基于單片機+霍爾元件電機轉速測量系統電路程序設計

ID:853387 · 發表于 2020-12-2 21:02

如圖1所示，此方案是以STC89C52RC單片機作為主控芯片，采用霍爾測速傳感器磁場頻率測速法測量電機轉速、采集電機參數，向單片機輸入脈沖信號。選取LCD1602液晶顯示屏顯示電機每分鐘轉速及占空比。采取獨立按鍵作為按鍵模塊，為單片機提供按鍵信息，實現電機啟動/停止、正轉、反轉、加速、減速功能。選擇雙極PWM控制配合H型橋式驅動電路實現電機驅動，利用USB-TTL轉串口模塊完成系統供電以及燒錄程序。整體硬件需求較小，硬件成本較低。

3.8總體方案框圖

四、電路設計

4.1總體電路設計原理圖

圖2 系統電路設計原理圖

系統電路構成：由STC89C52RC單片機最小系統作為運算處理和控制的核心，采用USB-TTL轉串口實現電路5V供電，選擇3144測速傳感器(P3.3)作為輸入模塊，LCD1602液晶顯示模塊(P0.0—P0.7，P2.7:RS，P2.6:RW，P2.7:EN)作為顯示電路，并配合按鍵電路控制直流電機、設定占空比，最后通過由三級管及開關二極管組成的H橋電路(P3.4，P3.7)驅動5V直流電機，共六個部分組成，如圖2所示。

4.2供電電路

圖3 供電模塊接線電路圖

在PCB板子的一側焊上四個排針，外接USB-TTL轉串口的5V，RXD，TXD，GND端口，實現對電路的5V供電以及對STC89C52RC單片機程序的燒錄，具體電路如圖3所示。

4.3直流電機驅動電路

圖4 電機驅動模塊電路圖

直流電機驅動電路由四個三極管組成H橋驅動電路，H橋的輸入受STC89C52RC單片機輸出的PWM信號控制，在實現轉速控制的同時，也可以實現正反轉控制，具體電路如圖4所示。

4.4霍爾傳感器測速模塊電路

圖5 霍爾傳感器測速模塊實物圖

霍爾傳感器測速模塊電路應用霍爾效應原理，是由電壓調整器、霍爾電壓發生器、差分放大器、施密特觸發器，溫度補償電路和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路。使用3144E開關型霍爾傳感器，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數字電壓信號。當傳感器感應到磁場時，數字輸出低電平，信號燈亮；如果沒有感應到磁場，則數字輸出高電平，信號燈不亮，準確度、可靠性高。

圖6 霍爾傳感器測速模塊接線電路圖

霍爾傳感器測速模塊的數字信號輸出端口通過10K的上拉電阻與STC89C52RC的P3.3端口相連，使其輸出信號更穩定，如圖6所示。

4.5按鍵電路

圖7 按鍵電路圖

按鍵電路由5個普通的自復位式四腳按鍵組成，將它們同一側的引腳縱向連在一起接到GND，另一端分別接入STC89C52RC單片機的P1.0—P1.4引腳，主要實現電機啟動/停止、正轉、反轉、加速、減速，如圖7所示。

4.6單片機及顯示電路

圖8 單片機最小系統圖

圖9 LCD1602液晶顯示圖

單片機及顯示電路包括單片機最小系統、LCD1602液晶顯示，如圖8、圖9所示，LCD1602液晶顯示通過并行通信接口(D0—D7，P2.7:RS，P2.6:RW，P2.7:EN)與單片機相連，在電路中主要實現電機轉速及占空比的顯示。

單片機通過P3.4、P3.7端口向直流電機驅動電路輸出PWM信號，控制電機轉速。霍爾傳感器測速模塊電路輸出的方波信號送入單片機的P3.3端口。

4.7元器件清單

表1 元器件清單表

元器件	型號規格	個數
IC插座集成塊	40P腳	1
測速傳感器模塊	Risym	1
輕觸式開關	直插665 中二腳	1
輕觸式開關	直插665 四腳	5
單排排針	插針 1*40PIN	2
1/4W金屬膜電阻	10K	2
1/4W金屬膜電阻	1K	4
1/4W金屬膜電阻	4.7K	1
藍白滑動變阻器	10K	1
排阻	103	1
排母	40P腳	1
鋁電解電容	10uf	1
瓷片電容	33pf 50v	2
獨石電容	104	2
石英晶振	12M 直插2腳	1
開關二極管	1N4148	4
微型直流電機	RC300帶線	1
萬用板	10*15cm	1
三極管	S8050	4
三極管	S8550	2
顯示屏	LCD1602	1
USB轉串口模塊（刷機板）	CH340模塊	1
單片機	STC89C52RC	1

