基于ATmegal6單片機的通用電機控制裝置的設(shè)計

摘要：以ATmegal6單片機為控制核心，給出了利用主從兩片單片機來實現(xiàn)高效電機控制和人機接口，并通過單片機編程實現(xiàn)對多種交直流電機和步進電機的驅(qū)動控制，同時用RS232／485工業(yè)總線來將多個控制器連接成網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)電機的網(wǎng)絡(luò)化遠程控制的設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：單片機；電機控制；聯(lián)網(wǎng)通信

0 引言
    電機的驅(qū)動與控制是現(xiàn)代電子技術(shù)中一個重要的研究課題，不同種類的電動機需要有不同的控制和驅(qū)動方法。使用高性能單片機作為電機控制驅(qū)動裝置的核心，可以有效降低電機驅(qū)動器的成本，擴展應(yīng)用范圍，提高使用靈活性。
    ATmegal6單片機是ATMEL公司的一款高性能8位AVR單片機，它內(nèi)部帶有功能強大的可編程定時和計數(shù)單元，通過編程可以很容易地產(chǎn)生
各類交、直流電機以及步進電機的驅(qū)動波形，因此，利用這類功能強大的單片機作為電機控制器的核心，可以使控制器應(yīng)用更加靈活、應(yīng)用范圍更廣、維護成本更低。本文設(shè)計出的電機通用控制裝置功能齊全，其液晶顯示裝置和按鍵可以控制并顯示電機的運行狀態(tài)，而數(shù)字化的溫度傳感器則能有效準確地監(jiān)控電機的運行溫度，RS485／232總線通信接口可以將多個控制器進行聯(lián)網(wǎng)。從而實現(xiàn)電機的智能化遠程控制。

1 電機控制及驅(qū)動電路設(shè)計
    圖l所示是一種通用電機控制裝置系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。其整個單片機系統(tǒng)以ATmegal6單片機為控制核心，其中從單片機和主單片機利用I2C總線進行通信。從單片機連接按鍵和液晶屏，可以實現(xiàn)人機接口的功能，這樣即可以為主單片機節(jié)約寶貴的I／O資源，又可以提高系統(tǒng)的運行效率。另外，DSl8820采用單總線結(jié)構(gòu)采集溫度，可以實現(xiàn)對電機溫度的監(jiān)控。

1．1 ATmegal6主控電路
    ATmegal6單片機具有3個PWM功能的定時器／計數(shù)器T／C0、T／Cl和T／C2，其中T／C0和T／C2是兩個8位的定時器／計數(shù)器，而T／Cl是16位具有輸入捕獲功能的定時器／計數(shù)器。
    本系統(tǒng)的主控單片機電路如圖2所示。它以megal6單片機為核心，配有外圍復位電路和振蕩器電路，單片機所有I／0都可獨立引出，以便與外部電路的連接和擴展。

1．2 電機溫度監(jiān)測電路
    電機的表面溫度是衡量電機是否在安全狀態(tài)下工作的一個重要指標。本系統(tǒng)的電機溫度監(jiān)測電路利用美國DALLAS半導體公司推出的單總線數(shù)字化測溫集成電路DSl8820來實現(xiàn)。該數(shù)字化傳感器具有很寬的測溫范圍(-55℃～+125℃)，工作時只需要三根引線，而且多只DSl8820可以并行連接，以實現(xiàn)對多個電動機的溫度監(jiān)控。
    系統(tǒng)工作時，DSl8820可把測得的溫度數(shù)據(jù)傳給單片機。如果超過用戶設(shè)定，系統(tǒng)還可執(zhí)行電機保護和報警等程序。電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖4所示是其溫度監(jiān)控電路。

1．3 鍵盤及LCD接口電路
    本系統(tǒng)的按鍵和LCD接口控制電路以單片機AT89S51為核心，該電路使用I2C總線與主單片機進行通信。利用這種主從單片機分離的設(shè)計可將一些大量占用IO端口資源的低速設(shè)備進行集中管理，從而為主單片機節(jié)約硬件資源和程序開銷，提高系統(tǒng)的使用靈活性和運行效率。其LCD顯示和鍵盤處理電路如圖5所示。

1．4 RS-232／485通信電路
    為了適應(yīng)電機控制的網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，本電機控制器帶有RS232／RS485數(shù)據(jù)接口。用戶利用這兩種總線接口可以方便地將多個電機控制器連接成網(wǎng)，以方便電機系統(tǒng)的集中化管理。RS485接口電路使用收發(fā)控制的“透明化”管理，MAX485芯片的收發(fā)切換由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)電路自動完成，當單片機需要向RS485總線傳輸數(shù)據(jù)時，NE555可自動將MAX485切換至發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳送完畢后，MAX485又將恢復至接收狀態(tài)。RS-232／485總線驅(qū)動電路如圖6所示。

