基于MCS-51單片機的直流電機轉速測控系統設計

摘要：給出了一種基于89C51單片機以及PWM控制思想的高精度、高穩定、多任務(wù)直流電機轉速測控系統的硬件組成及關(guān)鍵單元設計方法。實(shí)驗結果表明該系統能實(shí)時(shí)、有效地對直流電機轉速進(jìn)行監測與控制，而且輸出轉速精度高、穩定性好。
關(guān)鍵詞：PWM；實(shí)時(shí)監控；單片機；霍爾傳感器；轉速

0 引言
目前使用的電機模擬控制電路都比較復雜，測量范圍與精度不能兼顧，且采樣時(shí)間較長(cháng)，難以測得瞬時(shí)轉速。本文介紹的電機控制系統利用PWM控制原理，同時(shí)結合霍爾傳感器來(lái)采集電機轉速，并經(jīng)單片機檢測后在顯示器上顯示出轉速值，而單片機則根據傳感器輸出的脈沖信號來(lái)分析轉速的過(guò)程量，并超限自動(dòng)報警。本系統同時(shí)設置有按鍵操作儀表，可用于調節電機的轉速。

1 系統方案的制定
直流電機控制系統主要是以C8051單片機為核心組成的控制系統，本系統中的電機轉速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此，由MCU內部的可編程計數器陣列輸出PWM波，以調整電機兩端電壓與控制波形的占空比，從而實(shí)現調速。本系統通過(guò)霍爾傳感器來(lái)實(shí)現對直流電機轉速的實(shí)時(shí)監測。系統的設計任務(wù)包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件設計包括方案選定、電路原理圖設計、PCB繪制、線(xiàn)路調試：軟件設計包括內存空間的分配，直流電機控制應用程序模塊的設計，程序調試、軟件仿真等。

2 硬件設計
C8051是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64個(gè)數字I／O引腳，片內含有VDD監視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，是真正能獨立工作的片上系統，并能快捷準確地完成信號采集和調節。同時(shí)也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結構優(yōu)化。
本單片機控制系統與外部連接可實(shí)時(shí)接收到外部信號，以進(jìn)行對外部設備的控制，這種閉環(huán)系統可以較準確的實(shí)現設計要求，從而制定出一個(gè)合理的方案，圖1所示是電機測控系統框圖。

本系統先由單片機發(fā)出控制信號給驅動(dòng)電機，同時(shí)通過(guò)傳感器檢測電機的轉速信號并傳送給單片機，單片機再通過(guò)軟件將測速信號與給定轉速進(jìn)行比較，從而決定電機轉速，同時(shí)將當前電機轉速值送LED顯示。此外，也可以通過(guò)設置鍵盤(pán)來(lái)設定電機轉速。系統中的轉速檢測裝置由霍爾傳感器組成，并通過(guò)A／D轉換將轉速轉換為電壓信號，再以脈沖形式傳給單片機。這種設計方法具有頻率響應高(響應頻率達20 kHz以上)、輸出幅值不變、抗電磁干擾能力強等特點(diǎn)。其中霍爾傳感器輸入為脈沖信號，十分容易與微處理器相連接，也便于實(shí)現信號的分析處理。單片機的TO口可對該脈沖信號進(jìn)行計數。