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)

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)

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)具有良好的電機(jī)動(dòng)力性能，并且能在大面積內(nèi)平滑行駛。動(dòng)力和電機(jī)轉(zhuǎn)速較大，調(diào)解能耗低。因此，在許多需要高速度的情況下，它被廣泛使用。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(wú)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。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(lái)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(lái)模擬電機(jī)調(diào)速旋鈕,通過(guò)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)的全球設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心,主要由轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示、轉(zhuǎn)速控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊組成,如圖1所示。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。2.1對(duì)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和顯示模塊的測(cè)量2.1.1數(shù)字電壓信號(hào)組成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(kāi)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(kāi)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)。轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí),使非磁性轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng),固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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接數(shù)碼管的輸出轉(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,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(guò)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。2.2雙向接地輸出控制系統(tǒng)采用ADC0809芯片產(chǎn)生的PWM波控制轉(zhuǎn)速。利用電位器來(lái)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(guò)P3.0引腳輸出。2.3電源裝復(fù)電系統(tǒng)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)。L298N的邏輯功能如表1所示。3電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制軟件設(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。3.1t1轉(zhuǎn)速控制根據(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)?？赏ㄟ^(guò)如下公式計(jì)算轉(zhuǎn)速值: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)。3.2pm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。3.3送字段碼和位選碼為了便于數(shù)碼管顯示,需將轉(zhuǎn)速值分解為4位。通過(guò)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(guò)L298N輸入引腳IN1(P2.1)、IN2(P2.0)以及ENA(P3.0)引腳控制。4