隨著時代的進步和科技的發展，電機調速系統在工農業生產、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機調速的研究有著積極的意義.長期以來，直流電機被廣泛應用于調速系統中，而且一直在調速領域占居主導地位。基于單片機的直流電機調速系統硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算。系統的穩定性好，可靠性高。直流電動機具有優良的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速。在軋鋼機、礦井卷機、挖掘機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等領域中得到廣泛應用。

本設計是基于單片機控制的PWM直流電機調速系統，系統以AT89C52單片機為核心，以2A、1000r/min小直流電機為控制對象，以L298N為H橋驅動芯片實現速度、電流反饋雙閉環。采用PID控制算法，調節PWM 占空比從而控制電機兩端電壓，以達到調速的目的。用4*3鍵盤輸入有關控制信號及參數，可以實現電機的啟制動、正反轉、速度調節。并在4位LED上實時顯示輸入參數及動態轉速。

基于單片機的PWM直流調速系統設計

摘要

Abstract            

第一章  緒論

1.1課題背景

1.2課題功能

第二章 系統硬件電路的設計

2.1 系統總體設計

2.1.1  系統總體設計框圖

2.1.2單片機的選擇及其簡介

2.1.3 其他芯片簡介

2.2  PWM信號發生電路設計

2.2.1   PWM的基本原理

2.2.2   PWM信號發生電路設計

2.2.3   H橋芯片的工作原理

2.3 主電路設計

2.4  轉速和電流的測量

2.5   AD轉換

2.6顯示與鍵盤電路

第三章 系統軟件程序的設計

3.1  PID控制算法原理及流程圖

3.2 系統部分程序的設計……………………………………………………....29

   3.2.1 單片機資源分配……………………………………………………...29

3.2.2 程序流程圖

結論

參考文獻

附錄

致謝

隨著時代的進步和科技的發展，電機調速系統在工農業生產、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機調速的研究有著積極的意義.長期以來，直流電機被廣泛應用于調速系統中，而且一直在調速領域占居主導地位，這主要是因為直流電機不僅調速方便，而且在磁場一定的條件下，轉速和電樞電壓成正比，轉矩容易被控制；同時具有良好的起動性能，能較平滑和經濟地調節速度。因此采用直流電機調速可以得到良好的動態特性。由于直流電動機具有優良的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速。在軋鋼機、礦井卷機、挖掘機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等領域中得到廣泛應用。近年來交流調速系統發展很快，然而直流控制系統畢竟在理論上和在時間上都比較成熟，而且從反饋閉環控制的角度來看，它又是交流系統的基礎，長期以來，由于直流調速系統的性能指標優于交流調速系統。因此，直流調速系統一直在調速系統領域內占重要位置。

本文介紹了基于AT89C52單片機來實現最優PID控制的直流脈沖（PWM）調速系統，并且詳細論述了該系統的控制方法、結構、參數設計、程序設計等方面的問題。該系統結構簡單，調速性能好，性能價格比高，真正實現了直流調速系統的高精度控制。

本設計是基于單片機控制的PWM直流電機調速系統，系統以AT89C52單片機為核心，以2A、1000r/min小直流電機為控制對象，L298N為H橋驅動芯片實現速度、電流反饋雙閉環。采用PID控制算法，調節PWM 占空比從而控制電機兩端電壓，以達到調速的目的。用4*3鍵盤輸入有關控制信號及參數，可以實現電機的啟制動、正反轉、速度調節。并在4位LED上實時顯示輸入參數及動態轉速。

本設計的任務是基于單片機控制的PWM直流電機調速系統，系統以單片機為核心，以小直流電機為控制對象，實現速度、電流反饋雙閉環、采用PID控制算法。方便的人機對話接口，用鍵盤輸入有關控制信號及參數，可以實現電機的啟制動、正反轉、速度調節。并在LED上實時顯示輸入參數及動態轉速。因此整個系統大致包括五部分：單片機、顯示電路、鍵盤電路、驅動電路、檢測電路�！�1】

根據設計任務，提出如圖2.1所示的硬件電路組成框圖。

圖2.1

本設計選用了AT89C52單片機【2】，下面對它進行介紹。圖2.2給出了At89C52的芯片引腳結構。

at89c52單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8K bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產，與標準MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容。功能強大的at89c52單片機適合于許多較為復雜的控制應用場合。

（1）At89C52  主要性能參數

①與Mcs-51產品指令和引腳完全兼容。
②8字節可重擦寫FLASH閃速存儲器
③1000 次擦寫周期
④全靜態操作：0HZ-24MHZ
⑤三級加密程序存儲器
⑥256X8字節內部RAM
⑦32個可編程I/0口線
⑧3個16 位定時／計數器
⑨8個中斷源
⑩可編程串行UART通道、低功耗空閑和掉電模式

（2）At89C52功能特性
    AT89C52 提供以下標準功能：8字節FLASH閃速存儲器，256字節內部RAM , 32個I/O口線，3個16 位定時／計數器，一個6向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89c52可降至OHz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式�？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時／計數器．串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位.

