基于單片機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)終稿

1、南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 論 文題 目： 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作 者： 陳志森 學(xué) 號(hào)： 03314100227二級(jí)學(xué)院： 動(dòng)力工程學(xué)院 系 ： 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛系 專(zhuān) 業(yè)： 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 班 級(jí)： 機(jī)車(chē)車(chē)輛1001班 指導(dǎo)者： 王華 高級(jí)工程師 評(píng)閱者： 2013年 6月 畢業(yè)設(shè)計(jì)中文摘要基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，而且直流調(diào)速系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展成為了趨勢(shì)。本文首先給了總體方案的設(shè)計(jì)，然后分別介紹了單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、紅外對(duì)管測(cè)速系統(tǒng)、1602液晶顯示系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及功能實(shí)現(xiàn)原理，以及主程序、PWM波發(fā)生

2、模塊、測(cè)速系統(tǒng)以及液晶顯示系統(tǒng)等功能實(shí)現(xiàn)的軟件程序流程圖。并且通過(guò)對(duì)模擬仿真和實(shí)際硬件電路搭建，從而完成了一套能夠?qū)崿F(xiàn)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能的基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞： 電機(jī)調(diào)速 PWM 單片機(jī) 液晶顯示 測(cè)速第 1 頁(yè) 共 1 頁(yè)目 次1 引言21.1 研究背景21.2 研究的目的和意義21.3 本文的主要工作32 系統(tǒng)的功能及組成32.1 系統(tǒng)的功能32.2 系統(tǒng)的任務(wù)分析33 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)43.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.4 紅外對(duì)管測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.5 1602液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)114 軟件設(shè)計(jì)原理124.1

3、 主程序流程圖124.2 PWM波發(fā)生模塊程序流程圖134.3 測(cè)速系統(tǒng)程序流程圖134.4 液晶顯示系統(tǒng)程序流程圖145 proteus模擬仿真155.1 硬件電路155.2 波形分析156 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析186.1 硬件電路186.2 波形分析18結(jié) 論21致 謝22參考文獻(xiàn)23第 23 頁(yè) 共 23 頁(yè)1 引言隨著計(jì)算機(jī)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的廣泛應(yīng)用，使自動(dòng)化技術(shù)得到了較大的發(fā)展。低成本的自動(dòng)化設(shè)備的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外的注意。特別對(duì)于現(xiàn)代小型企業(yè)，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)備，不僅可以獲得更多經(jīng)濟(jì)效益，而且還能提高可靠性、生產(chǎn)率。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用在電子儀器設(shè)備、自

4、動(dòng)控制系統(tǒng)、電子玩具、家用電器等等方面。大家生活中熟悉的錄音機(jī)、錄相機(jī)、電唱機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等，都使用著直流電機(jī)。1.1 研究背景近30年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電機(jī)自動(dòng)化控制得到了很大的飛躍。由原來(lái)采用的晶閘管，到后來(lái)采用了雙向可控硅。在這之后，半控型功率器件一直在電機(jī)控制市場(chǎng)被廣泛應(yīng)用。到70和80年代， GTO晶閘管、IGBT等全控型功率元件的出現(xiàn)，取代了以前普通晶閘管系統(tǒng)所需要的換相電路，使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，并且提高了其工作頻率，縮小了控制裝置的重量和體積。后來(lái)，斬波器或PWM變流器逐步取代了功率因數(shù)差、諧波成分大的相控變流器，大大提高了調(diào)速的精度。直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展產(chǎn)生

5、于70年代的中期。其最早用于小功率、不可逆驅(qū)動(dòng)。近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及永磁直流電機(jī)的出現(xiàn)，它們之間的結(jié)合促使PWM技術(shù)的高速發(fā)展，并使電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)新的高度。 在國(guó)外，脈寬調(diào)制技術(shù)最早是在空間技術(shù)以及軍事工業(yè)中應(yīng)用。它滿(mǎn)足那些高精度、高速度控制系統(tǒng)的要求。近年來(lái)，在自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)、機(jī)床行業(yè)以及機(jī)器人等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。1.2 研究的目的和意義直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度高,控制簡(jiǎn)單, 范圍廣,在調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中長(zhǎng)期以來(lái)占有統(tǒng)治地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,全數(shù)字化控制電機(jī)控制得到了廣泛使用。其優(yōu)點(diǎn)有：控制手段比較靈活方便,抗干擾的能力較強(qiáng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)速度更快、控制更

