基于單片機(jī)的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，控制功能要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動、停止控制、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速共六種功能，為了能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，需要用到按鍵和數(shù)碼管。

具體要求如下：K0為啟動/停止控制、K1正轉(zhuǎn)、K2反轉(zhuǎn)；K3加速，K4減速，用3個(gè)發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時(shí)紅燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠燈亮。并利用4位LED數(shù)碼管顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。

要求分析：

按鍵K1用來控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，若電機(jī)正在停止或正轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)按下k1時(shí)，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)；若電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)不響應(yīng)按鍵命令。

按鍵K2用來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，若電機(jī)正在停止或反轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)按下k2時(shí)，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)；若電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)不響應(yīng)按鍵命令。

按鍵K3用來控制電機(jī)加速，當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果電機(jī)尚未達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，當(dāng)按下按鍵K3時(shí)，電機(jī)會加速，每按一次，電機(jī)加速一個(gè)節(jié)拍，若需要一直加速，則需要多次按下按鍵K3，當(dāng)電機(jī)到達(dá)最大速度時(shí)，電機(jī)將保持在最大速度運(yùn)行，不再響應(yīng)按鍵命令。

按鍵K4用來控制電機(jī)減速，當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果電機(jī)尚未達(dá)到最小轉(zhuǎn)速，即停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)按下按鍵K4時(shí)，電機(jī)會減速，每按一次，電機(jī)減速一個(gè)節(jié)拍，若需要一直減速，則需要多次按下按鍵K4，當(dāng)電機(jī)到達(dá)最小速度時(shí)，即電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)將保持停止，不再響應(yīng)按鍵命令。

為了知道電機(jī)是否按控制要求工作，需要知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這里用到了4位數(shù)碼管來顯示，最高位顯示轉(zhuǎn)動方向，正轉(zhuǎn)顯示“0”，反轉(zhuǎn)顯示“-”。后3位用來顯示轉(zhuǎn)速的數(shù)值大小。

此外，設(shè)置三個(gè)發(fā)光二極管，來顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，綠燈亮，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，紅燈亮，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，黃燈亮。

2.控制方案設(shè)計(jì)

因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的工作電壓和電流與控制電路的電壓和電流不匹配，所以需要設(shè)計(jì)接口電路，用來把控制電路的指令轉(zhuǎn)化為電機(jī)的工作信號，這種接口電路稱為直流電機(jī)的驅(qū)動電路。直流電機(jī)的驅(qū)動電路有多種不同的設(shè)計(jì)方案，這里著重介紹了用分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路和用集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路。

2.1用分立元件構(gòu)成直流電機(jī)的驅(qū)動電路

利用晶體管，電阻等分立元件，來組成直流電機(jī)的全橋驅(qū)動電路。因?yàn)殡姍C(jī)的工作電流較大，而一個(gè)三極管的電流放大能力有限，所以采用達(dá)林頓組成全橋（H橋）驅(qū)動電路控制電機(jī)，以滿足電機(jī)工作的需要。如圖1所示。圖中的Q1~Q4是功率三極管，其中Q1和Q2組成一個(gè)橋臂，其中Q3和Q4組成一個(gè)橋臂。每個(gè)功率三極管旁邊有一個(gè)續(xù)流二極管。當(dāng)Q1和Q4打開時(shí)，直流電機(jī)的控制電流從A流向B，此時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Q2和Q3打開時(shí)，直流電機(jī)的控制電流從B流向A，此時(shí)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。這樣，通過Q1~Q4的控制就可以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向了。

圖1直流電機(jī)全橋控制原理圖

2.2用電機(jī)驅(qū)動芯片來構(gòu)成直流電機(jī)的驅(qū)動電路

這里所用的驅(qū)動芯片是L298，L298起到方大電流的作用。L298有4路輸入，4路輸出，2個(gè)使能端。用L298構(gòu)成的驅(qū)動電路如圖2所示。

其工作原理為：L298芯片中，IN1對應(yīng)OU1,IN2對應(yīng)OUT2，IN3對應(yīng)OU3,IN4對應(yīng)OUT4，使能端ENA對應(yīng)IN1和IN2，使能端ENB對應(yīng)IN3和IN4。在使能端為高電平的狀態(tài)下，當(dāng)IN1輸入高電平IN2輸入低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)IN1輸入低電平IN2輸入高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)IN1和IN2輸入電平相等時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。如果使能端為低電平，那么電機(jī)不受控制，而處于停止?fàn)顟B(tài)。

