基于51单片机的直流电机转速测量与控制

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。

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。

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；

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。

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1 系统结构图

本系统主要使用了STC89C51单片机、霍尔传感器测速、DC0832模数转换进

行转速控制。现将主要模块介绍如下：

1.1STC89C51

STC89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图所示。

图2 STC89C51

ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6

的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。PSEN：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

EA ：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

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

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

图3 DAC0832

D0～D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；

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；

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；

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

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。

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。

本试验箱的霍尔传感器如下图所示