一种电机调速器主控板系统设计

周穆洁， 唐萌萌

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨150040；2.长江大学电子信息学院，湖北荆州434023）

一种电机调速器主控板系统设计

周穆洁1， 唐萌萌2

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨150040；2.长江大学电子信息学院，湖北荆州434023）

转速控制器的设计主要由AT89C51单片机、LCD显示器、光电传感器、L298(驱动芯片)、键盘接口和直流电动机等组成。该设计是以AT89C51单片机作为核心的直流电机转速控制系统，采用光电传感器检测电机转速，键盘输入电机设定转速。

单片机；光电传感器；键盘接口；主控板；直流电动机

1 单片机芯片选择

随着计算机技术的迅速发展，单片机产品不断更新换代，目前普遍使用的是80C51系列，而美国Atmel公司畅销多年的AT89系列单片机［1］的优点使它很快脱颖而出，并占有较大的市场份额。89系列单片机对一般用户来说，有以下明显的优点：内部含Flash存储器，和80C51插座兼容，静态时钟方式，错误编程亦无废品产生，可进行反复系统试验。

鉴于以上89系列单片机的诸多优点，且能满足系统设计要求。故直流电机转速控制系统设计的主控板采用AT89系列单片机，型号为ATC89C51。

2 基于AT89C51的主控板系统结构电路设计

基于AT89C51单片机的主要外围功能电路描述如下：检测电路(光电传感器)完成电机被控信号的检测与传输；驱动电路（L298）与直流电机相连，带动电机运行；LCD电路用于驱动液晶显示；键盘电路。系统结构如图1所示。

图1 基于AT89C51的主控板系统结构图

3 电路结构

3.1 时钟电路

时钟电路通常由石英晶体和2个微调电容来产生单片机的内部振荡电路，是单片机工作的必要条件。此外单片机还可以采用外部时钟，即从外部输入一个时钟脉冲，对CMOS芯片可将外部时钟直接连到XTAL1;对NMOS则连到XTAL2,XTAL1接地，电路如图2。

图2 单片机时钟电路

单片机CPU工作频率的计算：通常1个机器周期=12个时钟周期，比如若晶振频率为12 MHz，则1个机器周期=12×1/（12M）s=1 μs，即单片机每1 μs执行1条指令。

3.2 复位电路

图3 单片机复位电路

单片机和其他微处理器一样，启动时都需要复位，使CPU和系统的各个部件都处于一种确定的初始状态。复位信号是从单片机的RST引脚输入的，高电平有效，其有效电平应维持至少2个机器周期，图3是按键手动复位电路。

3.3 键盘电路

根据系统要求，在单片机的外围功能模块中设置了4×4个按键。实现的功能如下：电机转速数值设定及微加微减，正反转控制和报警电路控制。其电路原理如图4所示。在本系统中，用P1.0～P1.3连接键盘的行信号；用P1.4～P1.7连接键盘的列信号。

图4 键盘模块

键盘操作说明：在系统开始运行时，128×64LCD将显示开机界面，按下设置键显示屏进入参数设置界面，此时按1、2、3、4进入相应参数的设置状态，输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正/反控制键设置正反转，最后按开始启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行停止运行、微加、微减、正反转及报警/取消报警的控制。

3.4 电动机驱动电路

理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压、电流等。设计中将转速测量转换成电脉冲频率的测量。基于这一思想，可以采用光电传感器，使输出信号的一只在转轮一侧固定，另一只则粘在对应位置的转轮上，这样，电机每转1圈，传感器将会输出1个脉冲。如图5所示，这样，就完成了转速/频率的转换。

图5 电机驱动电路

3.5 转速/频率转换电路的设计

如图6所示，此电路为简单的红外线光电传感器，它由一对红外发射管及接收管组成，红外发射管及接收管分别固定在电机叶片的两侧，当电机转动时，叶片因为可以挡光而使红外接收管在叶片旋转1周内产生多个脉冲，脉冲个数取决于叶片的数量。该脉冲信号（也可以先将它整形）被送入单片机 P3.2口或（即中断0）进行计数和处理。

3.6 脉冲滤波整形电路的设计

由于电机在转动的过程中有很大的晃动，因此所获得的脉冲信号难免掺杂有高频噪声或误动脉冲。为了提高测量的准确，且尽可能地减少错误，设计的脉冲整形电路如图7所示，在OUT输出端加以电容接地。为了既能抑制噪声又不影响测量，电容C的选择很重要。根据实际测量，若设计中使用的直流电机转速可达6 000 r/min，其所产生的脉冲周期T＝1/（6 000/60）＝0.01 s，一个周期内，脉冲持续时间约为T/8＝0.001 25 s，低电平时间约为7T/8＝0.008 75 s，由于导通电阻很小，所以电容迅速充电，当低电平到来时开始放电，为保证下一个脉冲的检测，放电时间T应小于低电平持续时间7T/8，根据电路，T＝R2·C＜0.008 75，代入R2值解不等式可得：C＜0.000 017 F，单位换算得C＜0.017 μF，为了整形方便，实际设计中可选C＝0.001 μF。由于单片机中断I/O口需要输入的信号是正规的矩形脉冲，所以电路的脉冲整形电路采用74LS06反相器进行两次反相后输入单片机。

4 结 论

控制模块电路是硬件系统的核心，它控制着其它各模块的工作，电路主要由以单片机为核心的外围接口电路、L298直流电机驱动电路、光电传感器组成的转速检测电路和液晶显示电路，能较好地能满足主控板系统设计要求。

图6 转速/脉冲转换电路

图7 脉冲滤波整形电路

［1］ 国兵.单片机原理与应用［M］.天津：天津大学出版社，2012.

（编辑昊 天）

TP 272

A

1002－2333（2014）05－0192－02

周穆洁（1981—），女，工程师，主要从事机械设计与制造、科研项目管理等工作。

2014-03-05