风扇转速测控

摘要在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面，最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段，数字控制系统硬件电路的标准化程度高，控制软件能够进行复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能关键字：AT89C51单片机；PWM技术；编码器；直流电动机AbstractInthenationalproduction,alongwiththedevelopmentofmoderntechnology,electronictechnologyhasbeenacomprehensivedevelopment,thetechnologyhasbeenappliedinvariousfields.Inallkindsofmechanicalsystem,duetothedcmotorhasagoodstart,brakeandtheperformanceofspeed,dcmotorcontrolsystemhasbeenwidelyusedinindustry,spaceflight,mostcommonlyuseddcspeedcontroltechnologyisapulsewidthmodulation(PWM)dcspeedcontroltechnology,whichhasahighprecision,fastresponsetime,highspeedrangeandwidthofthelowlosscharacteristicsanduseofcomputerdigitalcontrolhasbecomeakindofmethodofdcspeedcontrolsystem,thehardwarecircuitofahighdegreeofstandardization,controlsoftwaretocarryoutcomplexoperationcanberealized,differentfromthegenerallinearoptimizationandadjustmentoftheadaptive,nonlinear,intelligentcontrollaw,alsohaveinformationstorage,datacommunicationandfaultdiagnosiscannotachievesuchsimulationsystemKeyword：AT89C51microcontroller;PWMtechnology;encoder;DCMotor目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 1\o"CurrentDocument"1系统方案论证 11.1系统总方案论证与选择 1\o"CurrentDocument"1.2设计模块方案比较与分析 2\o"CurrentDocument"1.2.1电机调速控制模块 21 . 2 . 2PWM调速工作方式 32硬件部分 32.1单片机的选型 32.1.1AT8 9S5 2介绍 3\o"CurrentDocument"2.1.2主要管脚说 42.2PWM控制技术 53硬件电路设计 53.1电机驱动 5\o"CurrentDocument"3.2数码管显示电路计 63.3测速电路设计 64软件部分 94.1主程序流程模块 94.2测速模块 94.3速度值设定模块 10\o"CurrentDocument"5系统调试 105.1软件模拟仿真 105.2硬件调试 116总结 12谢词 13\o"CurrentDocument"参考文献 14附录 15引言单片机作为嵌入式系统的核心，在现在的嵌入式系统中得到了广泛的应用。在传统的顺序控制的嵌入式系统中， MCS-51系列以及派生的一系列单片机仍得到了重要的应用。近年来，微型计算机的发展速度足以让世人惊叹，以计算机为主导的信息技术作为一种崭新的生产力，正在向社会的各个领域渗透，也使机电一体化的进程大大加快。机电一体化是当今制造技术和产品发展的主要倾向，也是我国机电工业发展的必由之路。可以认为，它是用系统工程学的观点和方法，研究在机电系统和产品中如何将机械、计算机、信息处理和自动控制技术综合应用，以求机电系统和产品达到最佳的组合。机电一体化产品所需要的是嵌入式微机，而单片机具有体积小、集成度高、功能强等特点，适于嵌入式应用。智能仪器、家用电器、数控机床、工业控制等机电设备和产品中竟相使用单片机。随着工业自动化和通信技术的蓬勃发展，单片机的应越来越广泛。由于单片机应用系统的应用范围很广，在不同的领域内，其要求各不相同，可有多种的处理方法。本文主要介绍用51系列单片机来测量和控制小型直流电动机的转速。在工程实践中，经常会遇到各种测量转速和控制转速的场合，例如在发动机，电动机，卷扬机，机床主轴等旋转设备的实验运转和控制中，经常要处理的主要问题就是要测量转速和控制为额定的转速。此次的课程设计实践是以小型的直流电动的转速测量和控制为目标而进行设计的。1系统方案论证1.1系统总方案论证与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度；根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。方案二：以单片机AT89C51为中心通过D/A转换器，将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电动机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需要速度的值，同时输到数码显示部分和 D/A转换部分以实现电动机的调速。方案三：采用AT89C51单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89C51进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作，显示速度。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 .三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和 电模式、片内振荡器和时钟电路：图1-1电路组成框图方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及时的从电动机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都都结合了本专业特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用本学科特点。所以，设计采用方案三。1.2设计模块方案比较与分析：1.2.1电机调速控制模块：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用三极管PWM电路。用单片机控制三极管管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的

