1、毕 业 设 计 说 明 书直 流 电 机 的 无 线 遥 控 系 统 设 计直流电机的无线遥控系统设计摘 要：无线遥控技术在当今通信技术发展日新月异的时代取得了飞速发展，因其智能化水平高、设计简单、操作便捷、成本低、可靠性高，已被广泛应用于家用电器、工业生产、航空航天等领域，成为社会研究的一大热点。直流电机在日常生产生活中广泛应用，随着电器设备智能化的快速提高，直流电机已不仅仅完成简单的传动，还需要便捷、高效地启停和调速，红外技术的广泛应用及控制技术的成熟，推动了直流电机的智能化，实现了人机分离，可以远距离随时控制直流电机的工作状态。转速测量是对直流电机实时、精准控制的前提，使用光电传感器可以
2、随时完成对直流电机转速的测控，通过转速的显示，遥控人员可以及时调节转速。课题基于市场的需求，结合红外设计简单、方便、成本低廉等特点，设计出了一个红外遥控直流电机的系统，系统采用 51 单片机对信号编码、调制、译码，利用按键产生不同的编码数据，通过遥控系统分别发射启停、正转、反转、加速、减速信号。接收端采用 HS0038 作为红外一体化接收管接收信号，对直流电机的工作状态进行短距离无线控制。直流电机转动过程中使用红外发光二极管和红外光敏三极管产生转速信号，由六反相施密特触发器 CD40106 中的施密特触发器 1 和施密特触发器 2 对转速信号整形作为十进制计数器 CD40110 的计数脉冲，使
3、用CD40106 的施密特触发器 3 和施密特触发器 6 分别产生计数所用的锁存信号和清零信号，用以控制 CD40110 对转速脉冲计数的时间，计数时间到了数码管显示计数值，以进一步调节直流电机的转速。关键词：红外遥控；直流电动机；转速测量The Design of Wireless Remote Control System for DC MotorAbstract: Nowadays, with a huge change on communication technology, wireless remote control technology have a fast growing.
4、 Because it is characterized by smart at a high level, design with simplication and convenience, low expense and high reliability. It was widely used in the household electric appliances, industry and aviation field. Meanwhile, our society has focused widely on its research. DC motor was widely used
5、 in common life, we do not simply take it as a motor equipment, and we need a efficient and convenient way to begin or start motor and regulate its speed. The wide use of infrared remote control and the mature of 51-MCU technology make DC motor smart, thus, we can connect a remote control to it for
6、any time, which is in man-machine separation. In order to control DC motor in time and accurately, we should measure speed firstly. Photoelectric sensor is used to measure and control the speed of DC motor in time. The person who has remote control equipment can regulate speed in time, according to
7、the speed displayed. Based on the demand of market, My topic design a system of infrared remote control for DC motor, with the factors of simplication, convenience and low expense. System uses 51-MCU as control chip to send and receive infrared remote control signal, the keys drive infrared light-em
8、itting diode to transmit signal, the receiver receives signal by HS0038 as integration of infrared receiving tube. The start or stop, forward, reverse, acceleration and deceleration of DC motor was controlled through short distance using wireless. During the rotation of the DC motor, infrared light
9、emitting diodes and infrared photosensitive triode tube are used to send rotational speed signal. The first Schmidt Trigger and the second Schmidt Trigger of CD40106 which has six Schmidt Triggers are used to shape rotational speed signal and keep it as counting impulses of CD40110, decimal counter.
