1、本科毕业设计基于单片机的转速控制器设计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 陈淑萍（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及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及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
2、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 MicrocontrollerDirector：CHEN Shu-Ping (07440101) Instructor：ZHU Wei-lin(Vocational and Technical Education, Zhejiang Normal University)Abstract：This article firstly introduces
3、 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
4、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 moto
5、r 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 experiment show that the method is simple, high precision, stability.Key Words：Microcontroller；Speed measur
6、ement；Hall sensor-based；motor；pulse；PWM speed1 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，而模拟测量及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的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及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及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范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，
7、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、易于大范围内平滑调速、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
8、 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及电路技术的发展, 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陈出新，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
9、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-20-551.3 研究内容及可行性分析1.3.1 研究内容 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及处理，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。1.3.2 可行性分析本系统由脉
10、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
11、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。即在单片机内通过定时器定时1秒，把转速信号从外部中断送入，并设置为下降沿中断，对一秒内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内，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内，所得的脉冲个数有m1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是指单位时间内计数器计得脉冲的个数。 设时间T
12、为1分钟，电机转一圈的脉冲数P为1，则电机的转速n=60m1。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，并在垂直于磁场的方向上通以电流时，霍尔片上与电流和磁场垂直的方向会产生霍尔电势差V=KBI，当通过霍尔片的电流恒定不变时，改变磁场的大小，可以改变霍尔电势差。霍尔开关原理图如图2-2所示。（a）霍尔开关外形图（b）霍尔效应原理示意图图2-2 霍尔开关原理图如图2-2（b）所示，通电半导体放在均匀磁场中，在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场，这种现象称霍尔效应。在长
13、为L，宽为b，厚为d的半导体薄片上，沿长度与宽度方向的四个端面上分别制作电极。在长度方向（x方向上）施加磁感应强度为B的磁场，在宽度方向（y方向上）产生电位差，即产生横向电场，称为霍尔电场EH。相应的霍尔电势为UH。当电子运动速度为u时，电子电荷量为q0（q0=1.602x10-19C）。磁场B作用产生的磁场力为：FH=q0uB (2-2)电场EH作用产生的力为：FE= q0 EH (2-3)式中：EH=UH/b。2.2.2 传感器测转速方案确定因为霍尔传感器结构简单，测量装置体积小，量程大，环境适应能力强，霍尔元件输出的信号无需经过放大，可以直接整形后送入单片机进行处理而计算得到电机转速。并
14、且根据本系统的设计任务要求，所以本系统采用霍尔传感器对信号进行检测。本系统方案使用CS3020开关型霍尔传感器，将霍尔传感器放置在直流电机的附近，当电机转动时，霍尔传感器靠近电机上的磁钢感应转速信号输出脉冲，由于是开关式的霍尔传感器，所以采集的信号直接就可以直接送给单片机，经单片机处理之后，由LCD进行显示转速。2.3 直流电机调速方法直流电机的转速n的表达式20为 (2-4)式中 U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻；每极磁通量；K电机结构参数。由式（2-4）得，电机转速与电枢电压成正比例关系，可通过对电枢电压进行控制的电枢控制法对电机的转速进行控制。本设计采用在励磁恒定不变的情况下，
