#直流电机转速测量与控制系统58826

机电工程学院

课程设计

课程名称单片机原理和使用

课题名称直流电机转速测量和控制系统专业测控

学号20078004027

姓名刘晨曦

任课教师曹立军

2010年 6 月18 日

机电工程学院

课程设计任务书课程名称单片机原理和使用

课题直流电机转速测量和控制系统专业班级07测控

学生姓名刘晨曦

学号20078004027

指导老师曹立军

审批

任务书下达日期2010 年 5 月28 日任务完成日期2010年 6 月18日

设计内容和设计要求

设计内容：

直流电机100W, 电压：12V, 调速范围±30%。要求有设计说明书，画出控制系统结构图；闭环转速测控系统的具体设计，包括所选传感器、执行器和控制器的类型、原理、输入输出接口和工作电路等；系统流程图及控制算法；控制系统界面的软件设计，包括程序流程图和实现代码；控制算法的实现，包括程序流程图和实现代码或仿真代码。

设计要求：

1）确定系统设计方案；

2）进行系统的硬件设计；

3）完成必要的参数计算和元器件选择；

4）完成使用程序设计；

5）使用程序的调试。

主要设计条件

单片机通过霍尔传感器检测电机的转速，利用单片机实验台上电机转速调节，进行程序设计和调试，调速范围±30%

说明书格式

1.课程设计任务书

2.目录

3.总体方案设计

4.单元模块设计

5.系统功能调试

6.设计总结

7.程序清单

附录

附录A 系统原理图

附录B 程序清单

进度安排

设计时间为三周

第一周：

布置课题任务，讲课及课题介绍

借阅有关资料，总体方案讨论

总体方案

第二周：

系统设计及调试

软件设计及调试

第三周：

写说明书

整理资料

目录

目录 (5)

第1章前言 (6)

第2章基本原理 (6)

第3章总体设计思路 (8)

3.1 设计方案 (8)

第4章电路的设计方案 (8)

第5章系统功能调试.................................................... 错误！未定义书签。第6章结论.................................................................... 错误！未定义书签。第7章总结和体会........................................................ 错误！未定义书签。第8章参考文献............................................................ 错误！未定义书签。附录1............................................................................... 错误！未定义书签。附录2............................................................................... 错误！未定义书签。

第1章前言

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的使用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂．功能单一，而且系统非常不灵活、

调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和使用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高

的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

第2章基本原理

1.1转速测量原理

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期和电机的转速有以下关系：

式中：n为电机转速;P为电机转一圈的脉冲数;T为输出方波信号周期

根据式（1）即可计算出直流电机的转速。

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧

面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛使用。在这里选用Allegro公司推出的霍尔传感器A314系列霍尔开关传感器a3144eu，它是带有锁存数字输出的超灵敏、不受磁极约束的霍尔效应开关。这类传感器尤其适用于电池供电型、手持型设备的操作，例如移动和无绳电话、传呼机以及掌上型电脑。 2.5 至 3.5 伏特操作和独特的时钟方法，能将平均操作功率要求降低到15 μ瓦特、2.75 伏特电源以下。

和其他霍尔效应开关不同的是，只要北极或南极磁场强度足够大，就能打开A3144 中的输出，没有磁场的时候，输出就会停止。A3144提供反向输出。不受磁极影响和最低的功率要求，允许这些器件轻松取换簧片开关，具有更高的可靠性并便于制造，从而降低对信号条件的要求。

1.2转速控制原理

直流电机的转速和施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D/A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法（简单的加一、减一法）。比例调节器的输出系统式为：

式中：Y为调节器的输出;e（t）为调节器的输人，一般为偏差值;Kp为比例系数。

从式（2）可以看出，调节器的输出Y和输入偏差值e（t）成正比。因此，只要偏差e（t）一出现就产生和之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这

是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了和偏差e（t）有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI（比例积分调节器）或PID（比例、积分、微分调节器）算法。

第3章总体设计思路

3.1 设计方案

总体方案设计

PWM波调速

采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图1—1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。

单片机（速度的测量计算、输入

设定及系统控

制）

单片机（PID 运算控制器、

PWM 模拟发生器）

电机 速度采集电路 电机驱动电路

键 盘

显示器

图1 PWM 波调速电路

其结构图如图1—2所示：

图2 电机PID 调速系统总体设计框图

单元模块设计 （一） H 桥驱动电路设计方案

利用H 桥电路来实现调速。H 桥驱动电路： 图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H 桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H 。4个三极管组成H 的4条垂直腿，而电机就是H 中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

如图所示，H 桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图4.12 H 桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动

图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图4.14 H桥驱动电机逆时针转动

（二）调速设计方案

调速采用PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛使用在从测量、通信到功率控制和变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的

输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。和此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号和数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。和收音机一样，模拟电路的输出和输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压和电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

第4章电路的设计方案

一个单片机使用系统的硬件电路设计应包含有两个部分内容：第一是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如RoM、RAM、I／O口、定时／计数器、中断系统等容量不能满足使用系统要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。第二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、D，A、A，D转换器等，并设计相应的接口电路。因此，系统的扩展和配置应遵循下列原则：

（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。

（2）系统的扩展和外围设备配置应满足系统功能的要求，并留有适当的余量，以便进行二次开发。

（3）硬件结构应和使用软件方案统一考虑，软件能实现的硬件功能尽可能用软件来实现，但需注意的是软件实现占用cPu的时间。面且，响应时间比硬件长。（4）单片机外接电路较多时，应考虑其驱动能力，减少芯片功耗，降低总线负载。

