基于单片机的直流电机转速测量与控制系统设计

祖一康，徐妙婧

(1.黄冈师范学院 机电工程学院，湖北 黄州 438000；2.黄冈师范学院 电子信息学院，湖北 黄州 438000)



基于单片机的直流电机转速测量与控制系统设计

祖一康1，徐妙婧2

(1.黄冈师范学院 机电工程学院，湖北 黄州 438000；2.黄冈师范学院 电子信息学院，湖北 黄州 438000)

介绍了基于单片机的直流电机转速测量与控制系统的设计。该系统以STC89C52单片机为核心，主要包括转速测量与显示、转速控制、电机驱动等模块。其中电机采用L298N芯片驱动，通过霍尔传感器实施转速测量并在4位数码管上显示转速值，利用ADC0809产生PWM波控制转速，给出了控制系统硬件和软件的实现方法。实验结果表明，该系统结构简单、工作稳定，能很好地实现转速的测量与控制。

单片机；霍尔传感器；电机；转速测量与控制

在工农业生产中，电机是主要的驱动设备，其中直流电机具有良好的起动与制动性能，并且能在大范围内平滑调速，起动、制动转矩大，调速能耗少，所以在许多调速要求高的场合中得到了广泛的应用[1-2]。直流电机的控制方法很多，常用的有改变电枢回路电阻、减小气隙磁通、改变电枢端电压等方法。其中电枢回路串电阻的方法只能使转速往下调、而且体积大、不能连续调节；减小气隙磁通的方法设备简单、电机效率不变，但是调速比不大；改变电枢电压的方法可以使电机在很宽的范围内实现无极调速，是应用最广的控制方法，常用的有发电机-电动机系统(G-M系统)、晶闸管-电动机系统(V-M系统)、直流脉宽调速系统等[3-4]。随着微型计算机技术的发展，特别是单片机技术的出现，使得许多电机的控制功能和算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，使系统的性能得到更大的提高。

设计以STC89C52单片机为核心的直流电机转速测量与控制系统，单片机将霍尔传感器采集的脉冲信号处理后转化为转速值，并在数码管上显示，采用电位器来模拟电机调速旋钮，通过ADC0809产生PWM信号从而改变电机的转速。该系统软硬件结构简单、易于实现，具有一定的实用性。

1 系统总体设计

图1 控制系统框图

2 系统硬件设计

控制系统硬件原理图如图2所示。

图2 控制系统硬件原理电路图

2.1 转速测量与显示模块

2.1.1 转速测量

霍尔传感器是利用霍尔效应工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。系统采用开关型霍尔传感器A3144实施转速测量，A3144由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密斯触发器、温度补偿电路和集电极开路的输出级等组成，其输入为磁感应强度，输出为数字电压信号[5-6]。

转速测量时，使非磁性转盘的输入轴与电机转轴相连，当电机转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，即可测得电机转速。

在控制系统硬件原理电路中(如图2所示)，霍尔传感器A3144的输出引脚OUT经上拉电阻通过史密斯触发器74HC14与单片机的定时器/计数器0(P3.4)引脚相连，74HC14的作用是对A3144的输出波形整形。有触发时，74HC14的OUT1引脚输出高电平，无触发时，输出低电平。由高电平到低电平的下降沿可触发定时器/计数器0计数，每输入一个脉冲，计数器加1，通过控制计数的时间即可计算出计数器数值对应电机的转速值。

2.1.2 转速显示

转速显示模块采用4位共阴极数码管，用两片74HC573锁存器分别驱动数码管的字段码线和位选线[7]，两片74HC573的输入引脚接在单片机的P0口，第1片74HC573的输出接数码管的段线，锁存使能端LE接单片机的P2.4引脚，第2片74HC573的输出接数码管的位选线，锁存使能端LE接单片机的P2.5引脚(如图2所示)。通过控制P2.4和P2.5输出0或1即可控制送字段码还是位选码。这样做的优点是节约宝贵的单片机I/O引脚，并且可以在不增加使用I/O口的情况下很容易地扩展到8位数码管显示。

