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西南交通大学机械工程学院 四川成都 611756
摘要：为了实现直流电机测量与控制，利用霍尔传感器采集直流电机转数，并利用定时器中断方式，将转数传送到单片机内。单片机通过译码显示电路将转数显示到显示器八段码中，从而实现转数的测量。通过键盘将希望转数输入到单片机中，并利用比例调节将希望转数与实际转数作比较，将得到的误差值通过数模转换器输入到直流电机中，从而实现直流电机转数的控制）。
关键词：转数测量；转数控制；误差调节；译码显示
第一章 前言
近年来，单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统，智能仪器和家用电气中得到广泛应用。单片机具有体积小、集成度高、功能强等特点，适于嵌入式应用。智能仪器、家用电器、数控机床、工业控制等机电设备和产品中竟相使用单片机。
第二章 基本原理
1.课程设计工作原理
传感器原理
霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势，其中为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔器件3020，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
第三章 硬件功能说明
3.1 硬件系统组成及功能简介
（1）51单片机
主要功能：测量、控制系统的核心部件
（2）DAC0832
主要功能：
1.完成D/A转换工作，产生直流电机的驱动电压信号。
2.DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。
3.有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。
第四章 硬件电路的设计方案
4.1硬件电路的总体设计方案框图
硬件实现电路图
第五章 系统单元模块原理及其程序流程图
5.1 八段数码管显示原理
要实现8段码LED显示，只需要按地址输出相应数据，便可实现对显示器的控制。显示共有6位，用动态方式显示74LS164是串行输入并行输出转换电路，串行输入的数据位由8155的PB0控制，时钟位由8155的PB1控制输出。写程序时，只要向数据为地址输出数据，然后向时钟位地址输出一高一低两个电平就可以将数据位置到74LS164中，并且实现移位。向显示位选通地址输出高电平就可以点亮相应的显示位。
5.2 键盘扫描显示原理
下面将解决键盘输入的三大问题：
（1）按键识别：通常有行扫描法和线反转法。本次采用的是行扫描法。即如果有键按下，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。
（2）消除按键抖动：分为硬件方法（按键次数较少的场合）和软件延时（按键次数较多的场合）。本次采用的是软件延时方法。即在判断有键按下后，一定要有一定的延时，防止键盘抖动。
（3）串键保护：由于操作不慎，可能会导致同时有几个键同时按下，成为串键。
5.3 转速测量原理
当工作在定时方式时，计数脉冲来自单片机内部，每个机器周期使计数器加1，由于计数脉冲的频率是固定的（即每个脉冲为一个机器周期的时间），故可通过设定计数值来实现定时功能。
当工作在计数方式时，计数脉冲来自单片机的引脚，每当引脚上出现一个由1到0的电平变化时，计数器的值加1.从而实现计数功能。可以通过编程来指定计数器的功能，以及它的工作方式。
定时计数器T0、T1配合，实现转速测量。T0用于产生1s定时，在此期间T1计霍尔传感器送来的转速频率脉冲，完成后对转速进行分析，根据转速值进行相应的程序处理。我们设定时器T0定时参数为50ms，20次定时实现1s，1s定时开始对T1输入端计数，20次定时时间到，T1停止计数，从而得到比较精确的电机转速。
5.4 测速调速原理
基于51单片机的直流电机测速调速系统程序流程如下图所示。其中，定时器T0用于1s定时，同时T1用于1s内脉冲计数，从而达到电机测速的目的。
该程序设计重点在定时器中断，定时器T0中断服务程序中包括电机测速部分、电机转速显示部分、电机转速调整部分。电机转速调整部分只需要对转速和设定转速值进行比较，根据比较结果调整P0.0输出周期脉冲的高电平宽度即可调整电机转速。
第六章 控制算法的实现
从硬件角度：
电机控制信号输出端P0.0初始输出低电平，将测得的电机转速值与设定的值比较，当测速大于设定的最高速度時，减小P0.0脉冲的高电平宽度，减小电机速度；当测速小于设定的最小值（即最大值的70%）时，增大P0.0脉冲的高电平宽度，增大电机速度。
从算法（理论）角度：
直流电机的转速与电机两端的电压大小有关，可以采用D/A转换器DAC0832的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法（简单的加一、减一法）。比例调节器的输出系统式为：
式中：y为调节器的输出；E（t）为调节器的输人，一般为偏差值；Kp为比例系数。
从式（1）可以看出，调节器的输出y与输入偏差值E（t）成正比。因此，只要偏差e（t）一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e（t）有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。
参考文献：
[1]张波，赵莉华；基于霍尔传感器的永磁直流电机测速及控制系统；机床电器；2006/03
[2]王敬轩，杨丰，于江江；基于霍尔传感器的直流电机测速系统研究；科技风；2009/08
[3]王文成，李建；基于单片机的电机转速测量系统的设计；仪表技术与传感器；2011/08
[4]陈博炜；基于单片机的转数测量系统设计；延安大学学报；2012/03
[5]张云，刘睿鑫；曹贯强；基于EL-MUT-IIT试验箱的直流电动机的测速与调速；2013/06