圖2.2  AT89C52引腳圖

（3）At89C52部分引腳功能說明
①XTAL1：片內晶振電路反相放大器的輸入端．

②XTAL2：片內晶振電路反相放大器的輸出端。
③P0：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O 口，即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時．每位能以吸收電流的方式驅動8個TTL 邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。
    在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。
    在FLASH中編程時，P0口接收指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。
④P1口：P1 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，Pl的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。與AT89C51不同之處是，Pl.0 和P1.1還可分別作為定時/計數器2 的外部計數輸入（Pl.0/T2 ）和外部觸發輸入（P1.1/T2EX) , FLASH編程和程序校驗期間，Pl接收低8位地址。

⑤P2口：P2 是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯電路。對端口P2寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。
    在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如執行MOvx@DPTR 指令）時，P2送出高8 位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器、如執行MOVX@RI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內容。
    FLASH編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。

⑥P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。
    P3口除了作為I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示。

此外，P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。⑦RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。

表2.1

⑧ALE/PROG:當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE(地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節．一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。
    對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖(PROG)。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH單元的D0位置位．可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活,此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。

⑨PSEN：程序儲存允許PSEN輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

⑩EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH ) , EA端必須保持低電平(接地）．需注意的是：如果加密位LBI被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端）, CPU則執行內部程序存儲器中的指令。
    flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP ，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP 。

（4）AT89C52特殊功能寄存器

在AT89C52片內存儲器中，80H-FFH共128個單元為特殊功能寄存器（SFE ) 。并非所有的地址都被定義，從80H-FFH共128 個字節只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數位將不確定，而寫入的數據也將丟失。
    不應將數據"1"寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產品中可能賦予新的功能。在這種情況下，復位后這些單元數值總是“0”。

（5）AT89C52 單片機擴展電路及分析

AT89C52 提供以下標準功能：8字節FLASH閃速存儲器，256字節內部RAM , 32個I/O口線，3個16 位定時／計數器，一個6向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。由于AT89C52具有256字節內部RAM。            對本設計已經足夠使用，因此不需要再擴展外部數據存儲器。但本設計需外擴I/O接口，因此采用8255擴展外部I/O口。因為單片機的Ｐ0口是數據總線和低八位地址線共用的，所以需要使用地址鎖存器74ＨＣ373。由此將Ｐ0口地址送于74ＨＣ373鎖存，以便下一時刻，Ｐ０口傳送數據。

2.1.3.18255的簡介【3】

8255是一個并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口.它具有24個可編程設置的I/O口,即3組8位的I/O口，為PA口,PB口和PC口.它們又可分為兩組12位的I/O口,A組包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B組包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A組可設置為基本的I/O口,閃控(STROBE)的I/O閃控式,雙向I/O3種模式;B組只能設置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式,而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定。圖2.3給出了8255芯片引腳結構.

8255引腳功能
① RESET:復位輸入線，當該輸入端外接高電平時，所有內部寄存器(包括控制寄存器)均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。

　　圖2.3　8255引腳圖

② CS:芯片選擇信號線，當這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0時,表示芯片被選中，允許8255與CPU進行通訊;/CS=1時,8255無法與CPU做數據傳輸.
③ RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時,即/RD=0且/CS=0時,允許8255通過數據總線向CPU發送數據或狀態信息，即CPU從8255讀取信息或數據。
④ WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時,即/WR=0且/CS=0時,允許CPU將數據或控制字寫入8255。
⑤ D0～D7:三態雙向數據總線，8255與CPU數據傳送的通道，當CPU 執行輸入輸出指令時，通過它實現8位數據的讀/寫操作，控制字和狀態信息也通過數據總線傳送。
⑥ PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數據輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數據輸入鎖存器。
⑦ PB0～PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位的輸入輸出緩沖器。
⑧ PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數據輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數據輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設定而分成2個4位的端口， 每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態信號輸入端口。8255 有4 個內部緩存器，分別是A 端口緩存器、B 端口緩存器、C 端口緩存器及控制緩存器。
    當微電腦要讀寫8255 的內部緩存器時，必須利用A1 及A0 指定要對那一個暫器進行讀寫 動作。下表為A1、A0 配合RD、WR及CS 的控制狀態表。

