摘要：本設計介紹基于AT89C51單片機的直流電機轉速控制系統的設計。主要完成軟件設計與仿真設計。對于仿真設計采用Protues7.8仿真軟件，軟件設計采用keil編程軟件。本設計主要由單片機控制單元、LCD1602顯示單元、PWM方波實現單元、模擬示波器以及獨立按鍵等模塊組成，并在理論研究的基礎上，進行仿真測試。仿真顯示能夠較好地實現直流電機的轉速、轉向、啟停控制。
關鍵詞：AT89C51;直流電機;PWM
引言
最早出現同時具有調速功能的電機是直流電機。直流電機是種類繁多的電機中極為重要的一種。在多年的研究和使用過程中，直流電機在調速控制領域中占有著不可取代的作用和地位，同時給各行各業的發展代來了方便和經濟效益。直流電機基于其良好的線性調速功能，和簡單易行的控制理論等，在實際的生產和生活中，直流電機仍然是調速電動機的最佳選擇[1]。因此，一代又一代人不斷地研究和探索直流電機的速度控制策略和方案。最近幾年隨著計算機科學技術的飛速發展和直流電機控制技術的發展，直流電機得到突飛猛進的發展，進而直流電機進入成熟期，但是科學家們對直流電機轉速的研究從來沒有停止。同時，單片機的迅速發展，在人們生活和生產中得到迅速普及，大到工業應用的機械臂，小到孩子們的玩具，在生活中更是隨處可見。單片機以其構造簡單、應用方便、易于操作等優點，在電子領域迅速發展，占據一席之地。單片機具有體積小、成本低、功耗少、重量輕同時具有較好的穩定性和通用性等特點[2]。尤其是AT89系列的單片機，由于其集成度高，處理性強，可靠性好，結構簡單，具有極優的性能價格比，使用方便等優點，已在中國廣泛應用同時在市場上廣泛流行。隨著直流電機、單片機以及計算機行業的飛速發展，人們對電子技術、智能化等概念的了解也更加深入，單片機控制直流電機領域也越來越得到大家的重視[3]。通過本設計的研究，我們不僅僅了解直流電機轉速控制的應用、發展和相關知識，我們還掌握了單片機的工作原理、電路設計、外圍芯片的整合、編程方法、編程技巧、應用行業以及它的實用價值。
1主要研究內容
直流電機與交流電機構相比，生產成本高，維護成本高。但是啟動性能良好、速度平穩性較好。直流電機經常適用于需要自由移動，無交流電的場合。如內燃機、高速運行的電梯，礦山起重機等生產設備。本設計采用單片機對直流電機轉速進行控制。本設計采用價格實惠、操作方便的AT89C51單片機，我們選擇該單片機是由于其不僅能滿足現有功能的需求，同時具有較高的性價比[4]，而且該單片機的發展歷史悠久，受到廣大電子開發者的喜愛。雖然DSP、FPGA等高端芯片，它們的功能遠遠高于單片機。但是它們價格較高同時發展不是非常成熟，仍然需要有更多研究和探索階段。綜合考慮以上因素，最終選擇價格實惠、功能完善、編程簡單[5]的單片機作為我們的開發芯片。本設計分為2個部分，Protues仿真以及Keil編程設計。Protues仿真目的是驗證電路的可行性和編程的功能完整性，Keil編程目的是驗證外圍設備的編程可行性和按鍵等模塊的穩定性，仿真中電機控制部分是核心內容，目的在于驗證仿真和keil編程是否能應用到實際當中。仿真電路設計以AT89C51為控制核心，外圍設備通過5個獨立的按鍵給CPU發送控制指令，同時CPU響應指令對直流電機做出啟動、關閉、轉向、減速和加速的控制，其中在仿真里面給出直流電機驅動電路的詳細設計，直流電機的轉速實現是通過兩路的PWM技術實現，在此基礎上通過Protues軟件中的模擬示波器顯示當前脈沖的寬度，當前的轉速以及其它相關信息則通過LCD1602顯示。其中PWM技術、直流電機的驅動電路、LCD1602顯示是本設計的難點和重點。
2直流電機轉速控制系統
直流電機轉速：n=(U-IR)/Kø(1)式中：U表示電樞端電壓;I表示電樞電流;R表示電樞電路總電阻;K表示電動機結構;參數ø表示磁通量。在式(1)中，直流電機的轉速控制方法可以分為兩部分。一部分為對勵磁磁通控制的勵磁控制法，另一部分為對電樞電壓的電樞控制法。本文采用勵磁不變時，通過改變電樞電壓的大小，以實現直流電機的調速。大部分的直流電機使用開關驅動方式，開關驅動是使半導體功率器件工作在開關狀態，通過脈寬調制PWM來控制電樞兩端的電壓，實現對電機速度的控制。電動機電樞兩端電壓平均值：U0=(t1Us+0)/(t1+t2)=t1Us/T=αUs(2)在式(2)中，Us表示電源電壓;T表示脈沖周期;t1表示導通時間，α表示占空比，代表導通時間和周期的比值。當Us不變時，改變占空比α來調節電壓從而實現對電機速度控制。本文設計的直流電機轉速控制系統，主要分為兩部分：軟件設計以及電路仿真。通過多次調試、測試實現系統的各模塊的功能。同時實現LCD1602顯示、PWM技術、直流電機的正轉反轉，按鍵的開啟、急停、減速、加速等功能。