6、容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。PWM技術(shù)的優(yōu)越型得到了廣泛認(rèn)可：主電路簡(jiǎn)單，使用的功率元件少；開(kāi)關(guān)頻率高，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都比較??；其調(diào)速范圍寬；其快速響應(yīng)性能比較好，抗擾能力比較強(qiáng)。研究出一套需要用的功率元件少、開(kāi)關(guān)頻率高、調(diào)速范圍寬、系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)的直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為了時(shí)代發(fā)展的要求。1.3 本文的主要工作本文主要通過(guò)介紹了一種基于STC89C52RC單片機(jī)產(chǎn)生PWM波對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)電路中的重要子系統(tǒng)組成及作用做了詳細(xì)分析。2 系統(tǒng)的功能及組成2.1 系統(tǒng)的功能該系統(tǒng)主要通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，設(shè)計(jì)出適合的驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)

7、行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等功能。2.2 系統(tǒng)的任務(wù)分析該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，主要需要通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)以及相應(yīng)的鍵盤(pán)模塊等幾個(gè)子系統(tǒng)組成。如圖2.1,為該系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。單片機(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機(jī)（PWM模擬發(fā)生器）電機(jī)紅外對(duì)管測(cè)速驅(qū)動(dòng)電路鍵 盤(pán)1602液晶顯示圖2.1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖該硬件系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于：調(diào)速系統(tǒng)和測(cè)速顯示系統(tǒng)兩個(gè)部分，其中調(diào)速系統(tǒng)主要包括PWM模擬發(fā)生器模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊以及鍵盤(pán)模塊；測(cè)速顯示系統(tǒng)主要包括測(cè)速模塊和1602液晶顯示模塊。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 最小系

8、統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)主要是為了產(chǎn)生PWM從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，以及實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)功能的配合。3.1.1 單片機(jī)選型單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指在一塊芯片上集成了中央處理器CPU、程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、中斷控制器以及串行和并行I/O接口等部件，組成了一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。目前，新型單片機(jī)內(nèi)還有高速輸入/輸出、A/D及D/A轉(zhuǎn)換器等部件。該系統(tǒng)主要包括PWM產(chǎn)生部分、鍵盤(pán)、顯示、通訊、測(cè)速反饋等設(shè)備，完成對(duì)直流電機(jī)速度的控制。這里選用了STC89C52單片機(jī)，它與Intel 51系列單片機(jī)完全兼容。其內(nèi)部配置了8KB的Flash Memory ，無(wú)須擴(kuò)展外部存

9、貯器。同時(shí)這種8位單片機(jī)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)與LCD1602液晶顯示完全兼容，可以直接相連。該單片機(jī)價(jià)格低廉，使用方便。（1）STC89C52結(jié)構(gòu)框圖（圖3.1）圖3.1 STC89C52結(jié)構(gòu)框圖（2）STC89C52各引腳功能表3.1 STC89C52單片機(jī)各引腳功能引腳名稱(chēng)編號(hào)功能主電源引腳VCCPin40電源輸入GNDPin20接地外接晶振引腳XTAL1Pin19片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2Pin20片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳RSTPin9復(fù)位引腳PROGPin30允許地址鎖存PSENPin29外部存儲(chǔ)器讀選EAPin31選通程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部可編程輸入 輸出引腳P0Pin3932漏極開(kāi)路型的

10、雙向I/O口P1Pin18內(nèi)部帶提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口P2Pin2128內(nèi)部帶提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口P3Pin1017內(nèi)部帶提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口3.1.2 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序系統(tǒng)，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)必須有時(shí)鐘信號(hào)，以使其系統(tǒng)在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，按時(shí)序協(xié)調(diào)控制。時(shí)鐘電路主要分為外部方式的時(shí)鐘電路和內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路。內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖3.2(a)，在TXD和RXD的引腳上外接一些定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。晶體振蕩頻率常使用12MHz，頻率的微調(diào)作用一般是通過(guò)改變電容值的大小，電容值

