基于AT89S52單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言

電機(jī)控制在監(jiān)控器材、醫(yī)療器械、電動(dòng)閥門、電動(dòng)窗簾、家用電器、旋轉(zhuǎn)燈具等方面有著廣泛的應(yīng)用，因此設(shè)計(jì)一款可控性好、精度高的電機(jī)控制系統(tǒng)是一件非常有意義的事。本文介紹的基于AT89S52單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，在按鍵的操作下對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)工作狀態(tài)及時(shí)間進(jìn)行顯示。

1 設(shè)計(jì)方案說(shuō)明

該系統(tǒng)先通過(guò)按鍵對(duì)電機(jī)的正、反向(即順時(shí)針、逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間分別設(shè)置，時(shí)間顯示在LCD上，格式為時(shí)：分：秒(通過(guò)改變程序可以選擇不同的格式)。采用倒計(jì)時(shí)方式，正向時(shí)間完畢，立刻開(kāi)始反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間計(jì)時(shí)，反向時(shí)間結(jié)束，自動(dòng)恢復(fù)到初始設(shè)定的時(shí)間。
時(shí)間設(shè)定完成后，按下開(kāi)始鍵，正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)，電機(jī)工作指示燈閃爍，正向轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈亮，同時(shí)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；正向時(shí)間完畢，反向時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)，正向轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈熄滅，反向轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈亮，同時(shí)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
按下停止鍵，時(shí)間停止計(jì)時(shí)，電機(jī)停止工作，工作指示燈熄滅。
系統(tǒng)采用的電機(jī)為60TDY-11可逆永磁電機(jī)，其內(nèi)部采用兩組繞組，用電容實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電容和電機(jī)輸出引線的接法，能夠可靠地實(shí)現(xiàn)電機(jī)定向旋轉(zhuǎn)并控制旋轉(zhuǎn)方向。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 按鍵輸入和控制電路設(shè)計(jì)

按鍵輸入電路采用6個(gè)按鍵分別連接到單片機(jī)的P2．0～P2．5口，作為控制信號(hào)的輸入。按下K0鍵，系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)間設(shè)定模式，連續(xù)按下K0鍵可以選擇對(duì)不同的時(shí)間單位進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)K1，K2鍵對(duì)時(shí)間進(jìn)行加1或減1。按下K3鍵退出時(shí)間設(shè)定模式，K4，K5鍵分別為啟動(dòng)和停止鍵。
電機(jī)控制電路的控制芯片采用ATMEL公司的AT89S52，它有8 KB FLASH，256 B RAM，32位I／O口線，看門狗定時(shí)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。其內(nèi)部資源豐富、性價(jià)比高，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
PO．O～P0．2作為三個(gè)工作指示燈的控制信號(hào)輸出，需要外接上拉電阻；P1．0～P1．2為液晶顯示器的控制信號(hào)輸出；P3．0～P3．1分別是控制電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)的控制信號(hào)輸出。
2．2 LCD顯示電路設(shè)計(jì)
顯示部分采用的是12864液晶，控制器是ST7920，這種控制器帶中文字庫(kù)，去除了編制字庫(kù)的麻煩，該控制器的液晶還支持畫圖方式。該類液晶支持68時(shí)序8位和4位并口以及串口。ST7920的時(shí)鐘SCLK有獨(dú)立的操作時(shí)序，當(dāng)多個(gè)連續(xù)的指令需要被送入時(shí)，需要考慮指令執(zhí)行時(shí)間。
一個(gè)完整的串行傳輸周期由以下部分組成：首先送入啟動(dòng)字節(jié)，送入五個(gè)連續(xù)的“1”用來(lái)啟動(dòng)一個(gè)周期，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)被重置，并且串行傳輸被同步。緊接的兩個(gè)為制定傳輸方向(RW，確定讀還是寫)和傳輸性質(zhì)(RS，確定是命令寄存器還是數(shù)據(jù)寄存器)，最后的第八位是一個(gè)“O”。
本設(shè)計(jì)中PSB引腳接地，選擇串口工作模式，CS高電平有效，只用兩根線SID和SCLK即可完成數(shù)據(jù)傳輸。

2．3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

60TDY-11電機(jī)工作電壓為220 V交流電，而單片機(jī)的輸出高電平為5 V，因此電機(jī)需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，采用繼電器來(lái)作為較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。

