直流电机的转速检测与脉宽调速器

摘要: 设计制作一个脉宽调速器,使其工作频率和占空比均可调节,频率调节范

围3-5KHZ, 占空比调节范围为30-70%,选用额定电压为12V额定电流为0.5A的小直流电机,根据其参数设计出功率放大器,使之推动直流电动机工作,并用4位数码管显示出电动机每秒所转的圈数, 以监视电动机的调速情况.

关键词: 转速检测 脉宽调速 功率放大器 数码管显示

引言

目前直流调速在工业生产中有相当广泛的应用，直流调速的转速比更大，可在全部的调速范围内都能获得良好的转矩特性。放眼望去，交流电机占据了传动应用的绝大多数地盘，大有取代直流电机的趋势，但实际在许多场合人们仍在使用直流调速。交流电机结构比直流电机简单，便于维护，价格低。由于变频技术的发展，交流变频调速的性能越来越接近直流调速，因而人们更愿意使用交流变频调速。众所周知，许多科学实验都离不开电，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，.全数字直流调速装置，采用8位单片微机技术，性能优良，运行可靠，并且具极高的性能价格比. 设计方案的提出，更进一步说明了这类电机的好处直流电机产品是工业自动化，家庭现代化等各个领域广泛应用不可缺少的基础产品，与其它类型的电机相比，它具有良好的起动性能，且能在宽广的范围内平滑而经济地调速，过载能力较强，热动和制动转矩较大，因此直流电动机在起动和调速要求较高的生产机械上广泛地被应用。随着人们生活水平迅速提高，对视听设备品质要求也在不断提高，这类产品为小功率直流电机提供了广阔市场，因此高精度控制直流电机转速成为发展的必然趋势。电动机的转速是一个较为重要的运行参数，也有很多种用于测量转速的仪表，如：机械软轴式转速表、频率-电压转换式转速表、数字式转速表等，它们中间有的成本很高而且精度较差、有的工艺复杂而且可靠性不高。本文介绍了一种利用单片机技术制成的智能转速表，不仅精度高、工艺简单、线路简洁，而且可靠性高、功能强。当然本文中提到的软硬件设计方案，不能代表最佳方案，学习和掌握其基本原理，关心其发展，对于电机及其控制领域内工作和学习的人员都是有必要的。在单片机控制电机的理论及应用发展得非常迅速. 因该设备未经过实物硬件的调试,所以难免存在着一些弊端,望老师给予指点。

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转速显示电路主要由脉冲放大及整形电路、单片机（80C51）、多路动态扫描LED显示电路构成

一、电源

简易稳压电源的制作

课程设计最基本的电路是+5V/+12电源的取得，依据所设计的课题电源负载有不同的方式，基本上有以下几种：

a．使用PC交换式电源：适合用大电流负载。

b．使用3只干电池：约4.5V电压，勉强可以推动8051电路，适合小电流负载。 c．使用7805稳压IC，适合用于一般的电流负载。

使用7805稳压IC，由市售的15Ｖ电源调整器来将市电２２０Ｖ转换为直流15Ｖ电源，经过7805、7812稳压给信号发生器和功率放大器供电，,其中的电容器作为滤波电容用,LED作为电源指灯,一来指示+5V电源的存在,而来如果电源接到8051控制板上电源端如果一不小心短路了,马上可以检查出来,免得过久烧毁单片机8051.

由于稳压IC上的电压降有4V,在电流负载稍大的使用场合时,IC外壳温度会上升,因此必须外加热片来散热.此外市售的电源调整器的插头输出端的正负极性及转接头的搭配需要特别注意,这是自制稳压电源时要注意的地方自制稳压电源及IQ51单片机的电源调整的插头输出端,正极性在中间,外端金属的部分是负极性,自制时可以三用电表确认一下.

稳压管V1电阻R2给直流放大管V3的发射极提供稳压的基准电压。R3、R4组成分压（取样）电路，从输出电压UL中取出变化的信号电压，使UB3=（R4/R3+R4）UL，并把它加到放大管V3的基极，于是V3的基极和发射极间电压UBE3=UB3-UZ=（R4/R3+R4）UL-UZ。由于UB3是UL的一部分，故称为取样电压，它和基准电压UZ比较后的电压差值即UBE3经V3放大后，加到三极管V2的基极上，使V2自动调整管压降UCE2的大小，以保证输出电压稳定。R1是放大管V3的 电极负载电阻，又是调整管V2的基极偏置电阻。该电路的稳压过程如下：如果输入电压Ui增大，或负

