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基于STC单片机的直流调速系统设计

摘要

多年以来，直流电机一直是人类工作生活中不可缺少的一部分，人们操控电机在工业、民用上的作用都十分重大，精确控制更是至关重要。使用单片机控制直流电机的转速使人们长期以来主要控制手段，并且单片机还具有稳定，使用寿命长，具有优异的性价比，并且集成度极高，体积小巧，资源耗费量低，具有多样的易于掌握的扩展。本文主要展示了以STC单片机进行控制来生成PWM波形，通过设定转速值，再以PID算法来进行调节PWM波形的占空比，进而控制直流电机的速度。

本文分成两个部分，系统硬件采用了以AT89C52单片机作为核心控制，采用L298芯片作为直流电机的驱动，用

LCD1602显示屏来显示，霍尔传感器来检测转速。在配以直流电机、按键部分、电源部分、排阻、共同组合成本系统的硬件部分。

系统的软件部分，采用了使用模块化的设计方法根据系统的要求，以及系统将要实现的功能，从而画出完整的流程图，系统软件是用单片机模拟生成PWM波形，再使用PID算法对比转速和设定值的差额，来控制占空比的大小，进而控制直流电机的转速。

第一章绪论

1.1课题研究背景

直流电机诞生的一个半世纪以来，经过了人类多年的发展，直流电机的技术发展迅速，新型的设计和新型的材料，以及整流电源的的发明，都使电机在工业、生活等各种方面的需求不断扩大，各种新型直流电机的出现，使得电机在采矿、冶金、生产、制造、电器的行业中尤为重要。尤其是单片机发明后使得控制直流电机更为简单，操作精度也更高，所以直流电机在这种情况下，用途更加宽广起来。

直流电机拥有很多的优点例如最大转矩与起动转矩大、转速较为容易控制、调速后使用效率很高等等。直流电机的调速相对于交流电机结构复杂、价格昂贵、不容易维护等缺点。随着单片机技术的发展成熟提高了直流电机的精度和可靠性。

直流电机相比于其他电机的平滑调速范围较大，启动性、制动性良好，能够在需求快速改变转速方向，或者快速改变转速的领域能够起到很好的运用。早期的直流电机因为使用模拟信号进行操控，由于因为使用运算放大器等硬件，所以调速异常困难，结构复杂，维护较为困难，而采用单片机进行控制，使得直流电机的结构更加简便、维护更加容易、价格更加低廉，使得直流电机大放异彩。

这些年单片机的技术一直在发展与创新，使得很多的算法能够用软件技术来实现，使用单片机技术来控制直流电机能够使直流电机的转速控制更加精准变速更加平滑，有效的减轻了人工成本和维护成本。PWM控制方法就是通过此实现的。PWM技术的原理便是在输出端口，输出一系列振幅相同，宽度不同的脉冲，使用PWM脉冲进而替代正玄波形对直流电机的控制。PWM中高电平的所持续的时间与整个周期的比值便是占空比的大小，占空比的改变能够使直流电机转速发生改变，占空变得越大，直流电机的转速便能转的越快，占空变得越小，直流电机便转的越慢。

虽然使用PWM控制能够使直流电机的转速能够有很好的掌控，但PWM控制技术仍然不能十分精准的控制直流电机控制在一个精准的设定转速值上。因此人们就使用PID算法控制PWM脉冲从而控制电机

在工业领域PID技术目前是的运用最广泛的方式之一，此算法能够解决很多的工业上的要求，而且PID算法操作十分容易，设计简便，而且是非常能够表现反馈思想的算法，其通过测量误差信号来控制被孔亮，并且使用比例、积分、微分这三种方式运算。

PID算法细节来说便是以测量误差的比例、积分、微分来控制。

如果详细的解释PID算法各个控制的具体方案具体如下：

先说比例控制。比例控制比较简单，就是测量误差和输出的关系是比例的关系，但是比例控制会产生稳态误差。所产生的稳态误差的部分就要靠积分控制消除。

之后的积分控制就是误差与输出是积分关系。当存在稳态误差的时候，积分数值会与时间成正比例关系增大，增大的程度与时间积分呈正相关。所以当比例算法形成稳态误差后，由积分算法来减小稳态误差使误差最终成为零。综上所述，PI控制就能够使系统稳定并消除误差了。

而加入微分算法的目的便是更好的控制速度，因为当随着时间的增加积分的数值变的越来越大，而当到达规定转速时，可能会由于积分数值的过大，使得震荡幅值变大，使达到稳态的时间更长，而微分算法是输出与误差成微分关系。在快要到达稳态时，提前加入一个修正信号，使得达到稳态的时间变小，因此人们大多都是采用PID算法。

PID算法在现在的运用中是非常广泛的存在，是机器人这些高级技术的领域中的基础，在冶金、医疗、机床制造、电机控制、航空航天、汽车制造、等等等等许多领域尤为重要，在世界各地都使十分重视。

1.2国内发展概况

我国很早之前便已经发明了第一只晶闸管，在晶闸管问世不久之后在使用晶闸管控制直流调速系统的发展便十分的快速