黃長浩

摘要：本文主要論述了利用AT89C51單片機產(chǎn)生PWM信號，實現(xiàn)對直流電機進行調速并測速、顯示的方法。文章中對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及轉速測量和顯示速度值等均作了詳細的闡述。另外，本設計使用了Proteus中帶編碼器的直流電機模型對其轉速進行測量，并在LCD1602顯示器上顯示電機的實時轉速。

關鍵詞：直流電機；AT89C51單片機；PWM信號

0引言

直流電機具有優(yōu)良的控制性能，其機械特性和調速特性均為平行的直線，調速范圍廣，易于平滑調節(jié)【1】。直流電機已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學技術和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的重要元件，對直流電機的控制要求也越來越高，傳統(tǒng)的采用由晶閘管可控整流器供電的調速系統(tǒng)已滿足不了現(xiàn)代社會的需求【2】。同時，隨著電子技術高速發(fā)展，直流電機的控制逐漸地由模擬化走向數(shù)字化，特別是單片機技術發(fā)展的日新月異，使得許多控制功能和算法可以由軟件來實現(xiàn)。

1系統(tǒng)總體方案

1.1 PWM調速原理

PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調制是通過產(chǎn)生矩形波改變固定電壓的開關頻率，從而改變負載兩端的平均電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中【3】。

在PWM驅動控制的調速系統(tǒng)中，按一個固定的頻率（本系統(tǒng)選取頻率f=50Hz）來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。

設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比為D= t1 / T，則電機的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax 是指電機在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。

由上面的公式可見，當我們改變占空比D = t1 / T時，就可以得到電機不同的平均速度Va，從而達到調速的目的。

1.2 PWM調速工作方式

單片機控制使一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調節(jié)決定電動機的轉向和轉速，即采用單極性工作方式。

1.3 PWM調脈寬方式

PWM調脈寬方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。本設計中采用定頻調寬的方式。因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定，并且在采用單片機產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。

1.4 PWM實現(xiàn)方式

本設計采用定時器中斷方式產(chǎn)生PWM脈沖波，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個微秒。如果采用軟件延時方式產(chǎn)生PWM脈沖波，占用大量CPU，且精度上不及前者，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。

2系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 總體硬件電路框圖

2.2 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示器實時地顯示電機的轉速。其中，RS、RW和E分別由單片機的P2.5口、P2.6口和P2.7口控制，D0-D7和單片機的P0口相連，用于接收地址、命令和數(shù)據(jù)。

2.3 按鍵控制模塊

本設計采用最簡單的獨立按鍵對系統(tǒng)進行控制。用五個獨立按鍵分別連接P2.0至P2.4口。單片機上電初始化后，首先掃描鍵盤，當按下“開”按鍵并放開時，則啟動電動機轉動，否則一直掃描鍵盤，其他按鍵無效。需要注意的是：所有按鍵長按住無效，只有按下并放開才能完成一次相應的動作。

3系統(tǒng)軟件部分的設計

3.1 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)的整個運行過程為：給整個系統(tǒng)上電單片機啟動后，LCD初始化，進入鍵盤掃描程序，判斷鍵盤是否按下，如果有鍵按下，消除抖動并執(zhí)行相應的子程序，然后返回鍵盤掃描程序處于等候狀態(tài)。

3.2 PWM信號產(chǎn)生

本設計通過定時器T0定時，來產(chǎn)生PWM信號。每1ms中斷一次，一個周期內中斷20次，即PWM波信號頻率為50Hz。在中斷處理程序中判斷并輸出高電平或低電平。

3.3 測速程序

本設計通過定時器T1來測定電機輸出脈沖的寬度，從而計算電機轉速。將工作方式寄存器TMOD中的對應于T1的門控位GATE置“1”，用外中斷引腳（INT1）上的高電平來啟動定時器T1運行，高電平結束時定時器停止，取出TH1和TL1的值，計算出高電平寬度，從而計算出電機輸出脈沖的頻率，并通過公式計算出電機的轉速。

4 系統(tǒng)調試

本設計通過Proteus軟件仿真來檢驗設計方案的可行性【4】。在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當程序在Keil C51中調試通過后，生成以hex為擴展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proteus中成功進行仿真的文件。

所有按鍵長按住無效，只有按下并松開時才能完成一次相應的動作。當按下“開”鍵并松開時，電機開始工作。若需要加快電機的轉速，則按下“加速”鍵并松開，多次操作直到電機轉速合適；相反，需要減慢電機的轉速時，則按“減速”鍵。當然，在某些特定的環(huán)境下，還需改變電機的轉向，此時，可以按一下“正反”鍵，以達到改變電機轉向的目的。當不需要電機工作時，則按下“關”鍵。

用Proteus中的示波器觀察直流電機以不同轉速運轉時，PWM信號的波形和電機輸出矩形波的波形。直流電機速度值越大，PWM信號的占空比越大，電機輸出矩形波的頻率也越高。即電機速度值與PWM信號的占空比和電機輸出矩形波的頻率成正比。

5結束語

本文所述的直流電機調速系統(tǒng)是以單片機AT89C51為核心，而通過單片機來實現(xiàn)電機調速有多種途徑，采用PWM軟件方法來實現(xiàn)的調速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機的效能。在硬件上采用H型橋式驅動電路，解決了電機驅動的效率問題。整個設計通過了Keil C51軟件調試和Proteus仿真，大大簡化了系統(tǒng)設計，縮短了開發(fā)周期。但該設計也有不足之處，主要是在關于速度的反饋控制上，缺少有效的PID控制算法，以至于轉速還不是非常穩(wěn)定。由于速度計算公式的精確度問題，使得測定的速度值與直流電機實際速度值也有一定的誤差。

參考文獻：

[1]賀益康，許大中.電機控制[M].第三版.杭州：浙江大學出版社，2010.9～48.

[2]孫冠群，于少娟.控制電機與特種電機及其控制系統(tǒng)[M].北京：北京大學出版社，2011.245～260.

[3]李維軍，韓小剛，李晉.基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機PWM調速系統(tǒng)[J].機電一體化，2004，5：49～51.

[4]江世明.基于Proteus的單片機應用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.33～37.