王 培

三門峽路橋建設(shè)集團有限責任公司

基于Proteus的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真

王 培

三門峽路橋建設(shè)集團有限責任公司

本設(shè)計以單片機AT89C51為控制系統(tǒng)核心，將控制信號施加在L298芯片上來控制電機運行。設(shè)計是以鍵盤作為輸入，實現(xiàn)對直流電機的啟停、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，采用PWM技術(shù)控制電動機，以改變占空比來實現(xiàn)對電機速度的精準控制。文章在程序方面給出了主程序、鍵盤掃描子程序、PWM信號發(fā)生程序、測速度子程序以及顯示子程序的流程圖。最后通過Proteus軟件對直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真與分析，仿真結(jié)果表明：本設(shè)計實現(xiàn)了對電機啟停、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的有效控制。

AT89C51；PWM控制；調(diào)速；Proteus

一、直流電動機調(diào)速的硬件設(shè)計

本設(shè)計采用單片機AT89C51來控制輸出的數(shù)據(jù)，將控制信號施加于電機驅(qū)動模塊的L298芯片上，從而實現(xiàn)控制直流電機。以鍵盤作為輸入，實現(xiàn)對直流電機的啟停、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，設(shè)計方案應用PWM技術(shù)控制電機，通過改變占空比實現(xiàn)速度的精準控制。用四位LED顯示屏實現(xiàn)電機速度的實時顯示。

系統(tǒng)由以下結(jié)構(gòu)組成：單片機、電動機驅(qū)動模塊、按鍵模塊、顯示模塊。主要內(nèi)容如下：

1、電機驅(qū)動模塊的設(shè)計：利用H橋驅(qū)動電路可實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，制動的功能，L298是集成有橋式電路的電機專用芯片，在應用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能穩(wěn)定可靠，故用L298作為電機的驅(qū)動芯片。

2、單片機的選型：MCS-51系列單片機有多種型號，其中AT89C51不僅能兼容8051，還有ISP編程和看門狗的功能，本設(shè)計選用單片機AT89C51作為控制核心；

3、鍵盤類型的選擇：與矩陣式鍵盤相比獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)比較簡單，所以本設(shè)計采用獨立式鍵盤向單片機輸入信號；

4、顯示模塊的設(shè)計：LED是單片機系統(tǒng)中最常用的一款輸出器件，所以用LED實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的實時顯示。

二、直流電動機調(diào)速的程序設(shè)計

在進行單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計時，除了硬件的設(shè)計外，大量的工作是根據(jù)每個對象的實際需要而進行的程序設(shè)計。所以，軟件設(shè)計在控制系統(tǒng)中占有重要地位。

本設(shè)計采用的是C語言。C語言是一種面向機器的語言，它的特點是：執(zhí)行的速度快，實用性強，能夠直接管理與控制存儲器和硬件的接口，更好的發(fā)揮硬件的作用。設(shè)計編程時要盡量的模塊化、結(jié)構(gòu)化方向編寫。本章做出了對由單片機控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)程序的具體分析。

1、 鍵盤程序

由于本設(shè)計只需用7個鍵，所以選擇了獨立式的鍵盤。7個按鍵分別控制直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、慢加速、快加速、慢減速、快減速和停止。

鍵盤的按鍵方式有接觸式與非接觸式兩種，在單片機的應用系統(tǒng)中一般使用的是機械式觸點。在本設(shè)計中按鍵S沒有按下時，P1.X口輸入是高電平，當按鍵S按下后，相對應的P1.X口輸入低電平。由于單片機中的按鍵是機械觸點，所以按鍵斷開和接通時都會有抖動的現(xiàn)象，這時P1.X輸入端的波形。盡管這種抖動只是毫秒級，人感覺不到，但是計算機處理速度可是微秒級的，所以這種抖動對于計算機來說影響還是非常大的。因此在鍵盤的使用中必須要解決抖動問題。

經(jīng)常使用的去抖動方法有軟件和硬件兩種方法。在單片機中一般都是使用軟件方法，所以本設(shè)計中用軟件方法解決去抖動問題。軟件解決抖動方法：若檢測到P1.X口為低電平時，則等待一段時間，即延時10ms或著更長時間，若P1.X口仍是低電平，就可以認為相應的按鍵S被按下。而關(guān)于按鍵釋放的后沿一般不需要對其進行處理，所以這里就不做說明了。

2、PWM控制程序

本設(shè)計使用AT895C1單片機來實現(xiàn)軟件方法模擬輸出PWM波形。與硬件實現(xiàn)PWM信號，軟件實現(xiàn)具有限制少、成本低、實現(xiàn)便捷等優(yōu)點。

3、速度處理程序

測速是本設(shè)計的附加功能，人們可以通過顯示器直觀地看出調(diào)速的結(jié)果和性能。

三、直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真與分析

1、Proteus軟件是由英國的Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不只有其它EDA工具軟件的仿真功能，還可以仿真單片機與外圍的器件。是一個很好的仿真單片機與外圍器件的工具。雖然在國內(nèi)的推廣才起步，但是已經(jīng)受到了單片機愛好者、單片機開發(fā)應用的科技工作者和從事單片機教學教師的青睞。Proteus是世界上有名的EDA工具(仿真軟件)，它從原理圖的布圖、代碼的調(diào)試到單片機和外圍電路的協(xié)同仿真，能一鍵切換到PCB的設(shè)計，真正的實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。它是目前世界上將PCB設(shè)計、電路仿真、虛擬模型仿真軟件三者合一的唯一設(shè)計平臺，它的處理器模型支持8051、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、HC11、ARM、AVR、8086與MSP430等。

2、Keil編程器是Keil Software Inc/Keil Electronic GmbH 開發(fā)的基于80C51內(nèi)核微處理器軟件程序的開發(fā)平臺，能夠完成工程(Project)的建立與管理、程序的編譯與連接、目標代碼的形成、軟件仿真等一套完整的軟件開發(fā)流程。它和Proteus連接，能對單片機應用系統(tǒng)的硬件進行仿真。在Keil編程界面輸入程序，編譯成可執(zhí)行的HEX文件。當在Proteus ISIS 界面打開所設(shè)計的硬件電路圖，雙擊CPU，填入相對應的HEX運行文件的名稱，再點擊運行的按鈕，則能可實現(xiàn)軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。

3、仿真開始時，每個模塊處于初始狀態(tài)。點擊獨立鍵盤的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鍵，顯示模塊開始顯示數(shù)字。通過改變PWM的占空比改變電機的工作電壓，以電動機的驅(qū)動模塊來實現(xiàn)加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。按下S1鍵時電機正轉(zhuǎn)，而按下S2鍵時電機反轉(zhuǎn)；S3、S5是加速鍵，S4、S6減速鍵；S7是停止鍵。從仿真結(jié)果能夠看出，本設(shè)計得到了預期的結(jié)果。

四、結(jié)論

本文對直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行了初步的研究，從直流電機調(diào)速系統(tǒng)的原理出發(fā)，給出了直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的軟、硬件實現(xiàn)方案。本設(shè)計由顯示模塊、按鍵模塊、電機驅(qū)動模塊和以AT89C51單片機作為控制系統(tǒng)的核心構(gòu)成。由軟件編程來實現(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生，通過電機驅(qū)動模塊控制電機，以按鍵實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止。電動機的實時轉(zhuǎn)速通過顯示模塊顯示出來。

[1]焦玉朋.基于51單片機的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)[D].2013：12-13.

[2]申忠如，張倩.單片微型計算機原理與接口技術(shù)[M].2013：25-26.