4.1 电源电路

4.2H桥驱动电路

基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可使用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。直流电机控制使用H 桥驱动电路，当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

H桥的电机驱动电路

3．基于霍尔传感器的测速模块

（1）霍尔传感器的工作原理

霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被

置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向和电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小和控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。

（2）霍尔传感器的电路原理图

霍尔传感器的测速电路

4．LCD显示模块

（1）1602芯片介绍

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：VSS为电源地

第2脚：VDD接5V电源正极

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

（2）电路原理图

LCD显示电路

5．按键电路设计

对按键电路的设计可以由2种方式：一种方式是直接按键设计，这种设计电路适用于按键较少的控制；另一种方式是矩阵式键盘的设计，它适用于对控制按键较多的电路控制。本课题总共设计按键有5个启动、停止、复位、减速、加速。由于课题调试采用的LK-51单片机键盘采用的是矩阵式键盘，为方便电路的调试，因此我所采用矩阵键盘作为控制按键。

按键电路 （四） 调速设计模块 1．PWM 波软件软件设计

程序流程图：

图11 软件电机控制的方框图

通过控制总中断使能EA 控制电机的开关，同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位时间内脉冲个数的计数。其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、霍尔元件输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定

开始

按键查询

OPEN 是否按下 时 定时器T0开始计时

Add_speed 是否按下 初始化

是

是

增大矩形波占空

Sub_speed 是否按下

是

减小矩形波占空

Swap 或close 是

否按下

改变转向或关闭

电机

产生矩形波

时长度，由变量high控制。变量change、 sub_speed 、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。

/***********通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*****************/ void motor_control()

{

if(open == 1)

EA = 1;

if(close == 1)

EA = 0;

if(swap == 1)

{

change = ~change;

while(swap != 0)

{}

}

if(sub_speed == 1)

{ high++;

if(high == 30)

EA=0;

while(sub_speed != 0)

{}

}

if(add_speed == 1)

{ high--;

if(high == 5)

high = 5;

while(add_speed != 0)

{}

}

}

2．测速软件设计

开始

初始化

OPEN是否按下

定时器T1开始计时

对单位时间内的脉冲计数N

根据公式计算出电机的速度

液晶显示电机速度

图12 软件测速的方框图

/****T1中断服务程序********单位时间（S）方波的个数*************/ void time1_int(void) interrupt 3

{

count_speed++;

if(count_speed == 20)

{ count_speed = 0;

num_display = num_medium;

num_medium = 0;

}

}

第5章系统功能调试

（一）调试软件介绍

试验所涉及的2个软件keil和proteus,以下是仿真步骤。

1．keil c5l软件集成开发环境”1

随着单片机开发技术的不断发展，单片机的开发软件也在不断发腱，Ke-l

软件是目前流行的用于开发51系列单片机的软件。该软件提供了包括c编泽

器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，透过一个集成开发环境(”V洒on)将这些莽分组合在一起。运行Keii

软件需要Pentium或以上的cPu，16MB或更多RAM、20MB l噩七空闲的硬盘

空间、win98、NT、win2000、winxP等操作系统。

2．程序调试

(1)源文件建立

使用菜单file／new在项目窗口右侧打开一个文本编辑界面，可在其中写入指

令或将己编辑完成的程序调入，保存。本程序保存为+asm。

(2)建立工程文件

点菜单Project，New Pr 0ject出现对话框，给工程命名为test保存，在弹出豹对话框选择cPu的型号，选挥AtmeI公司的89c5I，确定回到主界面，在工程窗

门文件页中点Targetl／source Groupl／Add filBto Group，}．asm，双击加入。

(3)编译连接

选择菜单Pfoject／BⅡildtar薹et进行连接，此时编译过程的信息将出现在编译窗口中，出现的语法错误会有提示，根据提示，修改源程序，直到编译通过。(4)进八调试

编译透过后的源程序，只表示没有语法错误，但是否能够存在逻辑或其他

错误，还需要进行仿真才行。编译完成后，打开菜单Debeg／star c，stop ses sion 对软件模拟调试。在调试中，可以采用单步运行对程序进行检查，修改错误，并通过各参数窗口，观察数值是否和设定值相同。反复修改，直到所有功能完全正确，即可产生lhex文件，该文件可用编程器烧录到单片机芯片中。

Protel99SE是使用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，Protel99se主要包含6个功能模块：电路工程设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。存储器和特殊功能寄存器的存取、中断功能、灵活的指针

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实

存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE仿真和PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机使用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。当电路设计完成之后，为了减少在电路板上调试时的难度，保证电路设计的正确性，将Keil c51编译生成的*.HEX 文件载入Proteus软件，实现电路仿真。

（二）直流电机的调速功能仿真

当按下open键时，电机开始工作。若需要加快电机的转速，则按下add_speed 键，直到电机转速适中；相反，需要减慢电机的转速时，则按下sub_speed键，待转速满意后，放开按键。当然，在某种特定的环境下，还需改变电机的转速，此时，你可以按一下swap键，以达到改变电机转向的目的。当电机不工作时，则按下close键。

1．调速前的波形图

2．调速后的波形图

图15 电机减速后的脉冲波形占空比

（三）电机速度的测量并显示功能仿真

对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。用户可以根据液晶显

示屏上的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。从显示数字的稳定程度，

也可以判断电机转速的稳定性。若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；