直流電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)測量與控制設(shè)計(jì)

西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川成都 611756

摘要：為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)測量與控制，利用霍爾傳感器采集直流電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，并利用定時(shí)器中斷方式，將轉(zhuǎn)數(shù)傳送到單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)通過譯碼顯示電路將轉(zhuǎn)數(shù)顯示到顯示器八段碼中，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)的測量。通過鍵盤將希望轉(zhuǎn)數(shù)輸入到單片機(jī)中，并利用比例調(diào)節(jié)將希望轉(zhuǎn)數(shù)與實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)作比較，將得到的誤差值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入到直流電機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的控制）。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)數(shù)測量；轉(zhuǎn)數(shù)控制；誤差調(diào)節(jié)；譯碼顯示

第一章 前言

近年來，單片機(jī)作為嵌入式微控制器在工業(yè)測控系統(tǒng)，智能儀器和家用電氣中得到廣泛應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、集成度高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，適于嵌入式應(yīng)用。智能儀器、家用電器、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)控制等機(jī)電設(shè)備和產(chǎn)品中竟相使用單片機(jī)。

第二章 基本原理

1.課程設(shè)計(jì)工作原理

傳感器原理

霍爾效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢，其中為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾器件3020，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。

第三章 硬件功能說明

3.1 硬件系統(tǒng)組成及功能簡介

（1）51單片機(jī)

主要功能：測量、控制系統(tǒng)的核心部件

（2）DAC0832

主要功能：

1.完成D/A轉(zhuǎn)換工作，產(chǎn)生直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓信號。

2.DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，是微處理器兼容型D/A轉(zhuǎn)換器，可以充分利用微處理器的控制能力實(shí)現(xiàn)對D/A轉(zhuǎn)換的控制。

3.有兩級鎖存控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。

第四章 硬件電路的設(shè)計(jì)方案

4.1硬件電路的總體設(shè)計(jì)方案框圖

硬件實(shí)現(xiàn)電路圖

第五章 系統(tǒng)單元模塊原理及其程序流程圖

5.1 八段數(shù)碼管顯示原理

要實(shí)現(xiàn)8段碼LED顯示，只需要按地址輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)，便可實(shí)現(xiàn)對顯示器的控制。顯示共有6位，用動(dòng)態(tài)方式顯示74LS164是串行輸入并行輸出轉(zhuǎn)換電路，串行輸入的數(shù)據(jù)位由8155的PB0控制，時(shí)鐘位由8155的PB1控制輸出。寫程序時(shí)，只要向數(shù)據(jù)為地址輸出數(shù)據(jù)，然后向時(shí)鐘位地址輸出一高一低兩個(gè)電平就可以將數(shù)據(jù)位置到74LS164中，并且實(shí)現(xiàn)移位。向顯示位選通地址輸出高電平就可以點(diǎn)亮相應(yīng)的顯示位。

5.2 鍵盤掃描顯示原理

下面將解決鍵盤輸入的三大問題：

（1）按鍵識別：通常有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法。本次采用的是行掃描法。即如果有鍵按下，則相應(yīng)行的值應(yīng)為低，如果無鍵按下，由于上拉的作用，行碼為高。這樣就可以通過輸出的列碼和讀取的行碼來判斷按下的是什么鍵。

（2）消除按鍵抖動(dòng)：分為硬件方法（按鍵次數(shù)較少的場合）和軟件延時(shí)（按鍵次數(shù)較多的場合）。本次采用的是軟件延時(shí)方法。即在判斷有鍵按下后，一定要有一定的延時(shí)，防止鍵盤抖動(dòng)。

（3）串鍵保護(hù)：由于操作不慎，可能會(huì)導(dǎo)致同時(shí)有幾個(gè)鍵同時(shí)按下，成為串鍵。

5.3 轉(zhuǎn)速測量原理

當(dāng)工作在定時(shí)方式時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖來自單片機(jī)內(nèi)部，每個(gè)機(jī)器周期使計(jì)數(shù)器加1，由于計(jì)數(shù)脈沖的頻率是固定的（即每個(gè)脈沖為一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間），故可通過設(shè)定計(jì)數(shù)值來實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。

當(dāng)工作在計(jì)數(shù)方式時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖來自單片機(jī)的引腳，每當(dāng)引腳上出現(xiàn)一個(gè)由1到0的電平變化時(shí)，計(jì)數(shù)器的值加1.從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。可以通過編程來指定計(jì)數(shù)器的功能，以及它的工作方式。

定時(shí)計(jì)數(shù)器T0、T1配合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。T0用于產(chǎn)生1s定時(shí)，在此期間T1計(jì)霍爾傳感器送來的轉(zhuǎn)速頻率脈沖，完成后對轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，根據(jù)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行相應(yīng)的程序處理。我們設(shè)定時(shí)器T0定時(shí)參數(shù)為50ms，20次定時(shí)實(shí)現(xiàn)1s，1s定時(shí)開始對T1輸入端計(jì)數(shù)，20次定時(shí)時(shí)間到，T1停止計(jì)數(shù)，從而得到比較精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

5.4 測速調(diào)速原理

基于51單片機(jī)的直流電機(jī)測速調(diào)速系統(tǒng)程序流程如下圖所示。其中，定時(shí)器T0用于1s定時(shí)，同時(shí)T1用于1s內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)，從而達(dá)到電機(jī)測速的目的。

該程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)在定時(shí)器中斷，定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序中包括電機(jī)測速部分、電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示部分、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整部分。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整部分只需要對轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整P0.0輸出周期脈沖的高電平寬度即可調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

第六章 控制算法的實(shí)現(xiàn)

從硬件角度：

電機(jī)控制信號輸出端P0.0初始輸出低電平，將測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速值與設(shè)定的值比較，當(dāng)測速大于設(shè)定的最高速度時(shí)，減小P0.0脈沖的高電平寬度，減小電機(jī)速度；當(dāng)測速小于設(shè)定的最小值（即最大值的70%）時(shí)，增大P0.0脈沖的高電平寬度，增大電機(jī)速度。

從算法（理論）角度：

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)，可以采用D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的輸出控制直流電機(jī)的電壓從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在這里采用簡單的比例調(diào)節(jié)器算法（簡單的加一、減一法）。比例調(diào)節(jié)器的輸出系統(tǒng)式為：

式中：y為調(diào)節(jié)器的輸出；E（t）為調(diào)節(jié)器的輸人，一般為偏差值；Kp為比例系數(shù)。

從式（1）可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出y與輸入偏差值E（t）成正比。因此，只要偏差e（t）一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)，這是一種最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差e（t）有關(guān)外，主要取決于比例系數(shù)Kp，比例調(diào)節(jié)系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性也越大。

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