基于51单片机的直流电机PID调速电压电流功率控制系统设计_电路方案

1. 系统功能介绍

点击链接下载设计资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/91926477

本设计基于 51 单片机实现直流电机 PID 调速电压电流功率控制系统。系统采用按键输入目标转速值，通过速度采集模块实时检测电机实际转速，并利用 PID 控制算法调节驱动 PWM 占空比，使实际转速快速且稳定地追踪设定目标。为提高系统可视化与可操作性，设计中加入 LCD 显示模块，用于实时显示电机运行参数，包括目标转速、实际转速、电流、电压及当前输出功率，便于用户监控电机运行状态与负载变化情况。

整个系统兼顾精度、稳定性与可扩展性，通过 PID 控制保证电机在不同负载变化下保持稳定速度。同时在电压电流测量基础上计算出实时功率，使系统不仅具备调速能力，还具备运行状态监测和能耗分析能力，适用于教学实验、智能风机、自动化设备以及电机性能测试平台等场合。

2. 系统电路设计

系统硬件整体由单片机最小系统、直流电机驱动电路、霍尔测速模块、电压采样电路、电流检测模块（如 ACS712）、按键输入模块、LCD1602 显示模块、电源调理模块等部分组成。本节将从各模块的功能与电路原理出发，详细介绍设计细节。

2.1 单片机最小系统电路

系统核心采用 STC 89C52（兼容 51 架构），负责整个控制逻辑的执行、数据采集、PID 运算与显示驱动。

其最小系统包括：

晶振电路：使用 12MHz 晶振，配合 22pF 电容，保证稳定时钟。
复位电路：由按键、电解电容、上拉电阻组成，上电自动复位，必要时手动复位。
电源电路：由 DC-DC 转换模块提供稳定 5V，保证单片机与传感器稳定工作。

单片机提供 PWM 输出端用于控制电机驱动器的占空比，同时需通过外接计数输入脚读取霍尔测速信号。

2.2 直流电机驱动模块（L298N 或 BTS7960）

为了驱动直流电机，系统选择常用 H 桥驱动模块：

L298N 驱动器
- 支持直流电机正反转
- PWM 控制占空比调节电机速度
- 最大电流 2A，可满足一般实验需求
BTS7960 驱动器（大电流场景）
- 双全桥结构，持续电流可达 43A
- 驱动效率更高，适合大功率电机

