基于STC 微控制器的DC 電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王杰杰，龔光劍

（揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225009）

0 引言

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)直流電機(jī)的需求愈益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在現(xiàn)實(shí)的生活世界中，通常都是采用各種電機(jī)作為原生動(dòng)力去拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械，如機(jī)床、鼓風(fēng)機(jī)、傳送帶等。隨著智能和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求越來(lái)越高，對(duì)其精度和工作速度的要求也越來(lái)越高。電機(jī)一般需要達(dá)到快速起動(dòng)、制動(dòng)以及反轉(zhuǎn)，在大范圍內(nèi)可以精準(zhǔn)調(diào)速等基本要求。要完成這些任務(wù)，必須有智能控制設(shè)備來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)在信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)和智能控制方面也漸漸占據(jù)主導(dǎo)位置，特別是在智能儀器儀表和智能化控制領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。與此同時(shí)，電機(jī)在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中也越來(lái)越普遍，其中以直流電機(jī)最具有代表性，其擁有非一般的穩(wěn)定性和可控性。計(jì)算機(jī)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，將直流電機(jī)在控制方向的發(fā)展提升到了新的高度。但是，其調(diào)速問(wèn)題仍然具有一定的研究?jī)r(jià)值。一般情況下，DCS、PLC 等計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)受到青睞。但其成本卻較高，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)還不是很靈活，系統(tǒng)調(diào)試起來(lái)也相當(dāng)繁瑣，能量損耗巨大，這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)阻礙了直流電機(jī)控制技術(shù)的傳播和推廣。為此，有人便提出了采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制，以便將其結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化，降低其成本以節(jié)約資金，從系統(tǒng)方面更加凸顯智能化，提高系統(tǒng)本身的優(yōu)越性和科學(xué)性。

伴隨著數(shù)字集成電路、半導(dǎo)體器件、高精度集成芯片的發(fā)展，逐漸豐富了調(diào)速控制設(shè)計(jì)方法，眾所周知，直流電機(jī)具備較好的啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速等性能，目前在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM)技術(shù)已逐漸成為直流電機(jī)主流的調(diào)速方式，因其優(yōu)點(diǎn)突出，調(diào)速方式可靠、穩(wěn)定、實(shí)用，故被廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)速。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)

該電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)功能。主要由主控芯片、顯示模塊、調(diào)速模塊、測(cè)速模塊等相關(guān)模塊構(gòu)成。

硬件電路部分主要采用STC89C52 單片機(jī)[1]和霍爾傳感器等模塊組成。軟件方面的設(shè)計(jì)主要由可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速、測(cè)速的C 語(yǔ)言所編寫的程序構(gòu)成。按下自鎖開關(guān)，電路上電。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，單片機(jī)接收信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)H 橋電路模塊，來(lái)控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)占空比為50%，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，霍爾傳感器測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速，再將電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)傳送到LCD 并顯示。調(diào)節(jié)加速按鍵，增加占空比，電機(jī)加速，通過(guò)LCD 可以實(shí)時(shí)顯示，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大；反之，若調(diào)節(jié)減速按鈕，則占空比減小，電機(jī)減速，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速減小。同理，若按下反轉(zhuǎn)按鈕，則直流電機(jī)由正轉(zhuǎn)切換成反轉(zhuǎn)，加減速同正轉(zhuǎn)一致。若按下復(fù)位按鈕，則電路恢復(fù)原狀態(tài)，占空比恢復(fù)最初值50%，轉(zhuǎn)速為0r/min。亦可在按下啟動(dòng)按鈕前，預(yù)先設(shè)置好占空比。

直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

■1.2 各模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 主控芯片的選擇

STC89C52 性價(jià)比高、易于開發(fā)，支持多種應(yīng)用場(chǎng)景。考慮到STC89C52 廣泛的應(yīng)用，大范圍的高穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)燒寫壽命。根據(jù)系統(tǒng)需要選STC89C52 作為主控制芯片。

1.2.2 顯示模塊的選擇

LCD1602 顯示模塊是一種字符型液晶模塊，也是一種點(diǎn)陣型液晶模塊[2]。它最多可以在同一時(shí)間顯示32 個(gè)字符。LCD1602 可以顯示簡(jiǎn)單的阿拉伯?dāng)?shù)字，也可以顯示符號(hào)、字母。其由數(shù)個(gè)點(diǎn)陣字符位構(gòu)成，需顯示的字符與點(diǎn)陣字符位一一對(duì)應(yīng)，且每位每行之間都存有間隙。LCD1602 價(jià)格低廉，且顯示簡(jiǎn)潔清晰，體積小而輕便，便于攜帶學(xué)習(xí)，所以選LCD1602 作為顯示模塊。

1.2.3 調(diào)速控制模塊的選擇

本文采用由三極管組成的H 型PWM 電路。PWM 調(diào)制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高機(jī)器的可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性。在家用電器中，PWM 調(diào)制技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，如空調(diào)、風(fēng)扇、電動(dòng)工具等，可以實(shí)現(xiàn)電能的更加高效利用。