圖2直流電機(jī)驅(qū)動電路圖

L298的工作電壓范圍在7V~50V之間，輸出電流可達(dá)2A，能夠滿足直流電機(jī)的控制需要。

2.3.方案選擇

以上所給的兩種直流電機(jī)的驅(qū)動方案都能滿足要求，現(xiàn)在來對它們進(jìn)行分析比較，選出合適的方案。

用分立元件構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動電路，其優(yōu)點(diǎn)是：電路由分立元件組成，通過分析電路，能直觀的了解驅(qū)動電路的工作原理，對于理論學(xué)習(xí)是非常有幫助的。其缺點(diǎn)是：電路過于復(fù)雜，在制作實(shí)物時(shí)容易出錯，另一方面，分立元件過多，其可靠性很難保證。

用集成芯片構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動電路，其優(yōu)點(diǎn)是，電路簡單，元件減少，電路的可靠性高，制作實(shí)物時(shí)相對較容易。其缺點(diǎn)是，對于初學(xué)者很難知道期內(nèi)的工作原理，只能簡單的用。

通過上面的分析，我決定選用集成芯片L298來構(gòu)成直流電機(jī)的驅(qū)動電路，這樣實(shí)現(xiàn)起來較為容易。

2.4.總體方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心控制芯片是AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，協(xié)調(diào)各個(gè)部件的工作。首先，當(dāng)按鍵發(fā)出的控制指令時(shí)，單片機(jī)利用外部中斷采集控制指令，并對控制指令進(jìn)行處理，之后輸出信號控制直流電機(jī)的驅(qū)動電路。與此同時(shí)，單片機(jī)要計(jì)算直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且要把電機(jī)的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示出來。直流電機(jī)的調(diào)速是通過單片機(jī)控制輸出PWM的占空比實(shí)現(xiàn)的，為了提高單片機(jī)的工作效率，對按鍵的掃描采用中斷方式。其原理框圖如圖3：

圖3控制系統(tǒng)原理框圖

3.硬件電路設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)最小工作系統(tǒng)

單片機(jī)最小工作系統(tǒng)指單片機(jī)能正常工作的最少配置，包括電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和一塊51單片機(jī)。

（1）89C51

AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH字節(jié)存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。如圖4所示。

圖4AT89C51

（2）時(shí)鐘電路

MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘有兩種工作方式：一種是內(nèi)部振蕩方式，它是利用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路，產(chǎn)生時(shí)鐘信號，這種方式單片機(jī)的時(shí)鐘引腳上接石英晶體和振蕩電容；另外一種是外部振蕩方式，它是把外部已有的時(shí)鐘引入單片機(jī)。下面來介紹較為常用的內(nèi)部振蕩方式：

如圖5，單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為XTAL1引腳，輸出端為XTAL2引腳，分別是8051單片機(jī)的19腳和18腳，其頻率范圍為fOSC=0~12MHZ。

圖5內(nèi)部振蕩方式時(shí)鐘電路圖

（3）復(fù)位電路

往單片機(jī)的復(fù)位引腳上輸入24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，即執(zhí)行復(fù)位操作。在此次課設(shè)中我用的是按鍵復(fù)位，電路如圖6所示，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，按下復(fù)位按鍵，就能在RST引腳產(chǎn)生一段時(shí)間的高電平，使系統(tǒng)復(fù)位。此處，取12MHZ的晶振，電容取30pF。

圖6按鍵復(fù)位電路

3.2數(shù)碼管顯示電路

LED數(shù)碼管是由a、b、c、d、e、f、g、h這8段發(fā)光二極管組成的“8”字形顯示器件。LED數(shù)碼管分為共陽極和共陰極兩種，如圖7所示，如果每段的陽極接在一起則為共陽極LED，如果每段的陰極接在一起則為共陰極LED。此次課設(shè)中，我所用的數(shù)碼管為共陰極的。

