传输设备速度控制器的设计论文正文

《传输设备速度控制器的设计论文正文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传输设备速度控制器的设计论文正文（49页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、毕 业 设 计（论文）论文题目： 传输设备速度控制器的设计 学生姓名： * 学 号： * 专 业： * 方 向： * 指导教师： * 20*年*月*日 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计摘 要转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速测量出电机转速，并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+

2、5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制。本系统以AT89S52单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机；调速；单片机；霍尔传感器；PWM；PID第 36 页 共 45 页 ABSTRACTSpeed is an important physical quantity in the running

3、 DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed has a very large value in use in practical work on the motor speed control. DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economica

4、l speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic products. Power sup

5、ply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through 3independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realizes the measurement data (speed) of

6、 the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control.KEY WORDS: Dc motor; Speed regulation; Single chip microcomputer; Hall sensor; PWM；PID 目 录1 绪论1

7、1.1 课题背景.11.2 选题的目的和意义.21.3 研究方法.22 基本原理阐述.32.1 直流电机调速.32.1.1 直流电机原理.32.1.2 直流电机调速方法42.2 PWM原理及其实现方法62.2.1 PWM基本原理72.2.2 PWM脉宽调制方式.82.3 PID算法简介82.3.1 PID控制.82.3.2 数字PID算法.8 2.3.3 数字PID参数整定方法.103 系统总体设计方案113.1 单片机设计方案113.2 驱动电路设计方案.123.3 速度采集模块设计方案.123.4 显示电路设计方案.133.5 输入电路设计方案.133.6 电源设计方案.134 系统硬件设

8、计.154.1 系统基本组成.154.2 电源电路设计.154.3 电机驱动电路设计.164.4 转速测量电路设计.174.5 AT89S52的简介.184.5.1 AT89S52主要性能.184.5.2 AT89S52主要功能例举.184.5.3 AT89S52各引脚功能介绍.194.6 LED显示电路设计.19 4.6.1 LED简介.194.6.2 LED七段数码管的结构.204.7 键盘电路设计.204.8 整体硬件电路图215 系统软件设计225.1 主程序流程图225.2 直流电机速度控制程序设计225.3 键盘程序程序流程245.4 定时程序流程256 系统调试.276.1 ke

9、ilc51软件简介.276.2系统Proteus仿真.276.3 仿真结果分析.30总结与展望.34致 谢.35参考文献36附 录37 1 绪论1.1课题背景直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在19世纪中叶先后诞生，直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。其换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。1960年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发展，对滞留拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工程设计方法。电机在各行各业发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而测量电机的转速和电机的调速，使它满足人们的各种需要，更显得重要。随着科技的发展，P

10、WM调速成为电机调速的新方式，并凭借它的开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。利用单片机对直流电机进行直接的控制具有准确的自动调节作用。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的要求调整转速。直流电机由于具有速度控制容易，启动制动性能良好，且能在宽范围内平滑调速等特点而在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类：励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励

11、磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。随着电力电子技术的发展。创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)是常用的一种调速方法，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展

12、以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。1.2 选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软

13、件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。1.3

14、 研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。

15、2 基本原理阐述2.1直流电机调速2.1.1直流电机原理直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢

16、旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。图2-1直流电机的物理模型图直流电动机的工作原理如图2-2所示。给两个电刷加上直流电源，如图2-2所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图2-2所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。电枢一经转动，由于换向

17、器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转。图2-2 直流电机原理图2.1.2 直流电机调速方法根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他 励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，稳态转速方程式为： （2-1）式中n转速（r/min）；U电枢电压（V）；I电枢电流（A）；R电枢回路总电阻（）；励磁磁通（Wb）；由电机结构决定的电动势常数。由公式（2-1）可知

18、，直流电动机的调速方法有三种： （1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 （3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速

19、平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种： （1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 （2）静止可控整流器（简称V-M系统）。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。 （3）直流斩波器（脉宽调制变换

20、器）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类

21、型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。 图2-3晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统）直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设

22、备的变速拖动中。 图2-4为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。当开关VT接通时，电源电压U。加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图2.4（b）所示。图2-4 直流斩波器原理电路及输出电压波型 （a）原理图 （b）电压波型采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉

23、冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。

24、脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。2.2 PWM原理及其实现方法2.2.1 PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进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，如电机调速、温度控制、压力控制等。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”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 如图2-

