直流電機具有寬廣的調速范圍，平滑的無級調速特性。利用PWM脈沖信號的占空比決定輸出到直流電機的平均電壓的大小。通過調節占空比，可以實現調節輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以實現無級連續調節。以AT89S51單片機為核心的直流電機調速與測速系統的設計方法，給出了系統的主電路結構，以及驅動電路設計和系統軟件設計。充分利用了單片機的優點，具有頻率高、響應快的特點。

直流電機是工業生產中常用的驅動設備，具有良好的起動、制動性能。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成。控制系統的硬件部分復雜、功能單一，調試困難。采用單片機控制系統，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統能達到更高的性能。

1.基于單片機的PWM直流調速原理

PWM（脈沖寬度調制Pulse Width Modulation）簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術，廣泛應用在測量、功率控制與變換等許多領域中。脈寬調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極的偏置，改變晶體管導通時間。是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據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”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。PWM的占空比決定輸出到直流電機的平均電壓。所以通過調節占空比，可以實現調節輸出電壓無級連續調節。

2.調速和測速系統的主體電路設計

整個系統由輸入電路、PWM調制、測速電路、驅動電路、控制部分及顯示等部分組成，PWM調制選用AT89S51單片機通過軟件實現頻率和占空比的調節。

2.1 直流電機調速的設計方案

驅動電路用光耦隔離保護電路，控制部分由單片機和外圍電路組成，實現各種控制要求，外圍電路主要完成對輸入信號的采集、操作、對速度進行控制，顯示部分采用四位共陽數碼管。系統方框圖如圖1所示。

硬件方面以STC89C51單片機為核心，與復位電路、晶振電路、驅動電路，測速電路，鍵盤和LED顯示模塊構成最小系統。軟件上通過用C51語言編程產生PWM脈沖信號的輸出、鍵盤、LED顯示器的數據傳輸。通過鍵盤調節速度檔位給定值，實現按給定值跟蹤，在LED顯示器上顯示，最后再由單片機輸出PWM脈沖信號，通過測速電路把轉速反饋給CPU并且通過CPU把轉速顯示在LED顯示器上，從而達到想要設定的轉速。

2.2 顯示電路設計

LED采用動態顯示方式，通過四位數碼管顯示電機的實際轉速，方便系統的監控，系統用四位共陽數碼管、采用9012三極管開關電路驅動、控制數碼管的顯示。

2.3 復位電路

單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當單片機系統在運行中，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執行。復位電路采用上電自動復位和手動復位兩種方式，C3、R21、S1組成復位電路。

2.4 時鐘電路

系統的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電路。AT89系列單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。

3.直流電機驅動電路設計

從單片機直接輸出的控制信號無法直接驅動12V直流電機，目前大多采用H橋式驅動，為便于制作，驅動模塊采用光電耦合器對控制電路和主電路進行隔離，達到保護作用。U3輸出PWM控制信號通過三極管反相驅動電機，實現電機的調速。驅動電路圖如圖3所示。

4.測速電路設計

測速模塊由U型光電開關、轉盤及外圍電路組成，電機轉動時帶動轉盤轉動，轉盤上附有八個小孔，當轉盤轉動一周產生八個脈沖信號，由此可以把電機轉動的物理量轉換成變化的脈沖信號，經Q5開關驅動輸送到單片機外部中斷P3.3進行計數，實現對電機速度的監測。測速電路如圖4所示。

設計中應用了比較常見的光電測速方法來實現，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，在測速模塊中U型光耦。通過轉盤上八個圓孔，產生脈沖信號。電動機轉到孔處時，發光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導通，反之三極管截止。

U型光電開關與轉盤的安裝如圖5所示：把轉盤固定在電動機的轉軸上，安裝U型光耦，把光耦插入轉盤上，用螺絲固定，轉盤邊要安裝在U型光電開關的槽中間。

5.調速和測速系統的軟件設計

系統軟件采用C51語言開發，模塊化設計。定時器中斷工作在16位計數方式，實現數碼管顯示、PWM控制。外部中斷采用負邊沿觸發，實現電機轉速的測量。程序流程圖如圖6。

6.小結

基于單片機控制直流電機的測速與調速系統設計是將輸入的信號通過單片機轉換后輸出控制信號通過驅動電路調節直流電動機的轉速，并且能實時監控直流電動機的速度。由于采用的是PWM控制技術可以達到高精度的速度控制。測速采用光電開關，輕松實現速度的檢測，為此，所設計的直流電機的測速與調速系統應具有速度輸入、檢測、顯示、脈寬調制、電機驅動等主要電路，以便對電機速度進行控制與顯示。

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