中心議題：

• 介紹轉速測量及控製的基本原理
• 直流電機轉速測量係統的軟硬件設計
• 測試該係統並得出結論

解決方案：

• 采用單片機C8051F060作為主控製器
• 采用C8051F060片內的D／A轉換器DAC0的輸出控製直流電機的電壓
• 采用C8051F060中的INT0中斷對轉速脈衝計數

引 言
隨著單片機的不斷推陳出新
，特別是高性價比的單片機的湧現，轉速測量控製普遍采用了以單片機為核心的數字化
、智能化的係統。本文介紹了一種由單片機C8051F060作為主控製器
，使用霍爾傳感器進行測量的直流電機轉速測量係統。

轉速測量及控製的基本原理
a.轉速測量原理
轉速的測量方法很多，根據脈衝計數來實現轉速測量的方法主要有M法(測頻法)、T法(測周期法)和MPT法(頻率周期法)，該係統采用了M法(測頻法)。由(you)於(yu)轉(zhuan)速(su)是(shi)以(yi)單(dan)位(wei)時(shi)間(jian)內(nei)轉(zhuan)數(shu)來(lai)衡(heng)量(liang)，在(zai)變(bian)換(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)多(duo)數(shu)是(shi)有(you)規(gui)律(lv)的(de)重(zhong)複(fu)運(yun)動(dong)。根(gen)據(ju)霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)原(yuan)理(li)，將(jiang)一(yi)塊(kuai)永(yong)久(jiu)磁(ci)鋼(gang)固(gu)定(ding)在(zai)電(dian)機(ji)轉(zhuan)軸(zhou)上(shang)的(de)轉(zhuan)盤(pan)邊(bian)沿(yan)，轉(zhuan)盤(pan)隨(sui)測(ce)軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)，磁(ci)鋼(gang)也(ye)將(jiang)跟(gen)著(zhe)同(tong)步(bu)旋(xuan)轉(zhuan)
，在(zai)轉(zhuan)盤(pan)下(xia)方(fang)安(an)裝(zhuang)一(yi)個(ge)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)
，轉(zhuan)盤(pan)隨(sui)軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)時(shi)，受(shou)磁(ci)鋼(gang)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)

，霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)輸(shu)出(chu)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)，其(qi)頻(pin)率(lv)和(he)轉(zhuan)速(su)成(cheng)正(zheng)比(bi)。脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)的(de)周(zhou)期(qi)與(yu)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)有(you)以(yi)下(xia)關(guan)係(xi)：
 
式中：n為電機轉速；P為電機轉一圈的脈衝數；T為輸出方波信號周期
根據式(1)即可計算出直流電機的轉速。

霍爾器件是由半導體材料製成的一種薄片，在垂直於平麵方向上施加外磁場B，在沿平麵方向兩端加外電場，則使電子在磁場中運動，結果在器件的2個側麵之間產生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例。霍爾開關傳感器由於其體積小、無觸點

、動態特性好
、使用壽命長等特點
，故在測量轉動物體旋轉速度領域得到了廣泛應用。在這裏選用美國史普拉格公司(SPRAGUE)生產的3000係列霍爾開關傳感器3013，它是一種矽單片集成電路，器件的內部含有穩壓電路
、霍爾電勢發生器、放大器、史密特觸發器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓範圍寬、可靠性高、外電路簡單<輸出電平可與各種數字電路兼容等特點。

b.轉速控製原理
直流電機的轉速與施加於電機兩端的電壓大小有關
，可以采用C8051F060片內的D／A轉換器DAC0的輸出控製直流電機的電壓從而控製電機的轉速。在這裏采用簡單的比例調節器算法(簡單的加一、減一法)。比例調節器的輸出係統式為：
 