本次設(shè)計(jì)中繼電器采用的是HUIGANG HRS2H-S-DC-12V型，SN74LS07N作為繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，低電平輸入有效，繼電器還需要并聯(lián)二極管電路，主要是為了保護(hù)SN74LS07N。當(dāng)流經(jīng)繼電器線圈的電流迅速減小時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)使晶體管被擊穿，并聯(lián)上二極管后，即可將線圈的自感電動(dòng)勢(shì)鉗位于二極管的正向?qū)妷?。P3．0低電平時(shí)，繼電器1常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電機(jī)正向電路導(dǎo)通，開(kāi)始正向轉(zhuǎn)動(dòng)。P3．1同理，P3．0和P3．1不可同時(shí)為低電平。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 程序說(shuō)明

在KeilμVision 3 IDE中進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，用C語(yǔ)言編寫。KeilμVision 3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是Keil Soltware開(kāi)發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開(kāi)發(fā)流程，尤其是C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平。它支持所有的Keil 80C51的工具軟件，包括C51編譯器、宏匯編器、鏈接器器／定位器和目標(biāo)文件至Hex格式轉(zhuǎn)換器。鑒于此，選擇其為程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。
系統(tǒng)程序由主程序、中斷處理子程序、按鍵處理程序以及顯示子程序等組成。對(duì)時(shí)間計(jì)時(shí)采用定時(shí)器定時(shí)中斷產(chǎn)生，沒(méi)有選擇用軟件延時(shí)的方式，這樣不占用CPU的時(shí)間。定時(shí)器T0產(chǎn)生50 ms定時(shí)中斷，在中斷服務(wù)程序中有一個(gè)計(jì)數(shù)器，每產(chǎn)生20次中斷，有一個(gè)1秒計(jì)數(shù)。按鍵掃描采用單個(gè)按鍵的掃描，有相應(yīng)的按鍵處理子程序，程序中包括按鍵去抖動(dòng)，按鍵的鍵后處理，去抖動(dòng)采用延時(shí)去抖法。顯示子程序在主程序中被調(diào)用對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3．2 主程序流程圖

主程序流程圖如圖2所示，主要完成系統(tǒng)的初始化、按鍵掃描、顯示程序及其他子程序調(diào)用等功能。

初始化時(shí)關(guān)閉定時(shí)中斷，P0．O～P0．2口輸出高電平，狀態(tài)指示燈熄滅，P3．0～P3．1口輸出高電平電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)LCD初始化顯示，顯示4行信息，2行顯示時(shí)間，格式為時(shí)：分：秒，另外2行為時(shí)間的說(shuō)明文字。將所有的初始化功能寫成一個(gè)子程序，主程序只需調(diào)用它即可完成系統(tǒng)初始化。初始化完成之后，掃描按鍵，如有按鍵按下，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。時(shí)間設(shè)定鍵按下時(shí)，被選中的時(shí)間單位將會(huì)不斷的閃爍，區(qū)別于其他沒(méi)有被設(shè)置的時(shí)間單位，通過(guò)K1，K2鍵對(duì)時(shí)間進(jìn)行改動(dòng)，按下K3鍵退出時(shí)間設(shè)定。開(kāi)始鍵被按下時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)中斷，LCD顯示時(shí)間開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，PO．1口輸出低電平，正向轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈亮，P3．0輸出低電平，電機(jī)開(kāi)始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，在中斷服務(wù)程序中控制PO．0口輸出電平，使正常工作指示燈1 s閃爍一次。停止鍵被按下時(shí)，P3．O～P3．1輸出高電平，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，P0．0～P0．2輸出高電平，狀態(tài)指示燈熄滅，關(guān)閉定時(shí)中斷，停止計(jì)數(shù)。正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，反向轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，P3．O輸出高電平，P3．1輸出低電平，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，P0．1輸出高電平，PO．2輸出低電平，正向轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈熄滅，反向轉(zhuǎn)動(dòng)指示燈亮。顯示程序?qū)崟r(shí)將時(shí)間的變化在LCD上顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，可以滿足在功能鍵的操作下對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，控制電機(jī)的啟動(dòng)、正反向轉(zhuǎn)動(dòng)、停止，狀態(tài)指示燈正確顯示工作狀態(tài)，LCD正常的顯示了時(shí)間。

本系統(tǒng)將應(yīng)用于一個(gè)閥門的自動(dòng)打開(kāi)閉合裝置，正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)閥門打開(kāi)，反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥門關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流量的控制，具體應(yīng)用時(shí)還需要對(duì)閥門打開(kāi)閉合的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。