Proteus基于51单片机通过PWM脉冲调制控制电机转速_按键与串口控制转速_电机转速可测

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。

    1. 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
    2. 通过按键进行手动速度调整(速度+ 速度-)
    3. 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
    4. 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;	
    	else
    		motor1_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K
    		m=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+10
    			if(compare>100)
    				compare=100;
    			while(!ADD)	//等待松开
    				Display();
    		}
    		if(SUBTRACT==0)
    		{
    			compare=compare-10;	//按下按键占空比-10
    			if(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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