11、一般在530pF這個(gè)區(qū)間內(nèi)選擇。外部方式的時(shí)鐘電路如圖3.2（b），RXD引腳接地，TXD引腳接外部振蕩器。外部振蕩信號(hào)，我們一般使用方波信號(hào)，其頻率一般低于12MHz。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。（a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 （b）外部方式時(shí)鐘電路圖3.2 時(shí)鐘電路3.1.3 復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)前需要復(fù)位，使系統(tǒng)從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。（1）復(fù)位操作51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，在單片機(jī)工作以后，只要在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，就能確保單片機(jī)可靠復(fù)位i，即程序從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行。如果此腳一直處于高電平，則單片機(jī)始終維持在復(fù)位狀態(tài)，只有當(dāng)RST變成低電平

12、后，才退出復(fù)位，程序繼續(xù)向下執(zhí)行。復(fù)位操作一般使用于：1.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正常初始化；2操作錯(cuò)誤從而導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯(cuò)或系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)。（2）復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是高電平信號(hào)有效，持續(xù)24個(gè)的振蕩周期以上為單片機(jī)復(fù)位電路有效時(shí)間。若使用頻率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)的持續(xù)時(shí)間則應(yīng)該不得少于2us。復(fù)位電路主要有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種。上電自動(dòng)復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)外部復(fù)位電路的電容的充電實(shí)現(xiàn)的，如圖3.3（a）。按鍵手動(dòng)復(fù)位通常有脈沖方式和電平方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是主要利用復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通從而實(shí)現(xiàn)的，如圖3.3（b）所示。按鍵脈沖復(fù)位主要是通過(guò)利用RC微分電路產(chǎn)

13、生正脈沖從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，如圖3.3（c）所示。（a）上電復(fù)位 （b）按鍵電平復(fù)位 （c）按鍵脈沖復(fù)位圖3.3 復(fù)位電路本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用圖3.3（b）上電復(fù)位方式。3.1.4 電源接口模塊在單片機(jī)最小系統(tǒng)板上設(shè)計(jì)了電源接口模塊，此模塊主要為4個(gè)電源插口，電源插口均為并聯(lián)方式連接，其中J1為電源輸入端，J2-J4可為其他模塊提供電源。圖3.4 電源接口模塊3.2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)主要是為單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)、1602液晶顯示系統(tǒng)供電，主要提供5V直流電以及12V直流電。電源系統(tǒng)的電路主要由12V交流輸出、橋式整流、濾波和7805穩(wěn)壓電源組成。 （1）橋式整流和濾波電路：

14、整流作用是將交流電變換成脈動(dòng)的直流電壓。濾波電路主要由電容組成，其目的是將脈動(dòng)電壓的紋波濾除去，從而得到較平滑的直流電。（2）7805穩(wěn)壓電源電路：由于整流得到的輸出電壓為DC12V，并且容易受輸入電壓、負(fù)載和溫度的影響，為了可以得到更為穩(wěn)定的電源電壓，我們添加了穩(wěn)壓電源電路，進(jìn)而得到穩(wěn)定的DC5V。用78/79系列芯片組成穩(wěn)壓電源需要的外圍元件少,電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管等保護(hù)電路。本論文中電源電路采用7805芯片產(chǎn)生+5V，如圖3.5。圖3.5 電源模塊電路3.3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的主要功能是使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能。3.