10、 The third Schmidt Trigger and the sixth Schmidt Trigger of CD40106 are used to generate locked signal and reset signal to control the counting time of CD40110, then, the value of speed impulses is displayed in the digital tube in order to regulate DC motor further.Key word: Infrared Remote Control;
11、 DC Motor; Measurement of Rotational Speed 目 录1 概 述 11.1 直流 电机的无线遥控系统设计的目的和意义 11.2 直 流电机的无线遥控系统设计的研究现状及发展前景 11.3 主 要设计任务与预期成果 22 系统的方 案论证 22.1 控 制系统 遥控模块的方案论证 .22.2 受 控系 统接收模 块的 方案论证 .52.3 受控系统 直流 电机驱动 电路的方案 论证 .72.4 受控系统转速 测量、显示模 块的方案论证 .72.5 直流电机 调速方 法的方案论证 142.6 系统的方案总结 与工作 流程 163 系统的 硬件设计 .163.1
12、 STC89C51 单片机 最小系统设计 .163.2 红外遥控发射 电路设计 183.3 红 外遥 控接收电 路设计 193.4 直流电 机驱动电路 设计 203.5 光敏传 感器测 速电路设计 213.6 信 号处理 与计时电 路设计 223.7 计数与转速 显示 电路 设计 244 系 统的软 件设计 .264.1 系统软 件设 计总体方案 .264.2 红 外遥控发射程 序设计 .264.3 红外遥 控接收 程序 设计 .274.4 直流电机遥 控程序 设计 .305 系统综 合调 试 .315.1 Proteus 设 计与仿真 315.2 硬件电路 制作 .336 结束 语 .36参
13、考 文献 .37致 谢 .38附 录 .39附录一 系统总电路图 39附录 二 元器 件目录表 40附录三 程序汇总 420直流电机的无线遥控系统设计1 概 述随着无线通信技术的快速发展，给我们的生产生活带来了巨大的便捷，无线技术克服了地域环境对人的限制，扩展了人类活动所允许的范围，减少了生产设备对人的直接依赖。无线技术在人与人之间的交流，获取信息和测控领域内广泛应用，使得无线技术更加成熟。遥控技术在无线通信领域的重要应用更值得人们关注，凸显了它的实际应用价值，适应了目前智能化生产生活的需求。1.1 直流电机的无线遥控系统设计的目的和意义实际生产过程中，为减少生产安全事故，通常可采用人机分离的
14、方式，这里可使用无线遥控技术，达到对机器设备无缝式的实时精准控制。随着无线遥控技术的发展，特别是采用先进的数字处理技术之后，无线遥控系统的应用更为广泛，安全性能也得到了改进和完善，可见无线遥控技术是值得采纳和推广的，是具有现实应用价值的。随着电气设备的智能化水平提高，直流电机的操控也需要更加便捷，将无线遥控技术和直流电机结合在一起，不仅实现了直流电机的智能化，还适应了人机分离的需要，使得生产线的自动化水平得到提高，生产效率得到提高。课题旨在使用简单的红外无线遥控技术对直流电机的运转进行短距离的控制，达到模拟一般遥控系统原理的目的，可推广到实际生产领域，使课题具有实际生产应用的价值。1.2 直流
15、电机的无线遥控系统设计的研究现状及发展前景无线遥控技术科技含量高，设计、应用相对便捷，如何采用一种成本低、可靠性高、设计简单的遥控方式是当今遥控技术领域研究的重点。红外遥控技术虽在遥控距离上不占优势，但其原理简单、设计灵活、工作对周围影响小、不干扰其他设备、编解码容易、电路实现简单，故红外技术被广泛应用于用电设备的控制领域中，便于实现多路遥控。目前红外遥控没有统一的编解码规则，编解码可根据生产商的需要灵活设计，这导致各厂商遥控设备互不兼容，遥控设备重复利用率低，能设计出一种被广泛采用的编解码规则也是遥控技术领域里研究的重点。电力电子技术的应用中，直流电机的调控有开关控制、相位控制、脉冲宽度调制
