1、基于单片机的转速控制器设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业
2、设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留
3、并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数
4、不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、
5、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格
6、不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实
7、际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写
8、规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日基于单片机的转速控制器设计职业技术教育学院 应用电子技术教育专业 陈淑萍（07440101）指导老师：朱伟玲（讲师）摘要：本文首先介
9、绍了直流电动机的工作原理以及直流电动机的调速方法，然后叙述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法，分析了相应方法在测量上的特点和计算。本文主要工作，设计出一种基于AT89S51单片机的直流电机转速测控系统，采用霍尔传感器感应电机转速测量的方法，利用直流电机驱动芯片L298N组成电机驱动电路，通过PWM波的输出脉冲进行调速，通过LCD对电机转速进行实时显示。设计的硬件系统包括脉冲信号产生、单片机电路模块、电机驱动模块和显示模块四部分，采用C语言编写了转速测量与控制的软件。实验结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。关键词：单片机；转速测量；霍尔传感器；电机；脉冲；PWM调速S
10、peed-control Controller Design Based on MicrocontrollerDirector：CHEN Shu-Ping (07440101) Instructor：ZHU Wei-lin(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 meas
11、urement and several common methods for measuring rotational speed of single-chip microcomputer 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
12、based on AT89S51, using Hall sensor-based to induction Motor speed. High-power 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 si
13、gnal 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 sensor-based；motor；pulse；PWM speed1 绪论1.1 设计目的和意义转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多
14、，而模拟测量及模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量达到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高，因此，本课题的目的：对各种测量转速的基本方法给予分析，针对不同的应用环境，利用AT89S51单片机设计一种数字化测量系统，从提高测量精度。本设计引入了单片机系统作为调速系统的监控和处理设备，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入一个新的
15、阶段。采用单片机控制的调速系统，其控制方案是依靠软件实现的占空比可调的矩形波对电机转速进行控制。当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，在传动领域占有一定的地位。直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速产生于20 世纪70 年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等的驱动，后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展, PWM 技术得到了高速发展,各式各样的脉宽调速控制
16、器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。电动机的数字控制是电动机控制的发展趋势，用单片机对电动机进行控制是实现电动机数字控制系统的最常用手段。1.2 设计任务用霍尔传感器测量电机转速，把霍尔传感器的输出信号送入单片机，在单片机上编写转速计算程序、显示程序、控制程序，通过PWM方式控制直流电机调速，利用l298驱动芯片驱动直流电机，用LCD液晶显示器显示电机转速。技术参数：(1)转速误差小于5%(2)环境温度-20-551.3 研究内容及可行性分析1.3.1