15、3.1 直流電機(jī)的PWM控制原理直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法分為兩類(lèi)分別為：電樞電壓控制法與勵(lì)磁控制法。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速： (1)由式（1）可知:勵(lì)磁控制法主要是控制磁通的大小，其主要特點(diǎn)有：控制的功率比較小，電機(jī)不但在低速狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)受到磁飽和度的限制，而且在高速時(shí)還會(huì)受到換向器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的限制，同時(shí)還由于其勵(lì)磁線(xiàn)圈的電感比較大，從而導(dǎo)致了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較差，所以現(xiàn)在比較常用的調(diào)速方法為：電樞電壓控制法。電源電壓，將電機(jī)電樞串聯(lián)一個(gè)電阻并且接到電源上，有如下關(guān)系： （2）不難分析出：只要調(diào)節(jié)電阻，從而改變端電壓，進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，但這種調(diào)壓調(diào)速的方法一般效率比較低。故可以運(yùn)用PWM斬波調(diào)壓來(lái)改

16、變電樞電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的?；赑WM斬波調(diào)壓電路是把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓。通過(guò)脈沖作用，按一定固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)電機(jī)直接接入電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為，設(shè)占空比為則電機(jī)的平均速度為： (3)式中：最大速度(即直接通電時(shí)的速度)；平均速度；占空比(0 100%)。由式(1)可見(jiàn)，是直流電機(jī)的最大速度，只與電機(jī)自身特性有關(guān)，電機(jī)一定時(shí)，為定值。改變占空比，就能得到不同的電壓，從而得到不同的平均速度，進(jìn)而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。3.3.2 驅(qū)動(dòng)模塊的選擇3.3.2.1 三極管組成的H橋驅(qū)動(dòng)模塊當(dāng)PWM1為低電平,通

17、過(guò)對(duì)PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時(shí)導(dǎo)通Q5截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制；同理，當(dāng)PWM2為高電平,通過(guò)對(duì)PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時(shí)導(dǎo)通，Q6截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制。圖3.6 H橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)證明，該電路是不可以運(yùn)行的。原因分析：由于我們使用的電機(jī)是線(xiàn)圈式的，在從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)和從順時(shí)針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時(shí)針狀態(tài)時(shí)會(huì)形成很大的反向電流，從而使三極管不能正常關(guān)斷。3.3.2.2 L298N芯片作為驅(qū)動(dòng)模塊L298n有兩路電源分別為邏輯電源和動(dòng)力電源，圖3.6中5V為邏輯電源，12V為動(dòng)力電源。Power

18、5V接入邏輯電源，Power 12V接入動(dòng)力電源，IN1-IN2分別為單片機(jī)控制電機(jī)的輸入端， ENA直接接入單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，M1與電機(jī)的正負(fù)極相連。由于我使用的直流電機(jī)是線(xiàn)圈式的，當(dāng)電機(jī)從運(yùn)行的狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換為停止的狀態(tài)或者從順時(shí)針工作的狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換為逆時(shí)針工作的狀態(tài)時(shí)，電機(jī)將產(chǎn)生非常大的反向電流，故我們?cè)陔娐分屑尤攵O管，其主要作用是在電機(jī)產(chǎn)生反向電流的時(shí)候進(jìn)行泄流，從而保護(hù)芯片的安全。圖3.7 L298N驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)證明，該電路是實(shí)際可行的。圖3.8 L298N內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖，當(dāng)IN1輸入1、IN2輸入0、ENA輸入1時(shí)，此時(shí)與門(mén)1、4開(kāi)，23關(guān)閉，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)I

19、N1輸入0、IN2輸入1、ENA輸入1時(shí)，此時(shí)與門(mén)2、3開(kāi)，23關(guān)閉，電機(jī)反轉(zhuǎn)；不難看出，只要當(dāng)EA輸入為0，不管IN1,IN2輸入什么狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)都停止。PWM波調(diào)速原理：當(dāng)EA處于高電平時(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，直流電機(jī)的電樞繞組的兩端有電壓U。t1秒之后，EA處于低電平，開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)的電樞兩端的電壓此時(shí)為0。t2秒之后，EA重新處于高電平狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管重復(fù)前面的過(guò)程。當(dāng)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，即：EA輸入為0，故不管什么狀態(tài)下，三極管都沒(méi)有觸發(fā)脈沖，此時(shí)電機(jī)也就可以順利停下來(lái)。3.4 紅外對(duì)管測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要功能是：對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，并且運(yùn)用程序計(jì)算出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，并反饋

