直流电机的转速检测及电路设计.docx

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直流电机的转速检测及电路设计

摘要

在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。

直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。

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，在超速或低俗过低都会停止电动机，蜂鸣器发音，显示器不显示，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。

本设计以单片机为核心设计一个电动机转速测定及数据显示控制系统，要求对转速范围在0-3000r/min的直流调速电动机进行测量并显示，转速数据显示精度要达到转速个位数，有转速高、低限报警提示。

本设计使用6V直流电机。

将霍尔传感器产生的脉冲信号输入到单片机外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行计数，调用计算公式计算出转速，调用显示程序在LED上，其主要内容是单片机部分主要完成电机转速的测量，LED显示部分主要是把转速显示出来，显示范围在0-3000r/min之间。

本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，效率高，电路简单，使用也比较广泛，测速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。

从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。

关键词：

单片机霍尔IC传感器,DAC0832直流电动机转速流程图

A/D和D/A转换器

第一章引言

电子技术的高速发展，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进入到一个新的阶段。

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。

在传统生产行业中，经常遇到各种需要测量转速的场合，例如发动机，电动机，机床主轴等旋转设备的运转和控制中，常需要分时或连续测量，显示其转速及瞬时转速。

在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。

拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。

由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。

按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。

在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。

由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。

直流电机作为执行机构被广泛地应用于各类控制系统中，其驱动与转速精度是电机能够稳定工作的关键。

为此，我们提出了一种直流电机驱动与转速测量系统的设计方法，为直流电机制造、定型以及应用提供一些借鉴。

同时对电机驱动及其速度测量的研究，也我们系统掌握了电源驱动电路和速度测量电路的连接，以及其中用的到的诸如：

LM317，8253，8051等芯片的功能及其各个引脚的功能，同时通过用面包板搭建临时电路，加强了我们的动手能力，提高了我们解决实际问题的能力，充分的体现了理论与实践结合。

利用电子信息技术改造传统产业，可以提高生产效率，提升产品的市场竞争力。

在这种时代背景下，如果应用现代化手段对电机转速进行科学改变，精确测量，并辅以数码显示，超速报警等装置，对工业，生活中的一些旋转设备的速度以及需要控制其速度的仪器和用品加以控制和测量，会给工业生产和生活带来看得到的方便,为了能精确的测量转速，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速。

随着计算机的广泛应用，特别是高性能/价格比的单片机涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心数字法，智能化微电脑代替了一半的机械式或模拟量结构。

经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。

随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。

电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力，未来电动机将会沿着体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。

设计以单片机为中心，霍尔传感器为测量器件，全数字化的测速仪器。

这在工业控制和民用电器中都有较高的使用价值。

转速是工程中应用非常广泛的一个参数,其测量方法很多,而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法,目前这种测量方法已经不适应现代科技的发展要求.随着大规模及超大规模集成电路的发展,使得全数字测量仪器越来越普及,其转速测量仪器也可以用全数字化处理.在测量范围和测量精度方面都有很大提高。

本文的研究任务是研究电动机转速测定系统的设计。

通过对AT89C51相关芯片的了解，实现对该系统的硬件与软件设计。

要求以单片机作为核心器件，单片机通过对负脉冲计数，可计算出电机的转速，在超高时、低速限时，有报警提示，其优点时硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快，精度高，控制系统可靠，性价比较高等特点。

第2章系统功能分析

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，在超速或低俗过低都会停止电动机，蜂鸣器发音，显示器不显示，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。

2.1系统要求及主要内容

以单片机为核心设计一个电动机转速测定及数据显示控制系统，要求对转速范围在0-3000r/min的直流调速电动机或交流变频调速电动机进行测量并显示，转速数据显示精度要达到转速个位数，有转速高、低限报警提示。

本设计使用6V直流电机。

将霍尔传感器产生的脉冲信号输入到单片机外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行计数，调用计算公式计算出转速，调用显示程序在LED上，其主要内容是单片机部分主要完成电机转速的测量，LED显示部分主要是把转速显示出来，显示范围在0-3000r/min之间。

2.2系统技术指标

系统主要完成的功能是设计并制作单片机的转速测量的硬件系统，用汇编语言完成转速测量的软件系统，要求把转速显示四位LED数码管上，精度为0.1﹪。

根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机转速测量主要是各个模块的设计，定时器计数功能、以及LED驱动，单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度，以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定任务。