17、研究内容 本课题介绍的直流电机转速测量与转速控制以单片机和霍尔传感器为核心。霍尔传感器将不同电机速转变成的不同频率的脉冲信号，把该信号送入到单片机进行控制与计算及处理，并用PWM调速系统对转速进行控制，即利用单片机产生占空比可调的矩形波对电机的转速进行控制，直流电机的驱动采用驱动芯片L298对直流电机进行驱动，最后采用LCD液晶显示器进行转速与占空比显示，使得直流电机的转速能直观的显示给使用者。1.3.2 可行性分析本系统由脉冲（转速）信号采集电路模块、单片机AT89S51模块、电机驱动电路模块、LCD液晶显示模块和系统软件模块五部分组成。该设计能实时地将所测的速度显示出来，主要是将霍尔传感器
18、感应出来的电机转速信号（霍尔传感器将不同电机转速转变成不同频率的脉冲信号）送入单片机，通过传感器采集到的信号，然后通过单片机计算出电机的转速，利用单片机产生占空比可调的PWM波送入直流电机的驱动模块对电机的转速进行控制从而实现电机的调速，最后将所得的转速数据由LCD液晶显示模块显示出来。2 系统设计理论基础2.1 转速测量方法转速测量的方法有测周法(T法)、测频法(M法)和测频测周法(M/T)法等1。综合三种转速测量的方法，本设计采用测频法进行转速测量。即把转速信号送入单片机进行计数与处理。即在单片机内通过定时器定时1秒，把转速信号从外部中断送入，并设置为下降沿中断，对一秒内送入的转速信号的下
19、降沿次数进行计数，下降沿的次数是多少，即信号的频率就是多少，然后根据公式将转速计算出来即可得到电机转速。2.1.1 测频法（M法）在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1来测量转速。如图2-1所示1。图2-1 “M“法测量转速脉冲设在时间T内，所得的脉冲个数有m1个，则转速n可由下式表示： （2-1）n-转速单位：（转/分）；T-定时时间单位：（秒）；m1是指单位时间内计数器计得脉冲的个数。 设时间T为1分钟，电机转一圈的脉冲数P为1，则电机的转速n=60m1。2.2 电机转速信号采集方案2.2.1 霍尔开关测量方案霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据
20、霍尔效应原理制成的霍尔元件。由霍尔效应原理知：霍尔片处于磁场中，并在垂直于磁场的方向上通以电流时，霍尔片上与电流和磁场垂直的方向会产生霍尔电势差V=KBI，当通过霍尔片的电流恒定不变时，改变磁场的大小，可以改变霍尔电势差。霍尔开关原理图如图2-2所示。（a）霍尔开关外形图（b）霍尔效应原理示意图图2-2 霍尔开关原理图如图2-2（b）所示，通电半导体放在均匀磁场中，在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场，这种现象称霍尔效应。在长为L，宽为b，厚为d的半导体薄片上，沿长度与宽度方向的四个端面上分别制作电极。在长度方向（x方向上）施加磁感应强度为B的磁场，在宽度方向（y方向上）产生电位差，即产生横向
21、电场，称为霍尔电场EH。相应的霍尔电势为UH。当电子运动速度为u时，电子电荷量为q0（q0=1.602x10-19C）。磁场B作用产生的磁场力为：FH=q0uB (2-2)电场EH作用产生的力为：FE= q0 EH (2-3)式中：EH=UH/b。2.2.2 传感器测转速方案确定因为霍尔传感器结构简单，测量装置体积小，量程大，环境适应能力强，霍尔元件输出的信号无需经过放大，可以直接整形后送入单片机进行处理而计算得到电机转速。并且根据本系统的设计任务要求，所以本系统采用霍尔传感器对信号进行检测。本系统方案使用CS3020开关型霍尔传感器，将霍尔传感器放置在直流电机的附近，当电机转动时，霍尔传感器
22、靠近电机上的磁钢感应转速信号输出脉冲，由于是开关式的霍尔传感器，所以采集的信号直接就可以直接送给单片机，经单片机处理之后，由LCD进行显示转速。2.3 直流电机调速方法直流电机的转速n的表达式20为 (2-4)式中 U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻；每极磁通量；K电机结构参数。由式（2-4）得，电机转速与电枢电压成正比例关系，可通过对电枢电压进行控制的电枢控制法对电机的转速进行控制。本设计采用在励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。2.3.1 PWM调速设计电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中
23、串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大15。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。对直流电机电枢电压的控制和驱动中又可分为线性放大驱动方式和开关驱动方式。本设计采用开关驱动方式，通过PWM脉宽调速系统来控制电动机电枢电压，利用电枢电压与电机转速之间的关系实现调速。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，所以，PWM又被称为“开关驱动装
24、置”。 如图2-3利用开关管对直流电机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图2-3(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，电枢电压为Us，t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电枢电压Us为0，t2秒后，栅极输入重新变为高电平，重复前面的过程，这样对应着输入的电平高低，电枢两端的电压波形如图2-3（b）所示。其电枢两端电压的平均值为U0为20： （2-5）式中为占空比。（a） 原理图 （b）输入输出电压波形图2-3 PWM调速控制原理和电压波形根据式(2-4)、(2-5)，改变占空比，可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的15。PWM信号的产生通常有两
