................................................................................... 25 5 实物的直流调速实现与调试 ..................................................................... 29 结 论 ............................................................................................................... 33 参考文献 ......................................................................................................... 34 致 谢 ............................................................................................................. 35
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1 引言
1.1 直流调速系统概况
现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。
随着近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，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分[1]。
在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。
随着电力电子技术的发展，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，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单，
需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势[2]。
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1.2 设计目的和意义
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。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[3]。
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。
1.3 国内外发展现状
电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、
POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。利用这种有自关断能力的器件，取消了
原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制
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