电机转速反馈控制系统设计课程设计(论文)

江苏理工学院毕业设计说明书（论文） JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 本科课程设计（论文）电机转速反馈控制系统设计学院名称： 汽车与交通工程学院 专 业： 交通运输工程 班 级： 14交通 学 号： 2014353105 姓 名： 周瑾遥 指导教师姓名： 蒋科军 指导教师职称： 讲师 二一七 年 四 月电机转速反馈控制系统设计摘 要：在生产过程中，电机的应用十分广泛，随着生产的不断发展，对电机转速的测量就显得十分必要，同时对电机转速的测量提出了更高的要求。 本文设计了一种以51单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。本系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。 文章介绍了霍尔传感器的工作原理，阐述了霍尔传感器测速系统的工作过程，利用脉冲计数法实现了对转速的测量，通过LCD直观地显示电机的转速值。结合硬件电路设计，采用模块化方法进行了软件设计。编制了电机转速的测量设计了测量模块、转速模块、报警模块、显示模块等的C51程序，并通过PROTEUSE软件进行了仿真。仿真结果表明所设计的软件程序是正确的。关键词：霍尔传感器；单片机；电机转速测量；液晶显示目录绪论2第1章 系统功能分析31.1系统功能概述31.2 系统模块结构论证31.3转速测量方案论证4第2章 系统总体设计52.1总体硬件设计5第3章 软件设计73.1 基本步骤73.2 程序设计8第4章 系统调试114.1硬件调试114.2软件调试11第5章 结论13参考文献14致 谢15绪论在实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合。例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构。立题的目的和意义霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点,在机车控制系统中占有非常重要的地位1 。 测速装置在控制系统中占有非常重要的地位,对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。在此主要介绍应用霍尔传感器通过测量磁场强度,来得到稳定的脉冲方波信号,实现电机转速的测量转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,速度测量的精度直接影响系统的控制情况,它是关系测控效果的一个重要因素。不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。第1章 系统功能分析1.1系统功能概述 系统主要功能是：AT89C51单片机接受霍尔传感器传来的脉冲信号，单片机根据外部中断，以及内部定时器进行计数计算出电机转速送到LED并显示，外部装有蜂鸣器电路，在超速时，蜂鸣器发音，从实用角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献，转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度快，这种系统将会有良好的应用。1.2 系统模块结构论证 （1）霍尔测速模块论证与选择 采用霍尔元件传感器即霍尔片；霍尔片可分为贴片型和直插型。由于贴片型不常用，因此选择直插型。选型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，可用于测速，且与普通的磁钢片配套使用，价格一般为2.53元。 （2）计数器模块论证与选择 可以采用片外计数器和片内计数器两个方案片外计数器的方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的技术过程，并在技术完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。 使用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。 (3) 显示模块论证与选择 采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。 (4) 报警模块论证与选择 采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。该方案不论在硬件和焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。 (5) 电源模块论证与选择 采用交流220V/50Hz电源转换为直流5V电源作为电源模块 (6) 单片机模块论证与选择 选用 P89C51的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，有各种不同的规格，最快的达100MPS ，引脚还可编程确定功能。1.3转速测量方案论证转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。方案（电机轴一侧贴磁片）：使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试5。第2章 系统总体设计2.1总体硬件设计基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是：测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为12v的脉冲经光电耦合后降为5v，保持同89C51逻辑电平相一致。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。一旦超速，CPU通过喇叭和指示灯发出声、光报警信号。硬件原理图：以单片机AT89C5l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器1602(HD44780控制)显示的小型直流电动机转速的方法，是数字式测量方法，智能化微电脑代替了传统的机械式或模拟式结构。系统硬件原理图如图3-1所示。仿真图如图所示：第3章 软件设计3.1 基本步骤电机转速测量需要经过的4个基本步骤：1是控制方式；2是确定计数方式；3是信号输入方式；4是计数值的读取；通过89C51，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。而SGN电机脉冲信号连到0INT引脚。0INT计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。同时霍尔传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V，保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。本系统采用89C51中的0INT中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定时方式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断0INT计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（4-1）可计算出电机的转速。当直流电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器0INT计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。