引言

目前使用的電機(jī)模擬控制電路都比較復(fù)雜，測量范圍與精度不能兼顧， 且采樣時間較長， 難以測得瞬時轉(zhuǎn)速。本文介紹的電機(jī)控制系統(tǒng)利用PWM控制原理， 同時結(jié)合霍爾傳感器來采集電機(jī)轉(zhuǎn)速， 并經(jīng)單片機(jī)檢測后在顯示器上顯示出轉(zhuǎn)速值， 而單片機(jī)則根據(jù)傳感器輸出的脈沖信號來分析轉(zhuǎn)速的過程量， 并超限自動報(bào)警。本系統(tǒng)同時設(shè)置有按鍵操作儀表， 可用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1 系統(tǒng)方案的制定

直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要是以C8051單片機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)， 本系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例， 而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比， 因此， 由MCU內(nèi)部的可編程計(jì)數(shù)器陣列輸出PWM波， 以調(diào)整電機(jī)兩端電壓與控制波形的占空比， 從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本系統(tǒng)通過霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件設(shè)計(jì)包括方案選定、電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB繪制、線路調(diào)試； 軟件設(shè)計(jì)包括內(nèi)存空間的分配， 直流電機(jī)控制應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)， 程序調(diào)試、軟件仿真等。

2 硬件設(shè)計(jì)

C8051是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片， 具有64個數(shù)字I/O引腳， 片內(nèi)含有VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器， 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)， 并能快捷準(zhǔn)確地完成信號采集和調(diào)節(jié)。同時也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本單片機(jī)控制系統(tǒng)與外部連接可實(shí)時接收到外部信號， 以進(jìn)行對外部設(shè)備的控制， 這種閉環(huán)系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求， 從而制定出一個合理的方案， 圖1所示是電機(jī)測控系統(tǒng)框圖。

圖1 電機(jī)測控系統(tǒng)框圖。

本系統(tǒng)先由單片機(jī)發(fā)出控制信號給驅(qū)動電機(jī)， 同時通過傳感器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號并傳送給單片機(jī)， 單片機(jī)再通過軟件將測速信號與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較， 從而決定電機(jī)轉(zhuǎn)速， 同時將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值送LED顯示。此外， 也可以通過設(shè)置鍵盤來設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速檢測裝置由霍爾傳感器組成， 并通過A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號， 再以脈沖形式傳給單片機(jī)。這種設(shè)計(jì)方法具有頻率響應(yīng)高（響應(yīng)頻率達(dá)20 kHz以上）、輸出幅值不變、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其中霍爾傳感器輸入為脈沖信號， 十分容易與微處理器相連接， 也便于實(shí)現(xiàn)信號的分析處理。單片機(jī)的T0口可對該脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。

設(shè)計(jì)時， 可通過單片機(jī)的P0.1～P0.5 五個接口來完成鍵盤的輸入， P1.6口可完成鳴叫和報(bào)警， P2.0接電機(jī)， P2.1～P2.4接顯示器的位選， P0口為顯示器段選碼， 其硬件連接電路如圖2所示。

圖2 硬件連接電路圖。

本系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）原理是： 脈沖寬度調(diào)制波由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成， 其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。該系統(tǒng)由一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。脈沖信號如果大于鋸齒波信號， 比較器輸出正常數(shù)A， 否則輸出0。圖3所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制原理和波形圖。

圖3 脈寬調(diào)制過程。

設(shè)樣本τk為均勻脈沖信號， 它的第k個矩形脈沖可以表示為：

其中， x {t} 是離散化信號； Ts是采樣周期，τ0是未調(diào)制寬度， m是調(diào)制指數(shù)。現(xiàn)假設(shè)脈沖幅度為A， 中心在t=kTs處， τk在相鄰脈沖間變化緩慢， 那么， 其Xp （t） 可表示為：

其中，

為電機(jī)角速度，結(jié)合式（2） 可見， 脈沖寬度信號可由信號x （t）加上一個直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)τ0《

因此， 脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。C8051單片機(jī)有2個12位的電壓方式DAC， 每個DAC的輸出擺幅為0 V~VREF， 對應(yīng)的輸入碼范圍是0x000~0xFFF。通過交叉開關(guān)配置可將CEX0~CEX4 配置到P2 端口， 這樣， 改變PWM的占空比就可以調(diào)整電機(jī)速度。

LED顯示采用動態(tài)掃描方式， 并用單片機(jī)I/O接口擴(kuò)展輸出， 再由三極管驅(qū)動各顯示器的位選端并放大電流。獨(dú)立式按鍵采用查詢方式， 按鍵輸入均采用低有效， 上拉電阻可用于保證在按鍵斷開使其I/O口為高電平。單片機(jī)的I/O （P0.1~0.5）引腳所擴(kuò)展的5個按鍵分別定義為： 設(shè)置、啟動、移位、開始、＋1功能。硬件電路確定以后， 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的主要功能將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件程序的設(shè)計(jì)可分為5個步驟：