20、到1602顯示出來(lái)。3.4.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理本設(shè)計(jì)采用頻率測(cè)量法，測(cè)量原理:在固定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，獲取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)（即頻率），從而計(jì)算得出實(shí)際的轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測(cè)量時(shí)間 （min），計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖數(shù)為，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)被測(cè)轉(zhuǎn)速為（r/min），則可以算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值。3.4.2 檢測(cè)裝置安裝 如圖3.8，將其信號(hào)盤(pán)固定在直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，傳感器正對(duì)著信號(hào)盤(pán)。測(cè)量頭主要由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成，而且安裝時(shí)需要注意測(cè)量頭兩端到信號(hào)盤(pán)的距離要相等。被測(cè)器件封裝過(guò)后，固定地安裝在貼近其信號(hào)盤(pán)的位置，信號(hào)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電元件此時(shí)則輸出一些周期性的正負(fù)交替的脈沖信號(hào)。信號(hào)盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的

21、脈沖數(shù)，就等于信號(hào)盤(pán)的齒數(shù)。故脈沖信號(hào)的頻率大小則反映出了信號(hào)盤(pán)轉(zhuǎn)速的快慢。該裝置具有可測(cè)轉(zhuǎn)速范圍大，輸出信號(hào)的幅值與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，精確度高等優(yōu)點(diǎn)。圖3.9 轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置安裝方式3.4.3 信號(hào)處理電路 被測(cè)物理量經(jīng)傳感器變換，成為電流、電壓、電阻、電感等某種電參數(shù)的變化值。根據(jù)系統(tǒng)的需要設(shè)計(jì)了中間變換電路如圖3.9，從而進(jìn)行信號(hào)的分析、處理等。目前，光電開(kāi)關(guān)已應(yīng)用在液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、物位檢測(cè)、信號(hào)延時(shí)、寬度判別、色標(biāo)檢出、速度檢測(cè)、孔洞識(shí)別、自動(dòng)門(mén)傳感、定長(zhǎng)剪切等領(lǐng)域。光電開(kāi)關(guān)通過(guò)將發(fā)射端與接收端之間的光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到檢測(cè)目的。由于光電開(kāi)關(guān)的輸入和輸出回路是電隔離的，所以它可

22、以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。光電傳感器具有線(xiàn)性度好、噪音小、分辨率高和精度高、控制精度高、無(wú)機(jī)械碰撞、無(wú)觸點(diǎn)、響應(yīng)快，而且能識(shí)別色標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，在此我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。圖3.10 信號(hào)處理電路模塊中的紅外對(duì)管一邊是發(fā)射一邊是接收。模塊工作時(shí)發(fā)射管不斷發(fā)出紅外光, 當(dāng)沒(méi)有障礙物遮擋紅外發(fā)射管發(fā)送給接收管的紅外光時(shí),接收管接模塊輸出底電平，指示燈不亮；當(dāng)有障礙物遮住紅外發(fā)射管發(fā)送給接收管的紅外光時(shí),模塊輸出高電平，指示燈亮。3.5 1602液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要功能是:顯示出實(shí)際速度值和此刻的占空比。3.5.1 1602芯片介紹圖3.11 1602芯片（1）LCD1602主要技術(shù)參數(shù)

23、表3.2 1602技術(shù)參數(shù)參數(shù)顯示容量162個(gè)字符工作電壓4.55.5V工作電流2mA(電壓為5V)最佳工作電壓5V字符的尺寸2.954.35(WH)mm（2）引腳功能說(shuō)明1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明，見(jiàn)表3.3。表3.3 1602引腳接口說(shuō)明表引線(xiàn)號(hào)符號(hào)電平功能1VSS0VGND2VDD5V10%電源電壓3V00-5V液晶驅(qū)動(dòng)電壓4RSH/L寄存器選擇5R/WH/L讀寫(xiě)操作選擇6EH/L使能信號(hào)7-14DBO-DB7H/L數(shù)據(jù)總線(xiàn)15LEDA+5V背光LED陽(yáng)極16LEDK0V背光LED陰極3.5.2 液晶顯示模塊電路的設(shè)計(jì)液晶模塊LCD1602與單片機(jī)的接口電路，

