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原创基于单片机与电机PWM控制的水族类喂养自动送氧送料系统

 2009-8-13 19:39  2300 5 5 分类: MCU/ 嵌入式

摘要:本文通过对单片机与电机的PWM控制及送料机械装置的创新性的设计，由单片机通过软件编程产生PWM脉冲，利用H桥控制电机，由控制速度达到控制送料量，实现了水族类喂养自动定时送氧，定时定量送料。电子园51单片机学习网b _:`#{bW5c!|

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关键词：单片机电机 PWM控制 H桥

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1引言电子园51单片机学习网{u|%h(\]q

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现在家庭或餐厅饭店的水族饲养中，一般多为送氧泵一直通氧，这样即浪费电，又浪费氧，送料更是全手工操作，现代鱼类饲养科学表明：一般的水族类更喜欢夜间觅食，另外如果一次放过多的料，使水质变差，科学的饲养方法：多餐少食。

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电机在现代社会中起着重要作用。现在90%的驱动来自电机。对运动控制最有用的方式是对运动源的控制，单片机在电机控制的发展中扮演了十分重要的角色。本系统通过单片机与电机的PWM控制，由控制速度达到控制送料量，实现了单片机能够顺利完成定时送氧，定时定量送料。对送料机械装置创新性的设计，即简单又方便，类似于洗衣机中摔水桶，靠电机转动的离心力把料撒出去，但只有半边有孔，这样可以控制撒出去的方向，防止漏料。

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2 控制系统的组成及设计

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Kr0U"O9hx44191基于的89C51单片机在电机PWM控制中的应用。精确的电机控制包括三部分，即控制，驱动，反馈。根据驱动信号PWM脉冲的产生过程，一般分为由单片机通过软件编程产生PWM脉冲和通过定时计数器等脉冲发生器产生PWM脉冲，本文将对这两种方式进行介绍。电子园51单片机学习网 O@7hvg"g K-VZ"w

$H_m6[f&wKu2oLf441912.1 电机的驱动电子园51单片机学习网Yej|4H o$V

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方案一：

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*?X7Z0|4JJ44191由单片机通过软件编程产生PWM脉冲。关键是产生一定频率占空比可调PWM 脉冲，这里可以用单片机的定时器T0与软件结合的方法。T0工作在方式1，即十六位计数器方式。对TL0置初值FFD6H，使定时器0每隔41微妙（12MHZ晶振）溢出中断一次，中断后重置初值，并使软件计数器SUB—DIV的值减1。SUB—DIV的初值为244，当此值减为0时，历经的时间为244×41×10^-6=0.010004秒,SUB-DIV

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B+AOAD'f%m'R44191的初值为244(11110100B),SUB-DIV的低三位可以构成8种状态.在0.01秒内8种状态的重复次数=11110B

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=30。故把低3位的状态以某种形式组合起来，就可以形成一定占空比的3KHZ的PWM

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基金项目：陕西省教育厅项目（2004JC07）资助、陕西科技大学创新基金资助电子园51单片机学习网.v c3nVK+e0D ~`8w6R

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SUB-DIV.1 ORL SUB-DIV.2 形成占空比为12.5% --

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nr`M ]@t44191SUB-DIV.0 ANL SUB-DIV.1 形成占空比25%

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:E*R$x-y\#R44191SUB-DIV.0 ORL SUB-DIV.1 ANL SUB-DIV.2 形成占空比为37.5%

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SUB-DIV.0 形成占空比50%

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SUB-DIV.1 ANL SUB-DIV.0 ORL SUB-DIV.2 形成占空比为62.5%电子园51单片机学习网t szdv9q2is~-M

fKup]cE44191SUB-DIV.1 ORL SUB.DIV.2 形成占空比为75%

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SUB-DIV.0 ORL SUB-DIV.1 OR SUB-DIV.2 形成占空比为87.5%

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-Je8_4L-t I;m'm.i)B,~44191SUB-DIV位如下图：（上面位的运算结果为1）电子园51单片机学习网mwj2pr

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我们可以看出SUB-DIV的低三位不同组合形成的占空比的个数=2³–1,所以N位的组合形成占空比的个数=2^N-1.同时通过改变计数器T0的初值与软件计数器的值来产生不同频率的脉冲.这也就达到用单片机产生PWM脉冲的目的(频率范围从几HZ到几十KHZ。.它一般用于对电机的粗略调档控制。

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方案二：电子园51单片机学习网s1s6`uE] _6wO

xN$?,P1i Z&d44191选用可编程芯片8253的计数器0作为PWM信号发生器，8253的计数器0工作在可编程单稳态方式，它的输出口产生宽度连续可调PWM脉冲，该输出脉冲宽度为：W=N/f_i；输出的占空比为：G=f_GATE×N/f_i；式中，W为输出脉冲宽度，单位是秒；G为占空比；f_i为计数器时钟信号的频率；N为单片机为其置入的计数值。PWM的频率由GATE0上所加的信号频率决定；在计数器0的GATE0端输入一定频率的方波（频率值由PWM功放电路功放管的参数决定），该频率一般由555构成多谐振荡器产生。所以通过改变计数器值N来产生连续可调的PWM脉冲。由于它的频率是由555产生的，所以频率范围很广，脉冲占空比连续可调，一般用于对电机的精确控制。电子园51单片机学习网kSy'v/KJ#j