1.2.4 測(cè)速傳感器的選擇

眾所周知，霍爾傳感器受環(huán)境因素影響較小，且更具有實(shí)用性。霍爾傳感器測(cè)速元件是基于霍爾效應(yīng)而制成的一種傳感器。本文所選用的A3144E 霍爾測(cè)速元件具備體積較小、靈敏度高、精確度高等優(yōu)良性能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路包括：STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、按鍵模塊、H 橋驅(qū)動(dòng)電路模塊、霍爾傳感器模塊、LCD1602顯示模塊。下面給出了各個(gè)模塊的功能特性以及硬件原理圖說(shuō)明。

■2.1 主控芯片

STC89C52 單片機(jī)是一款成熟穩(wěn)定、功能豐富的8 位單片機(jī)芯片。STC89C52 單片機(jī)具有高速、可擴(kuò)展性強(qiáng)、易于學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，是廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信設(shè)備等領(lǐng)域的理想選擇。STC89C52 單片機(jī)的各項(xiàng)特性如下：

（1)CPU 架構(gòu)：STC89C52 采用了Harvard 結(jié)構(gòu)，在指令和數(shù)據(jù)總線上采用分離存儲(chǔ)器構(gòu)造，可以實(shí)現(xiàn)并行處理指令和數(shù)據(jù)，提高了單片機(jī)的執(zhí)行效率。

（2)工作電壓：STC89C52 工作電壓為5V。

（3)總線速度：STC89C52 最大總線速度支持33MHz。

（4)存儲(chǔ)器：STC89C52 具有8KB 的閃存存儲(chǔ)器和256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其中，閃存存儲(chǔ)器可以進(jìn)行擦寫和編程，用于存儲(chǔ)程序代碼、數(shù)據(jù)、變量等信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)中間結(jié)果、臨時(shí)變量等數(shù)據(jù)。

（5)外設(shè)：STC89C52 具有20 個(gè)數(shù)字I/O 口、3 個(gè)計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)串行通信接口等外設(shè)。其中，數(shù)字I/O口可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能；計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、PWM 等功能；串行通信接口可以與其他設(shè)備進(jìn)行串行通信。

（6)中斷：STC89C52 有5 個(gè)可編程中斷源，包括EXT、EXT1、TIMER、TIMER1 和TIMER2。中斷可以提高單片機(jī)的執(zhí)行效率，使單片機(jī)可以異步響應(yīng)外界事件。

（7)電源管理：STC89C52 采用了低功耗設(shè)計(jì)，支持多種節(jié)能模式。同時(shí)，STC89C52 還具有自動(dòng)切換電源、保護(hù)逆變器等保護(hù)功能。

（8)兼容性：STC89C52 可以使用STC-ISP 下載器進(jìn)行程序下載、擦寫等操作，同時(shí)還支持KEIL、IAR 等多個(gè)開發(fā)環(huán)境，方便開發(fā)者進(jìn)行編程和調(diào)試。

單片機(jī)最小系統(tǒng)，或稱最小應(yīng)用系統(tǒng)，一般指用最少的元器件組成的以單片機(jī)為核心的工作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由STC89C52 單片機(jī)核心芯片、晶振電路、復(fù)位電路組成[3]。STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

■2.2 PWM 信號(hào)發(fā)生電路模塊

2.2.1 PWM 調(diào)制的基本原理

本文采用PWM（Pulse Width Modulation)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。PWM 調(diào)速技術(shù)的原理是通過(guò)開關(guān)器件（如晶閘管、MOS 管等)控制輸出電壓的占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在PWM 信號(hào)周期內(nèi)，將電源電壓分成若干個(gè)等分的區(qū)間，開關(guān)器件接通時(shí)，輸出電壓等于電源電壓，關(guān)斷時(shí)輸出電壓等于零。在每個(gè)周期中，開關(guān)器件的狀態(tài)變化次數(shù)稱為調(diào)制頻率，占空比則是開關(guān)器件通斷時(shí)間比例。使電路中的三極管受控于單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其占空比的狀態(tài)進(jìn)行控制，從而可靠地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖3 所示。

圖3 PWM 控制示意圖

電機(jī)兩端可得到如圖4 所示的波形。電壓平均值為：

圖4 PWM 控制產(chǎn)生的波形圖

式中：ton—開關(guān)接通時(shí)間；T—開關(guān)通斷周期；?—占空比，

由上式可見：通過(guò)改變開關(guān)接通時(shí)間ton和開關(guān)通斷周期T 之間的比值，使占空比發(fā)生改變。產(chǎn)生的波形如圖4所示。

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理與分析

PWM 驅(qū)動(dòng)電路模塊是由4 個(gè)三極管組成，稱之為“H 橋”驅(qū)動(dòng)電路。電路中三極管的開關(guān)狀態(tài)受控于單片機(jī)，其占空比是可調(diào)的，從而直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)[4]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2.3 H 橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案