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2.2 转速控制模块

控制系统采用ADC0809芯片产生的PWM波控制转速[8-9]。利用电位器来模拟调速旋钮，将调速信号从ADC0809第0通道输入，ADDC、ADDB、ADDA三只引脚全部接地。ADC0809输出与单片机P1相连，ALE、START引脚与P2.5引脚相连，EOC与P2.6相连，OE与P2.7相连(如图2所示)。ADC0809的CLOCK引脚经双D触发器74LS74与单片机的ALE引脚相连，74LS74将单片机输出的ALE信号进行二分频，因为ALE引脚输出频率为外接晶振频率的1/6，当晶振频率为6MHz时，ALE输出1MHz的脉冲信号，而ADC0809在CLK为500kHz时，转换效果最好，PWM波通过P3.0引脚输出。

2.3 电机驱动模块

采用L298N芯片驱动直流电机，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，芯片采用15引脚封装，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器。L298N有两组输入和输出引脚，可驱动两个电机。输入引脚IN1、IN2与单片机P2.1、P2.0引脚相连，EA与P3.0相连，逻辑控制引脚VS接+5V电源，电机驱动电源VS引脚接+12V电源，输出引脚OUT1、OUT2接直流电机(如图2所示)[10]。L298N的逻辑功能如表1所示。

表1 L298N的逻辑功能

3 系统软件设计

软件设计是根据硬件电路进行的程序设计，包括将A3144采集的脉冲信号转化为转速值并在数码管上显示，ADC0809产生的PWM波经L298N对电机转速控制。主程序流程如图3所示。

3.1 转速计算

根据图2的硬件设计，单片机中定时器/计数器T0工作在计数模式下，对转速脉冲计数；T1工作在定时模式、中断方式下，控制计数时间(采样时间)。可通过如下公式计算转速值[11]：

n=N/ (mT)

注：n—转速，单位：转/分钟；N—采样时间内脉冲,N=256*TH0+TL0；T—采样时间，单位：分钟；m—每转动一周所产生的脉冲数。

3.2 PWM子程序

设变量Val放置转换结果，delay()表示延时函数，PWM子程序流程如图4所示。

图3 主程序流程图 图4 PWM子程序流程图

3.3 转速显示与电机驱动子程序

为了便于数码管显示，需将转速值分解为4位。通过控制P2.4和P2.5输出0或1即可控制送字段码还是位选码。电机驱动通过L298N输入引脚IN1(P2.1)、IN2(P2.0)以及ENA(P3.0)引脚控制。

4 实验

采用Proteus7.7与Keil uVision4联调仿真对系统性能经行验证。通过示波器观察不同占空比下的ADC0809输出的PWM波和电机上的PWM波，并进行比较，波形如图5所示。通过波形比较不难看出，系统具有较好的稳定性。

图5 不同占空比下的输入输出波形图

[1] 祖一康，徐妙婧.基于单片机的直流电机控制系统设计[J].黄冈师范学院学报，2012，32(6)：50-52.

[2] 李发海，王岩.电机与拖动基础(第三版)[M].北京：清华大学出版社，2005:26.

[3] 李发海，朱东起．电机学(第五版)[M]．北京：科学出版社，2013:82.

[4] 谷金华.基于霍尔传感器的转速测量系统设计[J].大众科技，2007,99(11)：112-113.

[5] 祝诗平.传感器与检测技术[M].北京：北京大学出版社，2006：137-144.

[6] 匡付华，朱丁才.霍尔传感器A3144在精确位移测量中的应用[J].自动化仪表，2005,26(10)：40-41.

[7] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程:入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009:56.

[8] 王静霞.单片机应用技术(C语言版)[M]. 北京：电子工业出版社，2009:169.

[9] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M]. 北京：电子工业出版社，2010:179.

[10] 陈海松.单片机应用技能项目化教程[M]. 北京：电子工业出版社，2012:192-193.

[11] 许戴铭.基于单片机与霍尔传感器的转速测量设计[J].价值工程，2012,31(268)：133-134.

(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，江苏泗洪人，讲师，硕士，研究方向为智能检测与控制、网络化控制。