16、控制。传统的晶闸管和全控型器件因电路结构复杂、工作效率低、精度难以保证，逐渐被斩波器和脉冲宽度调制代替，目前直流电机调控的研究重点是采用先进的微型计算机技术，实时、稳定、精准地应用脉冲宽度调制原理控制直流电机的运转。但是，从近年来直流电机遥控技术的成熟度、设计完善程度以及关注度方面来看还有不足，故今后对直流电机无线遥控系统的研究已经成为整个社会所努力1的方向，它必将推动电器设备进一步升级。1.3 主要设计任务与预期成果A. 内容A) 收集资料，比较各种遥控方法，直流电机的调控方法以及直流电机转速测量、显示方法，最终确定课题方案；B) 设计系统电路，编制程序；C) 绘制系统原理图，仿真测试；D)
17、 焊接电路板，进行调试。B. 设计方向和技术关键A) 合理设计系统电路，使各模块协调；B) 红外发射信号的脉冲波形；C) 红外的编解码方法；D) 直流电机转速调节的方法；E) 转速测量、显示的方法。C. 技术指标A) 对 3 到 5m 外的设备遥控；B) 遥控 6 路，可对直流电机的开启、停止、加速、减速、正转和反转控制；C) 调制采用载频为 40KHz 的脉冲信号；D) 设置调速脉冲的周期为 10s，通过改变高低电平的临界时间调速；E) 采用施密特触发器产生振荡频率为 1Hz，即 1s 的计数时间信号；F) 采用十进制计数器 CD40110 对转速脉冲计数，并通过数码管显示。D. 预期成果A
18、) 设计系统电路原理图；B) 制作系统电路实物，并调试成功。 2 系统的方案论证2.1 控制系统遥控模块的方案论证A. 无线电遥控与红外遥控的区别红外遥控是遥控领域里使用最普便的遥控方式，一般的红外遥控系统由发射和接收两个部分构成，发射部分主要使用红外发光二极管，它通常是白色的，可以把它认为是一只特别的发光二极管，由于制造它所采用的材料不同于普通发光二极管，所以给它通电，它能发出区别于可见光的红外线。目前根据红外线波长区分红外发光二极管，它有 850nm 的，还有 875nm 的，也有 940nm 的，通常将这些波长认为是红外强度最大时的波长。在相同发射功率条件下，发射距离 850nm的最长，
19、875nm 的次之，940nm 的最短，红外发光二极管的发射功率小，在实际设计时需要设计红外驱动电路，这样可以提高发射功率，增加发射距离。红外信号2的载波频率为 38kHz，还有一些红外遥控系统的载波频率为36kHz、40kHz、56kHz。接收采用接收元件红外接收二极管，实际制造中它有多种形状。红外接收二极管正常工作时，需要给它施加反向偏压，可以看出红外接收二极管在电路中是反向运用的，通常电路设计中，为了电路简单采用红外一体化接收头。红外一体化接收头有两种类型：一种是带屏蔽外壳的，另一种是不带屏蔽外壳的，接收头是塑料的。它的第一个引脚是输出，第二个引脚是地，第三个引脚是电源。红外一体化接收头
20、的优点是不需要另外设计红外信号放大、整形、解调电路和外壳屏蔽，使用起来非常方便。红外遥控和无线电遥控的发射频率不同，红外遥控系统发射的是红外线，传输具有方向性，设计时距离受限，它不受周围环境干扰，传输不能阻挡。无线电遥控发射的是高频甚至是射频信号，覆盖区域广，传输过程易产生衰落，它常应用于远距离传输。B. 红外遥控模块的设计课题因遥控距离在 3 到 5m，故使用红外遥控即能满足系统需要，但红外遥控电路设计分为多种，课题要实现多路遥控，分别产生 6 路遥控信号，遥控模块的设计方案如图 2-1 所示。图 2-1 遥控模块的设计方案 当有按键按下时，51 单片机 A 机开始 I/O 口按键扫描，用以
21、确定是哪一个按键按下，并给出相应的键值码和键值反码。单片机准备好要发射的控制码和系统码，并使用频率为 40KHz 的载波进行调制，单片机的 T0 每隔 13s出现中断，对 P3.5 口脉冲的电平取反，这样，脉冲信号的周期为 26s，即频率为 40KHz，将此脉冲由红外发射电路发射出去。系统遥控模块框图如图 2-2 所示。发射信号所含数据包括起始码、识别码、控制码、识别反码和控制反码。设计使用单片机作为编码和调制的芯片，使得编码灵活，可自由设计，设计使用5ms+3ms 的延时作为接收的开始，经 5ms+3ms 的延时后才开始接收遥控数据，以便于在接收端译码。脉冲信号的引导码如图 2-3 所示。通
