文章目录

原理图
- 驱动电路
- MOTOR-ENCODER详解
- 串口通信
电机测速原理
PWM
软件部分
成果

临近期末，学校的单片机课程需要做课程设计，主要内容是基于51单片机的可调速电机，具体要求如下，在此记录一下具体的一个解题方案。

要求利用单片机输出PWM波形，通过改变占空比，改变电枢两端电压的平均值，从而改变电动机的转速

通过按键进行手动速度调整（速度+ 速度-）

利用串口调试助手或编写上位机软件，通过上位机控制直流速度调整

测量直流电机转速，并实时显示

原理图

首先是绘制原理图如下，右下角示波器为方便观察PWM脉冲波形用，可忽略

驱动电路

由于单片机的输出功率不足以驱动电机运动，因此这里使用L298芯片搭建一个驱动电路，驱动电压为12V，用于驱动电机运动。驱动电路如图。L298芯片的工作电压为5V（VCC接5V电压），支持同时驱动两台电机，可接驱动电压范围为(+5V~+46V)，输出电流高达4A。

L298芯片控制引脚状态与电机对应状态如下图。因此，若要让电机运动则需要，ENA置1，IN1与IN2引脚所处电平相反。

ENA	IN1	IN2	直流电机状态
0	X	X	停止
1	0	0	制动
1	0	1	正转
1	1	0	反转
1	1	1	制动

MOTOR-ENCODER详解

这里由于需要测量电机转速，使用需要使用带有编码器的电机，Proteus中带有这样的一个电机，元件名称为MOTOR-ENCODER。MOTOR-ENCODER有5根引脚，其中左右两个接工作电压。上面三根引脚，左边与右边电机每转一圈就输出设定的脉冲数（这里设定每转一圈输出360个脉冲），二者脉冲相位相差90°。中间的引脚电机每转一圈引脚输出一个脉冲。电机具体属性参数如下，这里设置电机额定电压为12V（因为驱动电路的驱动电压为12V），每转脉冲数为360（取值范围为1~360），其余保持默认。

串口通信

由于需要用到串口通信，因此需要用到Proteus中的虚拟串口COMPIM，将元件端口设置为COM1，波特率设置为9600，数据位8位，无校验位，停止位1位。将虚拟串口的RXD与单片机的RXD相连，TXD与TXD相连（与一般的串口连接不同，一般需要TXD与RXD交叉相连）。

然后打开VSPD虚拟串口连接软件（VSPD软件的下载与使用可参考该文章: 虚拟串口 VSPD 的使用),将COM1与COM2端口进行虚拟链接。然后进入串口助手打开COM2端口（一定不能打开COM1口，因为COM1口已被单片机占用）设置好波特率、校验位与停止位，即可与单片机成功硬件连接。

电机测速原理

测速原理：单位时间内，根据该时间段内统计的脉冲数计算电机实际速度，这里单位时间为50ms。

由于编码器设置为每圈发出360个脉冲，则统计在50ms内的脉冲数即可知道在这50ms内电机转了多少圈，从而可推算出电机每分钟的转速。

设编码器单圈总脉冲数为C，在时间T0内，统计到的编码器脉冲数为M0，则转速n的计算公式为：
n = M0/(C*T0)。

PWM

PWM即脉冲宽度调制，在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的模拟参量。

其实就是通过控制高低电平的时间，来对输出的波形进行控制。

其中有几个重要的参数

PWM的频率：
是指1秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数(一个周期)；
也就是说一秒钟PWM有多少个周期
单位： Hz
表示方式： 50Hz 100Hz

PWM的周期：
T=1/f
周期=1/频率
50Hz = 20ms 一个周期
如果频率为50Hz ，也就是说一个周期是20ms 那么一秒钟就有 50次PWM周期

占空比：
是一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例
单位： % (0%-100%)
表示方式：20%

一个简单的生成PWM的方法： 利用定时器进行定时中断，分别设置两个变量counter和compare。其中compare表示占空比。假设每100us定时器产生一次中断，则每进一次中断counter++，中断100次为一个周期，即T=10ms。

假设设置compare为60，即占空比为60%

每次定时器进入中断后，将当前counter值与compare进行判断，若counter<compare则置引脚为高电平，否则置低电平。这样在一个周期中，counter从1至100计数，counter为1~60时引脚均为高电平，即在一个周期内有60%的时间引脚都处于高电平。

