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1、目 录摘要1Abstract.11 绪论11.1 设计目的和意义11.2 设计任务21.3 研究内容及可行性分析21.3.1 研究内容21.3.2 可行性分析32 系统设计理论基础32.1 转速测量方法32.1.1 测频法（M法）32.2 电机转速信号采集方案42.2.1 霍尔开关测量方案42.2.2 传感器测转速方案确定52.3 直流电机调速方法52.3.1 PWM调速设计52.4 直流电机驱动方案选择与论证72.4.1 L298引脚及功能说明73 系统方案设计与论证83.1 方案一83.2 方案二83.3 方案选择84 系统硬件设计94.1 系统硬件框图94.2 转速信号采集电路94.3
2、单片机模块104.4 电机驱动与控制电路124.5 显示电路模块134.5.1 液晶显示器LCD1602芯片引脚图及说明134.5.2 液晶显示模块电路145 PCB设计145.1 Protel 99 SE 简介145.2 印制电路板设计156 系统软件设计156.1 主程序流程图156.2 转速计算程序流程图166.3 占空比可调PWM波产生程序176.4 显示程序流程图187 试验数据采集及结果分析187.1 系统硬件调试197.1.1 直流电机驱动与控制电路模块调试197.2 系统软件调试197.2.1 转速测量与显示仿真调试197.3 系统硬件与软件统调217.3.1 测试方法217.
3、3.2 测试结果227.3.3 结论与误差分析238 结束语24参考文献：25附录：26附录1 PCB图26附录2 原理图27附录3 实物图28附录4 元器件清单29附录5 源程序30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L298
4、N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 Educa
5、tion, Zhejiang Normal University)Abstract：This article firstly introduces 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 characterist
6、ics of the measurement method and the calculation are Analyzed. The work 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. Throug
7、h the PWM output pulse wave achieve motor speed and the speed of the motor 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
8、 simple, high precision, stability.Key Words：Microcontroller；Speed measurement；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
9、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，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
10、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 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.
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
