精度高、稳定性好的89C51单片机直流电机转速测控系统设计

引言

目前使用的电机模拟控制电路都比较复杂，测量范围与精度不能兼顾， 且采样时间较长， 难以测得瞬时转速。本文介绍的电机控制系统利用PWM控制原理， 同时结合霍尔传感器来采集电机转速， 并经单片机检测后在显示器上显示出转速值， 而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量， 并超限自动报警。本系统同时设置有按键操作仪表， 可用于调节电机的转速。

1 系统方案的制定

直流电机控制系统主要是以C8051单片机为核心组成的控制系统， 本系统中的电机转速与电机两端的电压成比例， 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比， 因此， 由MCU内部的可编程计数器阵列输出PWM波， 以调整电机两端电压与控制波形的占空比， 从而实现调速。本系统通过霍尔传感器来实现对直流电机转速的实时监测。系统的设计任务包括硬件和软件两大部分，其中硬件设计包括方案选定、电路原理图设计、PCB绘制、线路调试； 软件设计包括内存空间的分配， 直流电机控制应用程序模块的设计， 程序调试、软件仿真等。

2 硬件设计

C8051是完全集成的混合信号系统级MCU芯片， 具有64个数字I/O引脚， 片内含有VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器， 是真正能独立工作的片上系统， 并能快捷准确地完成信号采集和调节。同时也方便软件编程、干扰防制、以及前向通道的结构优化。

本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号， 以进行对外部设备的控制， 这种闭环系统可以较准确的实现设计要求， 从而制定出一个合理的方案， 图1所示是电机测控系统框图。

图1 电机测控系统框图。

本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机， 同时通过传感器检测电机的转速信号并传送给单片机， 单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较， 从而决定电机转速， 同时将当前电机转速值送LED显示。此外， 也可以通过设置键盘来设定电机转速。系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成， 并通过A/D转换将转速转换为电压信号， 再以脉冲形式传给单片机。这种设计方法具有频率响应高（响应频率达20 kHz以上）、输出幅值不变、抗电磁干扰能力强等特点。其中霍尔传感器输入为脉冲信号， 十分容易与微处理器相连接， 也便于实现信号的分析处理。单片机的T0口可对该脉冲信号进行计数。

设计时， 可通过单片机的P0.1～P0.5 五个接口来完成键盘的输入， P1.6口可完成鸣叫和报警， P2.0接电机， P2.1～P2.4接显示器的位选， P0口为显示器段选码， 其硬件连接电路如图2所示。

图2 硬件连接电路图。

本系统的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）原理是： 脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉冲构成， 其占空比与信号的瞬时采样值成比例。该系统由一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。脉冲信号如果大于锯齿波信号， 比较器输出正常数A， 否则输出0。图3所示为脉冲宽度调制系统的调制原理和波形图。

图3 脉宽调制过程。

设样本τk为均匀脉冲信号， 它的第k个矩形脉冲可以表示为：

其中， x {t} 是离散化信号； Ts是采样周期，τ0是未调制宽度， m是调制指数。现假设脉冲幅度为A， 中心在t=kTs处， τk在相邻脉冲间变化缓慢， 那么， 其Xp （t） 可表示为：

其中，

为电机角速度，结合式（2） 可见， 脉冲宽度信号可由信号x （t）加上一个直流成分以及相位调制波构成。当τ0《

因此， 脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。C8051单片机有2个12位的电压方式DAC， 每个DAC的输出摆幅为0 V~VREF， 对应的输入码范围是0x000~0xFFF。通过交叉开关配置可将CEX0~CEX4 配置到P2 端口， 这样， 改变PWM的占空比就可以调整电机速度。

LED显示采用动态扫描方式， 并用单片机I/O接口扩展输出， 再由三极管驱动各显示器的位选端并放大电流。独立式按键采用查询方式， 按键输入均采用低有效， 上拉电阻可用于保证在按键断开使其I/O口为高电平。单片机的I/O （P0.1~0.5）引脚所扩展的5个按键分别定义为： 设置、启动、移位、开始、＋1功能。硬件电路确定以后， 电机转速控制的主要功能将依赖于软件来实现。