1．5 電機驅(qū)動電路
    本控制器的驅(qū)動部分使用凌陽SPGT62C19B電機驅(qū)動芯片來實現(xiàn)對直流電機和步進電機的驅(qū)動。SPGT62C19B是低電壓單片式步進電機驅(qū)動
器集成電路芯片，其輸出電壓可達40 V，輸出電流可達750mA。設(shè)計時，可由輸入的邏輯電平來決定輸出脈沖的寬度及頻率。由該芯片組成的電機驅(qū)動系統(tǒng)將脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、脈沖放大器合為一體，故可省去很多外圍器件。與其它部件一樣，主控電路也被設(shè)計成為一個獨立的模塊．以方便更換，而且該模塊還可用于別的場合。其電機驅(qū)動電路圖如圖7所示。
1．6 轉(zhuǎn)速測量電路
    轉(zhuǎn)速測量可采用一組鼠標上用的紅外對管來實現(xiàn)，其電路原理如圖8所示。當紅外發(fā)射管與紅外接收管之間被直流電機光柵轉(zhuǎn)盤的不透明部分遮擋時，紅外接收管處于截止狀態(tài)，此時圖中的SPEED輸出高電平。反之，當光柵轉(zhuǎn)盤的通光槽轉(zhuǎn)至紅外對管之間時，紅外接收管處于導通狀態(tài)，此時SPEED輸出低電平。這樣，將SPEED連接到單片機的I／O口，即可通過定時計數(shù)的方法計算出電機的轉(zhuǎn)動速度。

2 單片機程序設(shè)計
2．1 主程序
    本驅(qū)動器的程序設(shè)計使用模塊化編程思想，其主程序用于完成對各子程序的調(diào)用。系統(tǒng)工作后，首先調(diào)用初始化子程序，以完成具有復用功能的I／0腳的選擇和設(shè)置、各種中斷功能的選擇及其設(shè)置、AT89S51和ATmegal6的初始化、中斷屏蔽寄存器的設(shè)置、中斷寄存器的清零、系統(tǒng)變量的初始化等，最后完成開中斷。初始化完成之后，系統(tǒng)將調(diào)用驅(qū)動程序，并完成系統(tǒng)的起動。系統(tǒng)起動之后，即進入正常運行狀態(tài)。系統(tǒng)的全部運行過程均可由鍵盤進行實時控制和調(diào)節(jié)。
2．2 初始化程序
    系統(tǒng)的初始化程序流程圖如圖9所示。該程序中包括LCD顯示器、鍵盤等人機接口部分的初始化。主要功能是對具有復用功能引腳的選擇和設(shè)置，以及各種中斷功能的選擇及設(shè)置(如外部鍵盤的中斷選擇等)，同時包括AT89S5l的初始化、鍵盤的方式選擇、工作時間的確定、顯示方式的設(shè)定等。而系統(tǒng)變量的初始化包括溫度的設(shè)定，轉(zhuǎn)速初值的設(shè)定等。

2．3 控制程序
    系統(tǒng)起動后即進入控制程序?？刂瞥绦蚴窍到y(tǒng)程序的主要部分，主要用來保證系統(tǒng)在給定的轉(zhuǎn)速下正常運行，該程序主要調(diào)節(jié)單片機PWM口的占空比，從而調(diào)節(jié)電機繞組兩端的平均電壓，達到調(diào)速的目的，其控制程序流程如圖10所示。

3 結(jié)束語
    本設(shè)計實現(xiàn)了一種以ATmega16單片機為核心的電機控制裝置。該裝置具有各類電機驅(qū)動脈沖的輸出、電機溫度監(jiān)測與保護、人機操作界面和長距離工業(yè)總線通信等功能。利用AVR單片機具備的軟硬件特點，可實現(xiàn)對多種電機的驅(qū)動與控制，以用于電機驅(qū)動研究、網(wǎng)絡(luò)化電機集中控制等領(lǐng)域。由于該控制器采用主從單片機設(shè)計，系統(tǒng)的運行得以很好地分工，其中從單片機實現(xiàn)低速人際交互，主單片機則實現(xiàn)高速的電機驅(qū)動與控制，主從單片機各司其職，故可使系統(tǒng)的運行效率達到最高。本電機控制裝置的架構(gòu)開放，使用靈活，可以很好地應(yīng)用于直流電機的調(diào)速控制，交流電機的變頻驅(qū)動，步進電機的步距細分等多種電機驅(qū)動和控制領(lǐng)域。