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本系统采用由单片机通过软件编程产生PWM脉冲

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2.2 PWM功率放大电路

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最常用的PWM功率放大器是桥式功放电路，又称H型功放电路。图一中的晶体管T₁，T₂，T₃，T₄组成PWM的开关功放电路，晶体管T₁，T₄和T₂，T₃配对工作。T₁，T₄导通，T₂，T₃截止；反之，T₁，T₄导通，T₂，T₃截止。显然T₁和T₃，T₂和T₄不能同时导通，因此，T₁，T₄与T₂，T₃上所加脉冲频率相同，方向相反。如果T₁T₄导通时间比T₂T₃导通时间长，则电机正转，反之电机反转。所以我们可以把从上面产生的PWM脉冲信号，经过反向和延时后变成两路互补的PWM1，PWM2输出至功放电路的输入端。由于脉冲电平转换的延迟，可能出现T₁T₃同时导通的情况，以至于引起短路。解决的办法是通过软件或延时电路使T₁T₃同时有很短的一段时间T_W的截止（死区）。这里是用一片双路单稳集成芯片74HC221构成的延时电路。电子园51单片机学习网!i9q.T+NW"`lj

?+w'iKj;^eZ_7n:E"O44191现在市面上已有各种电机功放电路芯片，例如由美国半导体公司生产的LMD18245芯片，专用于直流或步进式电机的驱动。电源电压范围12V~55V，额定电流3A，具有电流反馈控制电路及过流保护防止对管导通的功，PWM单双极性可选，控制电平与TTL，CMOS兼容。双H桥功率集成电路L298，其输出最大电流达4A，支持最大的PWM频率为50KHZ，具有过热和过流保护功能，用于伺服直流电机。电子园51单片机学习网(ul2P/Nr

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2.3 电机的反馈通道

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电机的反馈通道是指从光电编码器或其他的电机速度，位置等传感器的输出到单片机之间的信号处理电路。电子园51单片机学习网+~4j `(J)H~Fi i

a.@JQ,h `){P44191① 位置的检测：光电编码器是一种电机位置反馈元件，它可以分为绝对与相对编码器，这里仅介绍后者。相对编码器的输出一般有3根或6根信号线，输出信号为相位相差90^°的串行脉冲信号A，B或A+，A-，B+，B-；码盘每转一圈输出一个脉冲Z，或Z-，Z+。6根信号线的输出为差分信号，具有传输距离远，抗干扰能力强的特点。在与计算机系统接口时，必须对其进行合成，MC3486就是一种差分信号接受器，一片上有四个接受通道，每个通道上A，B是输入，分别接A+，A-，Y是输出。

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q'aR;p [%M-]+n2CYL;X44191② 速度的检测：可以用电机内的磁电式码盘（IE2-128）实现速度的检测。IE2-128码盘有128线，2通道方波脉冲输出，TTL电平，相位相差90^°。另一种方法是利用霍尔传感器，在电机轮上安装6组磁钢，每转一圈，霍尔元件产生6个脉冲，并对其进行计数，10秒内的计数值即为电机转速r/min。电子园51单片机学习网[C*rp(x1G k0Ud;V

5yuOt'o N:Z44191③ 倍频及鉴相电路：倍频也叫细分，用于提高编码器的分辨率。对于方波脉冲可以采用简单的四倍频电路进行倍频和鉴相。电子园51单片机学习网Cr7w)SJ'ba

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④ 说明：本系统由于为电机的粗略控制，无需反馈通道。

Uciy+W$_p44191电子园51单片机学习网.rF;_6yQ!P)pG

2.4 系统结构图

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d?6K/T0f7Z"N:n441913 系统工作原理及使用说明

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*{7rq{a!b/`.c44191本产品使用说明：该电路即可按照系统默认的时间参数运行，也可由用户设定，通过按键设定新的时间参数，还可以调节电机速度。电路运行后，能自动周期性的控制送氧泵的通与停，以及电机送料。

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本产品有三个按键，其一为功能键，其二为循环减1键，其三为电机调速键；

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使用方法：先按一下功能键，LED显示常通个位（按一下循环减1键，常通个位减1，当为0时按一下变9）；第二次按一下功能键，LED显示常通十位（按一下循环减1键，常通十位减1，当为0时按一下变9）；第三次按一下功能键，LED显示常关个位（按一下循环减1键，常关个位减1，当为0时按一下变9）；第四次按一下功能键，LED显示常关十位（按一下循环减1键，常关十位减1，当为0时按一下变9）；第五次按一下功能键，按第三个键调节电机转速，本系统有7挡可调（0，1，2，3，4，5，6）；第六次按一下功能键，系统将安新的时间参数运行，将安新的速度参数运行。系统默认的常通时间为20分钟，常关时间为15分钟，电机转速为第3挡，最长常通时间为100分钟，最长常关时间为100分钟，系统上电复位后，电机送料1分钟，电机送料周期=（常通时间+常关时间）*5，系统默认的送料周期为35*5=175分钟。LED的小数点闪烁显示秒。在设置常通，常关，电机转速时，都有相应发光二极管亮。

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:y}V7F2n a` fx1H44191 另外还有手动复位键，当程序跑飞时，可以按这个键，使程序复位。还有手动关闭电机键。送料量可通过调节电机转速来定，一般情况下转速高，送料多。

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3B9Y1DZM-|.G44191程序流程图电子园51单片机学习网BRyO;A-_F L2c

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