H 橋式驅(qū)動(dòng)電路主要由二極管、三極管、直流電機(jī)組成，如圖6 所示，為了調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，只能給對(duì)角線上的一對(duì)三極管通電。這樣，因不同三極管對(duì)通電的方式不同，流過(guò)電機(jī)的電流方向就不同，從而電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向得到改變。其中，NPN 型的三極管（Q1、Q2、Q3、Q6)輸入高電平時(shí)導(dǎo)通，PNP 型的三極管（Q4、Q5)輸入低電平時(shí)導(dǎo)通。

圖6 H 橋驅(qū)動(dòng)電路模塊原理圖

PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端分別接單片機(jī)的P34和P37，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生的高低電平來(lái)控制晶體管的導(dǎo)通或截止。當(dāng)Q1 和Q2 都導(dǎo)通或截止時(shí)，電機(jī)兩端都接GND或Vcc，兩端不能形成電壓降，所以電機(jī)不工作。那么，只有當(dāng)Q1 和Q2 處于不同的狀態(tài)時(shí)，才能使電機(jī)正常工作，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)功能。

■2.3 霍爾元件電路模塊

2.3.1 霍爾傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

霍爾傳感器元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是它能夠?qū)崿F(xiàn)精確、無(wú)接觸、高清晰度的測(cè)量。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 霍爾元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3.2 霍爾元件模塊原理圖

霍爾傳感器有三個(gè)引腳，在具體電路中，1 號(hào)引腳接Vcc，2 號(hào)引腳接GND，3號(hào)引腳接單片機(jī)P3.3口，即 口。如圖8 所示。

圖8 霍爾測(cè)速模塊

2.3.3 霍爾傳感器測(cè)量原理

對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定，我們采用霍爾傳感器測(cè)速的方式進(jìn)行測(cè)量。霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器，可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)方向、電流、電壓等物理量。我們可以通過(guò)計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的換算。其基本的測(cè)量原理如圖9 所示。

圖9 霍爾器件測(cè)速原理

■2.4 LCD 顯示模塊

LCD1602 模塊的原理圖如圖10 所示，引腳說(shuō)明如表1所示。

表1 LCD1602引腳說(shuō)明

圖10 LCD1602 模塊原理圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：按鍵處理程序、定時(shí)中斷程序和PWM 信號(hào)產(chǎn)生模塊程序。

■3.1 主程序設(shè)計(jì)流程圖

單片機(jī)控制電機(jī)的過(guò)程涉及硬件接口的配置、按鍵程序的設(shè)計(jì)、PWM 信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)等多個(gè)方面[5]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)主程序流程圖

■3.2 按鍵程序設(shè)計(jì)流程圖

首先，進(jìn)行的是數(shù)據(jù)初始化，然后判斷是否按鍵按下，通過(guò)檢測(cè)按鍵是否按下的情況，來(lái)反映電機(jī)參數(shù)的變化。按鍵程序流程圖如圖12 所示。

圖12 按鍵程序流程圖

■3.3 PWM 信號(hào)發(fā)生程序設(shè)計(jì)流程圖

PWM 信號(hào)產(chǎn)生的方式是通過(guò)控制按鍵電路來(lái)調(diào)節(jié)占空比。脈寬調(diào)制流程圖如圖13 所示。

圖13 脈寬調(diào)制流程圖

■3.4 LCD1602 顯示程序流程圖

LCD1602 液晶顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示占空比、電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)重要參數(shù)。LCD1602 顯示程序流程圖如圖14 所示。

圖14 LCD1602 顯示程序流程圖

4 結(jié)果調(diào)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)按鍵，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)。

霍爾測(cè)速：可以實(shí)現(xiàn)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下測(cè)出電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

顯示：可以顯示出電機(jī)的轉(zhuǎn)速及占空比。

運(yùn)行結(jié)果如下所示：

（1)當(dāng)接上電源后，打開總開關(guān)后，LCD 工作正常，顯示最初占空比為50%。實(shí)物圖如圖15 所示。

圖15 初始狀態(tài)圖

（2)當(dāng)按下啟停按鍵后，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，LCD 顯示對(duì)應(yīng)的占空比和轉(zhuǎn)速。實(shí)物圖如圖16 所示。

圖16 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圖

（3)當(dāng)增大占空比時(shí)，電機(jī)加速。實(shí)物圖如圖17 所示。

圖17 電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)圖

（4)當(dāng)降低占空比時(shí)，電機(jī)減速。實(shí)物圖如圖18 所示。

5 總結(jié)

本文介紹了基于STC89C52 單片機(jī)的微控制器，采用PWM 技術(shù)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以霍爾傳感器為測(cè)速元件的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)無(wú)處不在，正常情況下電機(jī)應(yīng)具備正、反轉(zhuǎn)，加、減速等功能，于是用PWM 的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速。因51 系列單片機(jī)內(nèi)部是不能直接輸出PWM 信號(hào)，于是，我們使用定時(shí)器中斷的方式，采用編程的方法，用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM 信號(hào)的輸出。對(duì)精度要求不是很高的情況下而言，簡(jiǎn)單方便，而且正、反轉(zhuǎn)的功能是通過(guò)H 橋電路電流方向的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用這種方法實(shí)現(xiàn)地電路比較簡(jiǎn)單，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。