饱和截止模式下，效率非常高；电路保证了可以简单地实现转速的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。1.2.2PWM调速工作方式：(1)方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。(2)方案一：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制中，应用相对简单易于实现与操作，所以我们采用了单极性工作制。2 m匚1 40ZlVCC 硬件部分一1匚N 39Z3FO.C(ADO)2.1 P1壬匚3 38ZlP0.1(AD1) 单片机的选型 P1”4 371P0.2CAD2)P1.4匚S 36二IP0.3(AD3)P1.5匚6 35二IP0.-1(AD4)P1.6匚T 34_|PO.5；AD5)P1.7匚S 33ZlP0.6(AD6)RST匚9 32ZlP0.7(AD7)(RXD>P3.0匚10 31ZlEA/VF^P(TXD>F3.1l匚11 30□AL&FROG{IKITO>P3.2匚12 29ZlPSENJCINT1>P3.3匚13 28二1P£7(A15)Cro>R3.4匚14 27二IP21.G(A14)(T1>P3.5匚15 26二IP25(A13>(WR)P3.6匚16 25□F2-1(A12)F3.7匚17 24ZlP2.3(A11jXTTAL2匚18 23ZlP5.2(A10jXTAL1匚15 22GMD匚2:0 21ZlP^.O图2-1单片机芯片AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。2.1.2主要管脚说明VCC:供电电压。GND:接地。P0□:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能QP3.0RXD(串行输入口)QP3.1TXD(串行输出口)QP3.2/INT0(外部中断0)QP3.3/INT1(外部中断1)QP3.4T0(记时器0外部输入)QP3.5T1（记时器1外部输入）QP3.6/WR（外部数据存储器写选通）QP3.7/RD（外部数据存储器读选通）QP3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。QRST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。2.2PWM控制技术（1） PWM是PulseWidthModulation的缩写，即脉冲宽度调制,是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）.（2） PWM的基本原理：PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2-2所示：tl槌I图2-2脉宽方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位。3硬件电路设计3.1电机驱动本程序采用PWM方波控制三极管通断，来实现风扇转速的调控驱动。电路图连接如3-1：图3-1数码管显示电路3.2数码管显示电路设计在数码管显示电路中采用两个4位7段数码管显示器。为了简化硬件电路，在多个数码管显示的时候，将多个数码管并联起来，由一个I/O控制，形成段选线的多路复用。这样在同一时刻，4位数码管只有一个选通并显示出字符，而其他三位则是熄灭的，如此循环下去，由于LED显示的余晖和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示的间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的目的。这种显示方式称为LED动态显示方式。在此次的数码管显示设计中，没有采用显示驱动芯片等，直接由P0输出段码，并在P0管脚处添加上拉电阻，数码管显示电路的电路图3-2如下：

图3-2数码管显示电路3.3测速电路设计测量电动机转速的第一步就是要将电动机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。霍尔效应原理：如下图所示，长为/、宽为W、厚为d的N型半导体薄片，磁感应强度B垂直于l-W平面，沿l通电流I，N型半导体的载流子受到洛伦兹力FB的作用。在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH。电场使运动电子受到电场力FH的作用。UH=EHl=vBl流经载流体的电流I与载流体中电子的速度有如下关系I=nevld(n为电子密度)于是：UH=IB^d=RHIB式中，KH=RH/d=Uf/IB称为器件的灵敏度，即在单位控制电流和单位磁感应强度下的霍尔电势。KH的单位为V/(A*T)或mV/(mA*T)oRH=1/en为霍尔系数。

图3-3霍尔效应原理图霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁场有关的场合使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染与腐蚀。霍尔器件按照功能可以分为霍尔线性器件和霍尔开关器件两种。前者输出模拟量，后者输出数字量。对于单片机而言，一般采用霍尔开关器件。霍尔集成传感器是将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和较完善的磁敏传感器，在本次设计中优先选择霍尔集成传感器。霍尔开关集成传感器：下图3-4（a）是开关集成传感器的内部框图。开关集成传感器与线性集成传感器不同之处是增设了施密特电路C，通过晶体管T的集电极输出。图3-4（b）为输出特性，它是一种开关特性。醯感内强度醯感内强度（a） （b）图3-4 霍尔开关集成传感器内部结构及输出特性当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，但磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRE时，传感器才由低电平跃变为高电平°Bop与Bre之间的滞后（或称为回差）使开关动作更为可靠。霍尔传感器检测转速示意图3-5如下。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速。同样道理，根据

圆盘（车轮）的转速，再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移如果要增加测量位移精度，可以在圆盘（车轮）上多增加几个磁钢。当电动机转动的时候，霍尔传感器会输出一系列的脉冲信号，经采集后送给单片机的T0口，由单片机计数信号的脉冲数。霍尔传感器管脚如图3-6：图3-5霍尔传感器检测转速示意图图3-6霍尔传感器3144图3-5霍尔传感器检测转速示意图图3-6霍尔传感器3144在信号脉冲发生源上，本系统采用的是开关型霍尔传感器3144，由于传感器内部为集电极开路输出，所以需外接一个上拉电阻，其阻值与电源电压大小有关，一般取1〜2k，如图3-7所示。Is卜IH图3-7传感器输出电路4软件设计根据设计要求和设计思路，进行模块设计。根据系统和设计的要求，设定主程序模块、测速子程序模块、键盘扫描模块、速度值设定模块和显示。4.1主程序流程模块在主程序中，首先初始化参数和定时/计数器的值，但后分别调用各个子序，采用循环调用的模式，程序流程图4-1如下：中断返回中断返回图4-1主程序流程图4.2测速模块测速主要是对输入的信号脉冲进行计数，按照设计采用单片机内部计数方式。T1用于计时，T0用于对输入的脉冲信号进行计数。程序流程图如下：

