基于51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)控制PWM信號從而實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。本文中采用了三極管組成了PWM信號的驅(qū)動系統(tǒng)，并且對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細(xì)的闡述。另外，本系統(tǒng)中使用了霍爾元件對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，經(jīng)過處理后，將測量值送到液晶顯示出來。

目錄

1 引言

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機(jī)都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機(jī)、電唱機(jī)、錄相機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等，都不能缺少直流電機(jī)。所以直流電機(jī)的控制是一門很實(shí)用的技術(shù)。直流電機(jī)，大體上可分為四類：幾相繞組的步進(jìn)電機(jī)、永磁式換流器直流電機(jī)、伺服電機(jī)、 兩相低電壓交流電機(jī)

直流電機(jī)的特點(diǎn)是啟動轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護(hù)工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術(shù)的成熟，使得矢量控制變頻技術(shù)獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。適用范圍：直流調(diào)速器可以應(yīng)用在造紙印刷、紡織印染、光纜設(shè)備、電工技術(shù)設(shè)備、食品加工機(jī)械、橡膠加工機(jī)械、生物制藥設(shè)備、電路板設(shè)備、實(shí)驗(yàn)器材 、特種加工、輕工業(yè)、 輸送設(shè)備 車輛工程、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備 等行業(yè)中。高性能的交流傳動應(yīng)用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用可調(diào)速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。

盡管如此，我認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，不論是從學(xué)習(xí)還是實(shí)踐的角度，對一名機(jī)電工程專業(yè)的大學(xué)生都會產(chǎn)生積極地作用，有利于提高學(xué)習(xí)熱情。

直流電機(jī)擁有有良好的起制動性能，可應(yīng)用于在大范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，也可廣泛的應(yīng)用于許多需要調(diào)速或正反向的電力拖動領(lǐng)域中。在控制角度來看，直流調(diào)速更是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期的控制系統(tǒng)較大部分以模擬電路作為基礎(chǔ)，有運(yùn)算放大器、非線性集成電路和少量數(shù)字電路等，控制系統(tǒng)的硬件部分功能比較復(fù)雜，功能比較單一，而且軟件系統(tǒng)不靈活、不好調(diào)試，不利于直流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用范圍。伴隨著單片機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，使得許多控制功能算法以及軟件得以完成，為直流電動機(jī)調(diào)速控制提供了更大的發(fā)展空間，并使系統(tǒng)達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖然滿足了生產(chǎn)要求，但由于元件易老化和使用時(shí)容易受到干擾影響，并且線路很復(fù)雜，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。

目前，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没�，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。因此實(shí)現(xiàn)直流無級調(diào)速對我們社會生產(chǎn)和生活有著重大的意義。

直流電動機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類型。不同勵(lì)磁方式的機(jī)械特性曲線有所不同。對于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式：

n=U/Cc-TR內(nèi)/CrCc                   （公式 1-1）

其中：

U—電壓； —?jiǎng)?lì)磁繞組電阻；

—磁通(Wb)；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。

由上式可知，直流電機(jī)的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場控制法。比較兩種方法優(yōu)劣，對于磁場控制法，其控制功率較小，低速傳動時(shí)易受到磁極飽和限制，而高速傳動時(shí)又受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)限制。所以磁場控制法并不合適，電樞控制法在電機(jī)調(diào)速中是比較常用的方法。直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的,但任何直流電機(jī)都包括定子部分和轉(zhuǎn)子 部分,這兩部分間存在著一定大小的氣隙,使電機(jī)中電路和磁場發(fā)生相對運(yùn) 動.直流電機(jī)定子部分主要由主磁極,電刷裝置和換向極等組成,轉(zhuǎn)子部分 主要由電樞繞組,換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，如圖1-1所示：

圖1-1 直流電機(jī)的工作原理圖

電樞控制即在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電機(jī)調(diào)速中廣泛使用，其中脈寬調(diào)制應(yīng)用廣泛。脈寬調(diào)速的概念是利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上圖，當(dāng)電動機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機(jī)的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得

到不同的電機(jī)速度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)：基于單片機(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM，在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比是一個(gè)重要參數(shù)，電源電壓不變時(shí)，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值可以改變電樞端電壓的平均值：

1、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t，使周期也隨之改變。

2、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變，使周期或頻率也隨之改變。

3、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變和t。

1，2方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期或頻率，當(dāng)控制脈沖的頻率與

系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會引起振蕩，因而不合適，用定頻調(diào)寬法來改變占空