22、常识别码被叫做系统码，把它作为遥控器类型的标识，不同类的遥控器系统码不同，它同时具有辨识非法指令的功能。控制码被叫做功能码，用它来触发单片机A机红外发光二极管6路遥控按键3控制动作，发送端根据此时所按按键给出相应的键值，即控制码和控制反码，接端成功接收此码后给受控设备相应的动作。一般设计遥控编码时需要给出识别码的反码和控制码的反码，反码能提供内在的检错能力，排除传输的错码对系统的干扰，提高可靠性。一般遥控编码由 32 位构成，有的使用了 46 位的编码，系统采用 32 位的编码，即有 4 个 8 位码。不同的遥控器编码方式不同，实际设计中，码型应该简单，赋有规律性，便于在接收端译码，同时可以检
23、出错误的码字，提高可靠性。脉冲编码的时序图如图 2-4 所示。5V图 2-2 系统遥控模块框图5ms 高电平3ms 低电平图 2-3 脉冲信号的引导码图 2-4 脉冲编码的时序图“1”以低电平 0.56ms，高电平 0.565ms，周期是 1.125ms 的脉冲表示，“0”以低电平 1.685ms，高电平 0.565ms，周期是 2.25ms 的脉冲表示。“1”和“0”的编码如图 2-5 所示。单片机不仅可以对发送数据编码，还可以对编码信号调制，如图所示，图 ASTC89C51单片机A机编码、调制遥控按键红外发光二极管功率驱动电源引导码 识别码 识别码反码 控制码 控制码反码反码4是调制信号，
24、图 B 是频率为 40KHz 的载波脉冲信号，图 C 是已调信号，可以看出调制的原理为：调制信号低电平时不用载波脉冲表示，高电平时用载波脉冲表示，载波脉冲的周期 26s，故已调信号实质上为调制信号乘以载波脉冲信号。编码信号的调制实例如图 2-6 所示。二进制“1” 二进制“0”图 2-5“1”和“0”的编码图 2-6 编码信号的调制实例2.2 受控系统接收模块的方案论证普通的红外接收二极管接收到的信号质量差，含有的干扰成分多，需要另外设计信号放大、整形、解调、译码电路和外壳屏蔽，十分不方便，故设计采用目前普遍使用的带有屏蔽壳的红外接收头一体化 HS38B，它具有红外接收和解调的功能。受控系统接
25、收模块的方案如图 2-7 所示。当红外一体化接收头接收到红外遥控信号，对信号解调并把生成的 TTL 电平信号输出到单片机 B 机的 INT0 中端口，解调信号的下降沿到来时产生一次中断，单片机对接收到的信号译码，检测获取的编码，如果编码正确，则点亮数码管并控制受控设备，否则重新发送数据。红外一体化接收头 HS38B 主要负责接收红外遥控信号和解调红外遥控信号，1.685ms2.25ms0.56ms1.125ms1 0 1ABC5中断口INT0红外一体化接收头HS38B此外，HS38B 还能对信号整形、放大。红外一体化接收头输出信号的电平和原信号对应的电平相反，HS38B 的解调原理为:对于已调
26、的脉冲不连续的信号,脉冲出现的地方，解调输出低电平，否则解调输出高电平，它与单片机的 INT0 口相连，用以实时接收遥控信号并产生中断，然后由单片机对中断信号进行译码，提取其中包含的按键的键值，控制受控设备。系统接收模块框图如图 2-8 所示。图 2-7 受控系统接收模块的方案检测遥控信号控制工作图 2-8 系统接收模块框图脉冲信号的译码由单片机 B 机实现，单片机 B 机的 INT0 口检测到解调信号下降沿到来时产生中断，然后对解调信号译码生成原始数据，编码信号的解调实例如图 2-9 所示。红外一体化接收头STC89C51单片机B机受控设备STC89C51单片机B机发光二极管直流电机E1 0
27、 1D6图 2-9 编码信号的解调实例2.3 受控系统直流电机驱动电路的方案论证直流电机的驱动电路不仅能使直流电机正常工作，还能很容易地改变直流电机的工作状态。事实上，直流电机的驱动电路多数采用了 H 桥式驱动电路，为此对直流电机 H 桥式驱动电路的原理及常见的实现方案作出介绍和论证。典型电路如图 2-10 所示。从图中可看到，整个电路的形状就像“H”一样，而直流电机类似于一个 “桥”，这种电路被称作“H 桥式驱动电路”， 4 个开关位于整座桥的“桥栏”上。整个电路的工作原理为：如果开关 A、D 闭合，电机为正向转动，而如果开关 B、C 闭合，电机为反向转动，从而直流电机可以正向或反向转动，利
