王 培

三门峡路桥建设集团有限责任公司

基于Proteus的直流电机调速系统设计与仿真

王 培

三门峡路桥建设集团有限责任公司

本设计以单片机AT89C51为控制系统核心，将控制信号施加在L298芯片上来控制电机运行。设计是以键盘作为输入，实现对直流电机的启停、加速、减速、正转、反转控制，采用PWM技术控制电动机，以改变占空比来实现对电机速度的精准控制。文章在程序方面给出了主程序、键盘扫描子程序、PWM信号发生程序、测速度子程序以及显示子程序的流程图。最后通过Proteus软件对直流电机调速系统进行了仿真与分析，仿真结果表明：本设计实现了对电机启停、加速、减速、正转、反转的有效控制。

AT89C51；PWM控制；调速；Proteus

一、直流电动机调速的硬件设计

本设计采用单片机AT89C51来控制输出的数据，将控制信号施加于电机驱动模块的L298芯片上，从而实现控制直流电机。以键盘作为输入，实现对直流电机的启停、加速、减速、正转、反转控制，设计方案应用PWM技术控制电机，通过改变占空比实现速度的精准控制。用四位LED显示屏实现电机速度的实时显示。

系统由以下结构组成：单片机、电动机驱动模块、按键模块、显示模块。主要内容如下：

1、电机驱动模块的设计：利用H桥驱动电路可实现电机的正反转，制动的功能，L298是集成有桥式电路的电机专用芯片，在应用领域被广泛使用，而且其性能稳定可靠，故用L298作为电机的驱动芯片。

2、单片机的选型：MCS-51系列单片机有多种型号，其中AT89C51不仅能兼容8051，还有ISP编程和看门狗的功能，本设计选用单片机AT89C51作为控制核心；

3、键盘类型的选择：与矩阵式键盘相比独立式键盘结构比较简单，所以本设计采用独立式键盘向单片机输入信号；

4、显示模块的设计：LED是单片机系统中最常用的一款输出器件，所以用LED实现对电机转速的实时显示。

二、直流电动机调速的程序设计

在进行单片机控制系统的设计时，除了硬件的设计外，大量的工作是根据每个对象的实际需要而进行的程序设计。所以，软件设计在控制系统中占有重要地位。

本设计采用的是C语言。C语言是一种面向机器的语言，它的特点是：执行的速度快，实用性强，能够直接管理与控制存储器和硬件的接口，更好的发挥硬件的作用。设计编程时要尽量的模块化、结构化方向编写。本章做出了对由单片机控制的PWM直流电机调速系统程序的具体分析。

1、 键盘程序

由于本设计只需用7个键，所以选择了独立式的键盘。7个按键分别控制直流电机的正转、反转、慢加速、快加速、慢减速、快减速和停止。

键盘的按键方式有接触式与非接触式两种，在单片机的应用系统中一般使用的是机械式触点。在本设计中按键S没有按下时，P1.X口输入是高电平，当按键S按下后，相对应的P1.X口输入低电平。由于单片机中的按键是机械触点，所以按键断开和接通时都会有抖动的现象，这时P1.X输入端的波形。尽管这种抖动只是毫秒级，人感觉不到，但是计算机处理速度可是微秒级的，所以这种抖动对于计算机来说影响还是非常大的。因此在键盘的使用中必须要解决抖动问题。

经常使用的去抖动方法有软件和硬件两种方法。在单片机中一般都是使用软件方法，所以本设计中用软件方法解决去抖动问题。软件解决抖动方法：若检测到P1.X口为低电平时，则等待一段时间，即延时10ms或着更长时间，若P1.X口仍是低电平，就可以认为相应的按键S被按下。而关于按键释放的后沿一般不需要对其进行处理，所以这里就不做说明了。

2、PWM控制程序

本设计使用AT895C1单片机来实现软件方法模拟输出PWM波形。与硬件实现PWM信号，软件实现具有限制少、成本低、实现便捷等优点。

3、速度处理程序

测速是本设计的附加功能，人们可以通过显示器直观地看出调速的结果和性能。

三、直流电机调速系统的仿真与分析

1、Proteus软件是由英国的Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不只有其它EDA工具软件的仿真功能，还可以仿真单片机与外围的器件。是一个很好的仿真单片机与外围器件的工具。虽然在国内的推广才起步，但是已经受到了单片机爱好者、单片机开发应用的科技工作者和从事单片机教学教师的青睐。Proteus是世界上有名的EDA工具(仿真软件)，它从原理图的布图、代码的调试到单片机和外围电路的协同仿真，能一键切换到PCB的设计，真正的实现了从概念到产品的完整设计。它是目前世界上将PCB设计、电路仿真、虚拟模型仿真软件三者合一的唯一设计平台，它的处理器模型支持8051、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、HC11、ARM、AVR、8086与MSP430等。

2、Keil编程器是Keil Software Inc/Keil Electronic GmbH 开发的基于80C51内核微处理器软件程序的开发平台，能够完成工程(Project)的建立与管理、程序的编译与连接、目标代码的形成、软件仿真等一套完整的软件开发流程。它和Proteus连接，能对单片机应用系统的硬件进行仿真。在Keil编程界面输入程序，编译成可执行的HEX文件。当在Proteus ISIS 界面打开所设计的硬件电路图，双击CPU，填入相对应的HEX运行文件的名称，再点击运行的按钮，则能可实现软件与硬件的联合调试。

3、仿真开始时，每个模块处于初始状态。点击独立键盘的正转或反转按键，显示模块开始显示数字。通过改变PWM的占空比改变电机的工作电压，以电动机的驱动模块来实现加速、减速、正转和反转。按下S1键时电机正转，而按下S2键时电机反转；S3、S5是加速键，S4、S6减速键；S7是停止键。从仿真结果能够看出，本设计得到了预期的结果。

四、结论

本文对直流电机调速系统进行了初步的研究，从直流电机调速系统的原理出发，给出了直流电机调速控制系统的软、硬件实现方案。本设计由显示模块、按键模块、电机驱动模块和以AT89C51单片机作为控制系统的核心构成。由软件编程来实现PWM信号的产生，通过电机驱动模块控制电机，以按键实现电动机的正转、反转、加速、减速和停止。电动机的实时转速通过显示模块显示出来。

[1]焦玉朋.基于51单片机的PWM直流电机调速系统[D].2013：12-13.

[2]申忠如，张倩.单片微型计算机原理与接口技术[M].2013：25-26.