引言

目前使用的電機模擬控制電路都比較復雜，測量范圍與精度不能兼顧， 且采樣時間較長， 難以測得瞬時轉速。本文介紹的電機控制系統利用PWM控制原理， 同時結合霍爾傳感器來采集電機轉速， 并經單片機檢測后在顯示器上顯示出轉速值， 而單片機則根據傳感器輸出的脈沖信號來分析轉速的過程量， 并超限自動報警。本系統同時設置有按鍵操作儀表， 可用于調節電機的轉速。

1 系統方案的制定

直流電機控制系統主要是以C8051單片機為核心組成的控制系統， 本系統中的電機轉速與電機兩端的電壓成比例， 而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比， 因此， 由MCU內部的可編程計數器陣列輸出PWM波， 以調整電機兩端電壓與控制波形的占空比， 從而實現調速。本系統通過霍爾傳感器來實現對直流電機轉速的實時監測。系統的設計任務包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件設計包括方案選定、電路原理圖設計、PCB繪制、線路調試； 軟件設計包括內存空間的分配， 直流電機控制應用程序模塊的設計， 程序調試、軟件仿真等。

2 硬件設計

C8051是完全集成的混合信號系統級MCU芯片， 具有64個數字I/O引腳， 片內含有VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器， 是真正能獨立工作的片上系統， 并能快捷準確地完成信號采集和調節。同時也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結構優化。

本單片機控制系統與外部連接可實時接收到外部信號， 以進行對外部設備的控制， 這種閉環系統可以較準確的實現設計要求， 從而制定出一個合理的方案， 圖1所示是電機測控系統框圖。

圖1 電機測控系統框圖。

本系統先由單片機發出控制信號給驅動電機， 同時通過傳感器檢測電機的轉速信號并傳送給單片機， 單片機再通過軟件將測速信號與給定轉速進行比較， 從而決定電機轉速， 同時將當前電機轉速值送LED顯示。此外， 也可以通過設置鍵盤來設定電機轉速。系統中的轉速檢測裝置由霍爾傳感器組成， 并通過A/D轉換將轉速轉換為電壓信號， 再以脈沖形式傳給單片機。這種設計方法具有頻率響應高（響應頻率達20 kHz以上）、輸出幅值不變、抗電磁干擾能力強等特點。其中霍爾傳感器輸入為脈沖信號， 十分容易與微處理器相連接， 也便于實現信號的分析處理。單片機的T0口可對該脈沖信號進行計數。

設計時， 可通過單片機的P0.1～P0.5 五個接口來完成鍵盤的輸入， P1.6口可完成鳴叫和報警， P2.0接電機， P2.1～P2.4接顯示器的位選， P0口為顯示器段選碼， 其硬件連接電路如圖2所示。

圖2 硬件連接電路圖。

本系統的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）原理是： 脈沖寬度調制波由一列占空比不同的矩形脈沖構成， 其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。該系統由一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發生器組成。脈沖信號如果大于鋸齒波信號， 比較器輸出正常數A， 否則輸出0。圖3所示為脈沖寬度調制系統的調制原理和波形圖。

圖3 脈寬調制過程。

設樣本τk為均勻脈沖信號， 它的第k個矩形脈沖可以表示為：

其中， x {t} 是離散化信號； Ts是采樣周期，τ0是未調制寬度， m是調制指數?，F假設脈沖幅度為A， 中心在t=kTs處， τk在相鄰脈沖間變化緩慢， 那么， 其Xp （t） 可表示為：

其中，

為電機角速度，結合式（2） 可見， 脈沖寬度信號可由信號x （t）加上一個直流成分以及相位調制波構成。當τ0《

因此， 脈沖寬度調制波可以直接通過低通濾波器進行解調。C8051單片機有2個12位的電壓方式DAC， 每個DAC的輸出擺幅為0 V~VREF， 對應的輸入碼范圍是0x000~0xFFF。通過交叉開關配置可將CEX0~CEX4 配置到P2 端口， 這樣， 改變PWM的占空比就可以調整電機速度。

LED顯示采用動態掃描方式， 并用單片機I/O接口擴展輸出， 再由三極管驅動各顯示器的位選端并放大電流。獨立式按鍵采用查詢方式， 按鍵輸入均采用低有效， 上拉電阻可用于保證在按鍵斷開使其I/O口為高電平。單片機的I/O （P0.1~0.5）引腳所擴展的5個按鍵分別定義為： 設置、啟動、移位、開始、＋1功能。硬件電路確定以后， 電機轉速控制的主要功能將依賴于軟件來實現。

