基于霍尔传感器和STM32的直流电机调速系统的设计

信息科学与工程学院课程设计报告( 2016 2017 学年 第 一 学期 )题 目 基于霍尔传感器和 STM32 的直流电机调速系统的设计院（系、部） 控制系 课 程 名 称 电力拖动自动控制系统课程设计 专 业 自动化 2 班 年 级 2013 级 学 号 1315322008 姓 名 丁爽 指 导 老 师 晏来成 徐园园（聂卓赟）1315322008 丁爽 13 自动化 2 班一、课题训练内容以 Cortex-M3 处理器为核心，包括 3 个外围电路的设计，首先是霍尔传感器电路的制作，掌握信号转换电路的制作，然后是掌握转速采样电路的原理和制作和数码管电路的制作，掌握将转换的数字信号换算成实际转速的方法，相应电路的程序编写。二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量的具体要求1. 能够通过按键设定期望转速；2. 能够显示当前速度值（通过数码管或 LCD 均可）；3. 测量范围：200rpm-3000rpm；4. 误差：10rpm;5. 系统的结构框图如下：1315322008 丁爽 13 自动化 2 班目录1. 绪论 .11.1 设计的目的和意义 .11.2 数字式转速测量系统的发展背景 .11.3 主要研究内容 .22.系统总体方案设计与论证 .22.1 控制器模块选择 .22.2 电源方案的选择 .32.3 键盘的选择 .32.4 显示模块的选择 .32.5 驱动模块选择 .32.6 PWM 控制 .32.7 系统的最终方案 .43. 硬件电路设计 .53.1STM32 介绍 .53.2 电源复位 .73.3 霍尔传感器简介 .73.4 霍尔传感器的采集信号电路设计 .83.5 按键显示电路模块 .93.5.1 模块介绍 .103.5.2 显示部分 .103.5.3 按键部分 .113.6 驱动电路设计 .114. 电机测速系统的软件设计 .134.1 电机测速系统流程图 .134.2 系统主程序 .144.3 中断程序 .154.3.1 中断计数程序 .154.3.2 显示程序 .154.3.3 键盘程序 .155. 实物制作 .156. 总结 .151315322008 丁爽 13 自动化 2 班01. 绪论1.1 设计的目的和意义 转速的测量是一切应用的前提，然而当今世界高速的发展，追求的是测量的稳定，精确，速度快等等。现在的控制设备都是计算机，而计算机只能处理数字量，所以如今处理我们一般要求输出的信号都是数字量，而霍尔传感器输出的信号就是开关量 1 和 0，我们可以将输出的信号进行整合，输出有效的 TTL电平给单片机进行处理。其实这设计可以理解为一个工业上的一个模型，在一个工厂一个机器都有一个甚至多个电机，我们可以实现对多个机器的监控，实现一个人多个设备的监控，而且后续我们可以将一个外设变为多个外设，将有线的串口通信改变为无线通信，获红外通信，蓝牙通信等等。同时也可以将现在火热的只能家具联系起来，一个直流电机就相当于一个外设，我们可以添加多个外设，然后做用于的手机 APP 终端获电脑网站终端，对家用电器进行监控，当然这涉及到通信等等领域。总之，转速测量的参数是很多应用设备的前提，在许多方面有很多应用，在生产和生活有重要的意义。1.2 数字式转速测量系统的发展背景在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、 两相低电压交流电机 直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、1315322008 丁爽 13 自动化 2 班1经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。1.3 主要研究内容（1）首先研究各个测量方法，分析各个方法的利弊，综合提出设计方案，在仿真软件上进行测试，包括硬件的测试和软件的测试。 （2）根据 stm32 单片机的设计方案，然后在洞洞板上进行实物的焊接实验，先对各个模块的测试，通过之后，对测量或者控制给予评估。 （3）根据系统要求和原理图设置各控制字，用 C 语言编制程序，包括主程序流程，显示中断程序流程，转速测量中断程序。并用软件的方法对计数和定时进行同步，在不改变硬件的条件下，使软硬件达到理想的效果。 （4）利用 Keil3 软件和集成环境对系统对工作软件进行编译、调试，程序不断的修改和优化。（）最后利用 Altium Designer Summer 09 进行绘画原理图和 PCB 图，买好开发板，再焊接上元器件，烧录之前调试好的程序，运行。2.系统总体方案设计与论证2.1 控制器模块选择控制器主要用于各模块控制显示、抢答、音乐等。选择采用 ARM 的 Cortex-M3处理器的 CPU 方案。Stm32 单片机的计算功能强大，程序编程灵活、价格便宜、1315322008 丁爽 13 自动化 2 班2自由度大，可以利用软件编程完成各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。2.2 电源方案的选择系统需要多个电源，stm32 的工作电压（VDD）为 2.03.6V。通过内置的电压调节器提供所需的 1.8V 电源。当主电源 VDD 掉电后，通过 Vbat 脚为实时时钟（RTC）和备份寄存器提供电源。所以简单方便，也不需要购买电池。2.3 键盘的选择键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的桥梁。键盘按结构形式 可以分为分别由硬件和软件控制的非编码式键盘和编码式键盘，而本系统设计比较简单，所以我们才用编码式的键盘，硬件结构简单，也减少了程序的复杂性。2.4 显示模块的选择对于 LED 显示电路设计，LED 数 码 管 其 实 是 一 种 半 导 体 发 光 器 件 ， 基 本器 件 是 发 光 二 极 管 ， 通 过 对 其 不 同 的 管 脚 输 入 相 对 的 电 流 ， 会 发 亮 ， 从 而显 示 出 数 字 ， 可 以 显 示 时 间 、 日 期 、 温 度 等 可 以 用 数 字 代 替 的 参 数 。 