基于ATmegal6單片機(jī)的通用電機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)

摘要：以ATmegal6單片機(jī)為控制核心，給出了利用主從兩片單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效電機(jī)控制和人機(jī)接口，并通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)多種交直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)用RS232/485工業(yè)總線來(lái)將多個(gè)控制器連接成網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制的設(shè)計(jì)方法。

0 引言

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制是現(xiàn)代電子技術(shù)中一個(gè)重要的研究課題，不同種類的電動(dòng)機(jī)需要有不同的控制和驅(qū)動(dòng)方法。使用高性能單片機(jī)作為電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)裝置的核心，可以有效降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的成本，擴(kuò)展應(yīng)用范圍，提高使用靈活性。

ATmegal6單片機(jī)是ATMEL公司的一款高性能8位AVR單片機(jī)，它內(nèi)部帶有功能強(qiáng)大的可編程定時(shí)和計(jì)數(shù)單元，通過(guò)編程可以很容易地產(chǎn)生各類交、直流電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)波形，因此，利用這類功能強(qiáng)大的單片機(jī)作為電機(jī)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(hù)成本更低。本文設(shè)計(jì)出的電機(jī)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而數(shù)字化的溫度傳感器則能有效準(zhǔn)確地監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行溫度，RS485/232總線通信接口可以將多個(gè)控制器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能化遠(yuǎn)程控制。

1 電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖l所示是一種通用電機(jī)控制裝置系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。其整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)以ATmegal6單片機(jī)為控制核心，其中從單片機(jī)和主單片機(jī)利用I2C總線進(jìn)行通信。從單片機(jī)連接按鍵和液晶屏，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口的功能，這樣即可以為主單片機(jī)節(jié)約寶貴的I/O資源，又可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。另外，DSl8820采用單總線結(jié)構(gòu)采集溫度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫度的監(jiān)控。

1.1 ATmegal6主控電路

ATmegal6單片機(jī)具有3個(gè)PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C0、T/Cl和T/C2，其中T/C0和T/C2是兩個(gè)8位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，而T/Cl是16位具有輸入捕獲功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

本系統(tǒng)的主控單片機(jī)電路如圖2所示。它以megal6單片機(jī)為核心，配有外圍復(fù)位電路和振蕩器電路，單片機(jī)所有I/0都可獨(dú)立引出，以便與外部電路的連接和擴(kuò)展。

1.2 電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)電路

電機(jī)的表面溫度是衡量電機(jī)是否在安全狀態(tài)下工作的一個(gè)重要指標(biāo)。本系統(tǒng)的電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)電路利用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的單總線數(shù)字化測(cè)溫集成電路DSl8820來(lái)實(shí)現(xiàn)。該數(shù)字化傳感器具有很寬的測(cè)溫范圍(-55℃～+125℃)，工作時(shí)只需要三根引線，而且多只DSl8820可以并行連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電動(dòng)機(jī)的溫度監(jiān)控。

系統(tǒng)工作時(shí)，DSl8820可把測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。如果超過(guò)用戶設(shè)定，系統(tǒng)還可執(zhí)行電機(jī)保護(hù)和報(bào)警等程序。電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)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(jī)AT89S51為核心，該電路使用I2C總線與主單片機(jī)進(jìn)行通信。利用這種主從單片機(jī)分離的設(shè)計(jì)可將一些大量占用IO端口資源的低速設(shè)備進(jìn)行集中管理，從而為主單片機(jī)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(yùn)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(jī)控制的網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，本電機(jī)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(gè)電機(jī)控制器連接成網(wǎng)，以方便電機(jī)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(dòng)完成，當(dāng)單片機(jī)需要向RS485總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，NE555可自動(dòng)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(fù)至接收狀態(tài)。RS-232/485總線驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本控制器的驅(qū)動(dòng)部分使用凌陽(yáng)SPGT62C19B電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。SPGT62C19B是低電壓?jiǎn)纹讲竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

器集成電路芯片，其輸出電壓可達(dá)40 V，輸出電流可達(dá)750mA。設(shè)計(jì)時(shí)，可由輸入的邏輯電平來(lái)決定輸出脈沖的寬度及頻率。由該芯片組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)成為一個(gè)獨(dú)立的模塊.以方便更換，而且該模塊還可用于別的場(chǎng)合。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖7所示。

1.6 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路

轉(zhuǎn)速測(cè)量可采用一組鼠標(biāo)上用的紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路原理如圖8所示。當(dāng)紅外發(fā)射管與紅外接收管之間被直流電機(jī)光柵轉(zhuǎn)盤的不透明部分遮擋時(shí)，紅外接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)圖中的SPEED輸出高電平。反之，當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤的通光槽轉(zhuǎn)至紅外對(duì)管之間時(shí)，紅外接收管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)SPEED輸出低電平。這樣，將SPEED連接到單片機(jī)的I/O口，即可通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)的方法計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

2.1 主程序

本驅(qū)動(dòng)器的程序設(shè)計(jì)使用模塊化編程思想，其主程序用于完成對(duì)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(fù)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(dòng)程序，并完成系統(tǒng)的起動(dòng)。系統(tǒng)起動(dòng)之后，即進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的全部運(yùn)行過(guò)程均可由鍵盤進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)接口部分的初始化。主要功能是對(duì)具有復(fù)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(shí)包括AT89S5l的初始化、鍵盤的方式選擇、工作時(shí)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(dòng)后即進(jìn)入控制程序?？刂瞥绦蚴窍到y(tǒng)程序的主要部分，主要用來(lái)保證系統(tǒng)在給定的轉(zhuǎn)速下正常運(yùn)行，該程序主要調(diào)節(jié)單片機(jī)PWM口的占空比，從而調(diào)節(jié)電機(jī)繞組兩端的平均電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，其控制程序流程如圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以ATmega16單片機(jī)為核心的電機(jī)控制裝置。該裝置具有各類電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出、電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)與保護(hù)、人機(jī)操作界面和長(zhǎng)距離工業(yè)總線通信等功能。利用AVR單片機(jī)具備的軟硬件特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制，以用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究、網(wǎng)絡(luò)化電機(jī)集中控制等領(lǐng)域。由于該控制器采用主從單片機(jī)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的運(yùn)行得以很好地分工，其中從單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低速人際交互，主單片機(jī)則實(shí)現(xiàn)高速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制，主從單片機(jī)各司其職，故可使系統(tǒng)的運(yùn)行效率達(dá)到最高。本電機(jī)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(jī)的調(diào)速控制，交流電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的步距細(xì)分等多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制領(lǐng)域。