28、用此电路模型直流电机还可以产生以下工作状态：A急停将开关 B、D 或 A、C 闭合，则直流电机由正常转动变为被短路，产生阻碍运动的反电势，形成急停效果。B停转A、B、C、D 四个开关全部断开，则对直流电机没有形成转动电路，这样直流电机由于惯性，将转动一小段时间后停止。以上只是对 H 桥驱动电路原理的介绍，而实际应用中不用开关设计桥臂，一般使用功率型晶体管，它们性能稳定，驱动能力强，工作效率高。晶体管分为双极性和 MOS 管，对于常见的驱动集成芯片只是对它们进行了集成，但还是使用了双极性和 MOS 管。双极性晶体管和 MOS 管构成的 H 桥分别如图 2-11、2-12 所示。L298N 不仅能
29、实现驱动，而且还是一个既简单又便宜的集成器件，它是 SGS公司生产的产品，内部含 4 个输出通道，即集成了两个 H 桥，是一种双全桥式集成驱动器件，L298N 的引脚功能表如表 2-1 所示。L298N 对直流电机工作所允许的电压、电流适中，允许输入 TTL 电平控制信号，它含有 2 个使能端，可以自由进行器件的允许或禁止工作。它有一个逻辑电路的供电端，一般接 5V 电源，还有一端是驱动电机的电源输入端，即给 H 桥施加驱动电压，它还能进行 PWM 控制。L298N 具有两大缺点：一是电机驱动电压要求比器件逻辑工作电压高 2.5V，一般不把它用在使用单电源的场合，二是 H 桥电路上的功率损耗较
30、大，工作效率低。L298N 的逻辑真值表和运行参数表分别如表 2-2 和表 2-3 所示。课题从设计实用性、便捷性、低成本性角度出发，结合要使用 PWM 调速，本设计采用集成器件 L298N 作为 H 桥驱动电路驱动直流电机。2.4 受控系统转速测量、显示模块的方案论证转速是工程领域里一个常用参量，它有很多的测量方法，使用的测量仪器也多种多样，它们应用的场合和测量精度也大不相同。转速测量的方法一般有：接触式转速测量与非接触式转速测量，接触式转速测量必须使电机与测量仪器直接接触，非接触式转速测量则不需要将电机的转轴与测量仪器直接接触。传感器将非电量转化为电信号，如光电式转速测量仪，随着转速测量进
31、入数字化的时代，传统接触式转速测量仪器，因设备体积大，集成化程度低，操作复7杂，测量精度低，对测量数据分析处理困难，现均已受到冷落。利用现代化的传感器测量自动化水平大幅度提高，因其测量精度高，易于操作，而受到青睐，它既能测定电机在平稳运行下的平均值，也能测定某一时刻电机转速的瞬时值。图 2-10 H 桥典型电路图 2-11 双极性晶体管构成的 H 桥图 2-12 MOS 管构成的 H 桥8表 2-1 L298N 的引脚功能表引脚 符号 功能115SENSING ASENSING B此两端与地连接，电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号23OUT 1OUT 2此两脚是全桥式驱动器 A 的两个
32、输出端，用来连接负载4 Vs 电机驱动电源输入端57IN 1IN2输入标准的 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 A 的开关611ENABLE AENABLE B使能控制端，输入标准 TTL 逻辑电平信号，低电平时全桥式驱动器禁止工作8 GND 接地端，芯片本身的散热片与 8 脚相通9 Vss 逻辑控制部分的电源输人端口1012IN 3IN 4输入标准的 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 B 的开关表 2-2 L298N 的逻辑真值表输入 输出C=H；D=L 正转C=L；D=H 反转Ven=HC=D 制动Ven=L C=；D= 没有输出，电机不工作表 2-3 L298N 的运
