【正文】 占空比 ********/ void change(void) interrupt 2 using 2 { if(INT1==0) { while(!INT1)。 } void time0_init(void) {TMOD=0x01。 i++。 sbit P21=P2^1。 根椐占空比和電機(jī)電樞兩端U 及電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過改變 PWM 的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的平均電壓 ， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)速。 從測(cè)試數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn) 口輸出波形的占空比為 20%和 10%時(shí)無(wú)法驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，因?yàn)殡姍C(jī)電樞電壓的平均值正比于占空比，而轉(zhuǎn)速又正比于電機(jī)的電樞電壓，占空比太小，說明電機(jī)繞組兩端所加的電樞電壓過低，所以無(wú)法驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 圖 74（ a） 占空比為 50%的波形 圖 74（ b） 占空比為 40%的波形 （ 2）霍爾開關(guān)輸出信號(hào)測(cè)試 在 口輸出波形占空比為 50%、 80%時(shí)霍 爾開關(guān) CS3020 所檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)如圖 75 所示。 圖 73 是在測(cè)試過程中的一些測(cè)試過程圖 。如果可以驅(qū)動(dòng)，再改變信號(hào)發(fā)生器的方波的占空比看看是否占空比改變了，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否會(huì)改變，經(jīng)過測(cè)試是可以的，說明該硬件模塊電路可 以驅(qū)動(dòng)和控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且信號(hào)發(fā)生器給定的波形的占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。用定時(shí)器 0 定時(shí)一個(gè)固定頻率的矩形波，通 過定時(shí)器 0 產(chǎn)生不同 長(zhǎng)短 的高低電平。把轉(zhuǎn)速信號(hào)送入單片機(jī)的 外部中斷 INT0 引腳，設(shè)置外部中斷 0 為邊沿觸發(fā)方式，在脈沖信號(hào)的下降基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 17 沿向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求 .同時(shí)利用單片機(jī)的定時(shí)器 T1 進(jìn)行定時(shí)，測(cè)量定時(shí) 1s 的下降沿次數(shù)，即可測(cè)量轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率，然后根據(jù)公式即可算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)思路是利用定時(shí)器 0 和外部中斷 1 用 按鍵來產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM 波，利用外部中斷 0 和定時(shí)器 1 來對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理與計(jì)數(shù)，利用 P0 口把計(jì)數(shù)處理后的轉(zhuǎn)速送到 LCD 液晶顯示器上進(jìn)行顯示。 本系統(tǒng)電路 PCB 板的設(shè)計(jì)就是基于 Protel 99 SE 現(xiàn)在 Protel 99 SE 軟件生畫好硬件電路的原理圖 ， 然后對(duì)原理圖中的各個(gè)元件做相應(yīng)的封裝，封裝好后在把電路導(dǎo)成 PCB 板，最后在制作印制電路板。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 停止時(shí)，給 EnA接低電平 。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路 根據(jù)實(shí)際控制的需要 ， 本文給出了基于 AT89S51型單片機(jī)和 L298 的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的硬件連接圖。 其復(fù)位電路、晶振電路、單片機(jī)模塊硬件電路圖如圖 4 4 46 所示。如圖42 所示是 CS3020 的外形圖以及 霍爾傳感器電路連接圖 。 方案二 通過開關(guān)式霍爾傳感器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行感應(yīng)，不同的轉(zhuǎn)速 產(chǎn)生 不同頻率的脈沖信號(hào)，信號(hào) 峰峰值足夠大的話可以 直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理、計(jì)數(shù)，并通過PWM 控制原理對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，最后用 LCD 液晶顯示器顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 L298 內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路 ,即內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器 ,接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) ,可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的電機(jī)。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案選擇與論證 方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法 :一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法 。 傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速方案 確定 因?yàn)榛魻杺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量裝置體積小，量程大，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，霍爾元件輸出的信號(hào)無(wú)需經(jīng)過放大，可以直接整形后送入單片機(jī)進(jìn)行處理而 計(jì)算 得到電機(jī)轉(zhuǎn)速 。由霍爾效應(yīng)原理知：霍爾片處于磁場(chǎng)中，并在垂直于磁場(chǎng)的方向上通以電流時(shí)，霍爾片上與電流和磁場(chǎng)垂直的方向會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差 V=KBI，當(dāng)通過霍爾片的電流恒定不變時(shí)，改變磁場(chǎng)的大小，可以改變霍爾電勢(shì)差。 綜合三種轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法 ，本設(shè)計(jì)采用測(cè)頻法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。 隨著單片機(jī)的不斷推陳出新，特別是高性價(jià)比的單片機(jī)的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量控制普遍采用了以 單片機(jī)為核心的數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；轉(zhuǎn)速測(cè)量；霍爾傳感器；電機(jī)；脈沖； PWM調(diào)速 Speedcontrol Controller Design Based on Microcontroller Director： CHEN ShuPing (07440101) Instructor： ZHU Weilin (Vocational and Technical Education, 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 mon methods for measuring rotational speed of singlechip microputer system structure is described. The characteristics 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 sensorbased to induction Motor speed. Highpower drive circuit implementation L298N motor driver is used. Through 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 simple, high precision, stability. Key Words： Microcontroller； Speed measurement； Hall sensorbased； motor； pulse； PWM speed 1 緒論 設(shè)計(jì) 目的和意義 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，其測(cè)量方法較多，而模擬測(cè)量及模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明該方法具有簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。 