2.5 驱动模块 选择H 型全桥式电路是直流电机驱动电路使用最常见的电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、反转、正转制动、反转制动。2.6 PWM 控制PWM（脉冲宽度调制）控制，一般我们配合桥式驱动电路实现直流电机驱动，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。由于电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比 1 时，1315322008 丁爽 13 自动化 2 班3电机转速最大。PWM 控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用 555 搭成的触发电路，但是，这种电路的占空比不能自动调节，不能用于自动控制小车的调速。而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种 PWM 波形，或通过时序模拟输出，最适合小车的调速。脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMx_ARR 寄存器确定频率、由 TIMx_CCRx 寄存器确定占空比的信号。在TIMx_CCMRx 寄存器中的 OCxM 位写入110(PWM 模式 1)或111(PWM 模式 2)，能够独立地设置每个 OCx 输出通道产生一路 PWM。必须通过设置 TIMx_CCMRx 寄存器的 OCxPE 位使能相应的预装载寄存器，最后还要设置 TIMx_CR1 寄存器的ARPE 位使能自动重装载的预装载寄存器(在向上计数或中心对称模式中)。因为仅当发生一个更新事件的时候，预装载寄存器才能被传送到影子寄存器，因此在计数器开始计数之前，必须通过设置 TIMx_EGR 寄存器中的 UG 位来初始化所有的寄存器。OCx 的极性可以通过软件在 TIMx_CCER 寄存器中的 CCxP 位设置，它可以设置为高电平有效或低电平有效。OCx 的输出使能通过(TIMx_CCER 和TIMx_BDTR 寄存器中)CCxE、CCxNE、MOE、OSSI 和 OSSR 位的组合控制。详见TIMx_CCER 寄存器的描述。在 PWM 模式(模式 1 或模式 2)下，TIMx_CNT 和TIMx_CCRx 始终在进行比较，(依据计数器的计数方向)以确定是否符合TIMx_CCRxTIMx_CNT 或者 TIMx_CNTTIMx_CCRx。根据 TIMx_CR1 寄存器中CMS 位的状态，定时器能够产生边沿对齐的 PWM 信号或中央对齐的 PWM 信号。2.7 系统的最终方案主控制器模块：采用 stm32 控制。显示模块：数码管显示。电源方案的选择：采用 USB 供电。控制模块：独立式键盘。驱动模块：采用 H 桥式驱动。速度调节：PWM 波调速。如图 2-1 所示。1315322008 丁爽 13 自动化 2 班4图 2-1 系统的最终方案3. 硬件电路设计3.1STM32 介绍核心 ARM 32 位的 Cortex-M3CPU 36MHz，1.25DMIPS/MHz(Dhrystone2.1)0 等待的存储器访问 单周期乘法和硬件除法 存储器 从 32K 字节至 128K 字节闪存程序存储器 从 6K 字节至 16K 字节 SRAM 时钟、复位和供电管理 2.0 至 3.6 伏供电和 I/O 管脚 上电 / 断电复位 (POR / PDR)、可编程电压监测器(PVD) 内嵌 4 至 16MHz 高速晶体振荡器 内嵌经出厂调校的 8MHz RC 振荡器 内部 40kHz 的 RC 振荡器1315322008 丁爽 13 自动化 2 班5 PLL 供应 CPU 时钟 带校准的 32kHz RTC 振荡器 低功耗 睡眠、停机和待机模式 VBAT 为 RTC 和后备寄存器供电 调试模式 串行线调试 (SWD)和 JTAG 调试接口 DMA 7 通道 DMA 控制器 支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C 和 USART 1 个 12 位模数转换器，1us 转换时间(16 通道) 转换范围是 0 至 3.6V 温度传感器 多达 80 个快速 I/O 口 26/37/51/80 个多功能双向 5V 兼容的 I/O 所有 I/O 口可以映像到 16 个外部中断 多达 6 个定时器 多达 3 个 16 位定时器，每个定时器有多达4 个用于输入捕获 / 输出比较 / PWM 或脉冲计数的通道 2 个 16 位看门狗定时器(独立的和窗口型的) 系统时间定时器： 24 位自减型 多达 7 个通信接口 多达 2 个 I2C 接口(SMBus/PMBus) 多达 3 个 USART 接口，支持 ISO7816，LIN，IrDA 接口和调制解调控制 多达 2 个 SPI 同步串行接口(18 兆位/秒) 1315322008 丁爽 13 自动化 2 班63.2 电源复位当以下事件中之一发生时，产生电源复位：1. 上电/掉电复位(POR/PDR 复位)2. 从待机模式中返回电源复位将复位除了备份区域外的所有寄存器。图中复位源将最终作用于 RESET 管脚，并在复位过程中保持低电平。复位入口矢量被固定在地址 0x0000_0004。3.3 霍尔传感器简介霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879 年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但是由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制作霍尔元件，由于他的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器是一种当交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器。脉冲的幅度是由激励磁场的场强决定的。因此，霍尔传感器不需要外界电源供电。霍尔传感器的应用非常的广泛，在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。在通讯领域，可用于放大器、振荡器、