驱动模块输入 PWM 信号即可调节电机转速，通过 OUTA、OUTB 输出端连接电机两极，内部包含续流保护二极管。

2.3 霍尔测速模块

为了获取实际转速，系统采用霍尔式测速模块或红外光电测速模块。

其原理：

电机轴端安装磁铁或测速盘
模块检测磁场变化或光闸变化
输出方波信号给单片机计数器
根据单位时间脉冲数计算实际转速

测速模块输出为 TTL 数字电平，可直接输入 51 计数器 T0 或 T1 的计数口。

测速公式示例：

实际转速 RPM = (脉冲数 / 每转脉冲数) × 60 / 测量周期

2.4 电压采样模块

为了计算电机运行状态中的电压值，本设计通过分压电路将电机供电电压采样并输入 ADC 模块：

采用电阻分压，如 R1=10kΩ、R2=2kΩ
将电机端较高电压降至 0–5V 以下
再输入至 ADC 芯片如 ADC0832 或单片机带 ADC 扩展模块

采样值将还原为原始电机电压用于功率计算。

2.5 电流检测模块（ACS712）

系统采用霍尔电流传感器 ACS712 用于电流测量：

ACS712-5A 型：适合小功率电机
输出模拟电压与电流线性对应
需输入 ADC 执行采样

采样到的电流值用于：

功率计算（P = U × I）
保护策略（如过流提示）

2.6 按键输入模块

按键主要用于：

设置目标转速
调节参数（可选：PID 参数调节）
切换显示页面（可选）

按键采用上拉输入结构，按下为低电平，配合软件去抖处理。

2.7 LCD1602 显示模块

采用 LCD1602 或带 I²C 扩展的 LCD1602：

实时显示：
- 目标转速
- 实际转速
- 电压值、电流值
- 输出功率
显示稳定、直观

模块通过 4 位或 I²C 接口与单片机通信。

2.8 电源模块

整套系统电源包含两部分：

电机供电（如 12V）
控制系统供电（5V DC-DC 稳压）

同时加入滤波电容抑制电机电磁干扰，保证安全与稳定性。

3. 系统程序设计

程序以单片机为核心，采用循环查询 + 中断计数方式，完成数据采集、PID 计算、电机驱动、按键处理与显示等功能。系统采用模块化结构，便于维护升级。

3.1 主程序整体结构

主函数负责初始化与循环调度：

void main()
{
    Init_All();
    while(1)
    {
        Key_Process();
        Read_Speed();
        Read_Voltage();
        Read_Current();
        Calculate_Power();
        PID_Calc();
        Update_PWM();
        LCD_Update();
    }
}

程序按照固定周期读取传感器、计算 PID 并刷新 PWM，实现闭环控制。

3.2 速度采集程序

利用定时器计数功能测量每一周期脉冲数：

void Read_Speed()
{
    pulse = Get_Pulse_Count();
    speed = pulse * 60 / Pulse_Per_Turn;
}

通过测得 speed 与目标转速 targetSpeed 比较，为 PID 提供输入。

3.3 电压采集程序

unsigned int Read_Voltage()
{
    adc = ADC_Read(0);
    voltage = adc * Vref / 1023 * Divider_Ratio;
    return voltage;
}

通过分压比恢复真实电压。

3.4 电流采集程序（ACS712）

float Read_Current()
{
    adc = ADC_Read(1);
    float Vout = adc * 5.0 / 1023;
    current = (Vout - 2.5) / 0.185; 
    return current;
}

公式依据 ACS712 输出特性（每 A 电流对应 185mV）。

3.5 功率计算程序

void Calculate_Power()
{
    power = voltage * current;
}

用于显示与负载分析。

3.6 PID 调节程序

PID 控制核心：

float PID_Calc()
{
    error = targetSpeed - speed;
    integral += error;
    derivative = error - lastError;

    output = Kp*error + Ki*integral + Kd*derivative;

    lastError = error;

    return output;
}

为防止积分过大，可加入积分限幅：

if(integral > 200) integral = 200;
if(integral < -200) integral = -200;

3.7 PWM 输出更新程序

void Update_PWM()
{
    if(output > 255) output = 255;
    if(output < 0) output = 0;

    PWM_SetDuty(output);
}

输出限制防止 PWM 越界。

3.8 按键程序设计

void Key_Process()
{
    if(KEY_UP == 0) { Delay(10); if(KEY_UP == 0) targetSpeed += 10; }
    if(KEY_DOWN == 0) { Delay(10); if(KEY_DOWN == 0) targetSpeed -= 10; }
}

用户可通过按键灵活设置目标转速。

3.9 LCD 显示程序

void LCD_Update()
{
    LCD_ShowString(0,0,"T:");
    LCD_ShowNum(2,0,targetSpeed);

    LCD_ShowString(8,0,"S:");
    LCD_ShowNum(10,0,speed);

    LCD_ShowString(0,1,"U:");
    LCD_ShowNum(2,1,voltage);

    LCD_ShowString(6,1,"I:");
    LCD_ShowNum(8,1,current);

    LCD_ShowString(12,1,"P:");
    LCD_ShowNum(14,1,power);
}

清晰显示各关键运行参数。

4. 总结

本设计构建了基于 51 单片机的直流电机 PID 调速电压电流功率控制系统，利用霍尔测速模块实现转速采集，通过 PID 控制算法实时计算电机 PWM 输出信号，稳健实现直流电机的精确调速。同时通过电压、电流测量模块实现运行参数监测，并在 LCD 上实时显示，使系统具备监控、分析、调节三合一的完整功能结构。

系统具有结构清晰、控制精准、扩展性强等特点，可用于教学、实验、电机测试平台以及智能电机调速应用场景。

基于51单片机的直流电机PID调速电压电流功率控制系统设计