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载电阻RL增大。输出电压UL也增大，通过取样电路将这个变化加在V3管的基极上使UB3增大。由于UZ是一个恒定值，所以UBE3增大。导致IB3和IC3增大，R1上电压降增大，使调整管基极电压减小，基极电流减小，管压降UCE2增大，从而使输出电压保持不变。上述稳压过程表示为：

Ui↑→UL↑→UB2↑→UBE3↑→IB3↑→IC3↑→ UB2↑→UBE2↑→UCE2↑→UL 同理，当输入电压Ui减小或负载电阻RL减小，引起输出电压UL减小时，三极管V3的基极电压减小，V2的基极电压增大，从而基极电压增大，从而使调整管管压降减小。维持输出电压不变。

由于UBE3=（R4/R3+R4）UL-UZ，而电路中UZ是恒值，UBE3也基本不变，因此在保证一 定输入电压Ui条件下，稳压电路的输出电压UL应该满足： UL=R3+R4/R4（UBE3+UZ）

此式表明在一定的条件下，UL与取样电阻有关，改变R3、R4数值，可变输出电压数值 但UL不可能超过Ui，另外从图1可看出，UL=Ui-(IB2+IC3)R1-UBE2.由于RL减小时，IL 增大，UL降低IC3减小，IB2增大，当IC3为零时IB2最大此时UL=Ui-IB2R1-UBE2.又由于 IB2≈IE2/β2≈IL/β2，代入上式则额定输出电流为：

IL=β2（Ui-UBE2-UL)/R1

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二、 脉冲信号发生器

1．作为实验装置脉宽信号处理我们采用555集成块和外围电路组成， 555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等，应用十分广泛。

555定时器的外引线排列图和内部原理框图如图1-1、1-2所示，功能见表1-3。它是由上、下两个电压比较器、三个5kΩ电阻、一个RS触发器、一个放电三极管 T以及功率输出级组成。比较器 C1的反相输入端⑤接到由三个5 kΩ电阻组成的分压网络的2/3Vcc处（⑤也称控制电压端），同相输入端⑥为阀值电压输入端。比较器C2的同相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处，反相输入端②为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较器的输出端控制RS触发器。RS触发器设置有复位端RD④，当复位端处干低电平时，输出③为低电平。控制电压端⑤是比较器C1的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比较器C1、C2的参考电压。不用时可将它与地之间接一个O．01μF的电容，以防止干扰电压引入。555的电源电压范围是+4.5～+18V，输出电流可达100～200mA，能直接驱动小型电机、继电器和低阻抗扬声器

图 1-1 555集成电路引脚排

列图

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图1-2 时基电路555电路结构图

表1-3 555芯片功能表

触发 1313 阈值 23VCC 复位 H IS 放电端 导通 输出 L VCC  VCC23VCCH 原状态 1VCC3 

H 截止 H  L

导通

L

2、谐振荡器的电路图和波形图如图1-4所示。电源接通后，Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电。当电容上电vC=2/3Vcc时，阀值输入端⑥受到触发，比较器C1翻转，输出电压Vo=0，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容上电压Vc=1/3Vcc，比较器C2工作，输出电压Vo变为高电平。C放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关：

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tPH充电时间：

2VVCCCC3(R1R2)Cln1VCCVCC32VCCVCC3R2Cln1VVCCCC30.7(R1R2)C

tPL放电时间：

0.7R2C

振荡周期：T=tPH+tPL≈0.7(R1+2R2)C

1振荡频率：f=1/T=tPHtPLDtPHT1.44(R12R2)C

R1R2R12R2占空系数： 当R2>>R1时，占空系数近似为50％。

图1-4 多谐振荡器的电路图和波形图

由上分析可知：

a）电路的振荡周期T、占空系数D，仅与外接元件R1、R2和C有关，不受电源电压变化的影响。

b）改变R1、R2，即可改变占空系数，其值可在较大范围内调节。 c） 改变C的值，可单独改变周期，而不影响占空系数。

另外，复位端④也可输入1个控制信号。复位端④为低电平时，电路停振。

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三、 脉冲计数与显示电路

转速检测采用红外发射和接收管，在电动机的转盘上开有一小口，电动机每转一转就接收到一次脉冲信号。信号经过缓冲、零压比较、反相电路到单片机计数脉冲输入端T1，P0口输出信号经过74HC373地址锁存器构成动态显示电路，显示电动机的转速。

