单片机直流电机转速控制系统.doc

直流电机转速控制系统

摘要
本系统以AT89C51单片机为核心，电机转速可预置，电机调速范围为250cm/s～360cm/s。可显示设定转速值、实测转速值。该系统主要由单片机最小系统、A/D转换芯片ADC0809、D/A转换芯片DAC0832及LED数码管组成。系统通过A/D转换设定转速值，通过D/A转换控制电机转速，通过霍尔元件对电机转速进行测量，然后将测量值和设定值在LED上显示出来。本系统具有调整电路简单、调整速度快、可实时测量电机转速等优点。
关键词：AT89C51、ADC0809、DAC0832、转速控制
Abstract
This system take AT89C51 monolithic integrated circuit as the core, the electrical machinery rotational speed may initialize, the electrical machinery governor deflection is 250cm/s~360cm/s.This system may demonstrate the hypothesis rotational speed value and the actual rotational speed value. This system is mainly composed by the monolithic integrated circuit smallest system, A/D transformation chip ADC0809, D/A transformation chip DAC0832 and the LED nixietube. The system hypothesis rotational speed value through A/D transformation, controls electrical machinery rotational speed through the D/A switching, and carries on the survey through the Hall part to the electrical machinery rotational speed, then demonstrates the observed value and the setting value on LED. The system has a simple adjustment circuit to adjust speed, real-time measurement of motor speed and so on.
Keywords:AT89C51、ADC0809、DAC0832、Speed Control
一、方案论证与比较
1.1 A/D转换模块的方案选择
设计中用A/D转换器把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。A/D转换器的种类很多，但目前应用较广泛的是逐次比较式转换器，如ADC0809、AD574。
方案一 ：ADC0809是8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，ADC0809是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电，片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由本身的C、B、A引脚的编码来决定所选的通道，0809完成1次转换需100左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到AT89C51单片机的数据总线上，通过适当的外接电路0809可完成对0～5V模拟信号的转换。
方案二 ：AD574是12位逐次比较型A/D转换器，最多可输出12位A/D转换数据，转换时间为25，转换精度为0.05% ，内部有三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容，可实现输入信号-5～+5V或-10～+10V的转换。但其价格比ADC0809稍贵。
比较以上两种方案，设计中8位转换就已足够，所以设计中选用ADC0809。
1.2 控制方法的方案选择
方案一：采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压改变占空比，使输出电压稳定在设定值。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，实现起来比较复杂。
方案二：采用D/A转换的方法。D/A转换的基本原理是把数字量的每一位代码按权大小转换成模拟分量，然后根据叠加原理将各代码对应的模拟输出分量相加。因此，D/A转换过程主要是由解码网络实现，而且是并行工作的。也就是说，D/A转换器是并行输入数字量的，每位代码也是同时被转换成模拟量的。这种转换方式的速度快，一般为微秒级，有的可达几十毫微秒。
鉴于上面分析，选用方案二。
1.3 显示模块的方案选择
在系统运行过程中，需要对设定的数值和转速实际值做必要的显示。经考虑，有以下两种显示方案。
方案一：使用液晶显示屏显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示设定值和实际转速这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。
方案二：使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，准确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
根据以上论述，采用方案二。在本系统中，采用数码管的动态显示，节省单片机的内部资源。
1.4 测速方案选择
影响测速的因素主要有系统的稳定性、安装的方便性等。详细方案选择见附录一。
二、详细软硬件分析
2.1 整体设计
图1 总体设计框图
通过A/D转换给出设定值，设定值由单片机处理后，通过D/A转换给电机，控制电机旋转。由霍尔开关传送的脉冲信号输入单片机，通过单片机的计数器进行计数，再将结果经过处理，得出转速。设定值和测量值经过LED数码管进行显示（重要的人机交互界面）。
2.2 硬件核心电路如下：（A/D转换部分，其他模块电路见附录二）

图2 A/D转换电路
2.3 软件设计
本系统的软件设计比较简单，主要有A/D、D/A、显示及测速这四个模块。程序的流程图如图3所示。

图3 程序设计流程图
三、系统调试
调试过程共分三部分：硬件调试，软件调试，软硬件联调。 　
3.1  硬件调试：由于该系统的速度控制主要由A/D转换及D/A转换控制，单片机主要起数据处理、显示等一些辅助作用，再者根据理论值进行元器件的选择由于精度和干扰的影响，往往得到的结果和理论分析值又有一定的偏差，所以硬件调试难度很大。
3.2软件调试：本系统的软件程序完全由C51编写，C语言效率高，但同时也存在一些缺点，比如严格定时比较困难。在调试过程中采取的是自上至下的调试方法，单独调试好每一个模块，然后再联结成一个完整的系统调试。
3.3 软硬联调：由于本系统的软硬件联系不是很紧密，一般是软件D/A输出后就能直接和硬件相联进行工作，因此在软硬件通调的情况下，系统的软硬件联调的难度不大。
四、指标测试
4.1 测试仪器
伟福实验箱、TDS2012数字示波器。
4.2 指标测试
表1 设定值与实测值的比较
次数
设定值（cm/s）
实测值（cm/s）
1
250
250
2
260
260
3
320
320
4
340
350
5
360
370
4.3 系统对题目的完成情况
表2 系统对题目的完成情况
要求
实现
直流电机按照给定转速运行
完成
给定值变化，电机转速随之变化
完成
显示给定值和实测值
完成
4.4 结果分析
各项结果都符合系统指标，产生误差的原因包括：两个不同地之间的干扰等。
五、结论
经过几天的辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。
六、参考文献
1 杨学昭，王东云，张五一.单片机原理、接口技术及应用（含C51）.西安：西安电子科技大学出版社，2009年
2 中原工学院电气系.伟福Lab2000P系列单片机仿真实验系统实验指导书.郑州：中原工学院电气系，2009年

七、附录
附录一 测速方案选择
方案一：在电机轮子上贴上磁钢，在磁钢相应位置的电路板上装上霍尔开关，对轮子转速进行测量。设轮周长为c，通过计数器得出1s内霍尔开关的输出脉冲数n(即1s内轮子转的圈数)，再用n×c，便是电机1s内转过的距离，也就是电机的转速。只要磁钢在轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但系统颠簸时，稳定性较差。
方案二:安装透射式光电开关，测出轮子的每秒转速。但使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响轮子的机械动作。其优点是工作稳定。
综合以上方案优劣和系统的结构特点，本系统采用了方案二。
附录二 其他模块硬件原理图
图4为D/A转换模块的硬件原理图。

图4 D/A转换电路
图5为LED显示模块的硬件原理图。

图5 LED显示电路