表2.2

373為三態輸出的八 D 透明鎖存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 兩種線路結構型式。

74HC373其主要電器特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別):
型號 tPd PD
54S373/74S373 7ns 525mW
54LS373/74LS373 17ns 120mW
    373 的輸出端 O0~O7 可直接與總線相連。當三態允許控制端 OE 為低電平時，O0~O7 為正常邏輯狀態，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時，O0~O7 呈高阻態，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。
    當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數據 D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數據電平。當 LE 端施密特觸發器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。

圖2.4給出了74HC373芯片引腳結構。

圖2.4  74HC373引腳圖

2.1.3.3L298N簡介【5】

L298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。可以方便的驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。

圖2.5是L298N內部結構圖

L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達2．5 A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，如圖2.7此裝置我們選用驅動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。EnA，EnB接PWM端，控制電機的速度。表2.3是L298N功能邏輯圖。 　　

圖2.5

表2.3

In3，In4的邏輯圖與表1.3相同。由表2.3可知EnA為低電平時，電機停止運行，當EnA為PWM時，輸入電平為一高一低，電機正或反轉。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。下圖是其引腳圖：

圖2.7

圖2.8為采用內部集成有兩個橋式電 路的專用芯片L298所組成的電機驅動電路。驅動芯片L298是驅動二相和四相步進電機的專用芯片，我們利用它內部的 橋式電路來驅動直流電機，這種方法有一系列的優點。每一組PWM波用來控制一個電機的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機的正反轉，控制比較簡單，電路也很簡單，一個芯片內包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復雜性，如圖所示IOB10、IOB11控制第一個電機的方向，IOB8輸入的PWM控制第一個電機的速度；IOB12、IOB13控制第二個電機的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個電機的速度。

圖2.8

AD574A 是美國模擬數字公司（Analog）推出的單片高速 12 位逐次比較型 A/D 轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容器件即可構成一個完整的 A/D 轉換器.

AD574是一種常用的12位AD變換芯片，也可以實現8位轉換。有兩個模擬信號輸入端，分別為10V輸入端和20V輸入端，各自都既允許單極性輸入，也允許雙極性輸入。但芯片本身是單路工作，只允許一個模擬信號輸入端接入信號。它可以和16位CPU相連接，也可以和8位CPU相連接。只需要適當的改變某些控制引腳的接法。AD574可以通過簡單的三態門 、鎖存器接口與微機的系統總線相連接，也可以通過編程接口與系統總線相連接。采用查詢STS狀態可判斷變換是否完成。

AD574A主要功能特性如下：

①分辨率：12位

②非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS     

③轉換速率：25us   

④模擬電壓輸入范圍：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V兩檔四種   

⑤電源電壓：±15V和5V         

⑥數據輸出格式：12位/8位

⑦芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式

圖2.9 AD574引腳圖

AD574A的引腳結構如圖2.9。

[1]. Pin1(+V)——+5V電源輸入端。

[2]. Pin2(12/8 )——數據模式選擇端，通過此引腳可選擇數據縱線是12位或8位輸出。

[3]. Pin3(CS )——片選端。

[4]. Pin4(A0)——字節地址短周期控制端。與 端用來控制啟動轉換的方式和數據輸出格式。須注意的是， 端TTL電平不能直接+5V或0V

連接。

[5]. Pin5(R/C)——讀轉換數據控制端。

[6]. Pin6(CE)——使能端。

[7]. Pin7(V+)——正電源輸入端，輸入+15V電源。                                

[8]. Pin8(REF OUT)——10V基準電源電壓輸出端。

[9]. Pin9(AGND)——模擬地端。

[10]. Pin10(REF IN)——基準電源電壓輸入端。

[11]. Pin(V-)——負電源輸入端，輸入-15V電源。

[12]. Pin1(V+)——正電源輸入端，輸入+15V電源。

[13]. Pin13(10V IN)——10V量程模擬電壓輸入端。

[14]. Pin14(20V IN)——20V量程模擬電壓輸入端。

[15]. Pin15(DGND)——數字地端。

[16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12條數據總線。通過這12條數據總線向外輸出A/D轉換數據。

[17]. Pin28(STS)——工作狀態指示信號端，當STS=1時，表示轉換器正處于轉換狀態，當STS=0時，聲明A/D轉換結束，通過此信號可以判別A/D轉換器的工作狀態，作為單片機的中斷或查詢信號之用。  
   AD574工作時序的控制功能狀態表。

表 2.4

LF398是一種反饋型采樣保持放大器，也是目前較為流行的通用型采樣保持放大器。與LF398結構相同的還有LF198/LF298等，都是由場效應管構成，具有采樣速度高，保持電壓下降慢和精度高等特點。