这样我们就可以通过调整compare变量的值来控制PWM的占空比，从而达到控制电机转速的目的。

有关PWM的详细知识可参考以下文章

51单片机-PWM调速（直流电机，智能小车的电机调速）
PWM原理 PWM频率与占空比详解

软件部分

#include <REG51.H>
#define K 21/8
void UartInit(void);
void UART_SendByte(unsigned char Byte);
void Timer0Init(void);sbit motor1_IN1=P0^0;
sbit motor1_IN2=P0^1;
sbit motor1_ENA1=P0^2;
sbit ADD=P0^3;
sbit SUBTRACT=P0^4;
unsigned char led_mod[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//共阳极字模
unsigned char led_point[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//带小数点字模
unsigned char counter,compare;//compare为占空比
unsigned int n,m,rad;//n为脉冲数
void delay(unsigned char time)      //1ms@11.0592MHz
{unsigned char i, j;i = 15*time;j = 90;do{while (--j);} while (--i);
}void Display() //LED显示
{P2=(0x01);P1=led_mod[(rad/100)%10];delay(1);P2=(0x01<<1);P1=led_mod[(rad/10)%10];delay(1);P2=(0x01<<2);P1=led_point[rad%10];delay(1);P2=(0x01<<3);P1=led_mod[(rad%10)];delay(1);
}
void move(void) //启动电机
{motor1_IN1=1;motor1_IN2=0;
}
void UartInit(void)     //9600bps@11.0592MHz
{SCON = 0x50;      //8位数据,可变波特率TMOD &= 0x0F;      //设置定时器模式TMOD |= 0x20;     //设置定时器模式TL1 = 0xFD;       //设置定时初始值TH1 = 0xFD;       //设置定时初始值ET1 = 0;      //禁止定时器1中断TR1 = 1;     //定时器1开始计时ES=1;            //开启中断EA=1;            //开启中断PS=1;            //设置优先级
}void Timer0Init(void)      //100微秒@11.0592MHz
{TMOD &= 0xF0;     //设置定时器模式TMOD |= 0x02;     //设置定时器模式TL0 = 0xA4;       //设置定时初始值TH0 = 0xA4;       //设置定时重载值TF0 = 0;      //清除TF0标志TR0 = 1;      //定时器0开始计时ET0=1;           //定时器0中断开启EA=1;            //EA开启PT0=0;           //定时器0开始计时
}
void UART_Routine(void) interrupt 4 //串口接收中断
{   if(RI==1){    compare=SBUF;  //接收串口传输来的数据SBUF=compare;  //将当前占空比发送回上位机while(!TI);       //等待发送完毕TI=0;          //标志位复位RI=0;           //标志位复位}
}
void Timer0_Routine(void) interrupt 1   //定时器0中断，用于PWM生成
{TL0 = 0xA4;       //设置定时初始值TH0 = 0xA4;       //设置定时初始值counter++;m++; counter%=100;if(counter<compare)    //PWM生成motor1_ENA1=1;  elsemotor1_ENA1=0;if(m==500) //50ms后计算一次转速{rad=n*K;//计算转速,若结果与实际有较大误差则调整比例系数Km=0;  n=0;}
}void interrupt0_int()  //电机编码器脉冲中断初始化
{IT0=1;EX0=1;EA=1;PX0=0;
}void motor_Routine(void) interrupt 0   //编码器脉冲中断函数
{n++; //脉冲数+1
}void main()
{Timer0Init(); //定时器0初始化interrupt0_int();  //电机编码器中断初始化UartInit();  //串口中断初始化compare=70;   //初始占空比70%n=0; //电机旋转圈数初始化m=0;    //计时次数初始化move();    //启动电机while(1){if(ADD==0) {compare=compare+10;  //按下按键占空比+10if(compare>100)compare=100;while(!ADD) //等待松开Display();}if(SUBTRACT==0){compare=compare-10; //按下按键占空比-10if(compare<0)compare=0;while(!SUBTRACT) //等待松开Display();}Display();}
}

成果

电机正常转动，同时数码管显示当前转速，可通过ADD按键和SUBTRACT按键对转速进行加减速。

可通过串口对转速大小进行调整。

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