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。