基于单片机软件实现直流电机PWM以及电机测速

一、摘要利用AT89C51设计一个直流电机的软件模拟PWM驱动及测速系统。单片机读取键盘值来设定转速和正反转，并且通过红外对管来测量转速。本系统具有精度高，成本低，使用方便等优点。关键词：AT89C51；PWM；测速。引言随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文给出一种用单片机软件实现PWM调速的方法及红外对管测转速。二、直流电机调速知道通过调节直流电机的电压可以改变电机的转速，但是一般我们设计的电源大都是固定的电压，而且模拟可调电源不易于单片机控制，数字可调电源设计麻烦。所以这里用脉宽调制（PWM）来实现调速。方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，我们可以通过站空比实现改变有效电压。一般用软件模拟PWM可以有延时和定时两种方法，延时方法占用大量的CPU，所以这里采用定时方法。三、直流电机旋转方向一般利用H桥电路来实现调速。H桥驱动电路：图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4.12H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图4.13H桥电路驱动电机顺时针转动图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4.14H桥驱动电机逆时针转动可以把Q1跟Q4接在一起，Q3跟Q2接在一起，这样只要两个单片机I/O口就行。下面的程序中lun1、lun2就表单片机的两个I/O口。这个桥式电路图只用来说明原理，实际应用还要看电机的额定电压、电流。也可以用L293、L298直流的集成芯片。四、PWM程序voidtimer0()interrupt1{if(temp){TH0=time_h_0;TL0=time_l_0;//设置低电平时间temp=0;}else{TH0=time_h_1;TL0=time_l_1;//设置高电平时间，可以通过键盘设定来达到调速功能。temp=1;T0_count++;//作测速定时用}//这样定时在两个时间里变化起到类似两个定时器的作用//qianjin从键盘读取if(qianjin==1)//正转{lun1=temp;lun2=1;//低电平有效}elseif(qianjin==2)//反转{lun1=1;lun2=temp;}elseif(qianjin==3)//停止{lun1=1;lun2=1;}}这样就可以实现直流电机正反转和调速。当然键盘程序比较简单，篇幅所限，不详细给出。五、测速通过红外对管来测量轮子转速，电路图如下：测速可以分3种：测频法、测周法和测频侧周混合法。这里我只介绍测频法，因为已经用了一个定时器，可以在这个定时器基础上设定时间，程序中T0_count就是时间变量。若要用侧周法，会有一个误差，主要来自定时器的误差。时间定了后接下来要测脉冲数，可以用计数器或者外部中断，采用计数器比较方便。程序：if(T0_count=125){TR1=0;//关闭计数器T0_count=0;int_h=TH1;//T1计数缓冲单元int_l=TL1;TH1=0;//清计数器TL1=0;T1_count=0;TR1=1;//开启计数器}//Time1中断服务函数//对T1溢出产生中断的次数进行计数//计满65535，产生一次溢出中断voidtimer1()interrupt3{//因为电机转速实际测量中电机转速并不超过65536的计数，所以不会进入中断。不然可以//用一个变量来计数}显然转速=（int_h*256+int_l）/125*PWM脉冲周期。这里有一个误差需要修正，因为进入定时中断需要进行进行压栈等工作所以会有一定误差。摘取进入定时器中断的反汇编程序：78:voidtimer0()interrupt179:{80:C:0x0250C0E0PUSHACC(0xE0)C:0x0252C0D0PUSHPSW(0xD0)81:if(temp)C:0x025430.000AJNBtemp(0x20.0),C:026182:{83:TH0=time_h_0;C:0x025785088CMOVTH0(0x8C),time_h_0(0x08)84:TL0=time_l_0;C:0x025A850A8AMOVTL0(0x8A),time_l_0(0x0A)85:temp=0;C:0x025DC200CLRtemp(0x20.0)86:}87:elseC:0x025F800ASJMPC:026B88:{89:TH0=time_h_1;C:0x026185098CMOVTH0(0x8C),time_h_1(0x09)90:TL0=time_l_1;C:0x0264850B8AMOVTL0(0x8A),time_l_1(0x0B)91:temp=1;C:0x0267D200SETBtemp(0x20.0)92:T0_count++;C:0x0269050CINCT0_count(0x0C)93:}显然在进入中断后首先要进行ACC和PSW压栈，这里需要4个机器周期。接着要判断是否temp==1，用到JNB指令需要2个机器周期。另外还有两个MOV指令。把这些时间算进去后，精度就会比较高。估计在4000hz情况下测到的是4006hz左右，这里的误差可能是中断响应需要一定时间，可以通过加上7、8个机器周期来修正。最后能得到4000hz以内误差只在1hz。六、结论本系统实现了直流电机的转速、方向的设定和转速的测量，而且测速精度非常高。参考文献1、古欣朱岩王智涌喻巧群原瑞花，自动寻迹小车2、@126/blog/static/115058766200931515547335/等