基于MCS-51單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：給出了一種基于89C51單片機(jī)以及PWM控制思想的高精度、高穩(wěn)定、多任務(wù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的硬件組成及關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、有效地對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測與控制，而且輸出轉(zhuǎn)速精度高、穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞：PWM；實(shí)時(shí)監(jiān)控；單片機(jī)；霍爾傳感器；轉(zhuǎn)速

0 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(shí)間較長，難以測得瞬時(shí)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(shí)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(dòng)報(bào)警。本系統(tǒng)同時(shí)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(shí)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(gè)數(shù)字I／O引腳，片內(nèi)含有VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)合理的方案，圖1所示是電機(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(dòng)電機(jī)，同時(shí)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(shí)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TO口可對該脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。
    設(shè)計(jì)時(shí)，可通過單片機(jī)的P0．1～P0．5五個(gè)接口來完成鍵盤的輸入，P1．6口可完成嗚叫和報(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。

    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(shí)采樣值成比例。該系統(tǒng)由一個(gè)比較器和一個(gè)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。

    設(shè)樣本τk為均勻脈沖信號，它的第k個(gè)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)?，F(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，，ωs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(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)τ0<<Ts時(shí)，相位調(diào)制部分所引起的信號交迭可以忽略。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(gè)12位的電壓方式DAC，每個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)按鍵分別定義為：設(shè)置、啟動(dòng)、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(gè)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(gè)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(gè)模塊調(diào)用；最后是便于分工合作，多個(gè)程序員可同時(shí)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(gè)軟件由主程序模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、動(dòng)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(dòng)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(gè)中斷服務(wù)程序構(gòu)成，整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)可分成六大模塊，每個(gè)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。

    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。

    對于定時(shí)器T1(1s)子程序的設(shè)計(jì)，其實(shí)在單片機(jī)中，定時(shí)功能既可以由硬件(定時(shí)／計(jì)數(shù)器)實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件定時(shí)程序來實(shí)現(xiàn)。軟
件延時(shí)程序要占用CPU的時(shí)間，因而會降低CPU的利用率。而硬件定時(shí)則通過單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器來定時(shí)，而且，定時(shí)器啟動(dòng)以后可與CPU并行工
作，故不占用CPU的時(shí)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(shí)和軟件定時(shí)并用的方式，即用T1溢出中斷功能來實(shí)現(xiàn)10ms定時(shí)，而通過軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)1 ms定時(shí)。其中T1定時(shí)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(shí)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(shí)鐘頻率，所以，一個(gè)機(jī)器周期時(shí)間是2μs。這樣，根據(jù)T1定時(shí)器產(chǎn)生500 μs的定時(shí)，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(shí)器以工作方式2來完成定時(shí)。

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(shí)間，實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制。同時(shí)由于采用89C51為CP-U，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。