圖7LED數(shù)碼管

這里用到了4位數(shù)碼管，如圖8所示，段選端接單片機(jī)的P0口，因?yàn)镻0口內(nèi)部沒有上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常的輸出高/低電平，所以這里需要上拉電阻。為了電路的簡化，這里使用了排阻。數(shù)碼管的位選端接單片機(jī)的P1.0~P1.3，當(dāng)輸出低電平時(shí)，表示該位數(shù)碼管被選中。

圖8數(shù)碼管電路

3.3直流電機(jī)驅(qū)動電路

L298是一款高電壓、高電流型的全橋驅(qū)動電路，輸入為TTL電平，用來驅(qū)動如繼電器、直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載。兩個(gè)獨(dú)立的使能端，可以獨(dú)立的控制兩組四個(gè)輸入。

直流電機(jī)的驅(qū)動電路由L298構(gòu)成，51單片機(jī)通過P1.5~P1.7口控制L298的使能端口和輸入端口，而驅(qū)動芯片則輸出被放大的控制信號，用以控制電機(jī)運(yùn)行。驅(qū)動電路如圖9所示，圖中所加4個(gè)二極管是起到保護(hù)作用。

圖9直流電機(jī)驅(qū)動電路

3.4按鍵控制電路

單片機(jī)檢測按鍵的原理是：單片機(jī)的I/O口既可作為輸出也可以作為輸入使用，當(dāng)檢測按鍵時(shí)用的是它的輸入功能，我們把按鍵的一端接地，另一端與單片機(jī)的某個(gè)I/O口相連，開始時(shí)先給該I/O口賦一個(gè)高電平，然后讓單片機(jī)不斷的檢測該I/O口是否變?yōu)榈碗娖剑?dāng)按鍵閉合時(shí)，即相當(dāng)于該I/O口通過按鍵與地相連，變成低電平，程序一旦檢測到I/O變?yōu)榈碗娖絼t說明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。

這種按鍵在按下和松開時(shí)都會有抖動現(xiàn)象，可以采用硬件或者軟件的方式來消除抖動，為了節(jié)約成本，采用軟件延時(shí)的方式來消除抖動的影響。

為了提高單片機(jī)的工作效率，本次設(shè)計(jì)將5個(gè)按鍵通過一個(gè)與門連至單片機(jī)的外部中斷輸入口。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)停下正在做的工作，轉(zhuǎn)而執(zhí)行按鍵掃描程序，然后執(zhí)行相應(yīng)指令。按鍵控制電路如圖10所示：

圖10按鍵控制電路

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，不斷采集直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速并顯示。其流程圖如圖11所示：

圖11主程序流程圖

4.2定時(shí)器0控制產(chǎn)生PWM波形

直流電機(jī)調(diào)速一般運(yùn)用PWM原理來進(jìn)行。對于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓為脈動電壓，可以看出，在T不變的情況下，改變t1和t2的寬度，電壓將發(fā)生變化。

則

式中，是常數(shù)。

利用PWM調(diào)速的原理，也就是通過改變占空比來改變加在電機(jī)兩端的電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其流程圖如圖12所示。

圖12PWM波形控制流程圖

直流電機(jī)在進(jìn)行調(diào)速時(shí)，通過改變變量num的值實(shí)現(xiàn)。加速時(shí)，num的值增加，而TH0的初值則相應(yīng)的減小，也就是一個(gè)周期中，高電平相應(yīng)的時(shí)間延長，低電平的時(shí)間相應(yīng)減小速度增加。減速時(shí)num的值減小，也就是TH0的初值增加，一個(gè)周期中，高電平的時(shí)間減小，低電平的時(shí)間增加，速度降低。

4.3按鍵掃描程序

當(dāng)發(fā)生外部中斷時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入外部中斷程序，開始掃描按鍵，先掃描KEY0按鍵，看是否按下了起/停鍵，如果按下了該鍵，則執(zhí)行起/停程序；如果沒有則判斷KEY1鍵，看是否按下了該鍵，若果按下了，則執(zhí)行正轉(zhuǎn)程序；若果沒有判斷KEY2鍵，若該鍵按下，則執(zhí)行反轉(zhuǎn)程序；若沒有則檢測KEY3鍵是否按下，若按下，則執(zhí)行加速程序；若沒有則檢測KEY4鍵，若該鍵按下，則執(zhí)行減速程序，否則退出中斷程序。按鍵顯示程序流程圖如圖13所示。在這段中斷程序中，掃描按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)的指令。因?yàn)榘寻存I掃描程序放到外部中斷程序中，單片機(jī)只有在接收到外部中斷的申請時(shí)，才去掃描按鍵，在無按鍵按下時(shí)，不必浪費(fèi)時(shí)間去掃描按鍵，提高了CPU的效率。