比從而改變直流電動機(jī)電樞兩端電壓。

軟件采用定時(shí)中斷進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動按鈕后執(zhí)行相應(yīng)的程序，根據(jù)P1.1的高低電平?jīng)Q定直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。根據(jù)加、減速按鈕，調(diào)整P1.1輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而控制電壓的大小來決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC89C51控制輸出數(shù)據(jù)，由單片機(jī)IO口產(chǎn)生PWM信號，送到直流電機(jī)，直流電機(jī)通過測速電路將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速送回單片機(jī)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速顯示，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。

STC89C51單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：

中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：STC89C51芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個(gè)單元，簡稱內(nèi)部RAM。

內(nèi)部程序存儲器：STC89C51芯片內(nèi)部共有4K個(gè)單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。

定時(shí)器：STC89C51片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)和串行中斷1個(gè)。

3 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)

調(diào)速采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達(dá)到調(diào)整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。

電動機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路采用H橋驅(qū)動，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWM原理的驅(qū)動電路。

PWM電路由復(fù)合體管組成，兩個(gè)輸入端高低電平控制晶體管是否導(dǎo)通或截止。NPN的三極管高電平輸入時(shí)導(dǎo)通，PNP的三極管低電平輸入時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)Q1和Q2都導(dǎo)通時(shí)，Q3和Q6截止，Q4和Q5導(dǎo)通，電機(jī)兩端都是GND，電機(jī)是不轉(zhuǎn)的，當(dāng)Q1和Q2都截止時(shí)，Q3和Q6導(dǎo)通，Q4和Q5截止，電機(jī)兩端都是VCC，電機(jī)也是不轉(zhuǎn)的，那么，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2截止時(shí)，Q4和Q6導(dǎo)通，電機(jī)右邊是電源，左邊是地，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，此時(shí)保持Q2截止，PWM控制Q1的導(dǎo)通截止，就可以控制電機(jī)的速度，同理，當(dāng)Q1截止，Q2導(dǎo)通時(shí)，Q3和Q5導(dǎo)通，電機(jī)的左邊是電源，右邊是地，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動，此時(shí)保持Q1截止，PWM控制Q2的導(dǎo)通截止就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4個(gè)二極管在電路中的作用是防止晶體管產(chǎn)生不當(dāng)反向電壓，以及電機(jī)兩端電流和晶體管上的電流過大保護(hù)。

H橋式電動機(jī)驅(qū)動電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，因?yàn)樗�的形狀與字母H相似，故因此而得名。如下圖 所示，要使電動機(jī)成功運(yùn)轉(zhuǎn)，須對對角線上的一對三極管通電。據(jù)不同的三極管對的導(dǎo)通通電的情況，電流會從右至左或相反方向流過電機(jī)，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。

因此要想使電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上兩個(gè)三極管通電。例如，當(dāng)Q2管與Q3管導(dǎo)通時(shí)，電流 從電源正極經(jīng)Q2從左到右通過電機(jī)，再經(jīng) Q3到電源的負(fù)極。同樣Q1與Q4亦是如此，由電流箭頭可看，驅(qū)動電動機(jī)將順時(shí)針轉(zhuǎn)動。

5 主電路設(shè)計(jì)

5.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

液晶部分的電路圖如下圖所示：

LCD 1602也被稱作1602字符型液晶。它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它有若干個(gè)或者等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有也有間隔，這樣則起到了字符間距和行間距的作用，也正因?yàn)槿绱耍�它不能顯示圖形。

LCD 1602是指顯示的內(nèi)容為，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。LCD 1602實(shí)物圖如圖3-4所示，LCD 1602引腳圖如圖3-5所示。

LCD 1602可以采用兩種方式與單片機(jī)連接，一種是采用8位數(shù)據(jù)總線D0～D7，和RS、R/W、EN三個(gè)控制端口；另一種是只用D4～D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。

進(jìn)行LCD設(shè)計(jì)主要是LCD的控制/驅(qū)動和外界的接口設(shè)計(jì)。控制主要是通過接口與外界通信、管理內(nèi)/外顯示RAM，控制驅(qū)動器，分配顯示數(shù)據(jù)；驅(qū)動主要是根據(jù)控制器要求，驅(qū)動LCD進(jìn)行顯示。控制器還常含有內(nèi)部ASCII字符庫，或可外擴(kuò)的大容量漢字庫。

