小功率直流电机测速系统的设计课程设计

课程设计任务书15/16 学年第一学期学院：计算机与控制工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：学号：课程设计题目：小功率直流电机测速系统的设计起迄日期:课程设计地点:专业教室指导教师:学科部副主任：下达任务书日期:课程设计任务书课程设计任务书1引言设计任务及要求设计一个由计算机控制的直流电机测速系统，选择光电编码器，设计接口电路，对直流电机的转速进行检测，测量出直流电机的转速，要求检测范围为0~1000转/分。

课程设计的目的及意义通过设计，掌握直流电机的测速方法、掌握计算机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。

在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。

要测速，首先要解决是采样问题。

在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。

为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。

因此转速的测试具有重要的意义。

2 AT89C51芯片的介绍主要性能：与MCS-51单片机产品兼容、8K字节的在系统可编程Flash存储器、一千次的擦写周期、全静态操作：0Hz～24MHz、三级加密程序存储器、三十二个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器以及八个中断源、全双工UART 串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

功能特性：AT89C51是一种低功率消耗、性能较高CMOS8位微控制器，具备8K在系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器高技术制作，可以与工业80C51产品指令和引脚全部兼容片上。

AT89C51具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

此外，AT89C51 可降低到0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可抉择节电模式。

空闲模式时，CPU 不再工作，却允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保留下来，振荡器被冻结，单片机所有工作都停止，直到下一个中断开始或者有硬件复位为止。

管脚说明：图1-1 AT89C51管脚分布·VCC：供电电压，·GND：接地。

·P0口：P0口作为一个8位漏级开路双向的I/O口，每脚可以吸纳8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被视为输入高阻。

P0可以用于外部程序或者数据存储器，它可以被定义为数据或者地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口被视为为原码输入口，当FIASH开始校验时，P0输出原码，此时P0外部一定被拉高。

·P1口：P1口是内部提供的8位上拉电阻的双向I/O口，P1口缓冲器能收到输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，可作为输入，其管脚被内部上拉为高电平， P1口被外部下拉为低电平的时候，将输出电流，这是由于内部上拉的原因。

在FLASH编程和校验时，P1口被认为是第八位地址接收。

·P2口：P2口是一个8位内部上拉电阻的双向I/O口，P1口缓冲器可收到或者输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉为高电平，且作为输入。

作为输入，P2口的管脚将被外部拉低的时侯，将输出电流。

这是由于内部上拉的原因。

P2口在用于外部程序存储器或者是16位地址外部数据存储器进行操作时，P2口输出地址作为高八位。

在给出地址“1”时，它有内部上拉的优点，当对外部八位地址数据存储器进行读写操作时，P2口输出它的特殊功能寄存器上的内容。

P2口在FLASH编程和校验的时候，接收信号作为高八位地址信号和控制信号。

·P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，P3口缓冲器可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，被内部上拉为高电平，并且作用于输入。

作为输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这是由于上拉的原因。

·P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

·P3口管脚备选功能：· RXD（串行输入口）· TXD（串行输出口）· /INT0（外部中断0）· /INT1（外部中断1）· T0（记时器0外部输入）· T1（记时器1外部输入）· /WR（外部数据存储器写选通）· /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

·RST：复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

·ALE/PROG：当访问外部存储空间时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期之中，此引脚作用于输入编程脉冲。

在平时，ALE 端以一定的频率周期输出正脉冲函数，此频率为振荡器频率的六分之一。

因此它可用于对外部输出的脉冲或用于定时作用的目的。

然而值得注意的是：每当用作外部数据存储的时候，它将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH 地址上复位。

此时， ALE只是在执行MOVX，MOVC指令是ALE时才能够起作用。

此外，该引脚被略微拉高。

若是微处理器在外部执行状态ALE为禁止，那么置位无效。

·PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储空间取指期间，每个机器周期是两次PSEN才有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号都将不能够实现。

·EA/VPP：当EA保持低电平时，不管是否有内部的程序存储空间，那么在此期间外部程序存储空间（0000H-FFFFH）。

注意当加密方式是1时，EA将内部定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储空间。

在FLASH编程期间，此引脚也可以用作施加12V编程电源。

·XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

·XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3系统的设计原理系统简述按照题目给的要求，我们最终设计了如下的解决方案：用户通过键盘键入指令（开关），微控制器在收到指令后改变输出的PWM 波，最终在ULN2003的驱动下电机转速发生变化。

通过ST151传感器测量电机扇叶的旋转情况，将转速显示在数码管上。

在程序主循环中实现按键扫描及转速显示，将定时器0作为计数器，计数ST151产生的下降沿，可算出转速，并送至数码管显示。

设计思路：（1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一个圆盘，在圆盘上挖一个小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通一次，利用此信号作为脉冲计数所需。

（2）对光电开关信号整流放大。

（3）脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时。

（4）显示电路采用单片机动态显示。

转速测量原理在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。

设固定的测量时间为Tc(min)，计数器记取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出P个脉冲，对应被测转速为N （r/min），则f=pN/60Hz，另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为m=Tcf，所以，当测的m值时，就可算出实际转速值：N=60m/PTc(r/min)转速测量系统组成框图系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。

其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。

对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确的算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。

系统的原理框图如图1所示。

图1 系统原理图4系统硬件电路的设计系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。

由于没有硬件实物，所以通过Proteus Pro 进行硬件仿真实现。

脉冲产生电路设计设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。

当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。

系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一个转盘。

在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。

每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。

把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即使的转速。

转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。

这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。

设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。

为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用11个过孔，从而留下了10个同等的间距。

这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。

脉冲发生源的硬件结构图如图2所示。

图2 脉冲发生硬件结构图光电转换及信号调理电路设计由于系统需要将光信号转换为电信号，因为需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路，以得到符合要求的脉冲信号，送给单片机AT89C51进行计数，同时得到计数的时间，由单片机进行相关计算以得到电动机转速。

传感器将电机的转速信号编程了电脉冲信号，该信号经过LM324集成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电动机转速。

光电转换部分与单片机的连接框图如图3所示。

图3 光电转换部分与单片机的连接框图时钟电路系统采用12M晶振与两个10pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTALI 与XTAL2引脚，为微控制器提供时钟源。

Proteus仿真图如图4所示。

图4 时钟电路仿真图按键电路四个按键分别控制电机的不同转速，即控制PWM波高电平的占空比，以实现电机的速度控制，采用开环控制的方法，不是十分精确，但控制简单，易实现，代码编写简单。

Proteus仿真图如图5所示。

图5 按键电路仿真图显示部分系统采用4位共阴极数码管实现转速显示。

数码管的位选端1~4分别按AT89C51的~管脚，端选段A~G与DP分别按AT89C51的~管脚。