直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation簡(jiǎn)稱 PWM)調(diào)速產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 70 年代中期，最早用于自動(dòng)跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡、自動(dòng)記錄儀表等的驅(qū)動(dòng)，后來由于晶體管器件水平的提高及電路技術(shù)的發(fā)展 , PWM 技術(shù)得到了高速發(fā)展 ,各式各樣的脈寬調(diào)速控制器，脈寬調(diào)速模塊也應(yīng)運(yùn)而生，許多單片機(jī)也都有了 PWM 輸出功能。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 轉(zhuǎn)速測(cè)量 方法 轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法有測(cè)周法 (T 法 )、測(cè)頻法 (M 法 )和測(cè)頻測(cè)周法 (M/T)法 等 [1]。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 4 電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集方案 霍爾 開關(guān) 測(cè)量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的，其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。 磁場(chǎng) B 作用產(chǎn)生的磁場(chǎng)力為： FH=q0uB (22) 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 5 電場(chǎng) EH作用產(chǎn)生的力為： FE= q0 EH (23) 式中： EH=UH/b。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大 [15]。 （ a） 原理圖 （ b）輸入輸出電壓波形 圖 23 PWM 調(diào)速控制原理和電壓波形 根據(jù) 式 (24)、 (25)，改變占空比 ? ，可以得到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的 [15]。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)化硬件 電路， 有 操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 L298 引腳及功能說明 [19] 圖 24 L298 芯片管腳 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于 L298 芯片的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路。 3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證 方案一 通過線性式霍爾傳感器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行感應(yīng)，產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速有不同頻率的非矩形 脈沖信號(hào)，所以要通過放大整形電路將轉(zhuǎn)速信號(hào)處理變?yōu)閱纹瑱C(jī)要求的信號(hào)，然后將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理、計(jì)數(shù)，并通過 PWM 控制原理對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制 。 CS3020 是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號(hào)采集，這種傳感器是一個(gè) 3 端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（ OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。 圖 43 霍爾傳感器 感應(yīng)轉(zhuǎn)速信號(hào)演示圖 單片機(jī)模塊 單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要部分，本系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)前端的 轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算、并通過軟件編寫產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM 波對(duì) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其次，將測(cè)量的 轉(zhuǎn)速 數(shù)據(jù)送到顯示電路 LCD1602 液晶顯示器顯示 轉(zhuǎn)速數(shù)值。 、 、 分別接到液晶顯示器 LCD1602 的 4(RS)、5(RW)、 6(E)腳，用來控制顯示器的操作。 表 41 L298功能模塊 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 13 EnA In1 In2 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正 轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 急停 1 0 0 停止 在本系統(tǒng)中，要求只要控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn) 功能 ，所以只需用到 L298驅(qū)動(dòng)芯片功能模塊中的正轉(zhuǎn)模塊， 7腳（ IN2）接地 ， 正轉(zhuǎn)時(shí)， 使能端 EnA接高電平 ，然后在 IN1腳通過單片機(jī)送 入不同占空比的信號(hào)來對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 14 第 6 腳： E 端為使能端，使能信號(hào)， 1 時(shí)讀取信息，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 Protel 99 SE 具有良好的兼容性、簡(jiǎn)單的 PLD 設(shè)計(jì)工具，模板豐富、方便的庫(kù)封裝、多種元件布局工作、優(yōu)異的繪圖及處理功能、簡(jiǎn)單的同步設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性分析等特點(diǎn)。 軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。 通過外部中斷 0 和定時(shí)器 1 進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)的計(jì)算程序。 占空比可調(diào) PWM 波產(chǎn)生程序 利用外部中斷 1 和定時(shí)器 0 產(chǎn)生一個(gè)占空比可調(diào)的矩形波 [21][22]，使外部中斷 1 每中斷 1 次，就產(chǎn)生一個(gè)固定占空比的矩形波。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路模塊調(diào)試 把直流電機(jī)接到 L298 驅(qū)動(dòng)芯片的 OUT1 腳和 OUT2 腳之間， 給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊接上相應(yīng)的電源 ，即給使能端 E、電源端 VCC 和 VS 接上 5V 直流電源，打開信號(hào)源，選擇為方波，把該方波信號(hào)送到 L298 驅(qū)動(dòng)芯片的 IN1 腳，接上電源，看看直流電機(jī)是否會(huì)旋轉(zhuǎn)，如果可以，說明可以驅(qū)動(dòng)，如果不可以說明電路有問題，得繼續(xù)修改，直至可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 3． 用實(shí)驗(yàn)臺(tái)和自己設(shè)計(jì)的電路分別來測(cè)自己設(shè)計(jì)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。 單片機(jī) 口輸出波形的 占空比分別 為 50%和 40%的波形如圖 74 所示。說明基本符合設(shè)計(jì)的要求。本文采用 PWM 控制技術(shù)。最后再一次衷心