單片機(jī)AT89S52的P1.1與LCD 1602的使能端E相連，GND與讀寫選擇端R/W相連，P1.0與RS相連，當(dāng)使能端使能時(shí)，再通過命令選擇端來控制讀數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)，寫命令。控制P0端口與LCD 1602的數(shù)據(jù)端口相連，傳輸數(shù)據(jù)。

LCD 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生內(nèi)存（CGROM）已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。

LCD 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置；

指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H；

指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效；

指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有游標(biāo)，低電平表示無游標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍；

指令5：光標(biāo)或顯示移位元S/C：高電平時(shí)移動顯示的文字，低電平時(shí)移動光標(biāo)；

指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示F：低電平時(shí)顯示5×7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5×10的點(diǎn)陣字符；

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置；

指令8：DDRAM地址設(shè)置；

指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙；

指令10：寫數(shù)據(jù)；

指令11：讀數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。

本設(shè)計(jì)采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機(jī)初始時(shí)，因?yàn)闉楦唠娖剑��?dāng)按鍵按下的時(shí)候，會給單片機(jī)一個(gè)低電平，單片機(jī)對信號進(jìn)行處理

單片機(jī)鍵盤有獨(dú)立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨(dú)立鍵盤每一個(gè)I/O 口上只接一個(gè)按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要這里選用了獨(dú)立式鍵盤接法。

獨(dú)立式鍵盤的實(shí)現(xiàn)方法是利用單片機(jī)I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個(gè)I/O 口，程序開始時(shí)將此I/O口置于高電平，平時(shí)無鍵按下時(shí)I/O口保護(hù)高電平。當(dāng)有鍵按下時(shí)，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就可以了解我們是否有按鍵動作了。

在用單片機(jī)對鍵盤處理的時(shí)候涉及到了一個(gè)重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機(jī)械的抖動，是當(dāng)鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正常現(xiàn)象，并不是我們在按鍵時(shí)通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時(shí)間對于人來說太快了，而對于時(shí)鐘是微秒的單片機(jī)而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時(shí)間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實(shí)現(xiàn)法是先查尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時(shí)立即延時(shí)10~200毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為20毫秒），延時(shí)結(jié)束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時(shí)間不到10~200 毫秒，視為干擾信號。當(dāng)讀出的值是0時(shí)則表示有按鍵按下，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。硬件電路如圖3-15所示：

圖 按鍵部分電路

用于測量的A44E集成霍爾開關(guān)，磁鋼用直徑D=6.004mm，長度為L=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流，霍爾開關(guān)輸出由四位半直流數(shù)字電壓表測量，磁感應(yīng)強(qiáng)度B用95A型集成霍爾元件測量。

圖3-7霍爾片管腳        管腳接線

根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

霍爾傳感器A3144是Allegro MicroSystems公司生產(chǎn)的寬溫、開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，其工作溫度范圍可達(dá)-40℃～150℃。它由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出極構(gòu)成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點(diǎn)，有兩種封裝形式，一種是3腳貼片微小型封裝，后綴為“LH”；另一種是3腳直插式封裝，后綴為“UA”。

A3144E系列單極高溫霍爾效應(yīng)集成傳感器是由穩(wěn)壓電源，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏電路，適用于矩形或者柱形磁體下工作。可應(yīng)用于汽車工業(yè)和軍事工程中。

霍爾傳感器的外形圖和與磁場的作用關(guān)系如圖2-4所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。

霍爾元件和磁鋼                            管腳圖

圖3-8 霍爾傳感器的外形圖

該霍爾傳感器的接線圖如圖3-9所示。

  圖3-9 霍爾傳感器的接線圖

測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識別的脈沖信號，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。霍爾器件作為一種轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的傳感器，它有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖2-6所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動傳感器運(yùn)動，產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過信號處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量[6]。

圖3-10霍爾器件測速原理

•   系統(tǒng)調(diào)試與存在的問題
  

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。   Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細(xì)介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 Keil_c軟件界面如圖

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫管理模式，可以網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個(gè)32位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，可以設(shè)計(jì)32個(gè)信號層，16個(gè)電源--地層和16個(gè)機(jī)加工層。