33、行参数表参数 符号 测试环境 最小值 典型值 最大值 单位驱动电源电压 Vs 持续工作时 2.5 46 V逻辑电源电压 Vss 4.5 5 7 V输入低电平电压 ViL -0.3 1.5 V输入高电平电压 ViH 2.3 Vss V使能端低电平电压 Ven=L -0.3 1.5 V使能端高电平电压 Ven=H 2.3 Vss V检测电压 1，15脚 Vsen -1 2 V9TX260n A. 测频法测频法也被叫做“M”法，测量时先设定好时间 T，然后对在这段时间内转速脉冲信号中包含的脉冲数进行计数，“M”法的测速原理如图 2-13 所示。通常在模拟式设计中，利用脉冲发生器代替现实中传感器输入的
34、电信号，设时间为T，X 是转轴转过的角度，转速 n 的表达式为式 2-1： (2-1)转轴转过的弧度数 X 的表达式为式 2-2：(2-2) 将式 2-2 代入式 2-1 可得转速 n 的表达式为式 2-3：(2-3) 式 2-3 中：n 表示转速：单位为（转/分）；P 表示转轴旋转一周转速脉冲的脉冲数；T 表示定时时间：单位为（秒）；表示转速脉冲的脉冲数。脉冲数 图 2-13“M”法的测速原理在该方法中，时间 T 与脉冲计数有可能不会同时进行，此外，时间 T 内转速脉冲周期形成的不全，都能使得测量有误差，会出现一个周期内的计数误差。在实际测量中我们需要尽可能延长测量时间 T，以增加精度，理论
35、上延长测量时间T，能够增加精度，但是在已知转盘每转动一周产生的转速脉冲数不变的条件下，如果电机转动速度过快，则总的转速脉冲变多，这样增加了测量范围，给显示带来不便，但时间受限，精度又难以保证，故实际设计过程中应根据设计指标权衡考虑。B. 测周法测周期法也被叫做“T”法，通常我们需要测量转速脉冲的时间间隔 T。测量过程中既能使用单孔转盘，也能使用多孔转盘，如果使用的是单孔转盘，那么计TP1mT1601m1m10算相邻脉冲的时间间隔得出转速，T 也可以认为是转速脉冲的脉冲数，如果使用的是多孔转盘，给转盘开 N 个孔，那么 T 是转盘转动一周所需时间的 1/N。此法的转速表达式为式 2-4。(2-4
36、)式 2-4 中：n 表示转速：单位为（转/分）；P 表示转轴旋转一周转速脉冲的脉冲数；T 表示相邻脉冲的间隔时间：单位为（秒）。(2-5)式 2-5 中：表示转速脉冲的脉冲数；f 表示转速脉冲的脉冲频率：单位为（Hz）；T 表示相邻脉冲的间隔时间：单位为（秒）。将式 2-5 代入式 2-4 可得转速 n 的表达式为式 2-6。(2-6) 式 2-6 中：表示转速脉冲的脉冲数；f 表示转速脉冲的脉冲频率：单位为（Hz）；n 表示转速：单位为（转/分）；P 表示转轴旋转一周转速脉冲的脉冲数。测周法测量转速的误差有：相邻脉冲的上升沿或下降沿产生所用时间不同，脉冲计数与计时起始时间不同，故相邻两脉冲
37、的上升沿或下降沿产生所用时间必须相同，脉冲计数与计时两者的起始时间也要同步，这样才有较高的测量精度。该法适合应用于低转速的场合，然而转动速度加快，测量误差会增大，“T”法的测速原理如图 2-14 所示。-TP60nfm2T2Pmf6011图 2-14“T”法的测速原理C. 测频测周法测频测周法同时运用了测频法在高转速时测量精度高和测周法在低转速时测量精度高的优点，使得测量精度在它们的中间，对高低转速的测量都适用。在该测量方法中根据设定的定时时间计时，对转速脉冲的脉冲数和振荡器产生的脉冲数计数都需要同时进行，定时时间 Td 由转速脉冲的整数倍个周期时间决定，所以可以用 个周期来表示它。在实际测量
38、中，我们利用对振荡器的脉冲数计数来准确得到 个转速脉冲的周期，即在同一开始时间对转速脉冲的脉冲数和振荡器的脉冲数计数，当振荡器的定时时间为 Tc 时，Td 不为整数个转速脉冲的周期，则振荡器仍有脉冲产生，直到转速脉冲上升沿到达使振荡器关闭。由以上说明可得Tc 和 Td 相等，即利用 Tc 获取了 个转速脉冲的周期。测频测周法的转速计算公式如式 2-7：(2-7)式 2-7 中：表示转速脉冲的周期数；表示振荡器的脉冲数；表示晶体振荡器的振荡频率：单位为（Hz）；n 表示转速：单位为（转/分）；P 表示转轴旋转一周转速脉冲的脉冲数。从以上的分析易可得到，测频法在高速测量时占有优势，但在低转速时，会
