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

1 引言

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。

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。

2  控制系统的组成及设计

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。

2.1   电机的驱动

方案一：

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

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

=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

 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

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

SUB-DIV.0 ANL SUB-DIV.1      形成占空比25%   

SUB-DIV.0 ORL SUB-DIV.1 ANL SUB-DIV.2    形成占空比为37.5%

SUB-DIV.0 形成占空比50%

SUB-DIV.1 ANL SUB-DIV.0 ORL SUB-DIV.2    形成占空比为62.5%

SUB-DIV.1 ORL SUB.DIV.2     形成占空比为75%

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

SUB-DIV位如下图：    （上面位的运算结果为1）                  

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=2N-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。

方案二：

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/fi；输出的占空比为：G=fGATE×N/fi； 式中，W为输出脉冲宽度，单位是秒；G为占空比；fi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。

本系统采用由单片机通过软件编程产生PWM脉冲

2.2  PWM功率放大电路

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T 2T3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T1 T3同时有很短的一段时间TW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。

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。

2.3  电机的反馈通道

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。

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 说明：本系统由于为电机的粗略控制，无需反馈通道。

2.4  系统结构图

3  系统工作原理及使用说明

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。

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；

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。

  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。

程序流程图                              

4  结束语

本系统创新点在于利用单片机与电机PWM控制自动送氧送料系统，实现了自动的定时送氧，定时定量送料。对于家庭喂养的水族类：操作简单，定时、自动送氧，送料、送料量可以控制，可方便于短时间外出旅游。餐饮喂养的水族类：可以昼夜喂养，定时定量，科学喂养，有利于水族类生长，降低成本，提高经济效益。

参考文献

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[2]  李华. 系列单片机实用接口技术. 北京航空航天大学出版社，1993

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[4]  沙占友. 单片机外围电路. 北京：电子工业出版社，2003

[5]  张崇巍,张兴. PWM整流器及其控制策. 北京：机械工业出版社，2003