基于51单片机的直流电机转速测量与控制

本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：对电机的驱动电路采用的DAC0832，直接将数字量转为模拟量进行控制，精度不高，不过作为学生实验足够了。
此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。
2硬件电路的连接和程序的调试
本次的课程设计是基于SICElab-G2100实验箱设计，采用模块化结构。实验箱如下图所示
图9 SICElab-G2100实验箱
硬件接线如下：
把第17号模块“并行数模转换”中的DAC0832输出Aout孔连第23号模块“直流电机”的Dcin孔，数模转换DAC0832的CS17孔和Xfer孔连第38号模块“片选信号”中的YS2孔，WR1孔和WR2孔连第33号模块“控制总线”的/WR孔，CKM孔（霍尔传感器输出孔）连“Lab51CPU板”的P3.2孔。第38号模块“片选信号”中YS0（0800H）孔连第40号模块“键盘+数码管”CS40孔。
否
是
是
否
否
是
图8键盘扫秒流程图
1.3PID控制
本次的课程设计采用的PID控制，调速性能好，通过调节比例常数、积分常数、微分常数使得转速控制达到想要的精度。
PID参数的调节有试凑法和实验法，本课程设计采用的是实验法。现介绍如下：
实验法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。
整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
2.采用比例调节方法，使电机转速稳定在设定值；
3.测量电机的转速，并在实验平台数码管上显示；
4.转速稳定后，可随时修改转速设定值；
5.优化比例调节系统，使电机转速的调节时间较短，并尝试加入积分、微分环节，改善转速的静态和动态特性。电机转速不允许出现振荡。
基于51单片机的直流电机转速测量与控制
摘要：本设计主要完成以AT89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。采用霍尔传感器进行速度测量，利用PID控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。动态显示实际转速。电机可以快速的达到设定值，且不会出现震荡现象。
Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；
VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
AGND：模拟信号地；
DGND：数字信号地。
试验箱DAC0832如下图所示
图4实验箱DAC0832
1.2霍尔传感器测速及转速计算方法
单片机原理与应用
课程设计
院系信息工程学院
班级自动化121
学生姓名张晓峰
学号121404010432
日期2015/7/9
任务要求
基于51单片机的直流电机转速测量与控制
一、设计目的
1.通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识复习和掌握，对单片机课程的应用有进一步的了解。
2.掌握定时器、终端的设置和变成原理。
连线
连线孔1
连线孔2
连线
连线孔1
连线孔2
1
Aout
Dcin
5
WR2
/WR
2
CS17
Xfer
6
CKM
P3.2
3
Xfer
YS2
7
CS40
YS0
4
WR1孔
WR2
表1硬件电路连线
图10接线图
按图中接线，编写程序，调试PID参数，经过反复的实验，转速可以快速的达到设定值，且不会出现振荡，运行结果如下图所示
图11转速为4r/s时运行结果图12转速为12r/s时运行结果
5附录
#include "reg52.h"
#include "absacc.h"
#define LEDLen 6
unsigned char count;
unsigned char TS;
float DA;
long int n;
unsigned int t;
unsigned char Key_temp;
1.2.1霍尔传感器测速原理
霍尔传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。
关键词：直流电机，STC89C51，矩阵键盘，设定值，霍尔传感器，DAC0832，PID
正文
1.系统设计
本设计主要完成以STC89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。采用霍尔传感器进行速度测量，利用PID控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。动态显示实际转速。系统结构图如下图所示
图13转速为45r/s时运行结果
3创新与改进
实验箱自带的有RS232，可以利用串口通讯，将矩阵键盘输入给定值改为通过串口通讯的方式，通过PC机键盘给定，或者编写Labview程序，使用Labview串口给单片机送给定值。
4心得体会
经过1个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的程序，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。
这次的课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，林老师在我们完成的基础上添加新的东西，转速给定值可以通过串口通讯，PC机发送数据，也可以编写Labview程序，通过虚拟旋钮给定转速值，为此给我们培训了一下虚拟仪器及检测技术，对Labview做了简单介绍，给我们入了门。对林老师专业知识的渊博表示敬佩，在此我表示感谢！同时，和同学的互相交流，使我有新的创意，新的理解，在此表示感谢！
WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
霍尔传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。
另外，霍尔传感器的测量必须配合磁场的变化，因此在霍尔传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。
char code dx516[3] _at_ 0x0023;
unsigned char LEDBuf[LEDLen];
code unsigned char LEDMAP[] = {
0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,
0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71
3.根据设计任务和要求，画出程序整体流程图，然后进行各程序模块的设计，编写控制程序。
4.掌握如何应用单片机仿真器或编程器来开发应用及仿真调试的过程，反复修改测试直至完成任务。
三、设计内容
设计并调试一个程序使其实现如下功能：
1.在实验平台上通过键盘输入一个转速的设定值（例如25rpm），并在数码管上显示；
RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
VSS：地线。
VCC：+5 V电源。
1.1DAC0832
ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
本试验箱的霍尔传感器如下图所示
图5实验箱霍尔传感器
1.2.2测速方法
由于直流电机转速较小，所以采用T法测速，T发测速的原理如下
T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。计算公式为：
};
code unsigned char KeyTable[] = {
0x16, 0x15, 0x14, 0xff,
0x13, 0x12, 0x11, 0x10,
3.掌握单片机原理、结构、指令、接口及应用。
4.通过此次课程设计能够将单片机硬件结合起来，获得单片机应用系统设计的基本理论，基本只是和基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法。
二、基本要求
1.,以80C51的基本知识和方法为基础，通过系统扩展达到应用单片机的目的。
2.根据应用系统结构规模的要求，掌握单片机外部扩展系统的硬件设计的基本过程，正确合理选择期间，绘制应用系统原理图。