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1、1电机驱动控制系统摘要由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用 电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。随着单片机应用技 术水平不断提高，目前 单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行 维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、 较大的启动转矩和过载 能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量 应用。近年来，直流电动 机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着 计算机进入控制领域以及新型的 电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关
2、功率元件 进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称 PWM）已成为直流电机新的 调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行 稳定、 动态 性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在 单片机控制系 统中实现，因此具有很好的发展前景。本设计为单片机控制直流电机，以 AT89C51 单片机为核心，采用了 PWM 技术对电机进行控制，通 过对占空比的计算达到精确调速的目的。由键盘 控制电动机执行启停、速度和方向等各种功能，用红外对管测量电机的实际转速，并通 过 1602 液晶显示出控制效果。设计上， 键盘输入采用阵列式输入，用 4*4 的矩阵键盘形式， 这样 可
3、以有效的减少 对单片机 I/O 口的占用。2关键词：AT89C51 PWM 电机 测速一、硬件设计1、总体设计AT89C511602 液晶显示模块4*4 矩阵键盘模块L298 电机驱动模块电源模块红外对管测速模块直流电机32、硬件采用模块化设计12.1 单片机模块a 时钟电路此系统采用内部时钟方式，其原理图如图 4 所示。MCS-51 单片机允许的晶振可在 1.224MHz 之间选择，此系统选 12MHz。则一个机器周期为 1s 。C3 、C4 大小为 30pF。V CC 40G N D20RST9X 1 19X 2 18P SEN29A LE30P 0.0/A D 0 39P 0.1/A D
4、 1 38P 0.2/A D 2 37P 0.3/A D 3 36P 0.4/A D 4 35P 0.5/A D 5 34P 0.6/A D 6 33P 0.7/A D 7 32P 1.0/T21P 1.1/T2EX2P 1.23P 1.34P 1.4/IN T25P 1.5/IN T36P 1.6/IN T47P 1.7/IN T58P 2.0/A 8 21P 2.1/A 9 22P 2.2/A 10 23P 2.3/A 11 24P 2.4/A 12 25P 2.5/A 13 26P 2.6/A 14 27P 2.7/A 15 28P 3.0/RX D 010P 3.1/TX D 011P
5、 3.2/IN T012P 3.3/IN T113P 3.4/T014P 3.5/T115P 3.6/W R16P 3.7/RD17EA31U 1D S80C51V REF 8RFB 9G N D10IO U T1 11IO U T2 12D I713D I614D I515D I416D I07CS1W R12G N D3D I34D I25D I16X FER17W R218ILE19V D D 20U 2D A C0832LCJA -+B1仪 仪 仪 仪f2g11e7d8A 3c10D P6b13a1A 14N C 9D S15082-7610f2g11e7d8A 3c10D P6b13
6、a1A 14N C 9D S25082-7610f2g11e7d8A 3c10D P6b13a1A 14N C 9D S35082-7610f2g11e7d8A 3c10D P6b13a1A 14N C 9D S45082-7610P A 31P A 22P A 13P A 04P B018P B119P B220P B321P B422P B523P B624P B725P C014P C115P C216P C317P C418P C519P C620P C721P A 440P A 539P A 638P A 737D 0 34D 1 33D 2 32D 3 31D 4 30D 5 29
7、D 6 28D 7 27RD 5W R 36A 1 8A 0 9RESET 35CS 6U 4825512345678161514131211109R52k+ 512U 5ASN 7404N34U 5BSN 7404N56U 5CSN 7404N89U 5DSN 7404N12Y 1X TA LC330pFC430pFS1S2S3S4 S5 S6S7 S8 S9S10 S11 S12R8+ 510uf+ 52k10kSw itch121312U 3AD M 74LS11M+ 5+ 5231A411U 6ALM 324A D567B411U 6BLM 324A D+ 12-12R65kR810k
8、R710kR910kR10300R11300+ 12+ 12-12Q 18050Q 28550+ 5+ 5V CCu7B仪 仪 仪 仪 仪 仪 仪V CC图 4.1 内部时钟方式的时钟电路b复位电路此系统复位电路采用上电按钮复位电路，如图 5 所示。复位端高电平有效。C 的典型值为 10F。当按下开关一定时间，电容相当于短路，电容开始充电，RST 为高电平，单片机复位，当电容两端电压等于 5V 时，RST 呈现低电平，复位完成。4VCC 40GND20RST9X1 19X2 18PSEN29ALE30P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0.