25、2所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 图2-5 电枢电压“占空比”与平均电压关系图设电机始终接通电源时，电机转速最大为，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为= （2-2）式中，电机的平均速度； 电机全通电时的速度(最大)； D=t1/T占空比。 由公式（2-2）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,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。2.2.2 PWM脉宽调制方式PWM脉宽调制的

26、方式有3种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且存采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。PWM的一个优点是从AT89S52到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。这也是PWM用于通信的主要原因。2.3 PID算法简介2.3.1 PID控制在连续控制系统中，PID控制算法得到了广泛的应用，是技术最成熟的控制规律。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控

27、制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。由于本文只用到数字PID，所以只介绍数字PID算法。2.3.2 数字PID算法模拟PID控制器的基本算式为： （2-3）式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差；（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势

28、（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。为将模拟PID控制规律离散化，我们把、在第n次采样的数据分别用、表示，于是式（2-3）变为： (2-4)当采样周期T很小时可以用T近似代替，可用近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 (2-5) (2-6)这样，式（2-3）便可离散化以下差分方程 (2-7)上式中是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项,即 = (2-8)第二项起积分控制作用,称为积分(I)项即 (2-9)第三项起微分控制作用,称为微分(D)项即 (2-10)式（2-7

29、）的输出量为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（2-7）又称为位置型PID算式。工业应用中，采用PID位置算法是不够方便和有欠缺的。由于要累加误差，占用内存多，并且安全性较差，考虑到这种情况，在工业应用中，还有一种增量式算法。增量式算法是位置算法的一种改进。由式（2-7）可以得到（k-1）次的PID输出表达式： （2-11）由式（2-7）与式（2-11）可得 （2-12）2.3.3 数字PID参数整定方法PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到

30、。因此，实际用得较多的还是工程整定法。下面简单介绍两种常用的简易工程整定法。（1）扩充临界比例度法。这种方法是对连续系统临界比例度法的扩充，适用于有自平衡特性的被控对象，不需要准确知道对象的特性。（2）经验法确定PID参数。经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整P、I、D三者参数的大小的。图2-6 增量式PID框图3 系统总体设计方案调速系统的硬件原理方框图如图3-1所示，本系统由6个部分组成，单片机系统是核心，其外围电路有五个部分：输入电路，电源，驱动电路，显示电路，测速电路。单片机输入电路电源显示电路测速电路驱动电路图3-1 系统的硬件原理方框图其中

31、单片机负责控制运算、数据采集等任务，输入电路用于设定直流电机预期速度及控制直流电机的启动、正反转、停止，显示电路用于显示直流电机的当前转速，测速电路用于测量直流电机的实际转速，驱动电路用于驱动直流电机。本控制系统中，直流电机的转速是待检测的参数，也是反馈检测量，通过测速电路将直流电机转速转化为反馈信号输入单片机，通过PID算法来控制PWM(脉冲宽度调制)输出的占空比，进而对直流电机的转速实现闭环控制，使其转速达到预期设定值。3.1 单片机设计方案方案一：采用AT89S51/AT89S52作为系统控制的方案。AT89S52单片机是AT89S51的升级版，拥有更多功能，它的算术运算功能强，软件编程

32、灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。方案二：采用传统的AT89C51单片机作为运动物体的控制中心。它和AT89S2一样都具有软件编程灵活、体积小、成本低,使用简单等特点，但是它的频率较低、运算速度慢， RAM、ROM空间小等缺点。若采用89C51需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。综合上述两种方案比较，采用AT89S52作为控制器处理输入的数据并控制电机运动较为简单，可以满足设计要求。因此在本次设计选用方案一。3.2 驱动电路设计方案本次设计的主要目的是控制电机的转速，因此电机

33、驱动模块是必不可少，其方案有一下两种。方案一：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降，我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一个非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，

34、大大的提高了工作效率。基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。3.3 速度采集模块设计方案本系统是一闭环控制系统，在调节过程中需要将设定与当前实际转速进行比较，速度采集模块就是为完成这样功能而设计的，其设计方案以下三种：方案一：采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成。当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在电机上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。方案二：采用对射式光电传感器。其检测方式为：发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接对准接受器，当测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。通过脉冲计

