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基于单片机的转速控制器设计.doc
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基于单片机的转速控制器设计.doc
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目 录
摘要...................................................................1
Abstract...............................................................1
1 绪论................................................................1
1.1 设计目的和意义 ................................................1
1.2 设计任务 ......................................................2
1.3 研究内容及可行性分析 ..........................................2
1.3.1 研究内容 ................................................2
1.3.2 可行性分析 ..............................................3
2 系统设计理论基础....................................................3
2.1 转速测量方法 ..................................................3
2.1.1 测频法(M 法)...........................................3
2.2 电机转速信号采集方案 ..........................................4
2.2.1 霍尔开关测量方案 ........................................4
2.2.2 传感器测转速方案确定 ....................................5
2.3 直流电机调速方法 ..............................................5
2.3.1 PWM 调速设计.............................................5
2.4 直流电机驱动方案选择与论证 ....................................7
2.4.1 L298 引脚及功能说明......................................7
3 系统方案设计与论证..................................................8
3.1 方案一 ........................................................8
3.2 方案二 ........................................................8
3.3 方案选择 ......................................................8
4 系统硬件设计........................................................9
4.1 系统硬件框图 ..................................................9
4.2 转速信号采集电路 ..............................................9
4.3 单片机模块 ...................................................10
4.4 电机驱动与控制电路 ...........................................12
4.5 显示电路模块 .................................................13
4.5.1 液晶显示器 LCD1602 芯片引脚图及说明 .....................13
4.5.2 液晶显示模块电路 .......................................14
5 PCB 设计 ...........................................................14
5.1 Protel 99 SE 简介 ............................................14
5.2 印制电路板设计 ...............................................15
6 系统软件设计.......................................................15
6.1 主程序流程图 .................................................15
6.2 转速计算程序流程图 ...........................................16
6.3 占空比可调 PWM 波产生程序 .....................................17
6.4 显示程序流程图 ...............................................18
7 试验数据采集及结果分析.............................................18
7.1 系统硬件调试 .................................................19
7.1.1 直流电机驱动与控制电路模块调试 .........................19
7.2 系统软件调试 .................................................19
7.2.1 转速测量与显示仿真调试 .................................19
7.3 系统硬件与软件统调 ...........................................21
7.3.1 测试方法 ...............................................21
7.3.2 测试结果 ...............................................22
7.3.3 结论与误差分析 .........................................23
8 结束语.............................................................24
参考文献:............................................................25
附录:................................................................26
附录 1 PCB 图 .....................................................26
附录 2 原理图.....................................................27
附录 3 实物图.....................................................28
附录 4 元器件清单.................................................29
附录 5 源程序.....................................................30
基于单片机的转速控制器设计
1
基于单片机的转速控制器设计
职业技术教育学院 应用电子技术教育专业 陈淑萍(07440101)
指导老师:朱伟玲(讲师)
摘要:本文首先介绍了直流电动机的工作原理以及直流电动机的调速方法,然后叙述了单片
机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法,分析了相应方法在测量上的特点和计算。
本文主要工作,设计出一种基于 AT89S51 单片机的直流电机转速测控系统,采用霍尔传感
器感应电机转速测量的方法,利用直流电机驱动芯片 L298N 组成电机驱动电路,通过 PWM
波的输出脉冲进行调速,通过 LCD 对电机转速进行实时显示。设计的硬件系统包括脉冲信
号产生、单片机电路模块、电机驱动模块和显示模块四部分,采用 C 语言编写了转速测量与
控制的软件。实验结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。
关键词:单片机;转速测量;霍尔传感器;电机;脉冲;PWM 调速
Speed-control Controller Design Based on
Microcontroller
Director:CHEN Shu-Ping (07440101) Instructor:ZHU Wei-lin
(Vocational and Technical Education, Zhejiang Normal University)
Abstract:This article firstly introduces the working principle of dc motor and the control method
for dc motor. Then the measurement and several common methods for measuring rotational speed
of single-chip microcomputer system structure is described. The characteristics of the
measurement method and the calculation are Analyzed. The work in this article is to design a kind
of dc motor speed measurement and control system based on AT89S51, using Hall sensor-based to
induction Motor speed. High-power drive circuit implementation L298N motor driver is used.
Through the PWM output pulse wave achieve motor speed and the speed of the motor is showed
in real time on LCD. The Hardware systems designed including the pulse signal generation. And
using C language to prepare the speed measurement and control software. The results of
experiment show that the method is simple, high precision, stability.