9、4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 33P0.7/AD7 32P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.4/INT25P1.5/INT36P1.6/INT47P1.7/INT58P2.0/A8 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A15 28P3.0/RXD010P3.1/TXD011P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/W R16P3.7/RD17EA31U1MCS-51VREF 8RFB 9G
10、ND10IOUT1 11IOUT2 12DI713DI614DI515DI416DI07CS1W R12GND3DI34DI25DI16XFER17W R218ILE19VDD 20U2DAC0832LCJA -+B1仪 仪 仪 仪f2g11e7d8A 3c10DP6b13a1A 14NC 9DS15082-7610f2g11e7d8A 3c10DP6b13a1A 14NC 9DS25082-7610f2g11e7d8A 3c10DP6b13a1A 14NC 9DS35082-7610f2g11e7d8A 3c10DP6b13a1A 14NC 9DS45082-7610123456781615
11、14131211109R52k+512U5ASN7404N34U5BSN7404N56U5CSN7404N89U5DSN7404N12Y1XTALC330pFC430pFS1S2S3S4 S5 S6S7 S8 S9S10 S11 S12R8+510uf+52k10kSwitch+5+5231A411U6ALM324AD567B411U6BLM324AD+12-12R65kR810kR710kR910kR10300R11300+12+12-12Q18050Q28550+5+5VCCu7B仪 仪 仪 仪 仪 仪 仪VCC图 4.2 上电按钮复位电路1.2.2 1602 液晶显示模块本模块实现了转速
12、等显示功能。D：方向；占空比；预设转速；实测速度；1.2.3 键盘模块根据实验要求，需由按键完成对直流电机的控制功能，并经分析得出需要 16 个按键，为节省 I/O 口并配合软件设计，此模块使用了 4*4 的矩阵模式。并通过 P1 口与主机相连。1.2.4 PWM 驱动电路模 块设计与比较方案一：5电机驱动电路采用“H”桥电路来驱动， H 桥电路主要由三极管搭建而成。通过控制三极管的的流通方向进而实现对电机转向的控制，由于 51 单片机输出端口电压不够大，所以采用 H 桥电路还需要加光耦隔离器。方案二：直接使用一片 L298 驱动直流电机。由于 H 桥电路中使用较多的三极管，会受到三级管的不稳
13、定影响且三极管使用不当易烧坏，整个电路连接比较复杂。因为一片 L298 可以同时控制两个直流电机且使用比较方便，故选择方案二。PWM 驱动电路如下图：1.2.5 电机测速模块设计与比较方案一：用霍尔元件测量电机转速。霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。将一块永久磁钢固定在直流电机转轴上的转盘边沿，转盘随转轴旋转，磁钢也跟着同步旋转。在转盘附近安装一个霍尔开关传感器，当转盘随转轴同步旋转时，受磁钢产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，器脉冲信号的频率和转速成正比。这样只要测出脉冲信号的频率或者周期即可求出直流电机的转速。方案二：
14、采用光电编码器。其工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路码盘等做成一个整体，只要用联轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得输出信号。方案三：用透射式光电对管测量电机转速。基本原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。当不透光的物理挡住发射与接收 之间的间隙时，开关关关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。若叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。由于使用霍尔传感器和光电编码器价格昂贵，因此我们采用光电对6管测量电机转速。其具体电路图如下图所示：二、软件设计2.1 键盘程序按键的程序方面，主要是一个消抖动程序和，消抖
15、动程序是非常有必要的，因为在平时没有按下键的时候，有可能会从电源或者其他地方突然产生一个尖峰电压，打在单片机检测按键的 I/O 口上，令单片机误以为有键按下了；或者是当人按下按键时候，如果手抖动，就会引起按键的接触不良，从而可能在很短时间内通-断多次，而导致单片机的处理错误。2.2 PWM 程序因为电机调速是本次设计的最主要任务之一，所以 PWM 程序也是程序中最重要的一环。PWM 的调速原理是通过调节一个斩波周期中的脉冲占空比来调节电机功率而达到调速目的。PWM 调速子程序是放在定时器0 中断中进行的。2.3 测速程序测速是本设计的另外一个重点。本设计中测速系统的工作原理为：利用电机轴上带的
16、圆盘的缺口，引起光电开关产生高电平脉冲，单片机就采集此脉冲的宽度，加以计算，得出其实时速度。具体实现如下：平时缺口不在光电开关处时，光电开关处于断开状态，输入到单片机口电平为低，当圆盘缺口的其中一边刚运转到令光电开关接通时，单片机 INT1 口电平跳变为高，此时计数器 1 以内部时钟信号为周期开始计数，然后当圆盘转到缺口的另外一边刚好令光电开关断开时，单片机 INT1 口产生一个下降沿信号，计数停止，并进入 INT1 中断子程序，在中断里把脉冲宽度转存出来并经过运算，就可得出实时速度值。所以，测速程序得用到一个外部中断 INT1，以及一个计数器 1。2.4 软件流程图主程序流程图 外部中断 0 服务程序7lcd 初始化定时器 0 初始化否有键按下？跳到各按键子相应的服务程序执行调用 lcd显示是 否EX0=0，关外部中断 0脉冲计数pulse_count 加 1EX1=1，开外部中断 0定时器 0 服务程序： 定时器 1 服务程序：nt
