胡發(fā)煥，鄭大騰，郭猷敏

（井岡山大學(xué)機電工程學(xué)院，江西 吉安 343009）

0 引言

“單片機原理及應(yīng)用”是電氣工程、測控技術(shù)與儀器、機械電子工程等電控類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，是從事機電、自動化設(shè)計人才必須掌握的一門專業(yè)課程。該課程不僅要求掌握相應(yīng)的理論知識，同時具有很強的實踐性和工程性，強調(diào)理論教學(xué)和實踐教學(xué)的高度結(jié)合［1-4］。但在傳統(tǒng)的單片機教學(xué)過程中，實踐環(huán)節(jié)卻沒有得到應(yīng)有的重視，與培養(yǎng)大學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的要求差距較大［5-8］。單片機課程設(shè)計是整個課程教學(xué)的重要實踐環(huán)節(jié)，它將單片機原理、模擬電路、數(shù)字電路、自動控制原理等相關(guān)課程的知識緊密結(jié)合起來，為提高課程設(shè)計效果需要根據(jù)教師提出的要求，設(shè)計完成一個實際項目的設(shè)計過程。劉恒［9］采用現(xiàn)成的實驗箱形式完成實驗，主要訓(xùn)練學(xué)生的軟件編程能力，難以培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力。依據(jù)老師布置的項目，學(xué)生自己設(shè)計硬件電路、選擇電子元器件、設(shè)計PCB 板、焊接元件、編寫程序、聯(lián)機調(diào)試等一系列過程，完成一個單片機應(yīng)用的小系統(tǒng)。課程設(shè)計實驗環(huán)節(jié)是以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)［10］。

教師在單片機課程設(shè)計選題時，應(yīng)該結(jié)合學(xué)生的自身需求，同時拓展學(xué)生的知識面，王一［11］采用的主控芯片在拓展學(xué)生知識面上有所欠缺。大學(xué)生在學(xué)習(xí)期間，常參加各類學(xué)科競賽，通過學(xué)科競賽可以檢驗和提高學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實踐創(chuàng)新能力。在電類學(xué)科競賽中常會考查學(xué)生對閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計能力，控制系統(tǒng)的執(zhí)行器通常是電機類。因此，本文以基于單片機的直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計為單片機的課程設(shè)計題目，在主控芯片上選用性能更高的單片機，以達(dá)到更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合設(shè)計能力和促進(jìn)學(xué)生參加學(xué)科競賽的目標(biāo)。

1 課程設(shè)計目標(biāo)

通過單片機課程設(shè)計，學(xué)生應(yīng)掌握以下的知識點：（1）掌握單片機編程的基本知識；（2）掌握閉環(huán)控制經(jīng)典控制方法，即比例-積分-微分（PID）控制算法；（3）掌握脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)的相關(guān)知識；（4）掌握直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計方法；（5）掌握一種電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向檢測傳感器的使用方法。通過單片機的課程設(shè)計，讓學(xué)生能夠舉一反三，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 整體設(shè)計方案

直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，要求電機能夠快速地啟動、停止和頻繁正反轉(zhuǎn)，且電機的實際轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)速一致，因此必須具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理如圖1 所示。

圖1 直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)

直流電機調(diào)速方案主要有3 種：調(diào)節(jié)電樞電壓、調(diào)節(jié)電樞的串聯(lián)阻抗和調(diào)節(jié)電機的磁場強度［12］。其中調(diào)節(jié)電樞電壓用得最廣，本文即采用這種方式。電樞電壓采用PWM 方式調(diào)節(jié)，這種方式調(diào)節(jié)范圍寬（可在0 ～100%之間來連續(xù)調(diào)節(jié)）且效率高。它是根據(jù)窄脈沖面積等效的原理，通過改變高電平的比例（占空比），將固定的直流電壓變換成所需要的直流電壓，從而改變電機的電樞電壓：

式中：Ud為電樞電壓；Us為電源電壓；ton為PWM 脈沖高電平時間；t 為PWM 周期；ρ 為兩者之比為占空比，當(dāng)ρ ＝0 時Ud＝0，ρ ＝1 時Ud＝Us。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖中，VT1 ～VT4為4 個開關(guān)管構(gòu)成H 橋控制電路，當(dāng)VT1 和VT3 導(dǎo)通時，VT2 和VT4截止，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)VT2 和VT4 導(dǎo)通時，VT1和VT3 截止，電機反轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。同時通過轉(zhuǎn)速檢測傳感器，獲得電機的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到閉環(huán)控制的目標(biāo)。為更好地實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，本文的單片機采用某公司C8051F310 單片機［13］，該單片機較教材選用的80C51 單片機功能強，其特點：該系統(tǒng)資源豐富，帶內(nèi)部晶振，有21 個外部輸入的12 位ADC和2 個10 位DAC，29 個I／O 端口，15 個向量中斷源，可編程的16 位計數(shù)器定時器陣列，4 個通用16 位計數(shù)器／定時器，5 個捕捉比較模塊，可輸出16 位PWM 脈沖。選用該單片機除了其強大功能，還可以訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)更高級別單片機，擴充學(xué)生知識面。

