一种基于AT89C2051单片机的直流电机调速装置

一种基于AT89C2051单片机的直流电机调速装置摘要：本文介绍一种基于AT89C2051单片机的直流电机调速装置。该装置以小型直流电机为对象，由AT89C2051单片机控制输出PWM信号，经过功率放大后驱动直流电机，用按键实现直流电机的加速、减速控制。本文所介绍的开环调速装置成本低廉，且极容易实现，在实际轻载系统中运行稳定、可靠。关键词：AT89C2051单片机，PWM，直流电机，调速AKindofDCMotorSpeedRegulatingSystemBasedonAT89C2051Single-ChipComputerAbstract:.AkindofDCmotorspeedregulatingsystembasedonAT89C2051single-chipmicrocomputerisintroducedinthispaper.Asmall-typeofDCmotorisregardedasthecontrolobjectandPWMsignalwhichiscontrolledandgeneratedbyAT89C2051single-chipcomputerinthesystem.PWMsignalisusedtodriveDCmotorbypoweramplifier.TheoperationofspeeduporspeeddownofDCmotorisfinishedbybuttons.Theopen-loopspeedregulatingsystemischeapandveryeasytodo.Itsperformanceinlight-loadsystemisstableandreliable.KeyWords:AT89C2051Single-ChipComputer,PWM,DCMotor,SpeedRegulating1引言直流电机由于具有调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等突出优点而在对调速要求较高的生产机械上得到了广泛应用[1]。对于直流电机转速的调节，最常用的办法是通过改变电枢端的电压来实现，即调节电阻R的阻值改变端电压，达到调速的目的。但由于接入的电阻消耗了部分电压，因此这种传统的调速方法效率很低[2]。随着电力电子技术的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM（PulseWidthModulation）控制是常用的一种调速方法。PWM控制是指在保持周期T不变的情况下，通过调节开关导通的时间，对脉冲宽度进行调制，从而达到调节电机转速目的的技术。在脉宽调速系统中，电机电枢两端的电压是脉宽可调的脉冲电压，在输出脉冲频率足够快的情况下，由于惯性的存在，只要按照一定的规律改变通断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一个稳定值[2]。对于直流电机，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。本文设计了一种基于单片机的直流电机调速装置，以价位较低的AT89C2051单片机为核心，与键盘和电机驱动等电路一起构成调速装置实现了直流电机的无级调速。2硬件设计与实现2.1硬件设计的基本方案根据一种基于AT89C2051单片机的直流电机调速装置设计目的的要求，采用AT89C2051单片机为核心产生PWM脉宽信号输出，外围电路为电源电路、键盘和电机驱动电路。系统设计框架图如图1所示。图1系统设计框架图2.2供电部分供电部分通过220V-7.5V变压器变压隔离、整流桥整流、滤波电容滤波、三端稳压集成电路78M05稳压后输出5V电压，供整个装置使用（其Protel原理图见图2）。图2供电部分电路图2.3电机驱动部分PWM脉宽信号由AT89C2051单片机输出，但由于该单片机的直流输出电流为25mA[3]，因此不能直接用来驱动小型直流电机，必须对输出的脉宽信号进行功率放大。单片机的P3.2口脉宽信号通过R1送入到TIP127中功率管完成功率放大，放大后的信号就能够驱动直流电机，使之工作。其中电容C1为滤波电容，能使输入直流电机的电压趋于平滑，同时还具有三极管关断后的续流作用。电路原理图如图3所示。图3电机驱动部分电路图3软件设计与实现一种基于AT89C2051的直流电机调速装置程序流程图如图4所示。开机后首先进行初始化；初始化后输出占空比为0的PWM信号；然后执行键盘扫描程序，单片机将开始扫描键盘。图4程序流程图若加速按钮：此键被按下一次，PWM信号的占空比增加1/50，并锁定该占空比；若减速按钮：此键被按下一次，PWM信号的占空比减小1/50，并锁定该占空比。在占空比增大（减小）后进行占空比大小判断，若占空比小于1而大于0时则将PWM信号输出。若占空比大于1则输出占空比为1的PWM信号（全通），若占空比小于0时则输出占空比为0的PWM信号，并点亮一个发光二极管进行提醒。假如没有按键按下，程序将在保持原有占空比输出的情况下跳回到键盘扫描程序，再一次进行键盘扫描。电机的速度大小是由AT89C2051单片机输出的PWM脉宽大小决定的，在程序中利用定时器中断，按键用来修改定时器的初值，从而得到不同占空比的脉冲信号输出。修改定时器初值的程序流程图如图5所示（P3.2口为PWM脉冲输出口）。程序采用定时/计数器0来完成定时，在12MHz晶振条件下，具体寄存器的设置如下：TMOD=0x01：选择定时器0，使其自启动，工作方式为工作方式1（16位方式），赋值范围为0～65535，分别对应占空比的0～1，数值每变化1000，高电平时间增加1ms，占空比增加1/50；EA=1：开总中断；ET0=1：定时器T0中断允许；TR0=1：开定时器T0。图5定时器初值修改程序流程图4结束语本系统以AT89C2051单片机为控制核心，采用PWM脉宽调制的方法，利用中功率管TIP127对输出的PWM信号进行功率放大以驱动6V、0.3W的微型直流电动机。在设计装置中，力求硬件电路简单，采用较少的元件实现了对直流电机速度的开环控制。本文所介绍的方法已应用在轻型负载的直流电机调速系统中，系统运行稳定、可靠。参考文献[1]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2005：26.[2]汪玉成.直流电机PWM调速系统设计[J].商场现代化.2007,50:389-389.[3]AtmelCorporation.AT89C2051[M/OL].