基于AT89S51單片機的直流電機控制系統設計

何少佳，史劍清，王海坤

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004）

隨著科技的日益進步，對自動化的要求也越來越高，直流電動機應用領域更加廣泛。例如，軍事方面的雷達天線、慣性導航、火炮瞄準等控制；工業方面的數控機床、加工生產設備、工業機器人的控制；計算機外圍設備及辦公設備中各種光盤驅動器、掃描儀、打印機、傳真機、復印機等設備的控制。因此，設計一款可控性好、精度高的電機控制系統是非常有意義的[1]。本文介紹了一種以AT89S51單片機為控制核心的直流電機控制系統，實現了通過紅外遙控對電機進行轉速設定，控制電機轉動，對工作狀態及轉速進行顯示的功能。

1 設計方案說明

該系統可以通過紅外遙控器控制電機的啟動、停止、正轉、反轉、加速、減速并可以設定轉速，通過槽型紅外傳感器測量電機的實時轉速，實時轉速和設定轉速顯示在LCD上。通過設置閉環控制功能，系統可以自動調節電機轉速，使電機按設定轉速運轉。

系統設置有開環、閉環選擇功能。按下開環鍵，電機按占空比50%正向轉動，電機工作指示燈亮，正向轉動指示燈亮；按下反向鍵，電機反向轉動，電機工作指示燈保持原狀，反向指示燈亮，正向指示燈熄滅。在正反轉的過程中可以通過紅外遙控器控制電機的加減速，轉速由槽型紅外傳感器測量并顯示在LCD屏上。

按下閉環按鍵后，可以設定電機轉速、轉向，然后按啟動鍵，電機按設定轉向運行，LED燈顯示工作狀態，單片機不斷計算實際轉速與設定轉速差，并根據設定的算法調節轉速。LCD屏實時顯示設定轉速與實際轉速。

按下停止鍵，系統停止，所有工作指示燈熄滅。

本系統采用小功率直流電機，用“H橋驅動電路”驅動電機。通過單片機控制和C語言軟件編程控制產生的PWM信號，控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而控制H橋電機驅動電路使之工作在占空比可調的開關狀態，實現對電機的平滑調速[2]。

2 硬件電路設計及工作原理

整個系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

2.1 紅外控制電路設計

紅外遙控系統由發射、接收兩部分構成，采用解/編碼專用芯片來進行控制操作。發射部分包括鍵編碼調制、LED紅外發送器；接收部分包括光/電轉換放大器、解調、解碼電路等。

（1）遙控發射器及其編碼。遙控器采用基于UPD6121G芯片的發射器。該芯片采用脈寬調制的串行碼，以脈寬為0.565 m/s、間隔0.56 m/s、周期1.125 m/s的組合表示二進制的“0”；以脈寬為0.565 m/s、間隔1.685 m/s、周期為2.25 m/s的組合表示二進制的“1”。由“0”和“1”組成的32位二進制碼通過紅外發射二極管產生紅外線向空間發射。

（2）接收器及解碼。接收器采用VS1838B一體化紅外線接收器。VS1838B集紅外線接收、放大于一體，不需要外接任何元件，就能完成從紅外線接收到輸出的所有工作。紅外接收頭將接收到的載波信號過慮，得到與發射代碼反向的接收代碼，傳送給單片機經行控制。

2.2 LCD顯示電路設計

顯示部分采用的是基于HD44780液晶芯片的LCD1602液晶顯示屏，HD44780內置了DDRAM、CGROM和CGRAM存儲器，提供了中文字庫、ASCII碼字庫及自定義字形，去除了編制字庫的麻煩。

一個完整的顯示周期由以下部分組成：首先要對LCD1602初始化，然后指定顯示位置。第1行第1列的地址是00H，但是由于寫入顯示地址時要求最高位DB7恒為高電平1，所以該位置的地址不能寫入00H，而是00000000B(00H)+10000000B(80H)=10000000B(80H)。同理，第2行第1列的地址是C0H，而不是理論地址4OH[3]。然后將要顯示的數據寫入，這時，相應的數據就會在指定的位置顯示出來。

2.3 電機及驅動電路設計

本系統采用的是ALONG RF-310微型直流電機，工作電壓為6 V，而單片機的輸出高電平為5 V，因此電機需要一個驅動電路，采用“H橋驅動電路”來驅動電機[4]。如圖2所示。

圖2 H橋驅動電路

2.4 測速電路設計

本系統的測速傳感器采用槽型光電傳感器ITR8402。其工作原理是：當接收管接收到來自發射管的信號時，接收管就導通，沒接到信號時，接收管關斷。利用它的這一特性，可以用一編碼盤不停的切割光電對管，從而產生一連串的脈沖。

編碼盤裝在電機上，電機轉動后，編碼盤就不停的切割光電對管，從而產生一定頻率的脈沖，該脈沖信號被單片機的計數管腳P3.3接收，利用定時器設定中斷周期，然后處理這一周期內接收到的脈沖次數，通過計算便可得出電機的轉速。編碼盤有50個孔，編碼盤轉動一圈能夠產生50個脈沖，精度達到0.02 rpm/分，如果想要提高測速的精度，只需改變編碼盤上的孔數即可。

3 軟件設計

系統程序是在Keil uVision3中設計開發的，用高級C語言編寫[5]。Keil uVision3是美國Keil公司開發的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標代碼的生成等完整的開發流程，它支持所有的Keil的工具軟件，包括C51編譯器、A51匯編器、BL51/LX51鏈接定位器、Debug調試器和目標文件至Hex格式轉換器。因此選擇其為程序開發環境[6]。

系統程序由主程序、中斷處理子程序、紅外處理程序、轉速測量程序及顯示程序等組成。圖3為主程序流程圖，圖4為閉環控制流程圖。

圖3 主程序流程圖

圖4 閉環控制流程圖

在初始化時關閉定時中斷，P2.3-P2.5口輸出高電平,狀態指示燈熄滅，P2.6、P2.7口輸出高電平電機停止轉動,對LCD初始化顯示。將所有的初始化功能寫成一個子程序,主程序只需調用它即可完成系統初始化。當初始化完成之后，掃描P3.2口，檢測是否有信號輸入，如有信號，識別信號并跳轉到相應子程序，控制電機運動。

4 結束語

該系統利用MC51系列單片機生成PWM波，實現數字式的PWM直流電機調速，相對于傳統硬件調速大大降低了成本。經實際運行，可以滿足在遙控器操作下對電機的啟動、停止、正反轉的控制，LED指示燈正確顯示工作狀態，LCD正常顯示轉速。本系統可用于多種商業用途，具有較強的實用價值。

[1]張 方.電機及拖動基礎[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]譚建成.新編電機控制專用集成電路與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]朱華光.淺議LCD1602的編程技巧[J].電腦知識與技術，2010，6(18)：4980-4982.

[4]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2003.

[5]譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6]王為青，程國鋼.單片機keil Cx51應用開發技術[M].北京：人民郵電出版社，2007.