摘要：给出了一种基于89C51单片机以及PWM控制思想的高精度、高稳定、多任务直流电机转速测控系统的硬件组成及关键单元设计方法。实验结果表明该系统能实时、有效地对直流电机转速进行监测与控制，而且输出转速精度高、稳定性好。
关键词：PWM；实时监控；单片机；霍尔传感器；转速
0 引言
目前使用的电机模拟控制电路都比较复杂，测量范围与精度不能兼顾，且采样时间较长，难以测得瞬时转速。本文介绍的电机控制系统利用PWM控制原理，同时结合霍尔传感器来采集电机转速，并经单片机检测后在显示器上显示出转速值，而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量，并超限自动报警。本系统同时设置有按键操作仪表，可用于调节电机的转速。
1 系统方案的制定
直流电机控制系统主要是以C8051单片机为核心组成的控制系统，本系统中的电机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，由MCU内部的可编程计数器阵列输出PWM波，以调整电机两端电压与控制波形的占空比，从而实现调速。本系统通过霍尔传感器来实现对直流电机转速的实时监测。系统的设计任务包括硬件和软件两大部分，其中硬件设计包括方案选定、电路原理图设计、PCB绘制、线路调试：软件设计包括内存空间的分配，直流电机控制应用程序模块的设计，程序调试、软件仿真等。
2 硬件设计
C8051是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I／O引脚，片内含有VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正能独立工作的片上系统，并能快捷准确地完成信号采集和调节。同时也方便软件编程、干扰防制、以及前向通道的结构优化。
本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号，以进行对外部设备的控制，这种闭环系统可以较准确的实现设计要求，从而制定出一个合理的方案，图1所示是电机测控系统框图。

本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机，同时通过传感器检测电机的转速信号并传送给单片机，单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较，从而决定电机转速，同时将当前电机转速值送LED显示。此外，也可以通过设置键盘来设定电机转速。系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成，并通过A／D转换将转速转换为电压信号，再以脉冲形式传给单片机。这种设计方法具有频率响应高(响应频率达20 kHz以上)、输出幅值不变、抗电磁干扰能力强等特点。其中霍尔传感器输入为脉冲信号，十分容易与微处理器相连接，也便于实现信号的分析处理。单片机的TO口可对该脉冲信号进行计数。
设计时，可通过单片机的P0．1～P0．5五个接口来完成键盘的输入，P1．6口可完成呜叫和报警，P2．0接电机，P2．1～P2．4接显示器的位选，P0口为显示器段选码，其硬件连接电路如图2所示。

本系统的脉冲宽度调制(PUlse Width Modulation)原理是：脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。该系统由一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。脉冲信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。图3所示为脉冲宽度调制系统的调制原理和波形图。

设样本τk为均匀脉冲信号，它的第k个矩形脉冲可以表示为：
其中，x{t}是离散化信号；Ts是采样周期，τ0是未调制宽度，m是调制指数。现假设脉冲幅度为A，中心在t=kTs处，τK在相邻脉冲间变化缓慢，那么，其Xp(t)可表示为：
其中，，ωs为电机角速度，结合式(2)可见，脉冲宽度信号可由信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当τ0<