15、通过调节电枢电压来实现调速。2.3.1 PWM调速设计电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大15。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。对直流电机电枢电压的控制和驱动中又可分为线性放大驱动方式和开关驱动方式。本设计采用开关驱动方式，通过PWM脉宽调速系统来控制电动机电枢电压，利用电枢电压与电机转速之间的关系实现调速。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通
16、或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，所以，PWM又被称为“开关驱动装置”。 如图2-3利用开关管对直流电机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图2-3(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，电枢电压为Us，t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电枢电压Us为0，t2秒后，栅极输入重新变为高电平，重复前面的过程，这样对应着输入的电平高低，电枢两端的电压波形如图2-3（b）所示。其电枢两端电压的平均值为U0为20： （2-5）式中为占空比。（a） 原理图 （b
17、）输入输出电压波形图2-3 PWM调速控制原理和电压波形根据式(2-4)、(2-5)，改变占空比，可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的15。PWM信号的产生通常有两种方法:一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。本系统采用软件方法。基于单片机由软件来实现PWM：改变占空比的值有以下三种方法20。：A、定宽调频法：保持不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。（图2-3）B、调宽调频法：保持t2不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。（图2-3）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t2。（图2-3）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频
18、率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，有操作性强等优点。2.4 直流电机驱动方案选择与论证方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案二：采用集成芯片L298N驱动。它是恒压恒流双H桥集成电机芯片，输出电流可达到2A，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行转速控制，很方便单片机的操作，且此芯片内有两个驱动
19、，只用一片就可以驱动两个直流电机，既方便，电路又简单，且驱动力强。方案三：利用三级管驱动，但是三级管的驱动电压比较高 ，而单片机输出地信号的幅度只有5V左右，所以还要进行放大，比较麻烦。鉴于方案二电路比较简单，容易实现，且驱动力强、过载能力大，因此本设计采用方案二。即采用驱动芯片L298N对电机进行驱动。2.4.1 L298引脚及功能说明19图2-4 L298芯片管脚本系统设计了基于L298 芯片的直流电机调速系统硬件电路。L298内部包含4通道逻辑驱动电路,即内含二个H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A 以下的电机。由L298构成的PWM功率放大
20、器的工作形式为单极可逆模式,2个H 桥的下侧桥晶体管发射极连在一起,其引脚排列如图2-5所示,1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流信号。L298可驱动2个电机, OUTl、OUT2 和OUT 3、OUT4 之间分别接1 个电动机。5、7、10、12 脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA、ENB 接控制使能端,控制电机的停转。这些特性使得L298很适合用作小型直流电机控制芯片19。其L298的功能如表2-1所示。表2-1 L298功能表In1In2运转状态0XX停止110正传101反转111急停100停止注：L298驱动芯片使能端； In1、In2L298驱动芯片输入端。3
21、系统方案设计与论证3.1 方案一通过线性式霍尔传感器对电机转速进行感应，产生不同的转速有不同频率的非矩形脉冲信号，所以要通过放大整形电路将转速信号处理变为单片机要求的信号，然后将该信号送入单片机进行处理、计数，并通过PWM控制原理对电机的转速进行控制。3.2 方案二通过开关式霍尔传感器对电机转速进行感应，不同的转速产生不同频率的脉冲信号，信号峰峰值足够大的话可以直接送入单片机进行处理、计数，并通过PWM控制原理对电机的转速进行控制，最后用LCD液晶显示器显示电机的转速。3.3 方案选择 综合方案一与方案二的分析，方案一中由于线性霍尔传感器的输出信号不是矩形波，故此要通过处理后才可以将检测到的信
22、号送入单片机，本设计采用方案二进行设计。4 系统硬件设计4.1 系统硬件框图图4-1 系统硬件框图本系统主要通过霍尔传感器检测电机转速，将不同电机转速转变成不同频率的脉冲信号，然后将传感器采集到的转速信号送入到单片机，再通过单片机计算出转速，通过软件产生PWM波方式送入电机驱动模块的输入端来控制直流电机的转速。最后将所测得的转速由LCD液晶显示器显示出来。4.2 转速信号采集电路转速信号采集是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量,这一环节主要利用霍尔传感器将不同的电机转速转化为不同频率的具有高低电平的脉冲信号。本系统中采用霍尔传感器CS3020作为检测元件。霍尔传
23、感器输出的是一个开关信号，所以它的电路非常简单，可以将其检测到的转速信号直接送给单片机进行处理与计算。CS3020是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集，这种传感器是一个3 端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图4-2所示是CS3020的外形图以及霍尔传感器电路连接图。将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc(1脚)，地(2脚)，输出(3脚)。注意在使用时要在1脚和3脚之间接一个5K左右的上拉电阻。 图4-2 霍尔传感器连接图根据霍尔效应原理，将一块磁钢粘在电机转轴上的转盘边沿，转盘随轴旋转，磁钢也将
