基于51单片机的电机控制系统设计

O 引言
    电机控制在监控器材、医疗器械、电动阀门、电动窗帘、家用电器、旋转灯具等方面有着广泛的应用，因此设计一款可控性好、精度高的电机控制系统是一件非常有意义的事。本文介绍的基于AT89S52单片机的电机控制系统的软硬件设计，在按键的操作下对时间进行设定，控制电机的转动，对工作状态及时间进行显示。

1 设计方案说明
    该系统先通过按键对电机的正、反向(即顺时针、逆时针)转动时间分别设置，时间显示在LCD上，格式为时：分：秒(通过改变程序可以选择不同的格式)。采用倒计时方式，正向时间完毕，立刻开始反向转动时间计时，反向时间结束，自动恢复到初始设定的时间。
    时间设定完成后，按下开始键，正向转动时间开始计时，电机工作指示灯闪烁，正向转动指示灯亮，同时电机正向转动；正向时间完毕，反向时间开始计时，正向转动指示灯熄灭，反向转动指示灯亮，同时电机反向转动。
    按下停止键，时间停止计时，电机停止工作，工作指示灯熄灭。
    系统采用的电机为60TDY-11可逆永磁电机，其内部采用两组绕组，用电容实现定向旋转，通过改变电容和电机输出引线的接法，能够可靠地实现电机定向旋转并控制旋转方向。

2 硬件电路设计
    整个系统硬件结构如图1所示。

2．1 按键输入和控制电路设计
    按键输入电路采用6个按键分别连接到单片机的P2．0～P2．5口，作为控制信号的输入。按下K0键，系统进入时间设定模式，连续按下K0键可以选择对不同的时间单位进行设置，通过K1，K2键对时间进行加1或减1。按下K3键退出时间设定模式，K4，K5键分别为启动和停止键。
    电机控制电路的控制芯片采用ATMEL公司的AT89S52，它有8 KB FLASH，256 B RAM，32位I／O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器／计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。其内部资源丰富、性价比高，能够满足设计要求。
    PO．O～P0．2作为三个工作指示灯的控制信号输出，需要外接上拉电阻；P1．0～P1．2为液晶显示器的控制信号输出；P3．0～P3．1分别是控制电机正反向转动的控制信号输出。
2．2 LCD显示电路设计
    显示部分采用的是12864液晶，控制器是ST7920，这种控制器带中文字库，去除了编制字库的麻烦，该控制器的液晶还支持画图方式。该类液晶支持68时序8位和4位并口以及串口。ST7920的时钟SCLK有独立的操作时序，当多个连续的指令需要被送入时，需要考虑指令执行时间。
    一个完整的串行传输周期由以下部分组成：首先送入启动字节，送入五个连续的“1”用来启动一个周期，此时传输计数被重置，并且串行传输被同步。紧接的两个为制定传输方向(RW，确定读还是写)和传输性质(RS，确定是命令寄存器还是数据寄存器)，最后的第八位是一个“O”。
    本设计中PSB引脚接地，选择串口工作模式，CS高电平有效，只用两根线SID和SCLK即可完成数据传输。
2．3 电机及驱动电路设计
    60TDY-11电机工作电压为220 V交流电，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，采用继电器来作为较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。[page]

    本次设计中继电器采用的是HUIGANG HRS2H-S-DC-12V型，SN74LS07N作为继电器的驱动电路，低电平输入有效，继电器还需要并联二极管电路，主要是为了保护SN74LS07N。当流经继电器线圈的电流迅速减小时，线圈会产生很高的自感电动势使晶体管被击穿，并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压。P3．0低电平时，继电器1常闭触点断开，常开触点闭合，电机正向电路导通，开始正向转动。P3．1同理，P3．0和P3．1不可同时为低电平。

3 软件设计
3．1 程序说明
    在KeilμVision 3 IDE中进行程序的设计开发，用C语言编写。KeilμVision 3集成开发环境是Keil Soltware开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程，尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平。它支持所有的Keil 80C51的工具软件，包括C51编译器、宏汇编器、链接器器／定位器和目标文件至Hex格式转换器。鉴于此，选择其为程序开发环境。
    系统程序由主程序、中断处理子程序、按键处理程序以及显示子程序等组成。对时间计时采用定时器定时中断产生，没有选择用软件延时的方式，这样不占用CPU的时间。定时器T0产生50 ms定时中断，在中断服务程序中有一个计数器，每产生20次中断，有一个1秒计数。按键扫描采用单个按键的扫描，有相应的按键处理子程序，程序中包括按键去抖动，按键的键后处理，去抖动采用延时去抖法。显示子程序在主程序中被调用对时间进行实时显示。
3．2 主程序流程图
    主程序流程图如图2所示，主要完成系统的初始化、按键扫描、显示程序及其他子程序调用等功能。

    初始化时关闭定时中断，P0．O～P0．2口输出高电平，状态指示灯熄灭，P3．0～P3．1口输出高电平电机停止转动，对LCD初始化显示，显示4行信息，2行显示时间，格式为时：分：秒，另外2行为时间的说明文字。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。初始化完成之后，扫描按键，如有按键按下，调用相应的处理程序。时间设定键按下时，被选中的时间单位将会不断的闪烁，区别于其他没有被设置的时间单位，通过K1，K2键对时间进行改动，按下K3键退出时间设定。开始键被按下时，开启定时中断，LCD显示时间开始倒计时，PO．1口输出低电平，正向转动指示灯亮，P3．0输出低电平，电机开始正向转动，在中断服务程序中控制PO．0口输出电平，使正常工作指示灯1 s闪烁一次。停止键被按下时，P3．O～P3．1输出高电平，电机停止转动，P0．0～P0．2输出高电平，状态指示灯熄灭，关闭定时中断，停止计数。正向转动时间结束时，反向转动开始倒计时，P3．O输出高电平，P3．1输出低电平，电机反向转动，P0．1输出高电平，PO．2输出低电平，正向转动指示灯熄灭，反向转动指示灯亮。显示程序实时将时间的变化在LCD上显示。

4 结语
    该系统经实际运行，可以满足在功能键的操作下对时间进行设定，控制电机的启动、正反向转动、停止，状态指示灯正确显示工作状态，LCD正常的显示了时间。
    本系统将应用于一个阀门的自动打开闭合装置，正向转动时阀门打开，反向转动时，阀门关闭，实现对液体流量的控制，具体应用时还需要对阀门打开闭合的状态进行检测。