祖一康，徐妙婧

(1.黃岡師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃州 438000；2.黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃州 438000)

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基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祖一康1，徐妙婧2

(1.黃岡師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃州 438000；2.黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃州 438000)

介紹了基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，主要包括轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示、轉(zhuǎn)速控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊。其中電機(jī)采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)，通過霍爾傳感器實(shí)施轉(zhuǎn)速測(cè)量并在4位數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速值，利用ADC0809產(chǎn)生PWM波控制轉(zhuǎn)速，給出了控制系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，能很好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與控制。

單片機(jī)；霍爾傳感器；電機(jī)；轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其中直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)與制動(dòng)性能，并且能在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速能耗少，所以在許多調(diào)速要求高的場(chǎng)合中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。直流電機(jī)的控制方法很多，常用的有改變電樞回路電阻、減小氣隙磁通、改變電樞端電壓等方法。其中電樞回路串電阻的方法只能使轉(zhuǎn)速往下調(diào)、而且體積大、不能連續(xù)調(diào)節(jié)；減小氣隙磁通的方法設(shè)備簡(jiǎn)單、電機(jī)效率不變，但是調(diào)速比不大；改變電樞電壓的方法可以使電機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，是應(yīng)用最廣的控制方法，常用的有發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(G-M系統(tǒng))、晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等[3-4]。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，使得許多電機(jī)的控制功能和算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，使系統(tǒng)的性能得到更大的提高。

設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制系統(tǒng)，單片機(jī)將霍爾傳感器采集的脈沖信號(hào)處理后轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速值，并在數(shù)碼管上顯示，采用電位器來模擬電機(jī)調(diào)速旋鈕，通過ADC0809產(chǎn)生PWM信號(hào)從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件原理電路圖

2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示模塊

2.1.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)工作的，其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。系統(tǒng)采用開關(guān)型霍爾傳感器A3144實(shí)施轉(zhuǎn)速測(cè)量，A3144由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密斯觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償電路和集電極開路的輸出級(jí)等組成，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為數(shù)字電壓信號(hào)[5-6]。

轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，使非磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即可測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在控制系統(tǒng)硬件原理電路中(如圖2所示)，霍爾傳感器A3144的輸出引腳OUT經(jīng)上拉電阻通過史密斯觸發(fā)器74HC14與單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0(P3.4)引腳相連，74HC14的作用是對(duì)A3144的輸出波形整形。有觸發(fā)時(shí)，74HC14的OUT1引腳輸出高電平，無觸發(fā)時(shí)，輸出低電平。由高電平到低電平的下降沿可觸發(fā)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)，每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器加1，通過控制計(jì)數(shù)的時(shí)間即可計(jì)算出計(jì)數(shù)器數(shù)值對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。

2.1.2 轉(zhuǎn)速顯示

轉(zhuǎn)速顯示模塊采用4位共陰極數(shù)碼管，用兩片74HC573鎖存器分別驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的字段碼線和位選線[7]，兩片74HC573的輸入引腳接在單片機(jī)的P0口，第1片74HC573的輸出接數(shù)碼管的段線，鎖存使能端LE接單片機(jī)的P2.4引腳，第2片74HC573的輸出接數(shù)碼管的位選線，鎖存使能端LE接單片機(jī)的P2.5引腳(如圖2所示)。通過控制P2.4和P2.5輸出0或1即可控制送字段碼還是位選碼。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約寶貴的單片機(jī)I/O引腳，并且可以在不增加使用I/O口的情況下很容易地?cái)U(kuò)展到8位數(shù)碼管顯示。

酒店經(jīng)營(yíng)管理的持久生命力主要表現(xiàn)為可持續(xù)性的盈利能力，其根本在于一個(gè)忠誠(chéng)的賓客群體。精品酒店的經(jīng)營(yíng)規(guī)模通常不大，其滿足的客戶數(shù)量占整個(gè)市場(chǎng)的份額也相對(duì)較少，但酒店的獲利能力確很高，這主要得益于精品酒店具有一個(gè)比較穩(wěn)定的顧客群體，并且通過酒店口碑不斷擴(kuò)大酒店知名度和美譽(yù)度，吸引更多的賓客，形成良好的收益效應(yīng)。

