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直流电机转速测量与控制

测控系统综合训练

报告

题目：

直流电机的转速测量与控制

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成绩：

2014年12月29日-2015年1月23日

摘要

转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。

本文阐述了基于单片机的直流电动机转速控制系统的特点和优势，介绍了在STC89C52单片机实验开发平台上，对直流电动机进行测速和控制的相关算法及软、硬件实现。

设计中软件设计采用C语言编程，硬件设计采用PWM方式驱动电动机，利用霍尔元器件测量电动机的转速，在液晶显示屏（LCD）上实时显示电机的转速值。

另外还可以通过5个键盘输入电动机转速的设定值，在电动机转速的可控围控制电动机转速，使电动机的实际转速值等于设定值，并在液晶显示屏（LCD）上同时显示设定值与实际转速值，便于比较。

关键词：

直流电动；PWM；液晶显示屏（LCD）；转速测量

绪论----------------------------------------------------------------------------------------1

第一章设计任务------------------------------------------------------------------------2

1.1系统方案与组成框图-------------------------------------------------------------------2

1.2基本要求及技术指标-------------------------------------------------------------------2

第二章直流电机的控制方案设计------------------------------------------------3

2.1直流电机的工作原理-------------------------------------------------------------------3

2.2直流电机的调速方法------------------------------------------------------------------3

2.3直流电机的转速测量方法------------------------------------------------------------4

2.3.1转动系统--------------------------------------------------------------------------------5

2.3.2信号采集及其处理--------------------------------------------------------------------6

2.3.3单片机处理电路-----------------------------------------------------------------------6

2.3.4显示电路--------------------------------------------------------------------------------6

2.4直流电机控制结构图-------------------------------------------------------------------6

第三章直流电机调速硬件设计----------------------------------------------------7

3.1电机调速系统设计----------------------------------------------------------------------7

3.1.1STC89C52介绍-------------------------------------------------------------------------7

3.1.2系统时钟的设计------------------------------------------------------------------------8

3.1.3系统复位方式---------------------------------------------------------------------------9

3.2键盘电路设计-----------------------------------------------------------------------------9

3.3测速电路设计----------------------------------------------------------------------------10

3.4显示电路设计----------------------------------------------------------------------------10

3.4.1LCD原理--------------------------------------------------------------------------------10

3.4.2液晶显示模块电路--------------------------------------------------------------------12

3.5驱动电路设计----------------------------------------------------------------------------12

3.5.1L298N芯片介绍------------------------------------------------------------------------12

3.5.2驱动电路---------------------------------------------------------------------------------14

第四章系统软件设计-------------------------------------------------------------------15

4.1系统软件模块图--------------------------------------------------------------------------15

4.2主程序流程图-----------------------------------------------------------------------------16

4.3键盘扫描流程图--------------------------------------------------------------------------17

4.4中断程序流程图--------------------------------------------------------------------------18

4.5定时显示流程图-------------------------------------------------------------------------19

第五章调试部分-------------------------------------------------------------------------20

5.1硬件调试----------------------------------------------------------------------------------20

5.1.1上电前的调试--------------------------------------------------------------------------20

5.1.2上电后的调试--------------------------------------------------------------------------20

5.2软硬件联调--------------------------------------------------------------------------------20

结束语-----------------------------------------------------------------------------------------21

参考文献--------------------------------------------------------------------------------------22

附录---------------------------------------------------------------------------------------------23

附录一------------------------------------------------------------------------------------------23

附录二------------------------------------------------------------------------------------------24

附录三------------------------------------------------------------------------------------------33

附录四------------------------------------------------------------------------------------------35

绪论

  电机作为机械装备上不可或缺的组件之一，目前，我国电机产业经过40多年的发展，特别是改革开放20多年以来的快速发展，取得了长足进步。

电机作为机械装备上不可或缺的组件之一，目前，我国电机产业经过40多年的发展，特别是改革开放20多年以来的快速发展，取得了长足进步。

分析师指出，目前，我国的电机产品种类繁多，应用领域广泛，根据型号、规格、功率、轴伸、绝缘、编码器、转速开关、热敏元件、加热带等参数的不同可划分出各种各样电机。

机床、轧钢机、鼓风机、印刷机、水泵、抽油机、起重机、传送带、生产线、电梯以及医疗设备中的心电机、X光机、CT、牙科手术工具、渗析机、呼吸机、电动轮椅等，都大量使用电动机。

随着得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动控制技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。

特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。

电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统，出现了微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流系统。

这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作的人工职能，使受控对象的动态过程按规定方式和技术运行，以完成各种控制、操作管理等任务。

第一章设计任务

1.1系统方案与组成框图

设计的总体系统方案如图1-1所示，整个设计采用分块设计、分布调试、整体组合的方法。

图1-1系统组成框图

1.2基本要求及技术指标

根据课题要求研制以单片机为核心的直流电机测速控制系统。

系统设计主要包含以下任务：

1.实现对直流电机转速的测量。

2.通过键盘输入电机转速的设定值，在电机转速的可控围控制电机转速等于设定值。

3.实时显示直流电机转速的设定值和实际测量值。

4.利用控制电机定子电压接通和断开的占空比（PWM），即脉宽调速。

本设计采用光电传感器将转速转换成频率与速度一一对应的脉冲信号，将脉冲信号送给单片机进行检测，最终计算出电机的转速。

采用LCD显示器，显示测量值和由键盘输入的设定值。

对于直流电机的转速控制，选择合适的PWM方式驱动实现。

第二章直流电机的控制方案设计

2.1直流电机的工作原理

直流电机由永久磁铁、电枢、换相器等组成。

如图2-1和图2-2所示，上下是两个固定的永久磁铁，上面是N极，下面是S极，磁力线从N到S。

两极之间是一段可旋转的导体abcd，称为电枢。

电枢的ab段与cd段分别接到两个互不接触的半圆形金属片上，这两个金属片称为换向器。

在换向器的AB两端上加上一个上正下负的直流电压，电流由a到b，由c到d。

根据左手定则，ab段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，cd段向右移动。

在这两个力的作用下，abcd电枢开始逆时针旋转，因为换向器和电枢固定在一起，它也跟着转动。

图2-1直流电动机工作原理

（1）图2-2直流电动机工作原理

（2）

当电枢转过180°时如图2-2所示，cd段在上方，ab段在下方，电流由d到c，由b到a。

根据左手定则，cd段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，ab段向右移动，即电枢继续往逆时针旋转方向旋转。