25、种方法:一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。本系统采用软件方法。基于单片机由软件来实现PWM：改变占空比的值有以下三种方法20。：A、定宽调频法：保持不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。（图2-3）B、调宽调频法：保持t2不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。（图2-3）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t2。（图2-3）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种
26、方式可简化硬件电路，有操作性强等优点。2.4 直流电机驱动方案选择与论证方案一：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。方案二：采用集成芯片L298N驱动。它是恒压恒流双H桥集成电机芯片，输出电流可达到2A，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行转速控制，很方便单片机的操作，且此芯片内有两个驱动，只用一片就可以驱动两个直流电机，既方便，电路又简单，且驱动力强。方案三：利用三级管驱动，但是三级管的驱动电压比较高 ，而单片机输出地信号的幅度只有5V左右，所以还要进行
27、放大，比较麻烦。鉴于方案二电路比较简单，容易实现，且驱动力强、过载能力大，因此本设计采用方案二。即采用驱动芯片L298N对电机进行驱动。2.4.1 L298引脚及功能说明19图2-4 L298芯片管脚本系统设计了基于L298 芯片的直流电机调速系统硬件电路。L298内部包含4通道逻辑驱动电路,即内含二个H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A 以下的电机。由L298构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式,2个H 桥的下侧桥晶体管发射极连在一起,其引脚排列如图2-5所示,1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流信号。L298可驱动2个电
28、机, OUTl、OUT2 和OUT 3、OUT4 之间分别接1 个电动机。5、7、10、12 脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA、ENB 接控制使能端,控制电机的停转。这些特性使得L298很适合用作小型直流电机控制芯片19。其L298的功能如表2-1所示。表2-1 L298功能表In1In2运转状态0XX停止110正传101反转111急停100停止注：L298驱动芯片使能端； In1、In2L298驱动芯片输入端。3 系统方案设计与论证3.1 方案一通过线性式霍尔传感器对电机转速进行感应，产生不同的转速有不同频率的非矩形脉冲信号，所以要通过放大整形电路将转速信号处理变为单片机要求的信号
29、，然后将该信号送入单片机进行处理、计数，并通过PWM控制原理对电机的转速进行控制。3.2 方案二通过开关式霍尔传感器对电机转速进行感应，不同的转速产生不同频率的脉冲信号，信号峰峰值足够大的话可以直接送入单片机进行处理、计数，并通过PWM控制原理对电机的转速进行控制，最后用LCD液晶显示器显示电机的转速。3.3 方案选择 综合方案一与方案二的分析，方案一中由于线性霍尔传感器的输出信号不是矩形波，故此要通过处理后才可以将检测到的信号送入单片机，本设计采用方案二进行设计。4 系统硬件设计4.1 系统硬件框图图4-1 系统硬件框图本系统主要通过霍尔传感器检测电机转速，将不同电机转速转变成不同频率的脉冲
30、信号，然后将传感器采集到的转速信号送入到单片机，再通过单片机计算出转速，通过软件产生PWM波方式送入电机驱动模块的输入端来控制直流电机的转速。最后将所测得的转速由LCD液晶显示器显示出来。4.2 转速信号采集电路转速信号采集是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量,这一环节主要利用霍尔传感器将不同的电机转速转化为不同频率的具有高低电平的脉冲信号。本系统中采用霍尔传感器CS3020作为检测元件。霍尔传感器输出的是一个开关信号，所以它的电路非常简单，可以将其检测到的转速信号直接送给单片机进行处理与计算。CS3020是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集，这种传感器是一个3 端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图4-2所示是CS3020的外形图以及霍尔传感器电路连接图。将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc(1脚)，地(2脚)，输出(3脚)。注意在使用时要在1脚和3脚之间接
