基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

(四川文化傳媒學(xué)院五年一貫制校區(qū) 四川 成都 611700)

基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

劉春梅

(四川文化傳媒學(xué)院五年一貫制校區(qū) 四川 成都 611700)

利用單片機(jī)和電子技術(shù)等方面的知識(shí)，通過(guò)C語(yǔ)言編程，使 STC系列單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生不同頻率、不同占空比的PWM信號(hào)，由單片機(jī)的I/O口輸出，去控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向控制的目的。

單片機(jī)；PWM；信號(hào)；轉(zhuǎn)速 ；轉(zhuǎn)向

電機(jī)為運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，無(wú)論旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還是直線運(yùn)動(dòng)，電機(jī)在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面發(fā)揮著重要作用。與氣壓或液壓系統(tǒng)相比，電機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)更加清潔和高效。因此高效的電機(jī)控制技術(shù)顯得尤為重要，近年來(lái)，隨著脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)控制技術(shù)正朝著數(shù)字化智能化的方向發(fā)展，因此脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是較優(yōu)越的電機(jī)控制技術(shù)。

一、 設(shè)計(jì)的總體任務(wù)和要求

(一)設(shè)計(jì)單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，利用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的產(chǎn)生，對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制。

(二)采用單片機(jī)的編程技術(shù)設(shè)計(jì)并產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)需外接D/A轉(zhuǎn)換器，使控制電路大大簡(jiǎn)化，控制方式簡(jiǎn)潔，控制精度高、控制效果好。

二、直流電機(jī)PWM調(diào)速原理

在脈沖作用下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電時(shí)，速度增加；電動(dòng)機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律改變通、斷電時(shí)間，即可使電動(dòng)機(jī)速度達(dá)到一定的穩(wěn)定性。

設(shè)電動(dòng)機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時(shí)其轉(zhuǎn)速為最大Vmax，占空比D=t1/T，如圖1所示，則電動(dòng)機(jī)的平均速度為

Vd=VmaxD

(公式一)

式中:Vd——電動(dòng)機(jī)的平均速度； Vmax——電動(dòng)機(jī)全通電時(shí)的速度(最大)； D=t1/T——占空比。

圖1 脈沖信號(hào)

三、硬件系統(tǒng)組成

(一) 總體框圖

圖2 總體框圖

如圖2所示，硬件系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵模塊、1602液晶顯示模塊、LED指示模塊組成。

(二) 各模塊電路說(shuō)明

1、 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC系列是單片機(jī)是一款高性價(jià)比的單片機(jī)，它雖然功能強(qiáng)大，但要想完成其強(qiáng)大的功能，單靠它也是不行的。因此要讓單片機(jī)運(yùn)行起來(lái)，就要?jiǎng)?chuàng)設(shè)單片機(jī)工作的環(huán)境，即單片機(jī)的最小系統(tǒng)，它包括振蕩電路、復(fù)位電路、電源電路。

2、 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)芯片比較常見(jiàn)的是15腳Multiwatt封裝的L298N，如圖2所示，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。表1是L298N邏輯功能。

表1 L298N功能模塊

3、 按鍵模塊及功能

表2 按鍵功能表

4、 液晶顯示模塊

1602液晶主要用于顯示直流小電機(jī)的速度等級(jí)及電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

5、LED指示模塊及功能

表3 指示模塊及功能

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式及控制寄存器的設(shè)置

1、選用T0和T1作為產(chǎn)生脈沖用的定時(shí)器并且使它們工作在模式1(定時(shí)模式)下。在模式1中，寄存器TH0、TH1和TL0、TL1以全8位參與操作，構(gòu)成16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng)TH0(TH1)溢出時(shí)向中斷標(biāo)志位TF0(TF1)進(jìn)位，并申請(qǐng)中斷。在這種模式下T0(T1)定時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)，有利于在更大的范圍內(nèi)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

2、工作模式寄存器TMOD。如表4所示：

表4定時(shí)器工作模式寄存器TMOD

TMOD的高4位用于T1，低4位用于T0，4種符號(hào)含義如下：

GATE：門控位。

C/T：定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式選擇位。C/T=0為定時(shí)器方式，C/T=1時(shí)為計(jì)數(shù)器方式。

M1M0：工作模式選擇位,具體如下：

M1M0=00：模式0(13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器)

M1M0=01：模式1(16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器)

M1M0=10：模式2(8位自動(dòng)重裝常數(shù)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器)

M1M0=11：模式3(2個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，僅對(duì)T0)

(二)定時(shí)/計(jì)數(shù)器常數(shù)的計(jì)算

定時(shí)/計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)器是在計(jì)數(shù)初值基礎(chǔ)上以加法計(jì)數(shù)的，并能在計(jì)數(shù)器從全“1”變?yōu)槿?”時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生溢出中斷請(qǐng)求。因此，可以把計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值設(shè)定為TC，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間T的計(jì)算公式為：

T=(M-TC)T計(jì)數(shù)

(公式二)

式中M為計(jì)數(shù)器模值，該值和計(jì)數(shù)器工作模式有關(guān)。在模式1時(shí)M為216。在定時(shí)器模式下，T計(jì)數(shù)是單片機(jī)振蕩周期的12倍。

上式也可寫成：TC=M-T/T計(jì)

(公式三)

在程序設(shè)計(jì)中工作模式為模式1，計(jì)數(shù)器模值M=216=65536；

則給定時(shí)器賦值：

TH0=(65535-T計(jì)數(shù))/256

(公式四)

TL0=(65535-T計(jì)數(shù))%256

(公式五)

(三)中斷控制

除特殊功能寄存器TCON和SCON中的某些位與中斷有關(guān)以外，還有一個(gè)特殊功能寄存器即中斷允許寄存器IE用來(lái)設(shè)定各個(gè)中斷源的打開(kāi)和關(guān)閉。其形式如表5所示：

表5 中斷允許寄存器IE

EA：CPU中斷允許位。

ES：串口中斷允許位。

ET0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器0中斷允許位。

以上各位等于1時(shí)，CPU開(kāi)放中斷；等于0時(shí)，CPU禁止該中斷。單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位后，IE中各位均被清零，即禁止所有中斷。程序中要開(kāi)T0或T1中斷則應(yīng)將ET0或ET1置1，另外如果要使用中斷EA也要置1。

五、總結(jié)

用單片機(jī)做開(kāi)發(fā)比模擬電路有明顯優(yōu)勢(shì)，即不用對(duì)電路有大改動(dòng)就可以適應(yīng)新的工作條件，升級(jí)也很方便，只需對(duì)CPU重新刷寫一次程序就可以了。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、經(jīng)濟(jì)、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，特別是其內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)資源豐富，有應(yīng)用價(jià)值。而且電路的可靠性比較高，功能也比較強(qiáng)大，可以隨時(shí)更新系統(tǒng)，進(jìn)行不同狀態(tài)的組合。但是實(shí)際應(yīng)用中單片機(jī)也有很多局限性，比如內(nèi)部存儲(chǔ)器容量不夠大，運(yùn)算速度不夠快，內(nèi)部輸出信號(hào)功率很小，因而要驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

[1]何立民，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)大全[J]，北京，北京航空航天大學(xué)出版社， 1994

[2]康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M]，高等教育出版社，2005.07