【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可以將檢測(cè)到的信號(hào)送入單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 9 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件框圖 圖 41 系統(tǒng)硬件框圖 本系統(tǒng)主要通過霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，將不同電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成不同頻率的脈沖信號(hào)，然后將傳感器采集到的 轉(zhuǎn)速 信號(hào)送入到單片機(jī)，再通過單片機(jī)計(jì)算出轉(zhuǎn)速，通過軟件產(chǎn)生 PWM 波方式送入電 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后將所測(cè)得的轉(zhuǎn)速由 LCD 液晶顯示器顯示出來。 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集是整個(gè)系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉(zhuǎn)換成電量 ,這一環(huán)節(jié)主要利用霍爾傳感器將不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為不同頻率的 具有高低電平的 脈沖信號(hào)。 本系統(tǒng)中采用霍爾傳感器 CS3020 作為檢測(cè)元件。霍爾傳感器輸出的是一個(gè)開關(guān)信號(hào)，所以它的電路非常簡(jiǎn)單，可以將其檢測(cè) 到 的 轉(zhuǎn)速 信號(hào)直接送給單片機(jī)進(jìn)行處理 與計(jì)算 。 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。如圖42 所示是 CS3020 的外形圖以及 霍爾傳感器電路連接圖 。將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是 Vcc(1 腳 )，地 (2 腳 )，輸出 (3 腳 )。 注意在使用時(shí)要在 1腳和 3 腳之間接一個(gè) 5K 左右的上拉電阻。 直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路 AT89S51單片機(jī) 顯示電路 鍵盤控制 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 10 圖 42 霍爾傳感器連接圖 根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊磁鋼 粘 在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，霍爾 開關(guān)靠近磁鋼 ，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng) 的影響，霍爾器件 有 脈沖信號(hào) 輸出 ，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比 ，計(jì)算周期內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)即可方便的測(cè)量轉(zhuǎn)速 。 其演示圖如圖 43 所示。且 脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下 關(guān)系如式 31 所示 [4][10]。 PTn /60? (31) 式中： n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速； P 為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)； T 為輸出方波信號(hào)周期 ，根據(jù) 上 式即可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 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。 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。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 11 圖 44 單片機(jī)復(fù)位電路 圖 45 單片機(jī)晶振電路 圖 46 單片機(jī)模塊硬件電路圖如圖 圖中，開關(guān) SK 用來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主要是在單片機(jī)中編寫相應(yīng)的程序（用軟件產(chǎn)生 PWM 波即產(chǎn)生不同的占空比的 矩形波）來對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分檔控制。本設(shè)計(jì)主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器 0 和外部中斷 1 來編寫相應(yīng)的程序，使每按 一次 SK 鍵， 口產(chǎn)生不同的占空比的 PWM 波，本設(shè)計(jì)中共設(shè)計(jì)了 10 檔，占空比分別為： 50%、 40%、 30%、 20%、 10%、 100%、 90%、 80%、70%、 60%。然后將 腳接到后續(xù)電路（直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路）的輸入端基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 12 In1 腳，用于對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 腳接入前端電路（霍爾傳感器）的輸出信號(hào)，把信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù) 、處理 。 P0 口接顯示器，注意 P0 口需要接上拉電阻（ 10k） 。 、 、 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。 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。如圖 47所示 ， L298 采用外接電源單獨(dú)供電工作方式 ， 電源電壓為 5V。 圖 47 L298N 的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制硬件連接圖 本系統(tǒng)選用 AT89S51單片機(jī)作為 CPU核心 。本系統(tǒng)通過開關(guān) SK與 外部中斷INT1 相連 ， 其中 每按下一次 SK， 分別給定適當(dāng)?shù)恼伎毡?， 占空比由單片機(jī)程序控制，電機(jī)轉(zhuǎn) 速 一共 10檔，設(shè)計(jì)中將 （占空比可調(diào)的 PWM波） 接到 L298驅(qū)動(dòng)芯片的 5腳（ IN1），用來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速 。 同時(shí) ， 將所測(cè)得的轉(zhuǎn)速送到 P0口在 LCD上顯示出來 ， 以方便觀察電機(jī)工作狀態(tài)。 根 據(jù) L298N 的輸入輸出關(guān)系 ( 見表 41) ， 使能控制端 ENA 接 +5V電源，PWM信號(hào)輸入端 IN1 和 IN2 可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn) ( 輸入端 IN1為 PWM信號(hào) ， 輸入端 IN2為低電平 ， 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) ； 輸入端 IN2為 PWM信號(hào) ， 輸入端 IN1為低電平 ， 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) ) ， 當(dāng)它為低電平時(shí) ， 驅(qū)動(dòng)橋路上的 4 個(gè)晶體管全部截止 ，使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向 ， 電動(dòng)機(jī)自由停止。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)。 