基于单片机的转速控制器设计(编辑修改稿)

基于单片机的转速控制器设计(编辑修改稿)内容摘要：

可以将检测到的信号送入单片机，本设计采用方案二进行设计。 基于单片机的转速控制器设计 9 4 系统硬件设计 系统硬件框图 图 41 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。 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42 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。 直流电机 转速信号采集电路 电机驱动与控制电路 AT89S51单片机 显示电路 键盘控制 基于单片机的转速控制器设计 10 图 42 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 43 所示。 且 脉冲信号的周期与电机的转速有以下 关系如式 31 所示 [4][10]。 PTn /60 (31) 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 43 霍尔传感器 感应转速信号演示图 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 46 所示。 基于单片机的转速控制器设计 11 图 44 单片机复位电路 图 45 单片机晶振电路 图 46 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， 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 脚接到后续电路（直流电机的驱动控制电路）的输入端基于单片机的转速控制器设计 12 In1 脚，用于对直流电机的转速进行控制。 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）。 、 、 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。 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 47所示 ， L298 采用外接电源单独供电工作方式 ， 电源电压为 5V。 图 47 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 CPU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 （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 41) ， 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 ) ， 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 41 L298功能模块 基于单片机的转速控制器设计 13 EnA In1 In2 运转状态 0 X X 停止 1 1 0 正 转 1 0 1 反转 1 1 1 急停 1 0 0 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。 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 LCD， 本设计采用 16 脚的 LCD。 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 48 所示 图 48 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）。 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。 基于单片机的转速控制器设计 14 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 7～ 14 脚： D0～ D7 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。 液晶显示模块电路 本系统设计液晶显示模块电路如图 49 所示。 图 49 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 、 ，第 714 脚接到单片机的 P0 口，用来读取直流电机的转速信号。 其中 P0 口要接上拉电阻 R5。 5 PCB 设计 Protel 99 SE 简介 Protel 99 SE 是 Protel 公司于 2020 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。 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，并保存基于单片机的转速控制器设计 15 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 (PCB 板 )。 6 系统软件设计 整个系统的软件采用 C 语言进行编程， C 语言具有编程灵活，可移植性好的优点。 软件是本系统的灵魂。 软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。 本系统软件设计主要设计思路是利用定时器 0 和外部中断 1 用 按键来产生占空比可调的 PWM 波，利用外部中断 0 和定时器 1 来对转速信号进行处理与计数，利用 P0 口把计数处理后的转速送到 LCD 液晶显示器上进行显示。 主程序流程图 如图 61 为软件设计的一个总体流程，主要设计思路是，进行系统初始化，然后进行数据采集，如果有采集到，调用相应的中断程序，产生相应的 PWM 波，进行转速控制，把采集到的信号送入单片机进行处理计算，把数据送入显示电路进行显示。 基于单片机的转速控制器设计 16 图 61 软件总体流程 程序主要完成以下的几部分任务： （ 1）初始化：设定各参数的初始值，设定各中断及定时器。 （ 2）把采集到的信号进行处理。 （ 3） PWM 波：利用单片机产生占空比可调的 PWM 波，改变占空比来控制转速。 （ 4）键盘与显示：实现占空比可调，显示电机转速。 转速计算程序流程图 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 （ 21） 将转速计算出来即可得到 电机转速。 通过外部中断 0 和定时器 1 进行转速信号的计算程序。 把转速信号送入单片机的 外部中断 INT0 引脚，设置外部中断 0 为边沿触发方式，在脉冲信号的下降基于单片机的转速控制器设计 17 沿向 CPU 发出中断请求 .同时利用单片机的定时器 T1 进行定时，测量定时 1s 的下降沿次数，即可测量转速信号的频率，然后根据公式即可算出电机的转速。 为了测量的方便设置一个测量标志 flag，初始化 flag 为 0。 外部中断 每 产生 一次 ，下降沿的次数加一，将 定时器计满 1s，将 flag 置 0，在 flag=0 时，定时器停止计时，计算转速，如此重复进行测量，即可测得转轴的即时转速。 定时器 T1 中断服务程序和外部中断 0 服务程序流程图如图 62 所示。 . 图 62（ a） 外部 中断 0 服务程序 图 62（ b） 定时器 1 中断服务程序流程图 利用定时器 1 定时 50ms，定时器中断 20 次，说明定时器定时 1 秒，外部中断 0 没中断一次，则转速信号的脉冲个数加 1。 当 1 秒过后，定时器 1 和外部中断 0 停止中断，然后开始计算转速。 比如说 1 秒内转速信号的脉冲个数为 f，则电机一分钟的转速 n=f*60。 占空比可调 PWM 波产生程序 利用外部中断 1 和定时器 0 产生一个占空比可调的矩形波 [21][22]，使外部中断 1 每中断 1 次，就产生一个固定占空比的矩形波。