式中：Y為調節器的輸出
；e(t)為調節器的輸人，一般為偏差值
；Kp為比例係數。

從式(2)可以看出，調節器的輸出Y與輸入偏差值e(t)成正比。因此
，隻要偏差e(t)一出現就產生與之成比例的調節作用，具有調節及時的特點
，這是一種最基本的調節規律。比例調節作用的大小除了與偏差e(t)有關外
，主要取決於比例係數Kp，比例調節係數愈大，調節作用越強，動態特性也越大。反之
，比例係數越小，調節作用越弱。對於大多數的慣性環節，Kp太大時將會引起自激振蕩。比例調節的主要缺點是存在靜差
，對於擾動的慣性環節，Kp太tai大da時shi將jiang會hui引yin起qi自zi激ji振zhen蕩dang。對dui於yu擾rao動dong較jiao大da，慣guan性xing也ye比bi較jiao大da的de係xi統tong，若ruo采cai用yong單dan純chun的de比bi例li調tiao節jie器qi就jiu難nan於yu兼jian顧gu動dong態tai和he靜jing態tai特te性xing，需xu采cai用yong調tiao節jie規gui律lv比bi較jiao複fu雜za的dePI(比例積分調節器)或PID(比例、積分、微分調節器)算法。

係統的硬件軟件設計
a.硬件設計
本係統采用單片機C8051F060作為主控製器，使用霍爾傳感器測量電機的轉速
，通過7079最終在LED上顯示測試結果。此外，還可以根據需要調整控製電機的轉速，硬件組成由圖1所示。

 
控製器C8051F060主要完成轉速脈衝的采集、16為定時計數器計數定時、運算比較，片內集成的12位DAC0控製轉速，並且通過7279顯示接口芯片實現數碼顯示等多項功能。係統采用外部晶振
，係統時鍾SYSCLK等於18432000，T0定時1 ms
，初始化時TH0=(-SYSCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，輸出轉速脈衝個數N，計算電機轉速值。將1 s內的轉速值換算成1 min內的電機轉速值
，並在LED上輸出測量結果。

b.軟件設計
本係統采用C8051F060中的INT0中斷對轉速脈衝計數。定時器T1工作於外部事件計數方式對轉速脈衝計數
；T0工作於定時器方式均工作於方式1。每到1 s讀一次計數值

，此值即為脈衝信號的頻率

，根據式(1)可ke計ji算suan出chu電dian機ji的de轉zhuan速su。由you於yu直zhi流liu電dian機ji的de轉zhuan速su與yu施shi加jia工gong於yu電dian機ji兩liang端duan的de電dian壓ya大da小xiao有you關guan
，故gu將jiang實shi際ji測ce得de的de轉zhuan速su值zhi與yu預yu設she的de轉zhuan速su值zhi比bi較jiao，若ruo大da於yu預yu設she的de轉zhuan速su值zhi則ze減jian小xiaoDAC0的數值，若小於轉速預設的轉速值則增加DAC0的值調整電機的轉速，直到轉速值等於預設定的值
，這樣就實現了對電機轉速的控製，主程序和T0中斷流程圖如圖2、3所示。

 
實驗測試結果
首先在軟件中給出轉速預設值
，即給定常量speed的值，觀察速度穩定後七段數碼管的數值，比較實際測量的轉速值和預設轉速值
，計算測量誤差，評價測量的準確性，測試結果如表1所示。根據實驗測試和誤差分析繪製了測量誤差曲線
，如圖4所示。誤差分析表明，轉速測量誤差在5％以內，並且隨著轉速預設值的增加測量誤差愈小，呈指數形式下降，函數關係如式(3)所示。
 

結 論
本測速係統采用集成霍爾傳感器敏感速率信號
，具有頻率響應快、抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)強(qiang)等(deng)特(te)點(dian)。霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)經(jing)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)後(hou)，通(tong)過(guo)單(dan)片(pian)機(ji)對(dui)連(lian)續(xu)脈(mai)衝(chong)記(ji)數(shu)來(lai)實(shi)現(xian)轉(zhuan)速(su)測(ce)控(kong)
，並(bing)且(qie)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)了(le)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)內(nei)部(bu)資(zi)源(yuan)，有(you)很(hen)高(gao)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)。經(jing)過(guo)測(ce)試(shi)並(bing)對(dui)誤(wu)差(cha)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)發(fa)現(xian)，該(gai)係(xi)統(tong)的(de)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)在(zai)5％以內
，並且在測量範圍內轉速越高測量精度越高。所以該係統在一般的轉速檢測和控製中均可應用。