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。 停止時(shí)，給 EnA接低電平 。 顯示電路模塊 本設(shè)計(jì)顯示電路主要采用 LCD 液晶顯示模塊。 1602 字符型 LCD 通常有 14條引腳線或 16 條引腳線的 LCD， 本設(shè)計(jì)采用 16 腳的 LCD。 液晶顯示器 LCD1602 芯片引腳 圖 及說明 液晶顯示器 LCD1602 芯片引腳如圖 48 所示 圖 48 液晶顯示器 LCD1602 芯片引腳圖 其中： 第 1 腳： VSS 為地電源 第 2 腳： VCC 接 5V 正電源 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整電壓端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器（即輸入數(shù)據(jù)）、低電平時(shí)選擇指令寄存器（即輸入指令）。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作（從 LCD 讀取信號(hào)），低電平時(shí)進(jìn)行寫操作（向 ICD 寫入指令或數(shù)據(jù)）。當(dāng) RS 和 RW 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 RW 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS為高電平 RW 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 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。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15 腳： LCD 背光電源正極，接 +VCC。 第 16 腳： LCD 背光電源正極，接地。 液晶顯示模塊電路 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)液晶顯示模塊電路如圖 49 所示。 圖 49 液晶顯示模塊電路 在顯示模塊電路中， LCD 液晶顯示器的第 4 腳、 5 腳、 6 腳接到單片機(jī)的 、 ，第 714 腳接到單片機(jī)的 P0 口，用來讀取直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。其中 P0 口要接上拉電阻 R5。 5 PCB 設(shè)計(jì) Protel 99 SE 簡(jiǎn)介 Protel 99 SE 是 Protel 公司于 2020 年推出的設(shè)計(jì)軟件， Protel 99 SE 以其強(qiáng)大的功能，方便快捷的設(shè)計(jì)模式和人性化的設(shè)計(jì)環(huán)境，成為當(dāng)前電子工業(yè)中印制電路板設(shè)計(jì) 的主流軟件。 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)。 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。 印制電路板 設(shè)計(jì) 1． 建立一個(gè)自己的項(xiàng)目，比如基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) .ddb，并保存基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 15 在相應(yīng)的目錄下 2． 在項(xiàng)目 中添加所需要的文件，如轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) .sch。 3． 在轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) .sch 中畫出 protel 原理圖，并對(duì)各個(gè)元器件進(jìn)行封裝。 4． 檢查原理圖連接和各個(gè)元器件的封裝是否合理正確，確定無誤，導(dǎo)入 PCB進(jìn)行布線，注意布線要合理正確。 5． 最后進(jìn)行做板 (PCB 板 )。 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用 C 語言進(jìn)行編程， C 語言具有編程靈活，可移植性好的優(yōu)點(diǎn)。 軟件是本系統(tǒng)的靈魂。 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。 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。 主程序流程圖 如圖 61 為軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)總體流程，主要設(shè)計(jì)思路是，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如果有采集到，調(diào)用相應(yīng)的中斷程序，產(chǎn)生相應(yīng)的 PWM 波，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，把采集到的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，把數(shù)據(jù)送入顯示電路進(jìn)行顯示。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì) 16 圖 61 軟件總體流程 程序主要完成以下的幾部分任務(wù)： （ 1）初始化：設(shè)定各參數(shù)的初始值，設(shè)定各中斷及定時(shí)器。 （ 2）把采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。 （ 3） PWM 波：利用單片機(jī)產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM 波，改變占空比來控制轉(zhuǎn)速。 （ 4）鍵盤與顯示：實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速計(jì)算程序流程圖 在單片機(jī)內(nèi) 通過定時(shí)器 定時(shí) 1 秒， 把轉(zhuǎn)速信號(hào)從外部中斷送入， 并設(shè)置為下降沿中斷，對(duì) 一秒內(nèi)送入的 轉(zhuǎn)速 信號(hào)的下降沿次 數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 下降沿的次數(shù)是多少， 即信號(hào)的頻率就是多少，然后根據(jù)公式 （ 21） 將轉(zhuǎn)速計(jì)算出來即可得到 電機(jī)轉(zhuǎn)速 。 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。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。為了測(cè)量的方便設(shè)置一個(gè)測(cè)量標(biāo)志 flag，初始化 flag 為 0。外部中斷 每 產(chǎn)生 一次 ，下降沿的次數(shù)加一，將 定時(shí)器計(jì)滿 1s，將 flag 置 0，在 flag=0 時(shí)，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，計(jì)算轉(zhuǎn)速，如此重復(fù)進(jìn)行測(cè)量，即可測(cè)得轉(zhuǎn)軸的即時(shí)轉(zhuǎn)速。定時(shí)器 T1 中斷服務(wù)程序和外部中斷 0 服務(wù)程序流程圖如圖 62 所示。 . 圖 62（ a） 外部 中斷 0 服務(wù)程序 圖 62（ b） 定時(shí)器 1 中斷服務(wù)程序流程圖 利用定時(shí)器 1 定時(shí) 50ms，定時(shí)器中斷 20 次，說明定時(shí)器定時(shí) 1 秒，外部中斷 0 沒中斷一次，則轉(zhuǎn)速信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)加 1。當(dāng) 1 秒過后，定時(shí)器 1 和外部中斷 0 停止中斷，然后開始計(jì)算轉(zhuǎn)速。比如說 1 秒內(nèi)轉(zhuǎn)速信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)為 f，則電機(jī)一分鐘的轉(zhuǎn)速 n=f*60。 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。