[6]孙源文；基于单片机的直流电机控制；科技信息；2010/35
摘要：为了实现直流电机测量与控制，利用霍尔传感器采集直流电机转数，并利用定时器中断方式，将转数传送到单片机内。单片机通过译码显示电路将转数显示到显示器八段码中，从而实现转数的测量。通过键盘将希望转数输入到单片机中，并利用比例调节将希望转数与实际转数作比较，将得到的误差值通过数模转换器输入到直流电机中，从而实现直流电机转数的控制）。
关键词：转数测量；转数控制；误差调节；译码显示
第一章 前言
近年来，单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统，智能仪器和家用电气中得到广泛应用。单片机具有体积小、集成度高、功能强等特点，适于嵌入式应用。智能仪器、家用电器、数控机床、工业控制等机电设备和产品中竟相使用单片机。
第二章 基本原理
1.课程设计工作原理
传感器原理
霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势，其中为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔器件3020，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
第三章 硬件功能说明
3.1 硬件系统组成及功能简介
（1）51单片机
主要功能：测量、控制系统的核心部件
（2）DAC0832
主要功能：
1.完成D/A转换工作，产生直流电机的驱动电压信号。
2.DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。
3.有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。
第四章 硬件电路的设计方案
4.1硬件电路的总体设计方案框图
硬件实现电路图
第五章 系统单元模块原理及其程序流程图
5.1 八段数码管显示原理
要实现8段码LED显示，只需要按地址输出相应数据，便可实现对显示器的控制。显示共有6位，用动态方式显示74LS164是串行输入并行输出转换电路，串行输入的数据位由8155的PB0控制，时钟位由8155的PB1控制输出。写程序时，只要向数据为地址输出数据，然后向时钟位地址输出一高一低两个电平就可以将数据位置到74LS164中，并且实现移位。向显示位选通地址输出高电平就可以点亮相应的显示位。
5.2 键盘扫描显示原理
下面将解决键盘输入的三大问题：
（1）按键识别：通常有行扫描法和线反转法。本次采用的是行扫描法。即如果有键按下，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。
（2）消除按键抖动：分为硬件方法（按键次数较少的场合）和软件延时（按键次数较多的场合）。本次采用的是软件延时方法。即在判断有键按下后，一定要有一定的延时，防止键盘抖动。
（3）串键保护：由于操作不慎，可能会导致同时有几个键同时按下，成为串键。
5.3 转速测量原理
当工作在定时方式时，计数脉冲来自单片机内部，每个机器周期使计数器加1，由于计数脉冲的频率是固定的（即每个脉冲为一个机器周期的时间），故可通过设定计数值来实现定时功能。
当工作在计数方式时，计数脉冲来自单片机的引脚，每当引脚上出现一个由1到0的电平变化时，计数器的值加1.从而实现计数功能。可以通过编程来指定计数器的功能，以及它的工作方式。
定时计数器T0、T1配合，实现转速测量。T0用于产生1s定时，在此期间T1计霍尔传感器送来的转速频率脉冲，完成后对转速进行分析，根据转速值进行相应的程序处理。我们设定时器T0定时参数为50ms，20次定时实现1s，1s定时开始对T1输入端计数，20次定时时间到，T1停止计数，从而得到比较精确的电机转速。
5.4 测速调速原理
基于51单片机的直流电机测速调速系统程序流程如下图所示。其中，定时器T0用于1s定时，同时T1用于1s内脉冲计数，从而达到电机测速的目的。
该程序设计重点在定时器中断，定时器T0中断服务程序中包括电机测速部分、电机转速显示部分、电机转速调整部分。电机转速调整部分只需要对转速和设定转速值进行比较，根据比较结果调整P0.0输出周期脉冲的高电平宽度即可调整电机转速。
第六章 控制算法的实现
从硬件角度：
电机控制信号输出端P0.0初始输出低电平，将测得的电机转速值与设定的值比较，当测速大于设定的最高速度時，减小P0.0脉冲的高电平宽度，减小电机速度；当测速小于设定的最小值（即最大值的70%）时，增大P0.0脉冲的高电平宽度，增大电机速度。
从算法（理论）角度：
直流电机的转速与电机两端的电压大小有关，可以采用D/A转换器DAC0832的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法（简单的加一、减一法）。比例调节器的输出系统式为：
式中：y为调节器的输出；E（t）为调节器的输人，一般为偏差值；Kp为比例系数。
从式（1）可以看出，调节器的输出y与输入偏差值E（t）成正比。因此，只要偏差e（t）一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e（t）有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。
参考文献：
[1]张波，赵莉华；基于霍尔传感器的永磁直流电机测速及控制系统；机床电器；2006/03
[2]王敬轩，杨丰，于江江；基于霍尔传感器的直流电机测速系统研究；科技风；2009/08
[3]王文成，李建；基于单片机的电机转速测量系统的设计；仪表技术与传感器；2011/08
[4]陈博炜；基于单片机的转数测量系统设计；延安大学学报；2012/03
[5]张云，刘睿鑫；曹贯强；基于EL-MUT-IIT试验箱的直流电动机的测速与调速；2013/06
[6]孙源文；基于单片机的直流电机控制；科技信息；2010/35