39、出现大的误差。测周法在低速测量时占有优势，但在高转速时，会出现大的误差。测频测周法的误差与转速无关，一般测频测周法可应用于各种测速场合，为提高测量精度，可采用延长计数时间或增加振荡器的频率的方法。在应用测频测周法进行实际测量时，必须使得 Td 内有完整的周期，为了在低转速和高转速时都有较高的精度，需设计能随时调整设定时间 Td 的方案。设计因直流电机转速较高，兼顾电路设计简单，实用性强的特点和提高转速测量精度的需要，故本设计运用测频法测速。单片机只能对数字量进行处理，但是电机的转速属于非电物理量，这时就需要借助传感器将非电量转化为电脉冲信号。光电传感器是一种应用范围很广的传感器，它结构简单、操
40、作便捷、体积小、反应速度快，有透射式、反射式等类型。将光电传感器的原理可简述为：当光照射到接收管上时，接收管导通，否则截至。光电传感器一般由光发射管和光敏三极管构成，当光发射管接收到外界驱动信号发射光脉冲信号，光敏三极管在有效的感光范围内可接收此信号，如果信号被物体阻挡时，光敏三极管会有暗电流产生，这样，光敏三极管产生电脉冲。实际中可制作一种挡光片，将它套在转轴上，当挡光片的间隙有光穿过时，接收管接收到光会发出电脉冲信号，否则，当挡光片遮住光信号，不会产生电脉冲信号，如果设计了多个挡光叶片，直流电机转动一周会得到多个电脉冲。21cPmf60n12测量转速常用的传感器主要有霍尔传感器、红外传感器
41、，现对两种测量方案进行如下论述。A. 霍尔传感器利用霍尔传感器测量时必须要加磁场，它既可以测量非电物理量，又可以测量电学物理量。它能实现非接触式测量，测量时所需元件少，易于实现，而且它的结构简单，价格便宜，体积小，反应速度快，可应用于大多数的测量场合。 一般霍尔传感器在实际使用中，需要外接一个上拉电阻，霍尔传感器优点是原理简单、操作方便、反应效果好、抗干扰能力强，但它只工作在有限的磁场强度范围内，超过一定的范围内，测量精度会下降，并且在实际测量的时候对磁极的调试过程会很困难，增加了设计的成本。B. 红外传感器红外传感器由红外发射二极管和红外光敏三极管构成，实际测量中需设计一个开孔转盘。红外传感
42、器的工作过程如下：将转盘套在转轴上，当转盘转动时，当红外信号受到阻挡时，红外光敏三极管不会发出电脉冲，反之，当红外信号透过小孔时，红外光敏三极管接收到红外信号，然后发出电脉冲。单片机对转速脉冲的脉冲数计数，并且利用定时器对脉冲时间计时，这样，由所计脉冲数和计时时间便能计算出转速，通过数显设备显示转速。综上所述，因红外传感器灵敏度高、工作稳定、价格便宜、体积小、安装调试方便，本设计采用由红外发射二极管和红外光敏三极管构成的光电传感器测量转速。由于红外光电传感器在导通和截止时会有时延，使得转速脉冲信号的上升沿或下降沿没有统一的触发时间，这样对转速脉冲信号采集非常困难。实际中需要对转速脉冲信号整形，
43、使得转速脉冲信号的上升沿或下降沿具有统一的触发时间，转速脉冲信号的采集变得容易。一般对转速的显示可采用数码管或 LCD，现对这两种方案做出如下论证。方案一：运用 LCD 作为显示器件，LCD 具有重量轻、体积小、功耗低、显示稳定、无闪烁、字迹美观、视觉舒适、显示面积大、清晰度高、显示容易控制等特点，但是 LCD 软件编程复杂，需要占用的资源多，价格相对高，一般应用于显示数据量多的场合，提高显示信息的可读性。 方案二：运用数码管作为显示器件，数码管具有显示简单、功耗低、应用环境广、数据量开销小、维护简单、软件编程容易的特点。它利用二进制显示，操作简单，易于实现，应用于显示直接但对显示效果要求不高
44、的场合，但是数码管的显示主要是数字，且引脚多，接线复杂。由于本设计只是对转速脉冲的脉冲数显示，显示简单，信息量少，如果使用液晶显示屏就显得大材小用。为此设计选用 4 个 7 段共阴数码管，可显示四位数，即范围为 09999。数码管是利用电流发光的显示器件，一般在实际使用中必须加限流电阻，否则极易被烧坏。数码管的引脚为 a、b、c、d、e、f、g、com，8 段有一个 h，h 是13abcdefgd pa bco mfgc d pde co m1 2 3 4 510 9 8 7 6VCC共共共 共共共abcdefgdpabcdefgdp小数位，a、b、c、d、e、f、g、h 代表段码，每一段含有