當作為單一放大器時，LF398直流增益精度為0.002%,采樣時間小于6us時精度可達0.01%;輸入偏置電壓的調整只需在偏置端(2腳)調整即可,并且在不降低偏置電流的情況下,帶寬允許1MHz,其主要技術指標有:
1、工作電壓：+5--+18V
2、采樣時間：<10us
3、可與TTL、PMOS、CMOS兼容
4、當保持電容為0.01uF時，典型保持步長為0.5mV
5、低輸入漂移，保持狀態下輸入特性不變
6、在采樣或保持狀態時高電源抑制

下圖為集成采樣/保持器--LF398引腳圖。

圖2.10  LF398引腳圖               圖2.11 CS3020外形圖                                 

2.1.3.6 3020T簡介

霍爾傳感器【7】是對磁敏感的傳感元件，常用于開關信號采集的有CS3020、CS3040等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖2.11所示是CS3020的外形圖，將有字面對準自己，三根腳從左右

分別是Vcc，地，輸出。
    使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以[url=]實現[/url]旋轉一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。
    這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業現場應用廣泛。

2.1.3.7 CS040G簡介

CS040G系列霍爾電流傳感器

應用霍爾效應開環原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形的電流。

結構參數（mm）：

圖2.12

引腳說明：

1：+ 15V

2：0V(電源地)

3：Vout

4：-15V

表2.5結構參數

使用說明                                                

1.傳感器按結構圖說明接線，當待測電流從傳感器穿芯孔中穿入，即可從輸出端測得與被測電流一一對應的電壓值。（注：錯誤的接線可能導致傳感器的損壞）

2.根據用戶需求定制不同額定輸入電流和輸出電壓的傳感器。

3.傳感器的輸出幅度可根據用戶需要進行適當調整。

直流電機脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation-簡稱PWM)【8】調速產生于20 世紀70 年代中期，最早用于自動跟蹤天文望遠鏡、自動記錄儀表等的驅動，后來由于晶體管器件水平的提高及電路技術的發展, PWM 技術得到了高速發展,各式各樣的脈寬調速控制器，脈寬調速模塊也應運而生，許多單片機也都有了PWM輸出功能。而MCS-51 系列單片機作為應用最廣泛的單片機之一，卻沒有PWM 輸出功能，本文采用定時器配合軟件的方法實現了MCS-51單片機的PWM輸出調速功能,這對精度要求不高的場合是非常實用的。

理論基礎：
　　沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

　圖2.13　形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

面積等效原理：
　 分別將如圖2.13所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環節（R-L電路）上，如圖2.14a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖2.14b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i(t)也是周期性的。用傅里葉級數分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

圖2.14 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形

用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規律變化。
SPWM波形——脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形。

要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。
　　PWM電流波： 電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。
　　SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理

采用定時器及軟件編程輸出PWM。用單片機控制H橋芯片使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術。

本設計采用H橋驅動芯片L298N來實現PWM電機調速。

圖2.15 用PWM波代替正弦半波

2.2.3   H橋芯片的工作原理【9】

圖2.16中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋式驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：圖2.16及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅動電路沒有畫出來）。
    如圖2.16所示，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。

要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖2.17所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。
當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。

圖2.16 H橋式電機驅動電路
      

圖2.17 H橋電路驅動電機順時針轉動

    圖2.18所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另

一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。

二、使能控制和方向邏輯

驅動電機時，保證H橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。
    基于上述原因，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。

圖2.18 H橋電路驅動電機逆時針轉動

    圖2.19所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側腿上都只有一個三極管能導通。（與本節前面的示意圖一樣，圖2.19所示也不是一個完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。）

采用以上方法，電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR－L信號為0，DIR－R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經電機（如圖2.20所示）；如果DIR－L信號變為1，而DIR－R信號變為0，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。
實際使用的時候，用分立件制作H橋式是很麻煩的，好在現在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓、電流內使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

圖2.19具有使能控制和方向邏輯的H橋電路
   

圖2.20 使能信號與方向信號的使用

2.3 主電路設計

本設計中電機兩端電樞電壓由L298提供，通過調節PWM占空比來調節L298輸出電壓即電機兩端電樞電壓。主電路設有H橋型二級管電路作為保護電路。

電源經單相整流，電容濾波、穩壓后提供本設計所需電源。穩壓器7805、7905分別提供+5V、-5V電壓，7815、7915分別提供+15V、-15V電壓。

轉速檢測的傳感器、電流檢測的傳感器都要與直流電機連接。

電源部分如圖2.21。

本設計采用3020T和CS040G分別對電機轉速和電流進行測量。

3020T其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。

設計中采用定時器T0，再配以軟件計數器對脈沖進行計數。

CS040G   應用霍爾效應開環原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形的電流。當待測電流從傳感器穿芯孔中穿入，即可從輸出端測得與被測電流一一對應的電壓值。如圖2.22。