24、跟着同步旋转，霍尔开关靠近磁钢，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件有脉冲信号输出，其频率和转速成正比，计算周期内脉冲个数即可方便的测量转速。其演示图如图4-3所示。且脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系如式3-1所示410。 (3-1)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，根据上式即可计算出直流电机的转速。图4-3 霍尔传感器感应转速信号演示图4.3 单片机模块单片机是整个测量系统的主要部分，本系统采用单片机对前端的转速脉冲信号进行处理、计算、并通过软件编写产生占空比可调的PWM波对电机的转速进行控制，其次，将测量的转速数据送到显示电路LCD1602液晶显示器显示转
25、速数值。 其复位电路、晶振电路、单片机模块硬件电路图如图4-4、4-5、4-6所示。图4-4 单片机复位电路图4-5 单片机晶振电路图4-6 单片机模块硬件电路图如图图中，开关SK用来控制直流电机的转速。主要是在单片机中编写相应的程序（用软件产生PWM波即产生不同的占空比的矩形波）来对直流电机的转速进行分档控制。本设计主要是利用单片机的定时器0和外部中断1来编写相应的程序，使每按一次SK键，P1.0口产生不同的占空比的PWM波，本设计中共设计了10档，占空比分别为：50%、40%、30%、20%、10%、100%、90%、80%、70%、60%。然后将P1.0脚接到后续电路（直流电机的驱动控制
26、电路）的输入端In1脚，用于对直流电机的转速进行控制。P3.2脚接入前端电路（霍尔传感器）的输出信号，把信号送入单片机进行计数、处理。P0口接显示器，注意P0口需要接上拉电阻（10k）。P2.7、P2.6、P2.5分别接到液晶显示器LCD1602的4(RS)、5(RW)、6(E)脚，用来控制显示器的操作。4.4 电机驱动与控制电路根据实际控制的需要，本文给出了基于AT89S51型单片机和L298 的直流电机驱动与控制系统的硬件连接图。如图4-7所示，L298 采用外接电源单独供电工作方式，电源电压为5V。图4-7 L298N 的直流电机驱动与控制硬件连接图本系统选用AT89S51单片机作为CP
27、U核心。本系统通过开关SK与外部中断INT1 相连，其中每按下一次SK，分别给定适当的占空比，占空比由单片机程序控制，电机转速一共10档，设计中将P1.0（占空比可调的PWM波）接到L298驱动芯片的5脚（IN1），用来控制电动机的转速，从而实现电机的调速。同时，将所测得的转速送到P0口在LCD上显示出来，以方便观察电机工作状态。根据L298N 的输入输出关系( 见表4-1) ，使能控制端ENA 接+5V电源，PWM信号输入端IN1 和IN2 可以控制电动机的正反转( 输入端IN1为PWM信号，输入端IN2为低电平，电动机正转；输入端IN2为PWM信号， 输入端IN1为低电平，电动机反转) ，
28、当它为低电平时，驱动桥路上的4 个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。电动机的转速由单片机调节PWM 信号的占空比来实现。表4-1 L298功能模块In1In2运转状态0XX停止110正转101反转111急停100停止在本系统中，要求只要控制直流电机的正转功能，所以只需用到L298驱动芯片功能模块中的正转模块，7脚（IN2）接地，正转时，使能端EnA接高电平，然后在IN1脚通过单片机送入不同占空比的信号来对电机的转速进行控制。停止时，给EnA接低电平。4.5 显示电路模块本设计显示电路主要采用LCD液晶显示模块。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的
29、LCD，本设计采用16脚的LCD。4.5.1 液晶显示器LCD1602芯片引脚图及说明液晶显示器LCD1602芯片引脚如图4-8所示图4-8 液晶显示器LCD1602芯片引脚图其中：第1脚：VSS为地电源第2脚：VCC接5V正电源第3脚：VL为液晶显示器对比度调整电压端，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，高电平时选择数据寄存器（即输入数据）、低电平时选择指令寄存器（即输入指令）。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作（从LCD读取信号），低电平时进行写操作（向ICD写入指令或数据
30、）。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，使能信号，1时读取信息，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：LCD背光电源正极，接+VCC。第16脚：LCD背光电源正极，接地。4.5.2 液晶显示模块电路本系统设计液晶显示模块电路如图4-9所示。图4-9 液晶显示模块电路在显示模块电路中，LCD液晶显示器的第4脚、5脚、6脚接到单片机的P2.7、P2.6、P2.5，第7-14脚接到单片机的P0口，用来读取直流电机的转速信号
31、。其中P0口要接上拉电阻R5。5 PCB设计5.1 Protel 99 SE 简介Protel 99 SE 是 Protel 公司于2000年推出的设计软件，Protel 99 SE 以其强大的功能，方便快捷的设计模式和人性化的设计环境，成为当前电子工业中印制电路板设计的主流软件。Protel 99 SE 具有良好的兼容性、简单的PLD设计工具，模板丰富、方便的库封装、多种元件布局工作、优异的绘图及处理功能、简单的同步设计、信号完整性分析等特点。本系统电路PCB板的设计就是基于Protel 99 SE 现在Protel 99 SE 软件生画好硬件电路的原理图，然后对原理图中的各个元件做相应的封装，封装好后在把电路导成PCB板，最后在制作印制电路板。5.2 印制电路板设计1建立一个自己的项目，比如基于单片机的转速控制器设计.ddb，并保存在相应的目录下2在项目中添加所需要的文件，如转速控制器设计.sch。3在转速控制器设计.sch中画出protel原理图，并对各个元器件进行封装。4检查原理图连接和各个元器件的封装是否合理正确，确定无误，导入PCB进行布线，注意布线要合理正确。5最后进行做板(