圖13外部中斷按鍵掃描程序

5.仿真分析

5.1Proteus簡介

Proteus開發(fā)平臺不僅能夠勝任PCB電路板設(shè)計(jì)制作的工作，同時(shí)還擁有進(jìn)行交互式的仿真測試的功能。Proteus軟件是目前用戶最為青睞的仿真軟件，它不僅能夠完成單一電路以及混合電路的仿真與設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠很好的和市面上常見的微型控制器系統(tǒng)兼容匹配。它完美的完成了從設(shè)計(jì)原理圖→仿真分析→代碼調(diào)試→功能測試→形成PCB的完整過程。經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，如今無論是在性能上還是功能上都越來越值得廣大用戶的信賴。

5.2軟件仿真

這部分仿真主要是解決程序中的語法錯誤。由于程序代碼較長，在書寫過程中難免出現(xiàn)語法錯誤和函數(shù)參數(shù)類型方面的錯誤，我選擇使用keil4軟件編寫程序，通過這道程序的仿真，能基本解決這方面的錯誤，為下一步應(yīng)用proteus軟件仿真做好準(zhǔn)備。其仿真結(jié)果見圖14：

圖14源程序仿真結(jié)果

由圖可知，程序已無語法錯誤，編譯成功，并且生成hex文件，利用該文件可以與proteus軟件聯(lián)合仿真，進(jìn)一步檢查程序的語法錯誤。

5.3運(yùn)用proteus軟件聯(lián)合仿真

首先在proteus軟件中畫好硬件電路，并檢查硬件電路是否滿足要求。在確定硬件功能正常后，載入編譯源程序生成的hex文件，在proteus軟件中仿真運(yùn)行，通過電路中各元件引腳顯示的電平狀態(tài)，檢查軟件邏輯上是否存在問題。再確認(rèn)沒有問題之后，開始進(jìn)入仿真的環(huán)節(jié)。

點(diǎn)擊左下角運(yùn)行之后，電機(jī)顯示0轉(zhuǎn)速，數(shù)碼管也顯示速度為0000，右下角顯示電機(jī)狀態(tài)的LED燈全滅。如圖15：

圖15開始運(yùn)行

點(diǎn)擊啟動停止按鈕，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，并維持一定的速度，速度顯示在數(shù)碼管上為0209，右下角紅燈亮，表示電機(jī)處在正轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖16：

圖16點(diǎn)擊啟動停止按鈕后畫面

點(diǎn)擊反轉(zhuǎn)按鈕，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，并維持一定的速度，速度顯示在數(shù)碼管上為-209，右下角黃燈亮，表示電機(jī)處在反轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖17：

圖17點(diǎn)擊反轉(zhuǎn)按鈕后畫面

點(diǎn)擊正轉(zhuǎn)按鈕，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，并維持一定的速度，速度顯示在數(shù)碼管上為0209，右下角紅燈亮，表示電機(jī)處在正轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖18：

圖18點(diǎn)擊正轉(zhuǎn)按鈕后畫面

點(diǎn)擊加速按鈕，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)加速，速度顯示在數(shù)碼管上為0220，右下角紅燈亮，表示電

機(jī)處在正轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖19：

圖19點(diǎn)擊加速后畫面

點(diǎn)擊兩次減速按鈕，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)減速，速度顯示在數(shù)碼管上為0199，右下角紅燈亮，表示電機(jī)處在正轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖20：

圖20點(diǎn)擊兩次減速按鈕后畫面

點(diǎn)擊啟動停止按鈕，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，速度顯示在數(shù)碼管上為0000，右下角綠燈亮，表示電機(jī)處在停止?fàn)顟B(tài)，如圖21：

圖21點(diǎn)擊啟動停止按鈕后畫面

審核編輯：湯梓紅