  圖2.21

由于本設計只有電流信號需要進行AD轉換，因此采用單通道AD轉換芯片AD574。而電流隨著電機轉動方向的不同會有正負之分，因此AD574采用雙極性接法。AD芯片與采樣保持其的連接如下：

圖2.23

本設計需要4為ＬＥＤ來實時顯示轉速值，且當有鍵盤按下時，要給予相應的顯示，本設計采用動態顯示。

動態顯示方式：動態顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數碼管的位選被輪流選中，多個數碼管公用一組段選，段選數據僅對位選選中的數碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。通過調整電流和時間參數，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數不大于8位，則顯示器的公共端只需一個8位I/O口進行動態掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個8位口（稱為段碼輸出）。

４位共陽極ＬＥＤ，用ＰＮＰ型三極管進行驅動。8255A口的PA3到PA0分別控制4位LED的選通，ＰＢ口則進行８位筆段代碼的傳輸。

本設計采用３＊４矩陣鍵盤，由8255的C口控制鍵盤，PC2到PC0作為列線，PC7到PC4作為行線。

第三章 系統軟件程序的設計

3.1  PID控制算法原理及流程圖

所謂增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量Δku。當執行機構需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數值時，可以使用增量式PID控制算法進行控制。
    增量式PID控制算法可以通過（式3.1）推導出。

（3.1）

（3.2）

(3.3)

                                   (3.4)

由（式3.3）可以看出，如果計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由（式3.3）求出控制量。
    增量式PID控制算法與位置式PID算法（式3.1）相比，計算量小的多，因此在實際中得到廣泛的應用。
    而位置式PID控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計算公式：

   (3.5)

圖3.1 PID增量式控制算法原理圖

圖3.2軟件算法流程圖

在實際編程時α0、α1、α2可預先算出，存入預先固定的單元，設初值e（k-1）、e（k-2）為0。

增量式PID算法的優點（1）位置式算法每次輸出與整個過去狀態有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較大的積累誤差。而增量式只需計算增量，當存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小。

3.2 系統中部分程序的設計
3.2.1 單片機資源分配

系統設計內存分配表：

主程序包括如下三個環節：

實現各種初始化，包括設置堆棧指針、8255初始化、定時器/計數器初始化、以及開中斷、定時器/計數器啟動等。

實現顯示（按照人機對話功能顯示各種不同參數）

不斷地進行鍵掃描，判斷是否有鍵按下。如無鍵按下，則返回；若有鍵按下，則轉各鍵處理子程序。

系統每隔10ms對轉速、電流采樣一次，每采樣三次，進行一次數據處理。即分別對轉速、電流采樣值進行中值濾波，標度變換，之后送顯示緩存區，對轉速進行PID運算，輸出作為電流PID運算的輸入，電流PID運算的輸出用來調節PWM占空比。

中斷程序流程如圖3.4

本次設計我做的是直流電機調速，以前也接觸過，是在實訓的實驗臺上實現。通過本次設計我了解了許多關于直流電機調速的知識，也查詢了許多的資料，并結合自己的想法完成了課題。經過學習，使我對51單片機有了更進一步的了解，對一個系統的設計要如何入手有了更加深刻的體會。在整個設計過程中，也遇到了一些問題，如PID算法、PWM占空比調節等，但經過努力都一一解決了。

本設計的任務是基于單片機控制的PWM直流電機調速系統，系統以單片機為核心，以小直流電機為控制對象，實現速度、電流反饋雙閉環、采用PID控制算法。方便的人機對話接口，用鍵盤輸入有關控制信號及參數，可以實現電機的啟制動、正反轉、速度調節。并在LED上實時顯示輸入參數及動態轉速。

我的設計是基于單片機控制的PWM直流電機調速系統，系統以AT89C52單片機為核心，以2A、1000r/min小直流電機為控制對象，以L298N為H橋驅動芯片實現速度、電流反饋雙閉環。采用PID控制算法，調節PWM 占空比從而控制電機兩端電壓，以達到調速的目的。用4*3鍵盤輸入有關控制信號及參數，可以實現電機的啟制動、正反轉、速度調節。并在4位LED上實時顯示輸入參數及動態轉速。

我用了Protel 99 se來繪制系統硬件電路圖。用實驗室現有的資源編譯了我的程序，并且通過了編譯。