基于AT89S51單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何少佳，史劍清，王海坤

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

隨著科技的日益進(jìn)步，對自動化的要求也越來越高，直流電動機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。例如，軍事方面的雷達(dá)天線、慣性導(dǎo)航、火炮瞄準(zhǔn)等控制；工業(yè)方面的數(shù)控機(jī)床、加工生產(chǎn)設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備及辦公設(shè)備中各種光盤驅(qū)動器、掃描儀、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制。因此，設(shè)計(jì)一款可控性好、精度高的電機(jī)控制系統(tǒng)是非常有意義的[1]。本文介紹了一種以AT89S51單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過紅外遙控對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，對工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示的功能。

1 設(shè)計(jì)方案說明

該系統(tǒng)可以通過紅外遙控器控制電機(jī)的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速并可以設(shè)定轉(zhuǎn)速，通過槽型紅外傳感器測量電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速，實(shí)時轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速顯示在LCD上。通過設(shè)置閉環(huán)控制功能，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)設(shè)置有開環(huán)、閉環(huán)選擇功能。按下開環(huán)鍵，電機(jī)按占空比50%正向轉(zhuǎn)動，電機(jī)工作指示燈亮，正向轉(zhuǎn)動指示燈亮；按下反向鍵，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，電機(jī)工作指示燈保持原狀，反向指示燈亮，正向指示燈熄滅。在正反轉(zhuǎn)的過程中可以通過紅外遙控器控制電機(jī)的加減速，轉(zhuǎn)速由槽型紅外傳感器測量并顯示在LCD屏上。

按下閉環(huán)按鍵后，可以設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，然后按啟動鍵，電機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)向運(yùn)行，LED燈顯示工作狀態(tài)，單片機(jī)不斷計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速差，并根據(jù)設(shè)定的算法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。LCD屏實(shí)時顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速。

按下停止鍵，系統(tǒng)停止，所有工作指示燈熄滅。

本系統(tǒng)采用小功率直流電機(jī)，用“H橋驅(qū)動電路”驅(qū)動電機(jī)。通過單片機(jī)控制和C語言軟件編程控制產(chǎn)生的PWM信號，控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而控制H橋電機(jī)驅(qū)動電路使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的平滑調(diào)速[2]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)及工作原理

整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 紅外控制電路設(shè)計(jì)

紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射、接收兩部分構(gòu)成，采用解/編碼專用芯片來進(jìn)行控制操作。發(fā)射部分包括鍵編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光/電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路等。

（1）遙控發(fā)射器及其編碼。遙控器采用基于UPD6121G芯片的發(fā)射器。該芯片采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565 m/s、間隔0.56 m/s、周期1.125 m/s的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565 m/s、間隔1.685 m/s、周期為2.25 m/s的組合表示二進(jìn)制的“1”。由“0”和“1”組成的32位二進(jìn)制碼通過紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向空間發(fā)射。

（2）接收器及解碼。接收器采用VS1838B一體化紅外線接收器。VS1838B集紅外線接收、放大于一體，不需要外接任何元件，就能完成從紅外線接收到輸出的所有工作。紅外接收頭將接收到的載波信號過慮，得到與發(fā)射代碼反向的接收代碼，傳送給單片機(jī)經(jīng)行控制。

2.2 LCD顯示電路設(shè)計(jì)

顯示部分采用的是基于HD44780液晶芯片的LCD1602液晶顯示屏，HD44780內(nèi)置了DDRAM、CGROM和CGRAM存儲器，提供了中文字庫、ASCII碼字庫及自定義字形，去除了編制字庫的麻煩。

一個完整的顯示周期由以下部分組成：首先要對LCD1602初始化，然后指定顯示位置。第1行第1列的地址是00H，但是由于寫入顯示地址時要求最高位DB7恒為高電平1，所以該位置的地址不能寫入00H，而是00000000B(00H)+10000000B(80H)=10000000B(80H)。同理，第2行第1列的地址是C0H，而不是理論地址4OH[3]。然后將要顯示的數(shù)據(jù)寫入，這時，相應(yīng)的數(shù)據(jù)就會在指定的位置顯示出來。

2.3 電機(jī)及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是ALONG RF-310微型直流電機(jī)，工作電壓為6 V，而單片機(jī)的輸出高電平為5 V，因此電機(jī)需要一個驅(qū)動電路，采用“H橋驅(qū)動電路”來驅(qū)動電機(jī)[4]。如圖2所示。

圖2 H橋驅(qū)動電路

2.4 測速電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的測速傳感器采用槽型光電傳感器ITR8402。其工作原理是：當(dāng)接收管接收到來自發(fā)射管的信號時，接收管就導(dǎo)通，沒接到信號時，接收管關(guān)斷。利用它的這一特性，可以用一編碼盤不停的切割光電對管，從而產(chǎn)生一連串的脈沖。

編碼盤裝在電機(jī)上，電機(jī)轉(zhuǎn)動后，編碼盤就不停的切割光電對管，從而產(chǎn)生一定頻率的脈沖，該脈沖信號被單片機(jī)的計(jì)數(shù)管腳P3.3接收，利用定時器設(shè)定中斷周期，然后處理這一周期內(nèi)接收到的脈沖次數(shù)，通過計(jì)算便可得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。編碼盤有50個孔，編碼盤轉(zhuǎn)動一圈能夠產(chǎn)生50個脈沖，精度達(dá)到0.02 rpm/分，如果想要提高測速的精度，只需改變編碼盤上的孔數(shù)即可。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序是在Keil uVision3中設(shè)計(jì)開發(fā)的，用高級C語言編寫[5]。Keil uVision3是美國Keil公司開發(fā)的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標(biāo)代碼的生成等完整的開發(fā)流程，它支持所有的Keil的工具軟件，包括C51編譯器、A51匯編器、BL51/LX51鏈接定位器、Debug調(diào)試器和目標(biāo)文件至Hex格式轉(zhuǎn)換器。因此選擇其為程序開發(fā)環(huán)境[6]。

系統(tǒng)程序由主程序、中斷處理子程序、紅外處理程序、轉(zhuǎn)速測量程序及顯示程序等組成。圖3為主程序流程圖，圖4為閉環(huán)控制流程圖。

圖3 主程序流程圖

圖4 閉環(huán)控制流程圖

在初始化時關(guān)閉定時中斷，P2.3-P2.5口輸出高電平,狀態(tài)指示燈熄滅，P2.6、P2.7口輸出高電平電機(jī)停止轉(zhuǎn)動,對LCD初始化顯示。將所有的初始化功能寫成一個子程序,主程序只需調(diào)用它即可完成系統(tǒng)初始化。當(dāng)初始化完成之后，掃描P3.2口，檢測是否有信號輸入，如有信號，識別信號并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序，控制電機(jī)運(yùn)動。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用MC51系列單片機(jī)生成PWM波，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式的PWM直流電機(jī)調(diào)速，相對于傳統(tǒng)硬件調(diào)速大大降低了成本。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，可以滿足在遙控器操作下對電機(jī)的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)的控制，LED指示燈正確顯示工作狀態(tài)，LCD正常顯示轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)可用于多種商業(yè)用途，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

[1]張 方.電機(jī)及拖動基礎(chǔ)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]譚建成.新編電機(jī)控制專用集成電路與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]朱華光.淺議LCD1602的編程技巧[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6(18)：4980-4982.

[4]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[5]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]王為青，程國鋼.單片機(jī)keil Cx51應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2007.