Protel99SE軟件的特點(diǎn)：

• 可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；
• 強(qiáng)大的全局編輯功能；
• 在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；
• 同時(shí)運(yùn)行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)
• 既可以進(jìn)行正向注釋元器件標(biāo)號（由原理圖到PCB），也可以進(jìn)行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計(jì)上的一致性；
• 滿足國際化設(shè)計(jì)要求（包括國標(biāo)標(biāo)題欄輸出，GB4728國標(biāo)庫）； * 方便易用的數(shù)模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；
• 支持用CUPL語言和原理圖設(shè)計(jì)PLD，生成標(biāo)準(zhǔn)的JED下載文件； * PCB可設(shè)計(jì)32個(gè)信號層，16個(gè)電源-地層和16個(gè)機(jī)加工層；
• 強(qiáng)大的“規(guī)則驅(qū)動”設(shè)計(jì)環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查；
• 智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；
• 提供大量的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板做為設(shè)計(jì)模版；
  

常見故障：

1、邏輯錯(cuò)誤：它是由設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或加工過程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的。這類錯(cuò)誤包括錯(cuò)線、開路、短路等。

2、元器件失效：有兩方面的原因：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯(cuò)誤造成元件失效，如電解電容、集成電路安裝方向錯(cuò)誤等。

3、可靠性差：因其可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時(shí)好時(shí)壞，經(jīng)不起振動；走線和布局不合理也會引起系統(tǒng)可靠性差。

4、電源故障：若樣機(jī)由電源故障，則加電后很容易造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設(shè)計(jì)要求，電源引線和插座不對，功率不足，負(fù)載能力差等。

調(diào)試方法：包括多級調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試。在調(diào)試過程中要針對可能出現(xiàn)的故障認(rèn)真分析，直至檢查出原因并排除。

本次硬件調(diào)試過程中，對所出現(xiàn)的問題進(jìn)行了認(rèn)真的分析和改正，最后能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求的效果。

軟件調(diào)試一般分為以下四個(gè)階段：1、 編寫程序并查錯(cuò)；2、在C語言的編譯系統(tǒng)中編譯源程序3、對程序進(jìn)行編譯連接，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯(cuò)誤；4、改正錯(cuò)誤。

在本次調(diào)試中出現(xiàn)的問題有：

1、在程序中有的函數(shù)名未定義；

2、在抄錄程序時(shí)，少錄入一些字符，如：“；”、“{”、“-”等符號，而出現(xiàn)錯(cuò)誤；

3、有一些函數(shù)名錄入時(shí)少寫一個(gè)字母或順序顛倒；

4、沒有注意函數(shù)名的調(diào)用及定義；

5、芯片引腳定義出錯(cuò)而導(dǎo)致沒有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

在軟件調(diào)試過程中，對出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行了認(rèn)真的分析和修改，多次調(diào)試成功后，能夠很好的達(dá)到既定的設(shè)計(jì)效果。

仿真整體圖如下：

總結(jié)

本文所述的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的單片微機(jī)STC89C51為核心的，而通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對于其他方法，如用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速過程的優(yōu)點(diǎn)是擁有更大靈活性和更低成本，它能夠有效發(fā)揮單片機(jī)控制優(yōu)點(diǎn)和效能，對于簡易的速度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了較為有效的途徑。

致謝

經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我感受頗多，在正式進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設(shè)計(jì)方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。

此次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對前面所學(xué)單片機(jī)技術(shù)和運(yùn)動控制理論的一種檢驗(yàn)，更是對所學(xué)知識大融合，站在新的高度看待新的問題，而且也是對自己運(yùn)用所學(xué)知識的能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學(xué)習(xí)的東西還太多。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。

本設(shè)計(jì)在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動電路，解決了電機(jī)馬驅(qū)動的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機(jī)的使用效率，且更有效的控制電機(jī)。

這次畢設(shè)使我深感要注重理論知識，注重理論聯(lián)系實(shí)際。以前一直覺得理論知識離我們很遠(yuǎn)，理論只是大談空談，這才發(fā)現(xiàn)理論的重要性，這才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系的重要性。

最后，我要感謝魏老師對我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的大力支持，使我不僅在知識方面有了更深一步的了解，并且在我設(shè)計(jì)東西的思路與邏輯方面有更深刻的影響，使我知道了設(shè)計(jì)思路與邏輯的重要性，讓我獲益匪淺。