45、一个发光二极管，数码管的段码表如表 2-4 所示。一般数码管的上下两排引脚各含有一个公共端，公共端是保证此数码管能工作的引脚，它直接关系到数码管能否导通。共阴时 com 接地，在给每段高电平时点亮，共阳时 com 接电源，数码管在给每段低电平时点亮，数码管的引脚图和内部结构图如图 2-15 所示。数码管的最大电流 1030mA，显示电路中必须加限流电阻，否则会烧毁数码管。表 2-4 数码管的段码表图 2-15 数码管的引脚图、内部结构图2.5 直流电机调速方法的方案论证直流电机的调速原理一般有改变直流电机的电压、改变直流电机的磁通、改变直流电机的电阻三种。A. 改变直流电机的电压改变直流电机的
46、电压是把电机的电压往额定电压以下调整，即调整为小于正正常工作时的转速，这种调整方法对电机的工作不会产生较大幅度的变动，且调速反应快、效果好，但是对直流电源的要求高。B. 改变直流电机的磁通改变磁通可以对电机调速，但只能向减小磁通的方向调整，即调整为大于正常工作时的转速，这种调整方法对电机的工作不会产生较大幅度的变动，对直流电源无特殊要求，但调速需要的时间多、反应慢。显示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8共阴极字符 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH共阳极字符 C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H显示字符 9 A b C
47、 d E F H P共阴极字符 6FH 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 76H 73H共阳极字符 90H 88H 83H C6H A1H 86H 8EH 89H 8CH14DVamxC. 改变直流电机的电阻该方法给电机的工作电路串接一个可调电阻，调节电阻，则可改变电压，即改变了电机的转速，这种方法原理简单、使用便捷，可实现阶梯调速，但应用范围有限，消耗电能较多。改变电阻调速因使用条件有限，现在不常使用，只在对调速效果要求不高和高转速的场合中使用，当今对直流电机的转速调节常使用改变直流电机电压的方式，利用改变电机工作电压的方法调速需要有较大范围的可调直流电源。可控整流器调速是调速
48、方法中普遍采用的，它的类型较多、工作方式也较多。但晶闸管不能有反向电流，它是单向的，在低转速时使用很不利，对周围设备会造成干扰。直流斩波器是通过改变电源导通和断开的时间，改变控制脉冲的占空比，进而改变加在直流电机上的平均电压来调速的，电机上的平均电压大小由于脉冲高低电平时间的变化而被改变，可把电源认为是平均电压可变的电源。使用直流斩波器调速调节效率高，价格便宜，可靠性高，使用便捷，故在直流电机的调速系统中被广泛采用。目前这种调速方法已向数字化方向过渡，利用数字电路产生PWM 波形，使得调速极易可控，转速调节精度得到提高，调速效果也得到提高。PWM 即脉冲宽度调制，它是一种在一定的开关周期下，调
49、整导通时间，即改变脉冲宽度，改变脉冲的占空比，调节加在直流电机上的平均电压大小，它不仅可以用来调节转速，而且可以用来调节其它物理量。脉冲宽度调制调速系统中先设定一个一定的周期，在此周期下开启或关闭电源，然后调整电源导通或断开的时间，这样，电压脉冲的占空比被改变，直流电机上的平均电压的值得到调整，直流电机的转速被调节。占空比 D 和平均电压 Va的表达式分别如式 2-8、式 2-9。(2-8)(2-9)式 2-8、式 2-9 中：D 表示占空比；Vmax 表示直流电机转速最大值；Va 表示直流电机上平均电压大小；表示导通时间；T 表示电源通断的周期。从式 2-8 和式 2-9 可得到：通过改变 D，直流电机的 Va 则被改变，即直流电机转速得到调整。实际中直流电机的 Va 的大小并不和 D 成正比，但为了便于理解，还是按正比关系计算，PWM 调速的原理如图 2-16 所示， 表示电源导通的时间， 表示电源断开的时间，T 表示电源通断的周期。综上所述，因为调节脉冲宽度调速调节效率高，能在调速过程使直流电机平Tt11t1t2t15稳运行，它的转速可调范围宽，能量损耗和电机的发热程度都较低，实际利用它时响应速度快