3 软件设计

本系统的软件程序的设计可分为5个步骤：

分别是综合分析并确定算法； 设计程序流程图；合理选择和分配内存单元以及工作寄存器； 编写程序； 上机调试运行程序。

应用软件的设计可采用模块化结构设计， 其优点是每个模块的程序结构相对简单， 且任务明确， 易于编写、调试和修改； 其次是程序可读性好， 对程序的修改可局部进行， 而其他部分可以保持不变， 这样便于功能扩充和版本升级； 另外， 对于使用频繁的子程序， 可以建立子程序库， 以便于多个模块调用； 最后是便于分工合作， 多个程序员可同时进行程序的编写和调试工作， 故可加快软件研制进度。

本程序采用8051单片机的C语言编程来实现。

在系统的程序设计中， 可采用模块化编程实现。

整个软件由主程序模块、转速测量模块、时钟模块、数据通信模块、动态显示模块等组成。各模块均采用结构化程序设计思想设计， 因而具有较强的通用性； 而采用模块化程序结构则可使软件易于调试、维护和移植。

系统软件可根据硬件电路的功能与AT89C51各管脚的连接情况对软件进行设计。以便明确各引脚所要完成的功能， 从而方便进行程序设计和内存地址的分配， 最终完成程序模块化设计。

本系统为直流电机测控系统。根据系统性能要求， 除复位电路外， 还应该设置一些功能键：

包括启动键、设置键、确定键、移位键、加1键等。由于本系统中的单片机还有闲置的I/O口线，而系统要求所设置的按键数量也不多， 因此， 可以采用独立式按键结构。

根据直流电机控制系统的结构， 该电机转速控制系统为一简单的应用系统， 可以采用顺序的设计方法。这种设计由主程序和若干个中断服务程序构成， 整个电机转速测控系统可分成六大模块， 每个模块完成一定的功能。图4所示是根据电路图确定的程序设计模块图。

图4 直流电机控制软件设计模块图。

其中主程序模块主要设置主程序的起始地址、中断服务程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。其主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图。

对于定时器T1 （1s） 子程序的设计， 其实在单片机中， 定时功能既可以由硬件（定时/计数器） 实现， 也可以通过软件定时程序来实现。软件延时程序要占用CPU的时间， 因而会降低CPU的利用率。而硬件定时则通过单片机内的定时器来定时， 而且， 定时器启动以后可与CPU并行工作， 故不占用CPU的时间， 从而可使CPU具有较高的工作效率。

本系统采用硬件定时和软件定时并用的方式， 即用T1溢出中断功能来实现10 ms定时， 而通过软件延时程序实现1 ms定时。其中T1定时器中断服务程序的功能主要实现转速值的读入、检测与缓存处理。

对于定时器T1的计数初值计算， 由于本系统采用的是6 MHz的时钟频率， 所以， 一个机器周期时间是2 μs。这样， 根据T1定时器产生500 μs的定时， 便可以计算出计数初值。

本文设计的转速测控系统的工作方式寄存器TMOD=00010000B， T1定时器以工作方式2来完成定时。

4 程序调试

程序调试可在伟福仿真软件上进行编制， 该软件支持脱机运行， 纯软件环境可模拟单步、跟踪、全速、断点； 源文件仿真、汇编等， 并可支持多文件混合编程。仿真调试后的目标程序可以固化到EPROM， 然后用专门的程序烧写器对89C51单片机进行程序烧写。

5 结束语

本设计采用C51进行编程， 程序占用存储器单元少， 执行速度快， 并能够准确掌握执行时间， 实现精细控制。同时由于采用89C51为CPU，并利用噪声抵抗能力较强的PWM控制技术、串行口扩展显示器接口和I/O口扩展键盘， 因而可省去片外RAM， 而且体积小， 功能全， 小巧灵活，操作方便， 又可安装在工作现场单独工作。因而具有较大的实用价值和良好的应用前景。