Key Words:Microcontroller;Speed measurement;Hall sensor-based;motor;pulse;PWM
speed
1 绪论
1.1 设计目的和意义
转速是工程中应用非常广泛的一个参数,其测量方法较多,而模拟测量及模
拟处理一直是转速测量的主要方法,这种测量方法已不能适应现代科技发展的要
基于单片机的转速控制器设计
2
求,在测量范围和测量精度上,已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超
大规模集成电路技术的发展,数字系统测量达到普遍应用,特别是单片机对脉冲
数字信号的强大处理能力,使得全数字测量系统越来越普及,其转速测量系统也
可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高,因此,本课
题的目的:对各种测量转速的基本方法给予分析,针对不同的应用环境,利用
AT89S51 单片机设计一种数字化测量系统,从提高测量精度。本设计引入了单片
机系统作为调速系统的监控和处理设备,特别是单片机技术的应用,使直流电机
调速技术进入一个新的阶段。采用单片机控制的调速系统,其控制方案是依靠软
件实现的占空比可调的矩形波对电机转速进行控制。
当今,自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展,而直流调
速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来,直流电动
机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好
等特点,在传动领域占有一定的地位。直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width
Modulation-简称 PWM)调速产生于 20 世纪 70 年代中期,最早用于自动跟踪天文
望远镜、自动记录仪表等的驱动,后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的
发展, PWM 技术得到了高速发展,各式各样的脉宽调速控制器,脉宽调速模块也应
运而生,许多单片机也都有了 PWM 输出功能。随着单片机的不断推陈出新,特别
是高性价比的单片机的涌现,转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、
智能化的系统。电动机的数字控制是电动机控制的发展趋势,用单片机对电动机
进行控制是实现电动机数字控制系统的最常用手段。
1.2 设计任务
用霍尔传感器测量电机转速,把霍尔传感器的输出信号送入单片机,在单片
机上编写转速计算程序、显示程序、控制程序,通过 PWM 方式控制直流电机调
速,利用 l298 驱动芯片驱动直流电机,用 LCD 液晶显示器显示电机转速。技术
参数:
(1)转速误差小于 5%
(2)环境温度-20℃-55℃
1.3 研究内容及可行性分析
1.3.1 研究内容
本课题介绍的直流电机转速测量与转速控制以单片机和霍尔传感器为核心。
霍尔传感器将不同电机速转变成的不同频率的脉冲信号,把该信号送入到单片机
进行控制与计算及处理,并用 PWM 调速系统对转速进行控制,即利用单片机产
生占空比可调的矩形波对电机的转速进行控制,直流电机的驱动采用驱动芯片
L298 对直流电机进行驱动,最后采用 LCD 液晶显示器进行转速与占空比显示,
基于单片机的转速控制器设计
3
使得直流电机的转速能直观的显示给使用者。
1.3.2 可行性分析
本系统由脉冲(转速)信号采集电路模块、单片机 AT89S51 模块、电机驱
动电路模块、LCD 液晶显示模块和系统软件模块五部分组成。该设计能实时地
将所测的速度显示出来,主要是将霍尔传感器感应出来的电机转速信号(霍尔传
感器将不同电机转速转变成不同频率的脉冲信号)送入单片机,通过传感器采集
到的信号,然后通过单片机计算出电机的转速,利用单片机产生占空比可调的
PWM 波送入直流电机的驱动模块对电机的转速进行控制从而实现电机的调速,
最后将所得的转速数据由 LCD 液晶显示模块显示出来。
2 系统设计理论基础
2.1 转速测量方法
转速测量的方法有测周法(T 法)、测频法(M 法)和测频测周法(M/T)法等
[1]
。
综合三种转速测量的方法,本设计采用测频法进行转速测量。即把转速信号
送入单片机进行计数与处理。即在单片机内通过定时器定时 1 秒,把转速信号从
外部中断送入,并设置为下降沿中断,对一秒内送入的转速信号的下降沿次数进
行计数,下降沿的次数是多少,即信号的频率就是多少,然后根据公式将转速计
算出来即可得到电机转速。
2.1.1 测频法(M 法)
在一定测量时间 T 内,测量脉冲发生器(替代输入脉冲)产生的脉冲数 m1
来测量转速。如图 2-1 所示
[1]
。
图 2-1 “M“法测量转速脉冲
设在时间 T 内,所得的脉冲个数有 m
1
个,则转速 n 可由下式表示:
TP
m
n
1
60
�
(2-1)
n-转速单位:(转/分);T-定时时间单位:(秒);m1 是指单位时间内计
数器计得脉冲的个数。
设时间 T 为 1 分钟,电机转一圈的脉冲数 P 为 1,则电机的转速 n=60m
1
。
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