8051基本的硬件设计：

1.8051的基本知识：

a.8051的引脚40接+5V（VCC）电源，引脚20接电源地线。 b.传统8051工作时钟最高为12MHZ。

c.EA引脚接地，由外部程序ROM来执行程序。

d.EA引脚接高电平或+5V电源，由8051内部程序ROM来执行程序。 e.8031EA引脚必须接低电平，由外部程序ROM来执行程序。

f.C51 C52 引脚接高电平后，是由内部程序ROM来执行程序。 g.开机时必须加入芯片重置（RESET）信号。

h.RESET 信号高电平动作，高电平时产生芯片重置。

I.RESET 信号低电平时，则由程序ROM地址0起开始执行程序。

2.几种8051基本的设计框架

a.8051标准型设计：使用C51

b.8051扩充型设计：使用C51外加EPROM，SRAM，I/O组 c.8051极小型设计：使用C2051

3.8051标准型设计说明

8051的程序代码可以外接程序ROM来执行，也可以使用内部4KB的空间（如

8751，C51），当程序长度超过4KB时可以使用C52（内含8KB），若程序长度超过8KB时可以使用C55（内含20KB）。若是采用IO51控制板做设计则程序代码可以长达KB的空间。

8051EA引脚是接至5V电源，表示由内部程序ROM来提供程序代码，此电路可以使用的单芯片有8751及C51，而程序的测试方法可以使用ICE，使用CXX烧

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录模拟器EPM或是直接烧录单芯片。当然直接烧录单芯片，做测试较麻烦还会花费许多时间，如果控制程序简单还可以，要是做课程设计程序就变得复杂了，相当浪费时间，所以手上有ICE的话就相当方便了。如果想将项目设计得更复杂，使用更多的I/O或是功能扩充，我们建议使用8051外接程序ROM及数据RAM的控制电路，那就是8051扩充型模式设计。

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四.功率放大器

采用集成功率放大器LM386

集成电路（IC）按其功能，分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，本课题采用的LM386是一种模拟集成电路，它具有功率放大功能，其外形封装为双列直插式，属塑封类集成电路。其引脚排列方式见图：

LM386是美国国家半导体公司系列功放集成电路中的一个品种，因其有功耗低、工作电源电压范围宽、外围元件少和装置调整方便等优点，故广泛应用通信设备、收录机、电子琴和各类电子设备中，其典型参数如下：工作电压范围4~12V，静态电流4mA，输出功率660mW（最大），电压增益为46dB(最大)，带宽300kHz,谐波失真0.2%，输入阻抗50KΩ，输入偏置电流250nA。该电路有同相、反相两个输入端，即：从5脚输出电压信号的极性与3脚（同相端）输入极性相同，而与2脚（反相端）输入信号的极性相反。1脚与8脚之间接入一个几十微法电容时，电路增益达到最大值。电路增益可根据实际需要调整。

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五.控制程序

1、控制程序说明：在1S之内计数外部脉冲的频率。由定时器0进行1S的定时（定时

方式），定时器1对外部脉冲进行计数（计数方式）借鉴windows 编程的原理，在单片机编程中引入消息的概念，将中断产生的标志作为消息，而数据处理则放在消息循环中进行。在这个例子中中断服务程序中只进行数据的采集和标志位的设置（发送消息），而将数据的处理放到运行时间要求不很精确的中断服务程序之外的主程序循环中（消息循环）。这样一方面减少了中断服务程序的长度，缩短了中断服务程序执行的时间，提高了中断处理的实时性，另一方面又不影响数据的处理。从而很好地解决了数据采集的实时性和数据处理耗时多而影响时间累计之间的矛盾。

和PC机相比，单片机资源十分有限。因此，单片机系统不可能象windows系统那样建立庞大的消息循环机制，将消息分发给各个程序并行处理。在基于消息的单片机编程中，采取一种简化的方式，消息可以这样来定义：当某个事件(例如中断)发生时，事件处理程序（例如中断服务程序）设置相应的标志，不同的标志即代表不同的消息；而主程序所进行的消息循环就是主程序不断地判断这些标志，以决定启动哪一个处理函数（即将消息发送给特定的消息处理函数）。这种方法在多中断系统中使用，可以明显地提高中断的实时性；另外，由于在中断服务程序中不需要调用数据处理程序，也有效地防止了代码重入带来的问题。

2、程序流程图：

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3、程序清单：

ORG 0000H LJMP MIAN ORG 000BH LJMP T0SEV ORG 0100H0 MAIN: MOV SP,#60H CLR F0

MOV R1,#20H MOV R2,#30H D1: MOV @R1,#00H

INC R1

DJNZ R2,D1；内存单元初始化，清0

MOV 50H,#32H ；记时中断20MS/次，共中断50次 CLR EA

CLR ET0

CLR TR1；关闭计数器

CLR P2.0

CLR P2.1；关显示锁存器

MOV TMOD,#51H；向TMOD中送控制字 MOV TL0,#0E0H

MOV TH0,#0B1H；向定时器送初值 SETB EA

SETB ET0；开启中断 SETB TR0

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SETB TR1；启动定时器和计数器 DISPLAY: LCALL DIS ；调显示 JBC F0,LOOP