当电枢再转过180°后，变回图1-1的情况，电机继续重复地转动。

如果把AB两端的电压方向反过来,电枢将顺时针旋转，原理同上。

2.2直流电机的调速方法

直流电机的工作原理为：

直流电机的磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。

当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。

根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。

PWM（PulseWidthModulation）即脉冲宽度调制是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调制方法。

在PWM驱动控制的调制系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期“接通”和“断开”时间的长短。

通过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。

如图2.3所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。

图2-3PWM脉冲信号及占空比与平均电压关系图

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t2/T，则电机的平均速度为Vd=Vmax·D,其中，Vd为电机的平均速度；Vmax为电机全通电时的速度（最大）；D=t2/T为占空比。

由公式可见，当我们改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。

PWM驱动直流电机电路如后图所示，在本设计中，PWM信号是通过软件方法产生的，通过延时控制脉冲信号高低电平的比例来驱动电机。

脉冲周期T设为255，低电平所占时长设为变量del（del最小值为0，最大值为255），实验测试时发现低电平所占比例越大，电机转速越快。

2.3直流电机的转速测量方法

转速是电机的一个最常用的参数，电机的转速常以每分钟的转数来表示，其单位为r/min。

转速的测量方法有很多，由于转速是以单位时间的转数来衡量的，因此采用光电传感器测量转速是较为常用的一种测量方法。

本文针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速，然后用1602LCD液晶显示屏把电机的转速显示出来。

即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。

如图2-4所示，系统主要由STC89C52单片机处理系统、电机、传感器检测单元、信号处理单元和显示系统等几个部分组成。

图2-4测速系统组成框图

2.3.1转动系统

本设计中采用对射式光电传感器测量电机转速。

当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，反之打开。

测装置按照发动机上传感器的实际安装位置进行安装。

将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。

测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。

测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。

信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。

因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。

该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速围大，一般为1r/s～104r/s以上，精确度高。

2.3.2信号采集及其处理

被测物理量经过传感器变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。

为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理，这就引入了中间变化电路。

2.3.3单片机处理电路

用于测量转速的脉冲通过P3.5/T1输入单片机，用STC89C52的定时计数器T1对脉冲信号进行计数，用定时计数器T0进行定时，每10ms产生一个中断对1602LCD液晶显示屏进行刷新，产生500个中断后（即5s），进行一次转速处理，再通过单片机对T1的脉冲数进行运算转换后，用1602LCD液晶显示屏显示电机的转速。

2.3.4显示电路

系统通过1602LCD液晶显示屏实时显示电机的转速值。

2.4直流电机控制结构图

图2-5直流电机控制结构图

第三章直流电机调速硬件设计

3.1电机调速系统设计

3.1.1STC89C52介绍

STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

主要特性如下：

1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意

选择，指令代码完全兼容传统8051。

2.工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。

3.工作频率围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作

频率可达48MHz。

4.用户应用程序空间为8K字节。

5.片上集成512字节RAM。

6.通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无

需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程。

序，数秒即可完成一片

8.具有EEPROM功能。

9.具有看门狗功能。

10.共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2。

11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可

由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。

13.工作温度围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

14.PDIP封装。

STC89C52单片机的工作模式

掉电模式：

典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原

程序。

空闲模式：

典型功耗2mA。

正常工作模式：

典型功耗4Ma～7mA。

掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备

其引脚封装如图3-1所示。

图3-1STC89C52引脚图

3.1.2系统时钟的设计

时钟电路是用来产生STC89C52单片机工作时所必须的时钟信号，STC89C52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，STC89C52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。

通常时钟由于两种形式：

部时钟和外部时钟。

我们系统采用部时钟方式来为系统提供时钟信号。

STC89C52部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。

电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。

晶振频率为在1.2MHZ～12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。

为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ，其时钟电路如图3-2所示。

图3-2时钟电路

3.1.3系统复位方式

常用的上电或开关复位电路如图所示。

上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

根据实际操作的经验，下面给出这种复位电路的电容、电阻，参考值图3-3中：

其中C：

＝10uF，R6＝10k

图3-3系统复位电路

3.2键盘电路设计

运行方式的设置主要有P1口外接键盘来完成，判断键盘是否按下的方法：

首先设置P1口为高电平，然后从P1.0到P1.4逐个检测引脚的电平，如果某个引脚为低电平表示该键按下，此时不需要做相应的处理实现键盘功能，如果引脚为高电平则不做处理。

采用5个独立的开关主要控制电机的正反转，急停，加减速，其电路图如图3-4所示。

图3-4键盘电路

3.3测速电路设计

本设计采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间，计取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而算出实际转速。

设固定的测量时间T（min），计数器计取的脉冲个数m1，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），就可算出实际转速值N=60m1/pT，测速部分电路如图3-5所示。

图3-5测速电路

3.4显示电路设计

3.4.1LCD原理

各种图形的显示原理线段的显示：

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚，这就是LCD显示的基本原理。

字符的显示：

LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行