基于AT89C51單片機的直流電機轉速控制系統框圖如圖1所示。直流電機轉速控制系統主要組成為：CPU、LCD1602液晶顯示屏、獨立鍵盤、直流電機、復位電路以及晶體管震蕩電路等組成。直流電機轉速控制的工作原理：首先、通過五個獨立按鍵給單片機發送指令、CPU接收到指令后，通過定時器產生PWM脈沖，對直流電機進行控制。根據獨立按鍵設定的功能不同，通過定時器對PWM脈沖進行調整。最終實現電機的開啟、關閉、方向改變、減速、加速，并且把當前的單位時間內脈沖的個數顯示在LCD1602液晶屏上，根據PWM輸出的控制方向不同，將PWM信號通過Protues中的模擬示波器顯示出當前的脈沖波形。
3直流電機的調速功能仿真
直流電機轉速控制系統的控制器是單片機，本文采用ATMEL公司的AT89C51，采用keil進行軟件編程，Protues7.8進行仿真電路設計。軟件編程方面主要包括，獨立鍵盤的編程實現、LCD1602顯示驅動程序的設計、PWM占空比技術的設計、直流電機的控制，同時采用定時器進行PWM占空比的產生。程序的邏輯順序，在main文件里面是從上到下無限循環運行，當遇到中斷或者按鍵變化時，保存斷點，響應順序有一個優先級，先調用中斷，然后調用按鍵，當中斷和按鍵執行過后繼續返回斷點繼續執行。當所有的編程調試通過編譯之后生成hex文件，手動通過Protues7.8軟件將hex文件添加到AT89C51里面。在仿真軟件里面進行調試仿真。主程序作為入口程序端，起始階段，對LCD1602初始化、中斷初始化。完成前期的工作后，通過掃描獨立按鍵，如果按下啟動按鈕，此處單片機內容T0定時器開始計時，同時產生PWM占空比，此時PWM1為低電平PWM2為高電平，控制直流電機的正轉。只要按下停止按鍵，直流電機的運動立刻停止。在這個過程當中，如果按下轉向按鍵，則開啟直流電機正向功能，如果按下加速按鈕，通過開啟的T0定時器增加PWM占空比進而直流電機的轉速增加，如果減速按鈕，通過開啟的T0定時器減小PWM占空比進而直流電機的轉速減小.。如果再次按下轉速按鈕，則開啟直流電機的反向功能，如果按下加速按鈕，通過開啟的T0定時器增加PWM占空比進而直流電機的轉速增加，如果按下減速按鈕，通過開啟的T0定時器減小PWM占空比進而直流電機的轉速減小。實驗過程中，首先按下開啟按鈕，直流電機開始工作。如果需要實現電機的速度增加操作，可以按下加速按鈕，每按一次直流電機的速度增加一次，但是它的速度增加有一個極限值，不能無限增加。當按下減速按鈕時，直流電機的速度減小，直到減小到0為止。在任何一個過程當中都可以按停止按鈕實現直流電機的急停。同時可以調節轉向按鍵進行電機方向的控制，當電機不工作時可以按下啟動按鍵進行電機的開啟控制。
4直流電機調速后并顯示功能仿真
通過上面的速度調整，同時為了用戶更好地觀察當前的運動情況，采用LCD1602，實現對當前的電機速度的顯示，非常直觀清晰地展示出來。實驗通過觀察速度的穩定性來判定控制效果。如果數字一直很穩定，在沒有調整的情況下數字一直不變，或者發聲輕微的改動，則實驗的電路設計部分很好，進而讓整個電機的控制部分表現出非常穩定的趨勢，說明電機的工作很穩定。如果試驗中LCD1602上面現實的數字一直不停地發生大的數字變動，進而得出電機工作不穩定，需要進一步進行調整。
5結論
本文采用AT89C51單片機作為整個控制系統的控制核心，通過5個獨立的鍵盤作為控制指令輸入給CPU同時單片機響應控制指令，在仿真系統中實現對電機各項控制，包括加/減速，以及方向控制，開啟與關閉控制，直流電機的轉速是通過改變兩路的PWM來改變占空比實現，直流電機的轉向通過H橋上三極管的導通特性來實現。在此基礎上通過Protues7.8軟件中的模擬示波器顯示當前脈沖的寬度，最后用采用LCD1602顯示當前的轉速和其它信息。設計仿真結果顯示控制效果較好。
參考文獻
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[2]朱貴國,汪黨.基于STM32單片機的直流電機調速系統設計[M].北京:機械工業出版社,2013.
[3]李美艷.基于單片機的直流電機調速系統的設計[J].電子設計工程,2016,24(22):158-160.
[4]何少佳,史劍清,王海坤.基于AT89S51單片機的直流電機控制系統設計[J].裝備制造技術,2013,(8):21-23.
[5]王云慧,陳陽,謝東軍.基于單片機的直流電機電壓調速器的設計與實現[J].信息系統工程,2016,(4):45-45.
作者：趙娟萍 王會珍 周喜 姚新海
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