SJMP DISPLAY；等待中断 LOOP: LCALL CHULI

SJMP DISPLAY ;有关子程序 T0SEV： LCALL DIS；定时器0中断子程序 DJNZ 50H，TT；记时1S是否到？ CLR TR1；关计数器 TT： CHULI： READ： SETB F0 RETI

MOV 28H，TL1 ；数据处理子程序

MOV 29H，TH1；将计数器中的值读出，放在28H，29H里 MOV TH0，#0B1H

MOV TL0，#0E0H ;向计数器里送初值 MOV TH1，#00H

MOV TL1，#00H ；将计数器置0 SETB TR1 ；开启计数器

MOV 50H，#32H ；重新向50H里装50 MOV R2，29H MOV R3，28H LCALL BIANH ；调数制转换子程序 MOV 31H，R5 MOV 32H，R6

LCALL READ ；调更新数据子程序

LCALL DIS ；调显示子程序

RET

MOV 20H，#00H ；将组合BCD码分开放入显示缓冲区更新数据 MOV 21H，#00H MOV 22H，#00H MOV 23H，#00H MOV R0，#20H MOV A ，31H SWAP A

XCHD A，@R0 INC R0 SWAP A XCH A,@R0 MOV A,32H INC R0 SWAP A XCHD A,@R0 INC R0 SWAP A

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XCH A,@R0

MOV A,20H；高位为0不显示 JNZ FF

MOV 20H,#0BH MOV A,21H JNZ FF MOV 21H,#0BH MOV A,22H JNZ FF FF: DIS: DIS1: DIR1: MEN1: MEN2: BIANH: IBTL2: MOV 22H,#0BH

RET MOV R0,#20H；显示子程序 MOV R1,#08H MOV R3,#04H MOV DPTR,#TAB MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR SETB P2.0 CPL A MOV, P0 ,A INC R0 CLR P2.0 MOV A,R1 SETB P2.1 MOV P0,A

RR A MOV R1,A CLR P2.1 LCALL DIR1 DJNZ R3,DIS1

RET

MOV R4,#09H；延时子程序 MOV R5,#00H DJNZ R5,MEN2

DJNZ R4,MEN1 RET

CLR A；将十六进制数转化成组合BCD码MOV R4,A MOV R5,A MOV R6,A MOV R7,#10H CLR C MOV A,R3 RLC A

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MOV R3,A

MOV A,R2 RLC A MOV R2,A MOV A,R6

ADDC A,R6 DA A MOV R6,A MOV A,R5 DA A MOV R6,A MOV A,R5 ADDC A,R5 DA A MOV R5,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A

DJNZ R7,IBTL2

RET ;数制转换结束，出口在R4（舍弃），R5，R6

TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,7FH,00H,0FFH,END

六、结束语

在整个毕业论文设计过程中，我主要围绕着如何用单片机计数显示的控制，从方案的制定到软件的编写我都经过反复的思考，并且查看了很多的参考书籍和参考资料，以及得到了指导老师的从旁指导和大力支持。

在本次毕业设计中，我进一步加强了自己的动手能力和应用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方向去设计方案；特别是深刻了解到的是软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合的作用。

通过毕业设计，我即巩固了专业知识，又学到了在程序设计中的许多流程和注意的事项，增强了产品开发的意识，是我在技校时期很好的一次实践和锻炼机会。

七、参考文献

1、《8051单片微型计算机原理与机课程设计实训教材》陈明荧编著：清华大学出版社

2、《8051单片机课程设计实训教材》陈明荧编著：清华大学出版社 3、《8051单片机实践与应用》无金戊、沈庆阳、郭庭吉编著：清华大学出版社

4、《电子技术实践与训练》郝军、谬先芸编著：高等教育出版社 5、www.chnsoft.net/dpj.htm 6、www.thjd.com.cn

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附录B 本课题所需元件列表

a.单片机8051兼容芯片：80C51 b.七段显示器：共阴极七段显示器×4 c.万用蜂巢板2片或IO51印刷电路板×1片 d.石英震荡器：11.059MHZ×1 e.三端稳压块：7805 7812 f.555集成块×1

g.电阻：5.1K×4 100×6 100K×20 h.电解电容：2200UF i.晶体管：2N3904

j.无极性电容：0.01UF 0.1UF 0.3UF k.220AC---15VDC变压器 30W×1 l.整流二极管：1N08×4 m.集成功率放大器：TA7240AP n.74LS04×10 o.LM311×1 p.LF353×1 q.74HC373×2 r.752×2

S．红外发射、接收管

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