直流電機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)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(diào)節(jié)占空比，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以實現(xiàn)無級連續(xù)調(diào)節(jié)。以AT89S51單片機為核心的直流電機調(diào)速與測速系統(tǒng)的設計方法，給出了系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，以及驅(qū)動電路設計和系統(tǒng)軟件設計。充分利用了單片機的優(yōu)點，具有頻率高、響應快的特點。

直流電機是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)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(shù)字電路組成。控制系統(tǒng)的硬件部分復雜、功能單一，調(diào)試困難。采用單片機控制系統(tǒng)，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(tǒng)能達到更高的性能。

1.基于單片機的PWM直流調(diào)速原理

PWM（脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation）簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)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(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)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(shù)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(jù)需要改變一個周期內(nèi)“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(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關驅(qū)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(diào)節(jié)占空比，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓無級連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.調(diào)速和測速系統(tǒng)的主體電路設計

整個系統(tǒng)由輸入電路、PWM調(diào)制、測速電路、驅(qū)動電路、控制部分及顯示等部分組成，PWM調(diào)制選用AT89S51單片機通過軟件實現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)。

2.1 直流電機調(diào)速的設計方案

驅(qū)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(xiàn)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(shù)碼管。系統(tǒng)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(qū)動電路，測速電路，鍵盤和LED顯示模塊構(gòu)成最小系統(tǒng)。軟件上通過用C51語言編程產(chǎn)生PWM脈沖信號的輸出、鍵盤、LED顯示器的數(shù)據(jù)傳輸。通過鍵盤調(diào)節(jié)速度檔位給定值，實現(xiàn)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(zhuǎn)速反饋給CPU并且通過CPU把轉(zhuǎn)速顯示在LED顯示器上，從而達到想要設定的轉(zhuǎn)速。

2.2 顯示電路設計

LED采用動態(tài)顯示方式，通過四位數(shù)碼管顯示電機的實際轉(zhuǎn)速，方便系統(tǒng)的監(jiān)控，系統(tǒng)用四位共陽數(shù)碼管、采用9012三極管開關電路驅(qū)動、控制數(shù)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(tǒng)在運行中，按下復位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)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(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89系列單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)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(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。

3.直流電機驅(qū)動電路設計

從單片機直接輸出的控制信號無法直接驅(qū)動12V直流電機，目前大多采用H橋式驅(qū)動，為便于制作，驅(qū)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(qū)動電機，實現(xiàn)電機的調(diào)速。驅(qū)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(zhuǎn)盤及外圍電路組成，電機轉(zhuǎn)動時帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上附有八個小孔，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生八個脈沖信號，由此可以把電機轉(zhuǎn)動的物理量轉(zhuǎn)換成變化的脈沖信號，經(jīng)Q5開關驅(qū)動輸送到單片機外部中斷P3.3進行計數(shù)，實現(xiàn)對電機速度的監(jiān)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(xiàn)，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(zhuǎn)盤上八個圓孔，產(chǎn)生脈沖信號。電動機轉(zhuǎn)到孔處時，發(fā)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(zhuǎn)盤的安裝如圖5所示：把轉(zhuǎn)盤固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上，安裝U型光耦，把光耦插入轉(zhuǎn)盤上，用螺絲固定，轉(zhuǎn)盤邊要安裝在U型光電開關的槽中間。

5.調(diào)速和測速系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C51語言開發(fā)，模塊化設計。定時器中斷工作在16位計數(shù)方式，實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、PWM控制。外部中斷采用負邊沿觸發(fā)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量。程序流程圖如圖6。

6.小結(jié)

基于單片機控制直流電機的測速與調(diào)速系統(tǒng)設計是將輸入的信號通過單片機轉(zhuǎn)換后輸出控制信號通過驅(qū)動電路調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速，并且能實時監(jiān)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(xiàn)速度的檢測，為此，所設計的直流電機的測速與調(diào)速系統(tǒng)應具有速度輸入、檢測、顯示、脈寬調(diào)制、電機驅(qū)動等主要電路，以便對電機速度進行控制與顯示。

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