用單片機(jī)控制直流電機(jī) 摘要 本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，以 4*4 矩陣鍵盤做為輸入達(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(jì)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(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。 一、 設(shè)計(jì)方案比較與分析： 1、電機(jī)調(diào)速控制模塊： 方案一： 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的 電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 方案二： 采用繼電器對電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三： 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(dòng)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(shí)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)。 兼于 方案三 調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大 ， 因此本設(shè)計(jì)采 用方案三。 2、 PWM調(diào)速 工作方式： 方案 一 ： 雙極性工作制 。 雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號 ，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案二： 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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)也比雙極性工作制的小，所以我 們采用了單極性工作制。 3、 PWM調(diào)脈寬方式： 調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 4、 PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式： 方案一： 采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。 方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不 占用定時(shí)器資源，且對于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允 許范圍，故 采用方案二。 二、 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)： 總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖 一 所示。 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(dòng) H 型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過 LED顯示出來。 電動(dòng)機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向右移動(dòng)，反轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向左移動(dòng)。移動(dòng)速度分 7檔，快慢與電動(dòng)機(jī)所處速度級快慢一一對應(yīng)。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開始計(jì)時(shí)，停止時(shí) LED顯示出本次運(yùn)轉(zhuǎn)所用時(shí)間 ， 時(shí)間精確到 0.1s。 1、 系統(tǒng)的硬件 電路 設(shè)計(jì) 與分析 電動(dòng)機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見 下 圖 二 。本電路采用的是基于 PWM原理的 H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。 圖二 PWM 電路由四個(gè)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(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4 個(gè)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(gè)電感在電路中是起防止電動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有 4V 左右，嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?；谏鲜隹紤]，單 片 機(jī)P W M 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng)L E D 顯 示4 * 4鍵 盤圖 一我們運(yùn)用了 4N25 光耦集成塊，將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開來。輸入端各通過一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過外接12V 電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 脈沖頻率在 40Hz 以上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在 10Hz 以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，脈沖頻率在 15Hz-30Hz 時(shí)效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(shí)現(xiàn)對速度的逐加或逐減。 2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 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(jì)方法，與各子程序做為實(shí)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(jì)。 單片機(jī)資源分配如下表： P0 顯示模塊接口 外部中斷 0 （ P3.2） 鍵盤中斷 P1 鍵盤模塊接口 P2.0/P2.1 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口 內(nèi)部定時(shí)器 0 系統(tǒng)時(shí)鐘 系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖 三 ： 開 始初 始 化 中 斷 、 變 量啟 動(dòng) 標(biāo) 志 = 1 ？P W M 脈 沖 產(chǎn)生 子 程 序循 環(huán) 移 位 顯示 子 程 序P 2 . 0 = 0 ,P 2 . 1 = 0 ;NY圖 三開 始轉(zhuǎn) 向 = ？P 2 . 0 = 0 ，P 2 . 1 = 1 ；P 2 . 0 = 1 ，P 2 . 1 = 0 ；延 時(shí) ( 高 電 平持 續(xù) 時(shí) 間 )延 時(shí) ( 高 電 平持 續(xù) 時(shí) 間 )延 時(shí) ( 低 電 平持 續(xù) 時(shí) 間 )延 時(shí) ( 低 電 平持 續(xù) 時(shí) 間 )P 2 . 1 = 0 P 2 . 0 = 0返 回正反圖 四 PWM 脈寬控制：本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對脈沖寬度進(jìn)行控制，延時(shí)程序函數(shù)如下： void delay(unsigned char dlylevel) int i=50*dlylevel; while(-i); 此函數(shù)為帶參數(shù) DLYLEVEL，約產(chǎn)生 DLYLEVEL*400us 的延時(shí)，因此一個(gè)脈沖周期可以由高電平持續(xù)時(shí)間系數(shù) hlt和低電平持續(xù)時(shí)間系數(shù) llt組成，本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式，只需通過程序改變?nèi)肿兞?hlt， llt 的值，該子程序流程圖 如圖 四 。 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(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。 調(diào)速檔、持續(xù)加 /減速：調(diào)速檔通過（ 0-6）共七檔固定占空比，即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變 hlt， llt的值，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的實(shí)現(xiàn)。 而要實(shí)現(xiàn)按住加 /減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時(shí)，每進(jìn)行一次增加 /減少 1%占空比（即 hlt+/-;llt-/+） ,其程序流程圖如圖五。 顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有 8 位，分別存放各個(gè) LED管要顯示的值。顯示子程序?yàn)橐粠⒆映绦?，參?shù)為顯示緩存的數(shù)組名，通過 for(i=0;i8;i+)方式對每位加上位選碼，送到 P0口并進(jìn)行一兩毫秒延時(shí)。 該顯示子程序只對各個(gè) LED 管分別點(diǎn)亮一次，因此在運(yùn)行過程中，每秒執(zhí)行的次數(shù)不應(yīng)低于每秒 24次 。 定時(shí)中斷處理程序：采用定時(shí)方式 1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用 12M 晶振，可產(chǎn)生最高 約為 65.5ms的延時(shí)。對定時(shí)器置初值 3CB0H可定時(shí) 50ms，即系統(tǒng)時(shí)鐘精度可達(dá) 0.05s。當(dāng) 50ms 定時(shí)時(shí)間到，定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序，完成對定時(shí)器的再次賦值，并對全局 變量 time 加 1，這樣，通過變量 time可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。 對 于一個(gè)數(shù)的顯示，先應(yīng)轉(zhuǎn)成 BCD碼，即取出每一個(gè)位，分別送入顯示緩存區(qū)，對于轉(zhuǎn) BCD的算法，應(yīng)對一個(gè)數(shù)循環(huán)除 10取模，直至為 0，程序如下： dodispbuffbcd_p=bechange%10; /dispbuff為顯示緩沖區(qū)數(shù)組 bcd_p+;while(bechange/=10) /disp_p為數(shù)組指針 軟件設(shè)計(jì)中的特點(diǎn) : 1、 對于電機(jī)的啟停，在 PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻是 否 釋 放按 鍵 ？是 否 加 / 減速 鍵 ？加 / 減 1 % 占 空 比調(diào) 用 P W M 脈 沖產(chǎn) 生 子 程 序YN調(diào) 用 顯 示 子 程 序圖 五加速到默認(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(yùn)用于小車上，在啟動(dòng)上采用此方式也可加大啟動(dòng)速度，防止打滑。 2、 對于運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算、顯示。配合傳感器技術(shù)可用于計(jì)算距離，速度等重要的運(yùn)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)