基于AT89S51单片机的直流电机控制系统设计

何少佳，史剑清，王海坤

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004）

随着科技的日益进步，对自动化的要求也越来越高，直流电动机应用领域更加广泛。例如，军事方面的雷达天线、惯性导航、火炮瞄准等控制；工业方面的数控机床、加工生产设备、工业机器人的控制；计算机外围设备及办公设备中各种光盘驱动器、扫描仪、打印机、传真机、复印机等设备的控制。因此，设计一款可控性好、精度高的电机控制系统是非常有意义的[1]。本文介绍了一种以AT89S51单片机为控制核心的直流电机控制系统，实现了通过红外遥控对电机进行转速设定，控制电机转动，对工作状态及转速进行显示的功能。

1 设计方案说明

该系统可以通过红外遥控器控制电机的启动、停止、正转、反转、加速、减速并可以设定转速，通过槽型红外传感器测量电机的实时转速，实时转速和设定转速显示在LCD上。通过设置闭环控制功能，系统可以自动调节电机转速，使电机按设定转速运转。

系统设置有开环、闭环选择功能。按下开环键，电机按占空比50%正向转动，电机工作指示灯亮，正向转动指示灯亮；按下反向键，电机反向转动，电机工作指示灯保持原状，反向指示灯亮，正向指示灯熄灭。在正反转的过程中可以通过红外遥控器控制电机的加减速，转速由槽型红外传感器测量并显示在LCD屏上。

按下闭环按键后，可以设定电机转速、转向，然后按启动键，电机按设定转向运行，LED灯显示工作状态，单片机不断计算实际转速与设定转速差，并根据设定的算法调节转速。LCD屏实时显示设定转速与实际转速。

按下停止键，系统停止，所有工作指示灯熄灭。

本系统采用小功率直流电机，用“H桥驱动电路”驱动电机。通过单片机控制和C语言软件编程控制产生的PWM信号，控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而控制H桥电机驱动电路使之工作在占空比可调的开关状态，实现对电机的平滑调速[2]。

2 硬件电路设计及工作原理

整个系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

2.1 红外控制电路设计

红外遥控系统由发射、接收两部分构成，采用解/编码专用芯片来进行控制操作。发射部分包括键编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光/电转换放大器、解调、解码电路等。

（1）遥控发射器及其编码。遥控器采用基于UPD6121G芯片的发射器。该芯片采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565 m/s、间隔0.56 m/s、周期1.125 m/s的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565 m/s、间隔1.685 m/s、周期为2.25 m/s的组合表示二进制的“1”。由“0”和“1”组成的32位二进制码通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。

（2）接收器及解码。接收器采用VS1838B一体化红外线接收器。VS1838B集红外线接收、放大于一体，不需要外接任何元件，就能完成从红外线接收到输出的所有工作。红外接收头将接收到的载波信号过虑，得到与发射代码反向的接收代码，传送给单片机经行控制。

2.2 LCD显示电路设计

显示部分采用的是基于HD44780液晶芯片的LCD1602液晶显示屏，HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM存储器，提供了中文字库、ASCII码字库及自定义字形，去除了编制字库的麻烦。

一个完整的显示周期由以下部分组成：首先要对LCD1602初始化，然后指定显示位置。第1行第1列的地址是00H，但是由于写入显示地址时要求最高位DB7恒为高电平1，所以该位置的地址不能写入00H，而是00000000B(00H)+10000000B(80H)=10000000B(80H)。同理，第2行第1列的地址是C0H，而不是理论地址4OH[3]。然后将要显示的数据写入，这时，相应的数据就会在指定的位置显示出来。

2.3 电机及驱动电路设计

本系统采用的是ALONG RF-310微型直流电机，工作电压为6 V，而单片机的输出高电平为5 V，因此电机需要一个驱动电路，采用“H桥驱动电路”来驱动电机[4]。如图2所示。

图2 H桥驱动电路

2.4 测速电路设计

本系统的测速传感器采用槽型光电传感器ITR8402。其工作原理是：当接收管接收到来自发射管的信号时，接收管就导通，没接到信号时，接收管关断。利用它的这一特性，可以用一编码盘不停的切割光电对管，从而产生一连串的脉冲。

编码盘装在电机上，电机转动后，编码盘就不停的切割光电对管，从而产生一定频率的脉冲，该脉冲信号被单片机的计数管脚P3.3接收，利用定时器设定中断周期，然后处理这一周期内接收到的脉冲次数，通过计算便可得出电机的转速。编码盘有50个孔，编码盘转动一圈能够产生50个脉冲，精度达到0.02 rpm/分，如果想要提高测速的精度，只需改变编码盘上的孔数即可。

3 软件设计

系统程序是在Keil uVision3中设计开发的，用高级C语言编写[5]。Keil uVision3是美国Keil公司开发的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成等完整的开发流程，它支持所有的Keil的工具软件，包括C51编译器、A51汇编器、BL51/LX51链接定位器、Debug调试器和目标文件至Hex格式转换器。因此选择其为程序开发环境[6]。

系统程序由主程序、中断处理子程序、红外处理程序、转速测量程序及显示程序等组成。图3为主程序流程图，图4为闭环控制流程图。

图3 主程序流程图

图4 闭环控制流程图

在初始化时关闭定时中断，P2.3-P2.5口输出高电平,状态指示灯熄灭，P2.6、P2.7口输出高电平电机停止转动,对LCD初始化显示。将所有的初始化功能写成一个子程序,主程序只需调用它即可完成系统初始化。当初始化完成之后，扫描P3.2口，检测是否有信号输入，如有信号，识别信号并跳转到相应子程序，控制电机运动。

4 结束语

该系统利用MC51系列单片机生成PWM波，实现数字式的PWM直流电机调速，相对于传统硬件调速大大降低了成本。经实际运行，可以满足在遥控器操作下对电机的启动、停止、正反转的控制，LED指示灯正确显示工作状态，LCD正常显示转速。本系统可用于多种商业用途，具有较强的实用价值。

[1]张 方.电机及拖动基础[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]朱华光.浅议LCD1602的编程技巧[J].电脑知识与技术，2010，6(18)：4980-4982.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[5]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]王为青，程国钢.单片机keil Cx51应用开发技术[M].北京：人民邮电出版社，2007.