基于MCS_51单片机的直流电机转速测控系统设计.doc

基于MCS_51单片机的直流电机转速测控系统设计摘要：给出了一种基于89C51单片机以及PWM控制思想的高精度、高稳定、多任务直流电机转速测控系统的硬件组成及关键单元设计方法。实验结果表明该系统能实时、有效地对直流电机转速进行监测与控制而且输出转速精度高、稳定性好。0引言目前使用的电机模拟控制电路都比较复杂测量范围与精度不能兼顾且采样时间较长难以测得瞬时转速。本文介绍的电机控制系统利用PWM控制原理同时结合霍尔传感器来采集电机转速并经单片机检测后在显示器上显示出转速值而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量并超限自动报警。本系统同时设置有按键操作仪表可用于调节电机的转速。1系统方案的制定直流电机控制系统主要是以C8051单片机为核心组成的控制系统本系统中的电机转速与电机两端的电压成比例而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比因此由MCU内部的可编程计数器阵列输出PWM波以调整电机两端电压与控制波形的占空比从而实现调速。本系统通过霍尔传感器来实现对直流电机转速的实时监测。系统的设计任务包括硬件和软件两大部分其中硬件设计包括方案选定、电路原理图设计、PCB绘制、线路调试；软件设计包括内存空间的分配直流电机控制应用程序模块的设计程序调试、软件仿真等。2硬件设计C8051是完全集成的混合信号系统级MCU芯片具有64个数字I/O引脚片内含有VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器是真正能独立工作的片上系统并能快捷准确地完成信号采集和调节。同时也方便软件编程、干扰防制、以及前向通道的结构优化。本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号以进行对外部设备的控制这种闭环系统可以较准确的实现设计要求从而制定出一个合理的方案图1所示是电机测控系统框图。图1电机测控系统框图。本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机同时通过传感器检测电机的转速信号并传送给单片机单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较从而决定电机转速同时将当前电机转速值送LED显示。此外也可以通过设置键盘来设定电机转速。系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成并通过A/D转换将转速转换为电压信号再以脉冲形式传给单片机。这种设计方法具有频率响应高(响应频率达20kHz以上)、输出幅值不变、抗电磁干扰能力强等特点。其中霍尔传感器输入为脉冲信号十分容易与微处理器相连接也便于实现信号的分析处理。单片机的T0口可对该脉冲信号进行计数。设计时可通过单片机的P0.1～P0.5五个接口来完成键盘的输入P1.6口可完成鸣叫和报警P2.0接电机P2.1～P2.4接显示器的位选P0口为显示器段选码其硬件连接电路如图2所示。图2硬件连接电路图。本系统的脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)原理是：脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉冲构成其占空比与信号的瞬时采样值成比例。该系统由一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。脉冲信号如果大于锯齿波信号比较器输出正常数A否则输出0。图3所示为脉冲宽度调制系统的调制原理和波形图。图3脉宽调制过程。设样本τk为均匀脉冲信号它的第k个矩形脉冲可以表示为：其中x{t}是离散化信号；Ts是采样周期τ0是未调制宽度m是调制指数。现假设脉冲幅度为A中心在t=kTs处τk在相邻脉冲间变化缓慢那么其Xp(t)可表示为：其中为电机角速度结合式(2)可见脉冲宽度信号可由信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当τ0<<>因此脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。C8051单片机有2个12位的电压方式DAC每个DAC的输出摆幅为0V~VREF对应的输入码范围是0x000~0xFFF。通过交叉开关配置可将CEX0~CEX4配置到P2端口这样改变PWM的占空比就可以调整电机速度。LED显示采用动态扫描方式并用单片机I/O接口扩展输出再由三极管驱动各显示器的位选端并放大电流。独立式按键采用查询方式按键输入均采用低有效上拉电阻可用于保证在按键断开使其I/O口为高电平。单片机的I/O(P0.1~0.5)引脚所扩展的5个按键分别定义为：设置、启动、移位、开始、＋1功能。硬件电路确定以后电机转速控制的主要功能将依赖于软件来实现。3软件设计本系统的软件程序的设计可分为5个步骤：分别是综合分析并确定算法；设计程序流程图；合理选择和分配内存单元以及工作寄存器；编写程序；上机调试运行程序。应用软件的设计可采用模块化结构设计其优点是每个模块的程序结构相对简单且任务明确易于编写、调试和修改；其次是程序可读