直流电机转速计算公式：n=60m/(N1TN)(rpm)（4-1）其中：n为直流电机转速,N为栅格数，N1为T0中断次数，m为0INT在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间。1.主程序流程先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果是，就启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。连续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值的判断，若数值高于5000rpm则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。3.2 程序设计#include /包含头文件，一般情况不需要改，头文件包含特殊功能寄存器的定义#include #include #include#define NOP() _nop_() /* 定义空指令 */long unsigned int S,N;float C=100; /车轮周长 默认100cmvolatile long unsigned int V; /车轮周长volatile long unsigned int m=0;N1=0; /关于速度的变量uchar clrscree=0;void TINT_Init() ; /两个外部中断声明void Init_Timer0(void);void main() InitLcd(); Init_Timer0(); delay_ms(10); TINT_Init() ; /初始化外部两个中断 while(1) lcd_pos(0x03); LCD_DisStr(V:); lcd_pos(0x08); LCD_DisStr( Km/h); lcd_pos(0x05); xianshi_three(V); /*- 定时器初始化子程序-*/void Init_Timer0(void) /作为测速使用 TMOD |= 0x01; /使用模式1，16位定时器，使用|符号可以在使用多个定时器时不受影响 TH0=0x3c; /给定初值，这里使用定时器最大值从0开始计数一直到50000溢出 TL0=0xb0; /50ms计时 EA=1; /总中断打开 ET0=1; /定时器中断打开 TR0=1; /定时器开关打开/*- 定时器中断子程序-*/void Timer0_isr(void) interrupt 1 using 1 /测速度使用TR0=0; ET0=0; TH0=0x3c; /给定初值 TL0=0xb0; /50ms计时 m+; if(m=80) V=(N1*C*0.01)*0.25*3600/1000) ; N1=0; m=0; TR0=1; ET0=1; /*- 外部中断0程序-*/void ISR_Key(void) interrupt 0 using 1N1+;N+; /void TINT_Init() /初始化外部两个中断/ EA=1; /全局中断开/ EX1=1; /外部中断0开/ IT1=1; /边沿触发 EA=1; /全局中断开 EX0=1; /外部中断0开 IT0=1; /边沿触发第4章 系统调试电路调试是是整个系统功能能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分，硬件调试、软件调试、综合调试。 4.1硬件调试 硬件调试主要是针对转速测量系统的单片机硬件电路分别进行调试，这一部分硬件调试主要分成两大块：上电前的调试和上电后的调试。 上电前调试：在上电前，必须保证电路中不存在断路或短路的情况，这一工作是整个调 试工作的第一步 上电后的调试：在确保硬件电路正常，无异常情况方可上电调试，上电调试目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次课题设计中，上电调试主要对转速测量系统的单片机控制部分、显示器点亮部分、和上位机通信的电平等部分的硬件调试。 单片机控制部分硬件调试：这一部分调试主要是检测时钟电路、复位电路是否接对，单片机的电源以及地是否接好，以及其它的一些管脚的接法，看单片机通电后是否能正常工作等一系列问题。接上电源，使电路通电，检查各个芯片上的工作电压是否正常供电，以保证芯片正常工作。4.2软件调试软件调试分为两部分，一部分是应用Keil软件进行程序调试，另一部分是Proteus软件仿真。 应用Keil软件进行程序调试： 软件的调试必须在开发系统的支持下进行。先分别调试通过各个模块程序,然后调试中断服务程序,最后调试主程序,将各部分连接进行调试。调试的范围可以由小到大,逐步增加,必要的中间信号可以先做设定。通常交叉使用单步运行,断点运行,连续运行等多种方式,每次执行完毕后,检查CPU执行现场,RAM的有关内容,I/O接口的状态等。发现一个问题,解决一个问题,直至全部通过。 首先新建一个工程项目文件;其次为工程选择目标器件;再次为工程项目设置软硬件调试环境；并创建源程序文件并输入程序代码，及保存创建的源程序项目文件；最后把源程序文件添加到项目中。 Proteus软件仿真： 在Proteus软件中画出原理图,向单片机中加入需要调试的程序的HEX文件,便可以进行调试了. 利用Proteus实现单片机系统开发过程一般分为四步： .在Proteus平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等（简称Proteus电路设计）； .在Proteus平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（*.hex）（简称Proteus软件设计）； 再次在Proteus平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真（简称Proteus仿真）； 最后仿真正确后，安装实际单片机系统电路，并将目标代码文件（*.hex）下载到实际单片机中运行、调试。若出现问题，可与Proteus设计与仿真相互配合调试，直至运行成功（简称实际产品安装、运行与调试）。按照Proteus仿真通过的设计来安装的实际系统，只要安装正确、元器件无误，焊接牢靠，基本都能顺利通过。第5章 结论本文给出了一种单片机实现电机转速的测量系统,克服了传统方法测量的不足,可以实现电机转速不同区段的精度测量。 主要通过学习了霍尔传感器、89C51单片机、1206LCD显示等知识，查阅了相关资料，实现了“基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计”的基本要求。本系统实现了题目基本部分以及扩展部分的要求，可达到设计的基本条件要求。所设计的系统具有以下功能： 1.对于设计采用89C51单片机作为测量转速的主CPU芯片，系统硬件设备结构简单合理，成本低，实时性好。 2.测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测量，充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。但由于器件不够，所以直接采用了信号发生器中的信号。 3.针对采用1206LCD显示测速值，直观、稳定，易于实现，该显示方式可以推广到其他工程应用领域。并应用KEIL进行了软仿真，调试结果表明所设计的软件程序正确。 4测速系统的功能还有待进一步提高，使其能够利用霍尔传感器产生输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测量。参考文献1 张毅坤 ，陈善久 ，裘雪红.单片微型计算机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，1998年。 2 全润，张亚凡，邓洪敏.传感器原理