35、数，对速度进行测量。方案三：采用测速发电机对直流电机转速进行测量。该方案的实现原理是将测速发电机固定在直流电机的轴上，当直流电机转动时，带动测速电机的轴一起转动，因此测速发电机会产生大小随直流电机转速大小变化的感应电动势，因此精度比较高，但由于该方案的安装比较复杂、成本也比较高，在本次设计没有采用此方案。以上三种方案中，第三种方案不宜采用，第一种和第二种方案的测速原理基本相同都是将电机转速转换为电脉冲的频率进行测量，但考虑到霍尔式精度比较高，频率比较快，成本低。最主要的是它对外部环境的要求不高，并且工作温度可以达到150，所以综合考虑在设计中选用第一种方案进行设计。3.4 显示电路设计方案在电

36、机转速控制系统中，系统需要对参数、工作方式以及电机当前运行状态的显示，因此在整个系统中必须设计一个显示模块，考虑有三种方案： 方案一：使用七段数码管（LED）显示。数码管具有亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定等特点，并且它可采用BCD编码显示数字，编程容易，硬件电路调试简单。方案二：采用1602LCD液晶显示器，该显示器控制方法简单，功率低、硬件电路简单、可对字符进行显示。方案三：采用12864LCD液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较上面两种方案复杂，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。根据本次设计的设计要求以及成本考虑，显示模块选用方案一。3.

37、5 输入电路设计方案在电机转速控制系统中，系统需要按键进行参数的输入、工作方式的设定以及电机起停的控制，因此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分，考虑有二种方案：方案一：采用独立式键盘，这种键盘硬件连接和软件实现简单，并且各按键相互独立，每个按键均有一端接地，另一端接到输入线上。这种键盘的优点是：电路简单，各条检测线独立，识别按下按键的软件编写简单。适用于键盘按键数目较少的场合，不适用于键盘按键数目较多的场合，故此键盘只适用于按键较少或操作速度较高的场合。方案二：采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需m根行线和n根列线就

38、可组成个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。但此种键盘的软件结构较为复杂。根据上面两种方案的论述，由于本次设计的系统硬件连接不是很复杂，对软件的运行速度要求不高，所以采用方案二独立式键盘进行设计。3.6 电源模块设计方案电源是任何系统能否运行的能量来源，任何一种电力系统电源模块都是不可或缺的，对于该模块考虑下两种方案：方案一：通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压，此种方案原理和硬件电路连接都比较简单，但对能量的损耗大，在实际应用系统同一般不宜采用。方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如7812、7805等），此种方案可靠性、安全

39、性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。 经过上述的分析与论证，系统各模块采用的方案如下：（1）控制模块： 采用AT89S52单片机；（2）电机驱动模块：采用直流电机驱动芯片L298N实现；（3）速度采集模块：采用霍尔测速传感器；（4）显示模块： 采用LED液晶显示模块；（5）键盘模块： 采用独立式键盘；（6）电源模块： 采用7805、7812芯片实现。4 系统硬件设计4.1系统基本组成AT89S52LED显示电路电机驱动电路电机霍尔测速电路键盘电源图4-1 系统组成框图键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口

40、输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大，驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过LED显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时LED显示出“0000”。 4.2 电源电路设计电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机需要12V电源，而单片机、显示模块等其它电路需要5V的电源，因此电路中选用7805和7812两种稳压芯片，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图4-2所示。图4-2

41、 电源电路4.3 电机驱动电路设计驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用L298N电机驱动芯片驱动电机，该芯片是由四个大功率晶体管组成的H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。其中输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻，Vs接逻辑控制的电源。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来

42、输入PWM信号实现电机调速。其电路如图5-3所示，利用两个光电耦合器将单片机的I/O与驱动电路进行隔离，保证电路安全可靠。这样单片机产生的PWM脉冲控制L298N的选通端，使电机在PWM脉冲的控制下正常运行，其中四个二极管对芯片起保护作用。图4-3 电机驱动电路4.4 转速测量电路采用霍尔元件测量转速是较为常用的测量方法。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放

43、大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。本文采用市场上应用较多的霍尔开关传感器3010T ，它采用三端平塑封装，具有工作电压范围宽、外围电路简单、输出电平与各种数字电路兼容、可靠性高等优点。 霍尔器件测量电动机转速装置由一个测速齿轮和霍尔传感器构成。测速齿轮厚度大于2mm，固定在待测电机的转轴上。霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm的探头上，对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出了一个脉冲信号。 测速齿轮上共有24个齿，显然每个齿转过霍尔元件都会引起一个脉冲信号，则电动机每