图4-2测速子程序流程图4.3速度值设定模块依照设计方案的要求，可以由按键设定速度值，在设定速度值的时候，数码管显示数字键按下的数值。速度值设定子程序流程图如下：图4-3按键扫描子程序流程图图4-3按键扫描子程序流程图5系统调试5.1软件模拟仿真试验所涉及的2个软件keil和proteus，以下是仿真步骤：程序调试部分keil:先新建一个工程，并保存在所建工程弹出的对话框中选择AT89C52处理器。新建一个文档以编辑程序，将所设计的程序输入到新建文档中，并保存文档.c（c语言源文件）。将所保存的文档添加到工程中去，再进行工程配置，点击Project菜单下的OptionsforTarget,在弹出的对话框中设晶振为24MHZ，将CreateHEXFile打上勾，再编译文件。仿真部分proteus:运行proteus的ISIS后进入仿真界面将所需元件选择好，根据原理图画出仿真图，待仿真图换好后双击AT89C52写入由keil所产生的程序，按开始进行仿真。5.2硬件调试硬件调试的步骤如下：接通电源和数据线，通过软件将在keil中生成的HEX文件下载到单片机板子上，先对板子关电当显示请上电时按下单片机上的电源开关按钮上电下载程序到单片机中，通过按键和LED的显示进行调试。当程序下载完之后，按下电源开关，LED上显示初始状态，按下启动键显示接收数据的状态，按下停止键后显示当前所记录的数据，按下复位键则显示初始状态。6总结此次课程设计是我们从大学生活重要的一步。从开题到查资料、设计电路，编写程序直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改电路和程序，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了单片机进行脉冲检测和控制电动机转动的工作原理，熟悉了单片机测速和控制系统的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次的课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是我为未来的单片机和嵌入式开发与应用的的一次热身。通过这次课程设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的电路设计和程序设计的能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后来人去努力去完善。但是这次课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对集成芯片的不了解等等。这次科研立项是对自己到现在为止大学所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然大学生活已经过了一大半，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在有限的大学生活学习中，努力的学习好专业文化知识和动手能力，同时也要提高自己各方面的综合素质，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。谢辞经过这几天的忙碌，本次实训设计已经接近尾声，作为一个大学生的实训设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。所以在这里首先要感谢莫荣老师，他在百忙之中抽空给我指导我的实训设计。从理论学习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。同时还要感谢与我一起学习和作实训设计的各位同学，他们给了我许多建议和意见。在这次设中我克服了许多困难，最后将设计圆满的完成。参考文献曹立军.单片机原理与应用[M].山东：山东大学出版社，2009.刘国荣.单片微型计算机技术[M].北京：机械工业出版社，1996.张迎新.单片微型计算机原理应用及接口技术[M].北京：国防工业出版社，1993.何立民.编单片机应用系统设计[M].北京：北航出版社，2005.附录一：程序

//*********头文件********************//#include<AT89x51.h>〃*********定义变量******************//#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedlongxs,sd=1200,ds=0;ucharjs=0,lj=0,zkb,cs=0;uintws=0,gw=0,sw=0,bw=0,qw=0,gw2=0,sw2=0,bw2=0,qw2=0;〃*********数码管代码表**************〃unsignedcharTab[]={0xFC,0x60,0xDA,0xF2,0x66,0xB6,0xBE,0xE0,0xFE,0xF6,0x00};〃*********按键延时程序**************//voidys(intx){intxh1,xh2;for(xh1=0;xh1<x;xh1++)for(xh2=0;xh2<120;xh2++);//24M--x*0.5ms}〃*********定时计数1程序*************〃voidtime1_int(void)interrupt3{ds++;TH1=(65536-5000)/256;TL1=(65536-5000)%256;++cs; //*中断次数计数器变量if(cs>=100){cs=0;}if(cs<=zkb) //*当小于占空比值时输出高电平，高于时是低电平{P1_0=1;}else{P1_0=0;} 一〃*********动态扫描显示*************//if(ds==400) 〃定时1秒{ds=0;//每秒转速取值//数码管显示内容//每秒转速取值//数码管显示内容xs=js*600000+sd;TH0=0x00;TL0=0x00;〃当前转速显