分別是綜合分析并確定算法； 設(shè)計(jì)程序流程圖；合理選擇和分配內(nèi)存單元以及工作寄存器； 編寫程序； 上機(jī)調(diào)試運(yùn)行程序。

應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)可采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 其優(yōu)點(diǎn)是每個模塊的程序結(jié)構(gòu)相對簡單， 且任務(wù)明確， 易于編寫、調(diào)試和修改； 其次是程序可讀性好， 對程序的修改可局部進(jìn)行， 而其他部分可以保持不變， 這樣便于功能擴(kuò)充和版本升級； 另外， 對于使用頻繁的子程序， 可以建立子程序庫， 以便于多個模塊調(diào)用； 最后是便于分工合作， 多個程序員可同時進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試工作， 故可加快軟件研制進(jìn)度。

本程序采用8051單片機(jī)的C語言編程來實(shí)現(xiàn)。

在系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中， 可采用模塊化編程實(shí)現(xiàn)。

整個軟件由主程序模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、動態(tài)顯示模塊等組成。各模塊均采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)， 因而具有較強(qiáng)的通用性； 而采用模塊化程序結(jié)構(gòu)則可使軟件易于調(diào)試、維護(hù)和移植。

系統(tǒng)軟件可根據(jù)硬件電路的功能與AT89C51各管腳的連接情況對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。以便明確各引腳所要完成的功能， 從而方便進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和內(nèi)存地址的分配， 最終完成程序模塊化設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)為直流電機(jī)測控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)性能要求， 除復(fù)位電路外， 還應(yīng)該設(shè)置一些功能鍵：

包括啟動鍵、設(shè)置鍵、確定鍵、移位鍵、加1鍵等。由于本系統(tǒng)中的單片機(jī)還有閑置的I/O口線，而系統(tǒng)要求所設(shè)置的按鍵數(shù)量也不多， 因此， 可以采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。

根據(jù)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 該電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為一簡單的應(yīng)用系統(tǒng)， 可以采用順序的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)由主程序和若干個中斷服務(wù)程序構(gòu)成， 整個電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)可分成六大模塊， 每個模塊完成一定的功能。圖4所示是根據(jù)電路圖確定的程序設(shè)計(jì)模塊圖。

圖4 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)模塊圖。

其中主程序模塊主要設(shè)置主程序的起始地址、中斷服務(wù)程序的起始地址、有關(guān)內(nèi)存單元及相關(guān)部件的初始化和一些子程序調(diào)用等。其主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖。

對于定時器T1 （1s） 子程序的設(shè)計(jì)， 其實(shí)在單片機(jī)中， 定時功能既可以由硬件（定時/計(jì)數(shù)器） 實(shí)現(xiàn)， 也可以通過軟件定時程序來實(shí)現(xiàn)。軟件延時程序要占用CPU的時間， 因而會降低CPU的利用率。而硬件定時則通過單片機(jī)內(nèi)的定時器來定時， 而且， 定時器啟動以后可與CPU并行工作， 故不占用CPU的時間， 從而可使CPU具有較高的工作效率。

本系統(tǒng)采用硬件定時和軟件定時并用的方式， 即用T1溢出中斷功能來實(shí)現(xiàn)10 ms定時， 而通過軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)1 ms定時。其中T1定時器中斷服務(wù)程序的功能主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速值的讀入、檢測與緩存處理。

對于定時器T1的計(jì)數(shù)初值計(jì)算， 由于本系統(tǒng)采用的是6 MHz的時鐘頻率， 所以， 一個機(jī)器周期時間是2 μs。這樣， 根據(jù)T1定時器產(chǎn)生500 μs的定時， 便可以計(jì)算出計(jì)數(shù)初值。

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的工作方式寄存器TMOD=00010000B， T1定時器以工作方式2來完成定時。

4 程序調(diào)試

程序調(diào)試可在偉福仿真軟件上進(jìn)行編制， 該軟件支持脫機(jī)運(yùn)行， 純軟件環(huán)境可模擬單步、跟蹤、全速、斷點(diǎn)； 源文件仿真、匯編等， 并可支持多文件混合編程。仿真調(diào)試后的目標(biāo)程序可以固化到EPROM， 然后用專門的程序燒寫器對89C51單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用C51進(jìn)行編程， 程序占用存儲器單元少， 執(zhí)行速度快， 并能夠準(zhǔn)確掌握執(zhí)行時間， 實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制。同時由于采用89C51為CPU，并利用噪聲抵抗能力較強(qiáng)的PWM控制技術(shù)、串行口擴(kuò)展顯示器接口和I/O口擴(kuò)展鍵盤， 因而可省去片外RAM， 而且體積小， 功能全， 小巧靈活，操作方便， 又可安裝在工作現(xiàn)場單獨(dú)工作。因而具有較大的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。