第三章系统总体设计

1硬件电路设计思路

硬件设计的任务是根据总体设计要求，确定系统中所使用的元器件，设计出系统的电路原理图。

89C51单片机通过INT0输入传感器信号，P2口接LED动态显示，转速测量部分硬件设计电路本主要由两部分组成：

1．霍尔传感器测速部分。

测量转速的霍尔传感器和被测物体通州连接，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。

2．测得的脉冲处理和显示部分，测速主要由霍尔传感器完成。

脉冲处理部分主要经放大信号后对脉冲进行处理，由单片机P1.1口输入，经由AT89C51处理后使电动机转速显示在数码管上。

并且使得转速测量误差小于±20转/秒。

其系统设计框图如图3-1所示。

图3-1系统设计框图

3.1软件设计思路

软件需要解决的是定时器0的记数外部中断0的设定，由于测量转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现，显示部分、需要有一个二进制到十进制的转换程序，以及转换成非压缩BCD的程序后，才能进行调用查表程序送到显示。

软件工作流程：

霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断0（P3.2）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时，THO、THL设定初值为0，作为除数的低两字节，利用软件计数器，定时器0中断的次数作为除数高字节，中断完毕读取内部计数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表程序，显示在LED上。

转速部分软件设计思路：

AT89C51单片机的P3.2口接收传感器信号，主要编写一个外部中断服务程序INT0,读取计数值的三个字节，并再次清0记数初值以便下次的记数和计算，调用两字节二进制-三字节十进制转换子程序BCD，再调用十进制转换成非压缩BCD程序，最后调用查表程序送到显示。

第四章硬件电路设计

1模数（A/D）转换电路

1模数（A/D）转换电路。

由3000系列的霍尔IC器件及外围器件组成测速电路，将直流电动机转速转换成数字脉冲信号，送入8051单片机的定时计数器显示。

2数模（D/A）转换电路。

DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位电流输出型DAC，它可以和8051直接相接。

其主要由三大部分组成：

一个8位输入寄存器，一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器，在8位的D/A转换器中所采用的是R－2RT型电阻网络，两个8位数据寄存器可以分别进行控制，根据需要换成多种工作方式，在使用时具有极大的灵活性。

DAC0832芯片与8051芯片进行连接的方法是采用直通、双缓冲和单缓冲等三种工作方式。

其中单缓冲工作方式是使输入寄存器和DAC寄存器中的任意一个始终工作于直通（跟随）状态。

另一个处于受控的锁存器状态。

在MCS－51的实际应用系统中，当只有一路模拟量输出，或几路模拟量不需要同时输出时，可采用单缓冲方式。

我们把DAC0832芯片与MCS－51的接口电路设计成一种单缓冲方式的典型接口电路，用P2.7接DAC0832的

和

，故接口地址为7FFFH。

a）功放电路DAC0832的模拟电压输出电路采用单极性输出方式，其输出电压功率太小无法去控制电动机，通过功放电路把DAC0832输出的模拟电压转换成具有一定输出功率的电动机控制电压去控制电动机的转速，因此，我们可采用LF356运算放大器作为输出。

b）电源电路DAC0832的参考电源采用能隙恒压源。

如5G1403组成的电路。

这种电路结构中，其简单稳压电路具有电路简单，所提供的参考电压为固定值，但负载电流变化时对电压特性有一定的影响，其输出电压低温度系数低等优点，故采用能隙恒压源作为稳压电源。

c）系统原理图

其硬件电路主要有8051芯片，霍尔IC电路，DAC0832芯片，能隙恒压源电路和功放电路组成。

其电路组成如图

（1）所示。

三、程序流程图

系统程序的流程图如图

主程序main

N

N

Y

此程序的功能是用8051单片机的定时器/计数器T0、T1测出电动机的实际转换，并与设定值进行比较。

根据比较结果使DAC0832芯片的输出控制电压增大或减小。

P2.7和DAC0832的

端相连，故可得出DAC0832的地址为7FFFH。

同时8051设定内部50H单元存放实际转速与设定值是否相等的标志。

如果为“1”表示相等，为“0”表示不相等。

60H单元存放送入DAC0832芯片的电压调整数据。

在DAC0832进行调整的过程中，8051根据电动机实际转速与设定转速之差电压调整量的数据，进行D/A转换并输出调整电压，并考虑到电动机的机电系统惯性，必须对输出电压调整量进行一定时间的保持，以便电动机转速能稳步达到设定值，对于延时时间的确定，则要根据实际情况进行测定和调整。

通过对程序流程图和实际电路的分析，我们可用汇编语言或C语言对此程序进行编程，并用单片机的仿真软件EMU进行仿真调试，测试结果符合理论的要求。

而且这种控制方法能使电动机在一般状况下都保持稳定的转速，这样可以减少人的操作强度，减少手工控制中存在的许多缺点，减少故障的发生率，提高精度。

因此，这种自动控制电路在许多电动机要求运行非常稳定的场合都可以广泛应用。

4.1单片机的描述

4.1AT89C51引脚及作用

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

其引脚图如图4-1所示。

图4-1AT89C51引脚图

AT89C51各端口功能如下：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

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：

引脚口　　备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

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。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：