44、转一周总共产生24个信号。如果单片机在1s 内检测到N 个脉冲信号，就表明电动机转过的周数n=N/24。因为转速常用r/min 表示，所以电动机转速 V=60N/24=2.5N(r/min)。 将脉冲信号接在定时器T1上，当外部脉冲信号出现一个由“1”到“0”的负跳变时，计数器T1就进行计数。 通过设置让定时器T0每50ms产生一次中断，满20次即为 1s ，此时统计计数器T1的计数值，就可以算出电动机转速：V=2.5N=2.5(TH1*256+TL1) (r/min)。 图4-4(a)测速齿轮 图4-4（b）霍尔传感器安装示意图4.5 AT89S52的简介4.5.1 AT89S52主要性能A

45、T89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz33Hz；三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线；三个16位定时器/计数器；八个中断源；全双工UART串行通道；低

46、功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。4.5.2 AT89S52主要功能列举1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）3、内部程序存储器（ROM）为 8KB4、内部数据存储器（RAM）为 256字节5、32 个可编程I/O 口线6、8 个中断向量源7、三个 16 位定时器/计数器8、三级加密程序存储器9、全双工UART串行通道4.5.3 AT89S52引脚图图4-5 AT89S52单片机引脚图各个引脚功能在此就不再详述了。4.6 显示电路设计4.6.1 LED简介LED（Light Emit

47、ting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。4.6.2 LED七段数码管的结构

48、图4-6(a)共阴极 图4-6(b)共阳极 图4-6(c)管脚图其中：图（a）为共阴极结构，8断发光二极管的阴极端连接在一起，阳极端分开控制，使用时公共端接地，要使哪根发光二极管，则对应的阳极端接高电平。图（b）为共阳极结构，8端发光二极管的阳极端连接在一起，阴极端分开控制，使用时公共端接电源。要使哪根发光二极管，则对应的阴极端接地。其中7段发光二极管构成7笔的字形“8”,1根发光二极管构成小数点。图“c”为引脚图，从a-g引脚输入不同的8位二进制编码，可显示不同的数字或字符。通常把控制发光二极管的7（或8）位二极管编制称为字段码。不同数字或字符其字段码不一样，对于同一个数字或字符，共阴极连接

49、和共阳极连接的字段码也不一样，共阴极和共阳极的字段码互为反码。4.7 键盘电路设计独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下。图4-7 键盘电路4.8 整体硬件电路图图4-8 整体电路图5 系统软件设计5.1 主程序流程图图5-1 主程序流程图5.2 直流电机速度控制程序设计本设计采用增量式PID控制对电机转速进行控制，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得出偏差，对偏差进行P、I、D运算最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节，进

50、而控制电机转速。其运算公式为：U(K)= (5-1)因此要想实现PID控制在单片机就必须存在上述算法，其程序流程如图5-2所示。图5-2 程序流程图先通过键盘设定期望速度，再通过PID算法对PWM输出的占空比进行调整，当达到设定速度时，保持占空比的输出。采用经验法对PID参数进行调试修正，最后取P=10，I=2，D=0.8。PID输出是否大于上限开始速度采样，求取偏差及其增量求取PID输出值PID输出是否小于下限PID输出等于上限值PID输出等于上限值直接输出PID值控制PWM输出返回YYNN图5-3 直流电机速度控制子程序流程图5.3 键盘程序程序流程采用中断方式，按下键，单片机P3.2脚产

51、生一负跳沿，响应该中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。如图5-4所示。图5-4 键盘程序流程5.4定时程序流程在本系统中定时器T0中断子程序是用来控制电机运行时间和进行速度计算和PID 运算，其程序流程如图5-5所示。 图5-5 定时程序流程6 系统调试6.1 keilC51软件简介keilC51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。本文中由于我们主要使用keilC51软件编辑、调试程序，Proteus软件仿真单片机。我们重点研究了Proteus的ISIS模块用法，在下面的内容中，如不特别说明，我们所说的Proteus软件特指其ISIS模块。ISIS直译为智能原理图输入系统。从ISIS窗口各栏内容可知：PROTEUS VSM所包括的内容都已整合到ISIS中，所以，ISIS实际上是PROTEUS VSM的设计与仿真平台。图6-1 keilC51软件界面6.2系统Proteus仿真Proteus软件是Lab center Electron