3 軟件設計

本系統的軟件程序的設計可分為5個步驟：

分別是綜合分析并確定算法； 設計程序流程圖；合理選擇和分配內存單元以及工作寄存器； 編寫程序； 上機調試運行程序。

應用軟件的設計可采用模塊化結構設計， 其優點是每個模塊的程序結構相對簡單， 且任務明確， 易于編寫、調試和修改； 其次是程序可讀性好， 對程序的修改可局部進行， 而其他部分可以保持不變， 這樣便于功能擴充和版本升級； 另外， 對于使用頻繁的子程序， 可以建立子程序庫， 以便于多個模塊調用； 最后是便于分工合作， 多個程序員可同時進行程序的編寫和調試工作， 故可加快軟件研制進度。

本程序采用8051單片機的C語言編程來實現。

在系統的程序設計中， 可采用模塊化編程實現。

整個軟件由主程序模塊、轉速測量模塊、時鐘模塊、數據通信模塊、動態顯示模塊等組成。各模塊均采用結構化程序設計思想設計， 因而具有較強的通用性； 而采用模塊化程序結構則可使軟件易于調試、維護和移植。

系統軟件可根據硬件電路的功能與AT89C51各管腳的連接情況對軟件進行設計。以便明確各引腳所要完成的功能， 從而方便進行程序設計和內存地址的分配， 最終完成程序模塊化設計。

本系統為直流電機測控系統。根據系統性能要求， 除復位電路外， 還應該設置一些功能鍵：

包括啟動鍵、設置鍵、確定鍵、移位鍵、加1鍵等。由于本系統中的單片機還有閑置的I/O口線，而系統要求所設置的按鍵數量也不多， 因此， 可以采用獨立式按鍵結構。

根據直流電機控制系統的結構， 該電機轉速控制系統為一簡單的應用系統， 可以采用順序的設計方法。這種設計由主程序和若干個中斷服務程序構成， 整個電機轉速測控系統可分成六大模塊， 每個模塊完成一定的功能。圖4所示是根據電路圖確定的程序設計模塊圖。

圖4 直流電機控制軟件設計模塊圖。

其中主程序模塊主要設置主程序的起始地址、中斷服務程序的起始地址、有關內存單元及相關部件的初始化和一些子程序調用等。其主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖。

對于定時器T1 （1s） 子程序的設計， 其實在單片機中， 定時功能既可以由硬件（定時/計數器） 實現， 也可以通過軟件定時程序來實現。軟件延時程序要占用CPU的時間， 因而會降低CPU的利用率。而硬件定時則通過單片機內的定時器來定時， 而且， 定時器啟動以后可與CPU并行工作， 故不占用CPU的時間， 從而可使CPU具有較高的工作效率。

本系統采用硬件定時和軟件定時并用的方式， 即用T1溢出中斷功能來實現10 ms定時， 而通過軟件延時程序實現1 ms定時。其中T1定時器中斷服務程序的功能主要實現轉速值的讀入、檢測與緩存處理。

對于定時器T1的計數初值計算， 由于本系統采用的是6 MHz的時鐘頻率， 所以， 一個機器周期時間是2 μs。這樣， 根據T1定時器產生500 μs的定時， 便可以計算出計數初值。

本文設計的轉速測控系統的工作方式寄存器TMOD=00010000B， T1定時器以工作方式2來完成定時。

4 程序調試

程序調試可在偉福仿真軟件上進行編制， 該軟件支持脫機運行， 純軟件環境可模擬單步、跟蹤、全速、斷點； 源文件仿真、匯編等， 并可支持多文件混合編程。仿真調試后的目標程序可以固化到EPROM， 然后用專門的程序燒寫器對89C51單片機進行程序燒寫。

5 結束語

本設計采用C51進行編程， 程序占用存儲器單元少， 執行速度快， 并能夠準確掌握執行時間， 實現精細控制。同時由于采用89C51為CPU，并利用噪聲抵抗能力較強的PWM控制技術、串行口擴展顯示器接口和I/O口擴展鍵盤， 因而可省去片外RAM， 而且體積小， 功能全， 小巧靈活，操作方便， 又可安裝在工作現場單獨工作。因而具有較大的實用價值和良好的應用前景。