0000H～0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，CPU总是丛0000H单元开始执行程序。

0003H～002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。

用户程序不应进入上述区域。

数据存储器RAM也有64KB寻址区，在地址上是和ROM重叠的。

8051通过不同的信号来选通ROM或RAM：

当从外部ROM取指令时用选通信号PSEN，而从外部RAM读写数据时采用读写信号RD或WR来选通。

因此不会因地址重叠而出现混乱。

AT89C51的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。

256个字节被分为两个区域：

00H～7FH时真正的RAM区，可以读写各种数据。

而80H～FFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。

对于AT89C51安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。

内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0～R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。

AT89C51内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如ACC.0，B.7等。

这些寄存器分别用于以下各个功能单元：

CPU：

ACC，B，PSW，SP，DPTR（由两个8位寄存器DPL和DPH组成）；

并行口：

P0，P1，P2，P3；

中断系统：

IE，IP；

定时器/计数器：

TMOD，TCON，T0，T1（分别由两个8位寄存器TL0和THO，TL1和TH1组成）；

串行口：

SCON，SBUF，PCON。

4.2ULN2003引脚图及功能

ULN2003是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片经常在以下电路中使用，作为：

1．显示驱动

2．继电器驱动

3．照明灯驱动

4．电磁阀驱动

5．伺服电机、步进电机驱动等电路中。

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据,ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行,ULN2003的封装采用DIP—16或SOP—16，ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。

ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。

输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，也可直接驱动低泡，ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。

每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力,ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7kΩ的电阻，可直接与TTL或5VCMOS器件连接。

ULN2003可以并联使用，在相应的OC输出管脚上串联几个欧姆的均流电阻后再并联使用，防止阵列电流不平衡,在输入口输入高电平时，输出口为低电平，但是在输入端输入低电平时，输出端怎么还是低电平，ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。

在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。

4.2外围电路的设计

4.2.1时钟电路

单片机新片内部设有一个由反方向放大器构成的振荡器反向放大器的输出端。

在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元器件，内部振荡电路就会产生自激振荡。

本系统采用的定时元件为石英晶体（晶振）和电容组成的并联谐振回路。

晶振频率为6MHZ,电容大小为15～30PF，电容的大小起到频率微调的作用，时钟电路如图4-2所示。

图4-2时钟电路图

4.2.2复位电路

AT89C51的复位时由外部的复位来实现的，复位电路通常采用商店复位和按钮复位两种方式，本设计采用的是按钮复位，其电路如图4-3所示。

本设计时钟频率为6MHz，电容22uF，电阻1K。

4.2.3测速电路

测量电动机转速的第一步就是要将电动机转速表示为单片机可识别的的脉冲信号，从而进行脉冲计数，本模块主要对两种方法进行论证及选择。

方案一：

通过霍尔传感器

测量转速的霍尔传感器和被测物体通州连接，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。

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。

单片机将该值数据处理后，在数码管上显示出来。

方案二：

通过高精度光电编码器

码盘从光电对管中间穿过，码盘上与很多细线，细线将码盘均匀的分开。

本系统采用的码盘有48条阻隔线，所以电机每转过7.5度系统就获得一个脉冲。

经由单片机信号处理后在数码管上显示。

以上两种方案中，方案一中的霍尔传感器是比较常用的电子原器件。

购买方便使用简单。

而方案二当中的高精度光电编码器精度要求较高，且不常用，所以本课题采用方案一来实现对电动机的测速。

速度检测部分由霍尔传感器和磁钢组成。

其结构如图4-4所示。

图4-4霍尔传感器与磁钢图

霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，当电动机转动时，带动传感器，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速测量。

在实际使用中，需要一个圆形塑料板，厚度大约4mm即可，将之固定在电动机转速轴上

所谓磁钢，就是带有磁性的钢铁。

在传感器检测电路中将磁钢嵌入固定到塑料板上，而霍尔传感器则放在转轴旁边。

霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由霍尔传感器原理可知，此时将输出一个低电平信号，而当磁钢离开霍尔传感器后，又输出一个高电平。

这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。

4.2.4报警电路

蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。

蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。

蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P1.5管脚通过一个与非门来控制，当P1.5管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。

当P1.5管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。

在这里与非门是作为非门来用的，这里采用一个非门的作用是为了防止系统上电时峰鸣器发出声音，以为系统复位以后，I/O口输出的是高电平，用户可以通过程序控制P1.5管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。

蜂鸣器的声音