基于單片機(jī)C8051F020控制直流電機(jī)的設(shè)計

【摘要】本設(shè)計以C8051F020單片機(jī)為核心，以4*4矩陣鍵盤作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在設(shè)計中，采用了PWM技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制，通過對占空比的計算達(dá)到精確調(diào)速的目的。

【關(guān)鍵詞】C8051F020；PWM調(diào)速

一、設(shè)計方案

1.電機(jī)調(diào)速控制模塊

采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。

2.PWM調(diào)速工作方式

單極性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

3.PWM調(diào)脈寬方式

采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機(jī)在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。

4.PWM軟件實現(xiàn)方式

基于不占用定時器資源，對直流電機(jī)采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍之內(nèi)。

二、系統(tǒng)分析與設(shè)計

總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動H型橋式電動機(jī)控制電路，實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LED顯示出來。電動機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時數(shù)字向右移動，反轉(zhuǎn)時數(shù)字向左移動。移動速度分7檔，快慢與電動機(jī)所處速度級快慢一一對應(yīng)。每次電動機(jī)啟動后開始計時，停止時LED顯示出本次運轉(zhuǎn)所用時間，時間精確到0.1s。

1.系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析

電動機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路如圖2所示。

本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用。4個電感在電路中是起防止電動機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護(hù)作用。

在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動機(jī)的驅(qū)動力?；谏鲜隹紤]，我們運用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流；電動機(jī)驅(qū)動部分通過外接12V電源驅(qū)動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強。

圖2 電動機(jī)PWM驅(qū)動模塊電路

在電動機(jī)驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40Hz以上，電動機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動機(jī)轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，脈沖頻率在15Hz-30Hz時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過N1輸入信號，N2輸入低電平與N1輸入低電平，N2輸入信號分別實現(xiàn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過對信號占空比的調(diào)整來對車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度分7檔控制，從高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。速度微調(diào)方面，可以通過對占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實現(xiàn)對速度的逐加或逐減。

2.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)編程部分工作采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設(shè)計方法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和LED顯示等部分的設(shè)計。

①PWM脈寬控制：本設(shè)計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進(jìn)行控制，延時程序函數(shù)如下：

此函數(shù)為帶參數(shù)DLYLEVEL，約產(chǎn)生DLYLEVEL *400us的延時，因此一個脈沖周期可以由高電平持續(xù)時間系數(shù)hlt和低電平持續(xù)時間系數(shù)llt組成，本設(shè)計中采用的脈沖頻率為25Hz，可得hlt+llt=100，占空比為hlt/（hlt+llt），因此要實現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式，只需通過程序改變?nèi)肿兞縣lt，llt的值。

②鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，單片機(jī)P3.2腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。

該顯示子程序只對各個LED管分別點亮一次，因此在運行過程中，每秒執(zhí)行的次數(shù)不應(yīng)低于每秒24次。

④定時中斷處理程序：采用定時方式1，因為單片機(jī)使用12M晶振，可產(chǎn)生最高約為65.5ms的延時。對定時器置初值3CB0H可定時50ms，即系統(tǒng)時鐘精度可達(dá)0.05s。當(dāng)50ms定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值，并對全局變量time加1，這樣，通過變量time可計算出系統(tǒng)的運行時間。

對于一個數(shù)的顯示，先應(yīng)轉(zhuǎn)成BCD碼，即取出每一個位，分別送入顯示緩存區(qū)，對于轉(zhuǎn)BCD的算法，應(yīng)對一個數(shù)循環(huán)除10取模，直至為0，程序如下：

軟件設(shè)計中的特點：

（1）對于電機(jī)的啟停，在PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度，停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)，如電機(jī)運用于小車上，在啟動上采用此方式也可加大啟動速度，防止打滑。

（2）對于運行時間的計算、顯示。配合傳感器技術(shù)可用于計算距離，速度等重要的運行數(shù)據(jù)。

（3）鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。

三、結(jié)語

本設(shè)計在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動電路，解決了電機(jī)馬驅(qū)動的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機(jī)的使用效率，且具有一定的防飛能力。

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作者簡介：王博，助理講師，主要研究方向：單片機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)。