元器件的選擇，根據可靠性、可行性、穩定性、價格以及最終方案，選擇元器件均為直插式，選擇STC89C52RC單片機為主控芯片，使用IC插座集成塊，方便單片機的更換，利用排母使LCD1206實現外接模式，方便顯示屏安裝與拆卸。

五、軟件設計

程序設計部分主要包括主程序、初始化子程序、鍵盤掃描子程序、LCD1602顯示子程序、中斷子程序、信息處理子程序及PWM生成程序七個部分組成，大致通過LCD1602顯示信息，通過按鍵輸入信息，對LCD1602顯示的轉速和占空比等信息進行操作。

5.1主程序

主程序中主程序中包含了初始化程序，鍵盤掃描程序，主程序代碼如下：

void main()

{

flag_1=0;

m=100;

zhuansu=0;

flag=0;

zheng=1;

fan=0;

init();

while(1)

{

keyscan();

}

5.2中斷子程序

1.外部中斷

(1)工作過程：每來一個電機脈沖信號，產生中斷計數。

(2)流程圖：如圖11所示。

(3)程序：

void int1()interrupt 2

{

zhuansu++;

}

2.定時器中斷

(1)工作過程：TT0 定時器每2秒定時中斷一次，讀取記錄的脈沖個數，顯示轉速。

(2)流程圖：如圖12所示。

(3)程序：

void int2()interrupt 3

{

TH0=0xdc;

TL0=0x00;

flag++;

if(flag==200)

{

display();

zhuansu=0;

flag=0;

}

5.3鍵盤掃描子程序

(1)工作過程：按鍵1按下時占空比加一，按鍵2按下時占空比減一，按鍵3按下時電機正轉，按鍵4按下時電機反轉，按鍵5按下時電機啟動/停止。

(2)流程圖：如圖13所示。

(3)程序：

void keyscan()

{

if(num1==0)

{

delay(20);

if(num1==0)

{

if(m<=199)

m++;

displaym();

}

if(num2==0)

{

delay(20);

if(num2==0)

{

if(m>=1)

m--;

displaym();

}

if(num3==0)

{

delay(20);

if(num3==0)

{

zheng=1;

fan=0;

}

if(num4==0)

{

delay(20);

if(num4==0)

{

zheng=0;

fan=1;

}

if(num5==0)

{

delay(20);

if(num5==0)

{

while(num5==0);

kai=1-kai;

}

5.4信息處理子程序

1.占空比顯示

(1)工作過程：在LCD1602上顯示占空比，若轉速百位為零則百位顯示空格、其余正常顯示，反之百位也正常顯示；若轉速十位為零則只顯示個位，反之十位也正常顯示、百位顯示空格。

(2)流程圖：如圖14所示。

(3)程序：

void displaym()

{

write_com(0xcb);

if(m/200%10!=0)

write_data(m/200%10+0x30);

else

write_data(' ');

if(m/200%10==0&&m/20%10==0)

write_data(' ');

else

write_data(m/20%10+0x30);

write_data(m/2%10+0x30);

}

2.轉速顯示：

(1)工作過程：在LCD1602上顯示轉速，若轉速萬位為零則萬位顯示空格、其余正常顯示，反之都正常顯示；若轉速千位為零則萬位、千位顯示空格、其余正常顯示，反之千位也正常顯示；若轉速百位為零則萬位、千位、百位顯示空格、其余正常顯示，反之百位也正常顯示；若轉速十位為零則只顯示個位，反之十位也正常顯示、其余顯示空格。

(2)流程圖：如圖15所示。

(3)程序：

void display()

{

write_com(0x82);

zhuansu=zhuansu*30;

if(zhuansu/10000!=0)

write_data(zhuansu/10000+0x30);

else

write_data(' ');

if(zhuansu/1000==0)

write_data(' ');