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基于PWM的直流电机调速电路

在本项目中，我将演示如何利用 8051 单片机 生成 PWM（脉宽调制）信号，以及基于 PWM 控制的直流电机调速系统 的实现方法。

1. 引言​

在许多应用中，直流电机（DC Motor）的转速控制至关重要，因为这些应用对精度与保护都有严格要求。这里我们将使用一种称为 PWM（脉宽调制） 的技术来控制直流电机的转速。

直流电机的转速控制可以通过机械或电气方法实现，但这些方法通常需要体积庞大的硬件；相比之下，基于单片机的系统为电机转速控制提供了一种简便的方式。

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在此之前，我们已经学习过如何在没有单片机的情况下，通过 PWM 控制直流电机转速。而在这里，我们将通过单片机来进行同样的实验。

为此，我们将使用 8051 单片机 来产生 PWM 波形。通过改变该 PWM 波形的占空比，我们即可调节直流电机的转速。在 8051 单片机 中，定时器（Timers）被用于产生 PWM 波形。

在本文中，我们将学习如何利用 8051 单片机的定时器 生成 PWM 信号，以及如何使用该 PWM 信号来控制直流电机的转速。

2. PWM信号生成与直流电机调速原理​

2.1 电路原理​

本项目的核心是8051单片机。8051单片机没有专门的PWM电路，因此需要利用定时器和中断来生成PWM信号。

在本项目中，我们将使用8051单片机的Timer0和定时器中断来生成PWM信号。

2.2 如何在8051单片机中生成PWM信号？​

大多数现代单片机（如AVR（例如Arduino）、ARM、PIC等）都配备了专门的PWM硬件和引脚，可以即时激活PWM模式。然而，8051单片机没有这种功能。因此，我们需要使用8051单片机的定时器和中断来生成PWM信号。8051的Timer0配置在Mode0模式下。通过仔细调整高电平和低电平，我们可以保持信号的固定周期。

3. PWM调速电路图​

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4. 电路元件​

  • 8051单片机
  • 11.0592 MHz晶振
  • 电容 — 33pF × 2，10µF
  • 电阻 — 1KΩ × 4，10KΩ × 2
  • 12V直流电机
  • L298N电机驱动模块
  • 按钮 × 5
  • 1KΩ × 8上拉电阻包
  • 串行电缆
  • 12V电池或适配器
  • 连接导线

5. PWM调速电路设计​

5.1 电路设计说明​

电路包括一个8051单片机（及其与振荡器和复位相关的支持电路）、L298N电机驱动模块、直流电机和几个按钮。

12V直流电机连接到L298N电机驱动模块的OUT1和OUT2引脚。电机驱动模块的IN1和IN2引脚连接到+5V（VCC）和GND。电机驱动模块的EN1引脚连接到单片机的P0.0引脚。

四个按钮连接到单片机的P0.4、P0.5、P0.6和P0.7引脚。

通常，我们可以将开关以两种配置方式连接到单片机：上拉配置和下拉配置。

上拉配置：在上拉配置中，单片机引脚被拉高到逻辑1，按钮连接到GND。当按下按钮时，单片机引脚接收逻辑0。

下拉配置：在下拉配置中，单片机引脚被拉低到逻辑0，按钮连接到VCC。当按下按钮时，单片机引脚接收逻辑1。

在本电路中，我们使用上拉配置。因此，我们需要检查逻辑0以确定按钮是否被按下。

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6. 代码​

项目代码如下。

#include<reg51.h>

sbit PWM_Pin = P0^0;		   
sbit low = P0^4;
sbit medium = P0^5;
sbit high = P0^6;
sbit off = P0^7;

void InitPWM_timer(void);

unsigned char PWM = 0;	  
unsigned int temp = 0;    
char a=1;


int main(void)
{
	 low=1;
	 medium=1;
	 high=1;
	 off=1;
	 PWM_Pin=0;
	
	 InitPWM_timer();             
 
   

   while(1)                
   {
	   if(low==0)
		 {
			 PWM=102;
			 a=0;
		 }
		 else if(medium==0)
		 {
			 PWM=153;
			 a=0;
		 }
		 else if(high==0)
		 {
			 PWM=255;
			 a=0;
		 }
		 else if(off==0)
		 {
			 a=1;
			 PWM_Pin=0;
		 }
	 }
}


void InitPWM_timer (void)
{
	TMOD &= 0xF0;    
	TMOD |= 0x01;    
	
	TH0 = 0x00;     
	TL0 = 0x00;      
	
	ET0 = 1;        
	EA  = 1;         
	
	TR0 = 1;         
}


void Timer0_ISR (void) interrupt 1   
{
	TR0 = 0;   

	if(PWM_Pin==1 && a==0)
	{
		PWM_Pin = 0;
		temp = (255-PWM); 
		TH0  = 0xFF;
		TL0  = 0xFF - temp&0xFF;	
	}
	else if(PWM_Pin==0 && a==0)    
	{
		PWM_Pin = 1;
		temp = PWM;
		TH0  = 0xFF;
		TL0  = 0xFF - temp&0xFF;
	}

	TF0 = 0;     
	TR0 = 1;     
}

7. 如何操作电路？​

  1. 将12V电池或适配器连接到开发板。
  2. 打开电源。
  3. 使用编程器将HEX文件烧录到8051单片机中。
  4. 按照电路图连接必要的线路。
  5. 打开电源并按下开关1，观察电机开始旋转，但仅以40%的容量运行。
  6. 按下开关2，电机将以略高于一半的速度运行（60%占空比）。
  7. 按下开关3，电机将以全速旋转（100%占空比）。
  8. 按下开关4以停止电机。

8. 优点​

  • 使用PWM方法可以节省电力。

9. 应用场景​

  • 用于工业中控制电机速度。
  • 用于购物中心。
  • 可以利用该概念控制灯光强度。