基于51单片机的直流电机转速测量与控制单片机原理与应用课程设计院系信息工程学院班级自动化121学生姓名张晓峰学号 121404010432日期 2015/7/9任务要求基于51单片机的直流电机转速测量与控制一、设计目的1.通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识复习和掌握，对单片机课程的应用有进一步的了解。

2.掌握定时器、终端的设置和变成原理。

3.掌握单片机原理、结构、指令、接口及应用。

4.通过此次课程设计能够将单片机硬件结合起来，获得单片机应用系统设计的基本理论，基本只是和基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法。

二、基本要求1.,以80C51的基本知识和方法为基础，通过系统扩展达到应用单片机的目的。

2.根据应用系统结构规模的要求，掌握单片机外部扩展系统的硬件设计的基本过程，正确合理选择期间，绘制应用系统原理图。

3.根据设计任务和要求，画出程序整体流程图，然后进行各程序模块的设计，编写控制程序。

4.掌握如何应用单片机仿真器或编程器来开发应用及仿真调试的过程，反复修改测试直至完成任务。

三、设计内容设计并调试一个程序使其实现如下功能：1.在实验平台上通过键盘输入一个转速的设定值（例如25rpm），并在数码管上显示；2.采用比例调节方法，使电机转速稳定在设定值；3.测量电机的转速，并在实验平台数码管上显示；4.转速稳定后，可随时修改转速设定值；5.优化比例调节系统，使电机转速的调节时间较短，并尝试加入积分、微分环节，改善转速的静态和动态特性。

电机转速不允许出现振荡。

基于51单片机的直流电机转速测量与控制摘要：本设计主要完成以AT89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。

采用霍尔传感器进行速度测量，利用PID 控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。

动态显示实际转速。

电机可以快速的达到设定值，且不会出现震荡现象。

关键词：直流电机，STC89C51，矩阵键盘，设定值，霍尔传感器，DAC0832，PID正文1. 系统设计本设计主要完成以STC89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。

采用霍尔传感器进行速度测量，利用PID 控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。

动态显示实际转速。

系统结构图如下图所示图1 系统结构图STC89矩阵数码管直流霍尔PID 控DAC08本系统主要使用了STC89C51单片机、霍尔传感器测速、DC0832模数转换进行转速控制。

现将主要模块介绍如下：1.1STC89C51STC89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图所示。

图2 STC89C51ALE：地址锁存控制信号。

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。

PSEN：外部程序存储器读选通信号。

在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

EA ：访问程序存储控制信号。

当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

RST：复位信号。

当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。

当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VSS：地线。

VCC：+5 V电源。

1.1DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

图3 DAC0832D0～D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR2、XFER 的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；AGND：模拟信号地；DGND：数字信号地。

试验箱DAC0832如下图所示图4 实验箱DAC08321.2霍尔传感器测速及转速计算方法1.2.1霍尔传感器测速原理霍尔传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。

霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。

霍尔传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。

另外，霍尔传感器的测量必须配合磁场的变化，因此在霍尔传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。

本试验箱的霍尔传感器如下图所示图5 实验箱霍尔传感器1.2.2测速方法由于直流电机转速较小，所以采用T 法测速，T 发测速的原理如下T 法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。

因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。

速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T 法宜测量低速。

如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。

计算公式为：2060ZM f n =T 法测速的分辨率)1(6060)1(602202020-=--=M ZM f ZM f M Z f QＴ法测速误差率%10011%10060 60 )1(602202020max ⨯-=⨯-=M ZM f ZM f M Z f δ低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T 法测速适用于低速段。

测速流程图如下图所示图6 转速测量流程图1.3 键盘扫描显示使用6×4的小键盘，向列扫描码地址逐列输出低电平，然后从行码地址读回。

开始检测开定时器1否否检测下计算两脉是否结束图7 6×4的键盘矩阵如果有键按下，则相应行的值应为低，如果无键按下，由于上拉的作用，行码值为高。

这样就可以通过输出的列码和读取的行码来判断按下的是什么键。

在判断有键按下后，要有一定的延时，防止键盘抖动。

否是显示缓冲数码管读取键有键初始化地输出列扫列扫描信读入行该列有是键值转否6列否返回是按照行列得键等待键返回图8 键盘扫秒流程图1.3PID控制本次的课程设计采用的PID控制，调速性能好，通过调节比例常数、积分常数、微分常数使得转速控制达到想要的精度。

PID参数的调节有试凑法和实验法，本课程设计采用的是实验法。

现介绍如下：实验法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。

⑴整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

⑵整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。

先将步骤⑴中选择的比例系数减小伟原来的50%-80%，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。

然后减少积分时间，加大积分作用，并相应调节比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

⑶整定微分环节若经过步骤⑵，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。

先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

2 硬件电路的连接和程序的调试本次的课程设计是基于SICElab-G2100实验箱设计，采用模块化结构。

实验箱如下图所示图9 SICElab-G2100实验箱硬件接线如下：把第17号模块“并行数模转换”中的DAC0832输出Aout孔连第23号模块“直流电机”的Dcin孔，数模转换DAC0832的CS17孔和Xfer孔连第38号模块“片选信号”中的YS2孔，WR1孔和WR2孔连第33号模块“控制总线”的/WR孔，CKM孔（霍尔传感器输出孔）连“Lab51CPU板”的P3.2孔。

第38号模块“片选信号”中YS0连线连线孔1连线孔2连线连线孔1连线孔21 Aout Dcin 5 WR2 /WR2 CS17 Xfer 6 CKM P3.23 Xfer YS2 7 CS40 YS04 WR1孔WR2图10 接线图按图中接线，编写程序，调试PID参数，经过反复的实验，转速可以快速的达到设定值，且不会出现振荡，运行结果如下图所示图11 转速为4r/s时运行结果图12 转速为12r/s时运行结果图13 转速为45r/s时运行结果3 创新与改进实验箱自带的有RS232，可以利用串口通讯，将矩阵键盘输入给定值改为通过串口通讯的方式，通过PC机键盘给定，或者编写Labview程序，使用Labview 串口给单片机送给定值。

4 心得体会经过1个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的程序，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。

本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：对电机的驱动电路采用的DAC0832，直接将数字量转为模拟量进行控制，精度不高，不过作为学生实验足够了。

此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。