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、多任務直流電機轉速測控系統的硬件組成及關鍵單元設計方法。實驗結果表明該系統能實時、有效地對直流電機轉速進行監測與控制，而且輸出轉速精度高、穩定性好。
關鍵詞：PWM；實時監控；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，且采樣時間較長，難以測得瞬時轉速。本文介紹的電機控制系統利用PWM控制原理，同時結合霍爾傳感器來采集電機轉速，并經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分析轉速的過程量，并超限自動報警。本系統同時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，從而實現調速。本系統通過霍爾傳感器來實現對直流電機轉速的實時監測。系統的設計任務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個數字I／O引腳，片內含有VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，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。同時也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結構優化。
本單片機控制系統與外部連接可實時接收到外部信號，以進行對外部設備的控制，這種閉環系統可以較準確的實現設計要求，從而制定出一個合理的方案，圖1所示是電機測控系統框圖。

本系統先由單片機發出控制信號給驅動電機，同時通過傳感器檢測電機的轉速信號并傳送給單片機，單片機再通過軟件將測速信號與給定轉速進行比較，從而決定電機轉速，同時將當前電機轉速值送LED顯示。此外，也可以通過設置鍵盤來設定電機轉速。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。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，也便于實現信號的分析處理。單片機的TO口可對該脈沖信號進行計數。