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基于单片机的转速控制器设计说明.doc
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基于单片机的转速控制器设计说明.doc
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目 录
目 录........................................................................................................1
摘要:本文首先介绍了直流电动机的工作原理以与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与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。................................1
Abstract : This article rstly 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 experimentshow
that the method is simple, high precision, stability................................1
1 绪论......................................................................................................1
1.1 设计目的和意义.............................................................................1
1.2 设计任务.......................................................................................2
1.3 研究容与可行性分析.......................................................................2
1.3.1 研究容..........................................................................................................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....................................................................3
2.2.1 霍尔开关测量方案......................................................................................3
2.2.2 传感器测转速方案确定..............................................................................4
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..........................................................6
1 / 32

2.4.1 L298 引脚与功能说明
[19]
.............................................................................7
3 系统方案设计与论证...............................................................................7
3.1 方案一..........................................................................................7
3.2 方案二..........................................................................................8
3.3 方案选择.......................................................................................8
4 系统硬件设计.........................................................................................8
4.1 系统硬件框图................................................................................8
4.2 转速信号采集电路..........................................................................8
4.3 单片机模块....................................................................................9
4.4 电机驱动与控制电路.....................................................................10
4.5 显示电路模块..............................................................................11
4.5.1 液晶显示器 LCD1602 芯片引脚图与说明...............................................11
4.5.2 液晶显示模块电路....................................................................................12
5 PCB 设计.............................................................................................12
5.1 Protel 99 SE 简介.......................................................................12
5.2 印制电路板设计...........................................................................12
6 系统软件设计.......................................................................................12
6.1 主程序流程图..............................................................................13
6.2 转速计算程序流程图.....................................................................14
6.3 占空比可调 PWM 波产生程序.........................................................14
6.4 显示程序流程图...........................................................................15
7 试验数据采集与结果分析.......................................................................15
7.1 系统硬件调试..............................................................................16
7.1.1 直流电机驱动与控制电路模块调试........................................................16
7.2 系统软件调试..............................................................................16
7.2.1 转速测量与显示仿真调试........................................................................16
7.3 系统硬件与软件统调.....................................................................17
7.3.1 测试方法....................................................................................................17
7.3.2 测试结果....................................................................................................18
7.3.3 结论与误差分析........................................................................................20
8 结束语................................................................................................20
参考文献:.............................................................................................21
附录:...................................................................................................22
附录 1 PCB 图...................................................................................22
附录 2 原理图....................................................................................23
附录 3 实物图....................................................................................24
附录 4 元器件清单..............................................................................25
附录 5 源程序....................................................................................26
2 / 32

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 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与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与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, ZhejiangNormalUniversity)
Abstract:This article rstly 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 experimentshow 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,而模拟测量与
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
1 / 32

的要求,在测量围和测量精度上,已不能满足大多数系统的使用。随着大规模
与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与,其转速测
量系统也可以用全数字化处理。在测量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、易于大围平滑调速、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与电路
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 研究容与可行性分析
1.3.1 研究容
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
进行控制与计算与处理,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,使得直流电机的转速能直观的显示给使用者。
2 / 32

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,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,所得的脉冲个数有 m
1
个,则转速 n 可由下式表示:
(2-1)
n-转速单位:(转/分);T-定时时间单位:(秒);m1 是指单位时间计
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
。
2.2 电机转速信号采集方案
2.2.1 霍尔开关测量方案
霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的,其核心元件是根据霍尔效应原理
制成的霍尔元件。由霍尔效应原理知:霍尔片处于磁场中,并在垂直于磁场的
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