2.2 轉(zhuǎn)速控制模塊

控制系統(tǒng)采用ADC0809芯片產(chǎn)生的PWM波控制轉(zhuǎn)速[8-9]。利用電位器來模擬調(diào)速旋鈕，將調(diào)速信號(hào)從ADC0809第0通道輸入，ADDC、ADDB、ADDA三只引腳全部接地。ADC0809輸出與單片機(jī)P1相連，ALE、START引腳與P2.5引腳相連，EOC與P2.6相連，OE與P2.7相連(如圖2所示)。ADC0809的CLOCK引腳經(jīng)雙D觸發(fā)器74LS74與單片機(jī)的ALE引腳相連，74LS74將單片機(jī)輸出的ALE信號(hào)進(jìn)行二分頻，因?yàn)锳LE引腳輸出頻率為外接晶振頻率的1/6，當(dāng)晶振頻率為6MHz時(shí)，ALE輸出1MHz的脈沖信號(hào)，而ADC0809在CLK為500kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換效果最好，PWM波通過P3.0引腳輸出。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，芯片采用15引腳封裝，內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器。L298N有兩組輸入和輸出引腳，可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。輸入引腳IN1、IN2與單片機(jī)P2.1、P2.0引腳相連，EA與P3.0相連，邏輯控制引腳VS接+5V電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源VS引腳接+12V電源，輸出引腳OUT1、OUT2接直流電機(jī)(如圖2所示)[10]。L298N的邏輯功能如表1所示。

表1 L298N的邏輯功能

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)硬件電路進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)，包括將A3144采集的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速值并在數(shù)碼管上顯示，ADC0809產(chǎn)生的PWM波經(jīng)L298N對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。主程序流程如圖3所示。

3.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算

根據(jù)圖2的硬件設(shè)計(jì)，單片機(jī)中定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0工作在計(jì)數(shù)模式下，對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)；T1工作在定時(shí)模式、中斷方式下，控制計(jì)數(shù)時(shí)間(采樣時(shí)間)。可通過如下公式計(jì)算轉(zhuǎn)速值[11]：

n=N/ (mT)

注：n—轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分鐘；N—采樣時(shí)間內(nèi)脈沖,N=256*TH0+TL0；T—采樣時(shí)間，單位：分鐘；m—每轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

3.2 PWM子程序

設(shè)變量Val放置轉(zhuǎn)換結(jié)果，delay()表示延時(shí)函數(shù)，PWM子程序流程如圖4所示。

圖3 主程序流程圖 圖4 PWM子程序流程圖

3.3 轉(zhuǎn)速顯示與電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序

為了便于數(shù)碼管顯示，需將轉(zhuǎn)速值分解為4位。通過控制P2.4和P2.5輸出0或1即可控制送字段碼還是位選碼。電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過L298N輸入引腳IN1(P2.1)、IN2(P2.0)以及ENA(P3.0)引腳控制。

4 實(shí)驗(yàn)

采用Proteus7.7與Keil uVision4聯(lián)調(diào)仿真對(duì)系統(tǒng)性能經(jīng)行驗(yàn)證。通過示波器觀察不同占空比下的ADC0809輸出的PWM波和電機(jī)上的PWM波，并進(jìn)行比較，波形如圖5所示。通過波形比較不難看出，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

圖5 不同占空比下的輸入輸出波形圖

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(李鑫)

The design of DC motor speed measurement and control system based on single chip microcontroller

ZU Yi-kang1, XU Miao-jing2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei,China;2.School of Electronic Information, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei, China)

A design of DC motor speed measurement and control system based on single chip microcontroller was presented. We took STC89C52 microcontroller as the key part of the system, which is mainly composed of the speed measurement and display module, speed control module, motor drive module, and in which the L298N chip was adopted to drive the motor, the speed data can be obtained through Hall sensor and displayed on the 4-digital tube, PWM wave can be generated by ADC0809, the hardware and software of the control system was described in detail. The experimental results show that the system has the advantages of simplicity and stability, and can realize the DC Motor speed measurement and control well.

single chip microcontroller; Hall sensor; motor; speed measurement and control

TP273

A

1003-8078(2014)03-0050-04

2014-02-22 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2014.03.12

祖一康，男，江蘇泗洪人，講師，碩士，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制、網(wǎng)絡(luò)化控制。