24、如圖3.11。圖3.12 1602液晶顯示模塊電路原理圖4 軟件設(shè)計(jì)原理4.1 主程序流程圖主程序主要完成鍵盤(pán)、液晶顯示芯片、內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1測(cè)速和變量的初始化。圖4.1 主程序流程圖4.2 PWM波發(fā)生模塊程序流程圖PWM是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于每個(gè)脈沖的高電平時(shí)間和低電平時(shí)間之和必須等于周期數(shù)，故主要由定時(shí)器來(lái)控制輸出電平的維持時(shí)間。圖4.2 PWM波實(shí)現(xiàn)流程圖4.3 測(cè)速系統(tǒng)程序流程圖測(cè)速系統(tǒng)軟件程序主要包括脈沖計(jì)數(shù)及速度的計(jì)算和速度反饋到液晶進(jìn)行顯示2個(gè)部分。圖4.3 測(cè)速流程圖4.4 液晶顯示系統(tǒng)程序流程圖液晶顯示系統(tǒng)軟件程序主要包括初始化顯示以及電機(jī)在

25、運(yùn)行時(shí)的占空比和反饋過(guò)來(lái)的速度顯示2個(gè)部分。圖4.4 液晶顯示流程圖5 proteus模擬仿真Proteus軟件是由英國(guó)軟件公司開(kāi)發(fā)的EDA工具軟件，已有近20年歷史，在全球得到了廣泛應(yīng)用。Proteus軟件的功能強(qiáng)大，其集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多種功能于一身，不僅可以對(duì)電工、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并且功能齊全。通過(guò)Proteus軟件仿真，可以對(duì)實(shí)際電路的搭建提供參考，大大提高硬件電路搭建的成功率，減少了電子元器件的不必要的浪費(fèi)。5.1 硬件電路圖5.1 硬件電路圖該硬件電路主要包括按鍵電路、單片機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)以及液晶顯示系統(tǒng)。5.2

26、 波形分析5.2.1 PWM波形（1）全速狀態(tài)圖5.2 全速狀態(tài)占空比：100%速度：360r/min原因分析：占空比指在一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間比率，此時(shí)占空比為100%，電機(jī)此時(shí)端電壓即為電壓U，故電機(jī)轉(zhuǎn)速為360r/min。（2）半速狀態(tài)圖5.3 半速狀態(tài)占空比：50%速度：180r/min原因分析：占空比指在一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間比率，此時(shí)占空比為50%，電機(jī)此時(shí)端電壓即為電壓0.5U，根據(jù)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速，故電機(jī)轉(zhuǎn)速為180r/min。（3）停止?fàn)顟B(tài)圖5.4 停止?fàn)顟B(tài)占空比：0%速度：0r/min原因分析：占空比指在一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間比率，此時(shí)占空比為0%，電機(jī)此時(shí)端電壓即

27、為電壓0，根據(jù)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速，故電機(jī)轉(zhuǎn)速為0r/min。5.2.2 測(cè)速顯示（1）初始化顯示圖5.5 初始化顯示初始化顯示即為程序啟動(dòng)后，剛開(kāi)始液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容。（2）全速顯示圖5.6 全速顯示全速顯示即為電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)速時(shí)，即占空比為：100%，此時(shí)液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容。（3）半速顯示圖57 半速顯示半速顯示即為電機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即占空比為：50%，此時(shí)液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容。（4）停止顯示圖58 停止顯示停止顯示即為電機(jī)處于停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即占空比為：0%，此時(shí)液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容。6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析6.1 硬件電路6.1 硬件電路圖6.2 波形分析6.2.1 PWM波形（1）全速狀態(tài)圖6.2 全速狀態(tài)占空比：100%速度：360r/min原因分析：占空比是指高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率，此時(shí)占空比為100%，電機(jī)此時(shí)端電壓即為電壓U，故電機(jī)轉(zhuǎn)速為360r/min。（2）半速狀態(tài)圖6.3 半速狀態(tài)占空比：50%速度：180r/min原因分析：占空比是指高電平在一個(gè)周期之內(nèi)