基于红外遥控的电机控制系统设计与实现(3)

2.4 主要内容

采用单片机构成的直流电动机数字PWM调速系统,其控制核心主要由最小系统、电源模块、电机驱动电路、按键（加速、减速、停止、正转、反转）、直流电机组成。系统采用L298N芯片作为PWM驱动直流电动机的供电主回路。单片机通过软件处理输出PWM信号, 实现了直流电动机的速度控制,在运行中获得了良好的动静态性能。由于系统性价比高,结构简单,具有实用价值和推广价值。在介绍了基于单片机用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。重点介绍了基于STC89C51单片机的用软件产生PWM信号的途径，并介绍了一种独特的通过软件定时中断实现PWM信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 （1）键盘识别：通过P1口的低电平输入识别不同的按键。

（2）通过对单片机程序实现对直流电机的停止、加速、减速、正转、反转

控制。

（3）由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流所以必须

有外围的驱动电路，因此本设计采用L298芯片放大单片机微弱的电流。 控制原理：以STC89C51单片机为核心的直流电机控制系统控制，由软件转换成PWM信号，并由P2.6、P2.7输出，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用定时中断进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮后，根据P2.6为高电平实现电机正转，P2.7为高电平时实现电机反转。根据不同的加减速按钮，调整P2.6/ P2.7输出高低电平时的预定值，从而可以控制P2.6/ P2.7输出高低电平时的占空比，进而控制电压的大小。控制程序应用于电机的加减速。

在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，

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速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过 P2.6输入高电平信号P2.7输入低电平与P2.6输入低电平P2.7输入高电平信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对直流电机的转速进行调节。

2.5 电机调速控制模块

2.5.1 方案选择

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：采用驱动芯片L298N驱动直流电机，L298N具有驱动能力强，外围电路简单等优点，因此我们采用方案三。

2.5.2 PWM调速工作方式

方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。

方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。

由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。

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2.5.3 PWM调脉宽方式

调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

2.5.4 PWM软件实现方式

方案一：采用软件延时方式，在引入中断之后，将有一定的误差。 方案二：采用定时器作为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度 极其精确，误差只在几个us，综合考虑我们采用方案二。

2.6 系统分析与硬件设计

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P2.6与P2.7其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制，电动机正转，反转，加速，减速、停止。 总体设计方案的硬件部分详细框图如图2-1所示：

STC 89C51电机驱动电路直流电机键盘输入电路红外发射电路 复位 电路电源电路 图2-1 系统硬件框图

2.6.1单片机最小系统的设计

单片机最小系统：所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。

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设计部分分析： 1、单片机STC89C51

STC89C51内有8位的CPU、4K的ROM程序存贮器，128个字节RAM数据存贮器，4个8位并行口，2个16位定时器T0和T1，一个异步串行口UART。STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造。另外，STC89C51可降至0HZ静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插PDIP-40的封装。

2、复位电路及时钟电路

复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。

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图2-3 上电复位 图2-4 手动复位 有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。

高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。

2.6.2电源电路设计

直流稳压电源的基本原理：直流稳压电源一般有电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：

图2-5 直流电源原理

各部分作用： (1)电源变压器T的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。

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