圖2 數(shù)字化閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖

2.3 電路設(shè)計

（1）單片機端口分配。

在學(xué)科競賽中用到的輪式機器人大多是兩輪機器人，因此本文設(shè)計控制2 個直流電機，即輪式機器人的左右輪。單片機采用內(nèi)部晶振，每個電機分配1 個電機轉(zhuǎn)速控制端口（PWM輸出端口）、1 個電機轉(zhuǎn)向控制端口、1個獲取電機轉(zhuǎn)速反饋端口和1 個獲取電機轉(zhuǎn)向反饋端口，每個電機需用4 個端口，2 個電機共需8 個I／O端口。顯示屏需4 個I／O 端口。按鍵需5 個I／O 端口，端口分配如圖3 所示。具體分配是左右輪電機的PWM輸出端口分別是P1.0 和P1.1；左右輪電機的轉(zhuǎn)向控制端口分別為P1.4和P1.5；反饋左右輪電機速度端口分別為P1.2 和P1.3；反饋左右輪電機轉(zhuǎn)向端口分別為P1.6 和P1.7，通過P1 的8 個端口實現(xiàn)對2 個電機的閉環(huán)控制。顯示屏采用SPI通信方式，占用P0.0 ～0.2 端口和C2CK 端口。按鍵用P2.2 ～2.6 端口。

圖3 單片機端口分配

（2）電機驅(qū)動電路及分析

單片機輸出的PWM 信號不能直接驅(qū)動電機，需經(jīng)過電機驅(qū)動電路才能控制電機的正常工作。本文采用圖2 的H橋方式實現(xiàn)電機的控制。H橋的4 個開關(guān)管選用場效應(yīng)管，它具有損耗小、工作電流大的優(yōu)勢。采用2個半橋驅(qū)動器IR2104 芯片控4 個開關(guān)管［14］，其驅(qū)動電路如圖4 所示。IR2104 的SD為使能端，高電平有效；IN為脈沖信號輸入端，可輸入TTL 電平；HO、LO 為控制輸出端，分別為高、低橋臂的門極驅(qū)動端，HO 的邏輯電平與IN 同相；LO 的邏輯電平與IN 反相，任何時刻HO和LO只有一個輸出邏輯高電平。VB 是高橋臂浮動電源輸入端，VS高橋臂浮動電源回流端，2 個IR2104 控制一個電機。以左輪電機為例，2 個IR2104 控制4 個場效應(yīng)管，PWM_L和DIR_L 分別為電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制輸入端。當(dāng)DIR_L為邏輯高電平1 時，U8 的HO輸出邏輯高電平，LO 輸出邏輯低電平，V2 飽和導(dǎo)通，V3 截止。PWM_L是PWM信號，當(dāng)PWM_L是高電平1 時，V1 飽和導(dǎo)通，V4 截止，電機無電流流過；當(dāng)PWM_L 是低電平0 時，V1 截止，V4 飽和導(dǎo)通，這時V2 和V4 飽和導(dǎo)通，V1 和V3 截止，電機正向轉(zhuǎn)動，改變PWM_L 的占空比則改變電機的轉(zhuǎn)速。同理分析可以得到，當(dāng)DIR_L為低電平0 時，電機反向轉(zhuǎn)動，改變PWM_L 的占空比則改變電機的轉(zhuǎn)速。在向?qū)W生分析電路時，應(yīng)講解二極管D6 ～D9 的作用：因場效管的門極和源極之間有結(jié)電容，在場效應(yīng)導(dǎo)通和截止時結(jié)電容存在充放電過程，在門極電阻并聯(lián)二極管，使得充放電時間常數(shù)不一樣。充電時，電流經(jīng)過門極電阻，放電時電流經(jīng)過二極管，放電時間小于充電時間，使場效應(yīng)管截止時間小于導(dǎo)通時間，確保一個場效應(yīng)管導(dǎo)通時，另一半橋臂的場效應(yīng)管提前截止。D4、C14 和D5、C13 通過充放電構(gòu)成自舉電路，依靠自舉電路，HO 輸出邏輯高電平時，可達(dá)高于VCC 電壓6 ～8 V，可以確保高橋臂V1、V2 飽和導(dǎo)通時門極的高電壓。在課程設(shè)計的分析過程中，應(yīng)向?qū)W生講解自舉電路的工作原理和場效應(yīng)門極二極管的作用，這也是分析整個電路的一個重點。

圖4 電機驅(qū)動電路

（3）邏輯電路及分析

在電機驅(qū)動電路中，存在一個缺陷，當(dāng)控制電機轉(zhuǎn)向的DIR_ L輸出高電平1 時，V2 保持飽和導(dǎo)通，V1 保持截止。由于DIR_A 不是PWM 波形不能形成充放電，此時U8 的自舉電路工作狀態(tài)受到嚴(yán)重影響，測試發(fā)現(xiàn)此時U8 的HO電壓比VCC 電壓高出約3V，即V2 不能工作在飽和狀態(tài)，發(fā)熱明顯加大，影響其正常工作。為了克服上述的缺點，本文在驅(qū)動電路前加入邏輯電路，以左電機邏輯電路為例，運算電路如圖5 （a）所示，實現(xiàn)電路如圖5 （b）所示。從單片機輸出的L_PWM、L_DIR分別為左電機速度信號和電機轉(zhuǎn)向信號，邏輯電路運算分別為：PWM_L ＝L_PWM·L_DIR 和DIR_L ＝L_PWM·L_DIR。邏輯電路輸出的PWM_L 和DIR_L 送給電機驅(qū)動電路。當(dāng)轉(zhuǎn)向信號L_DIR 為高電平1 時，PWM_L ＝L_ PWM，DIR_L ＝0。此時PWM_ L 端輸出PWM波形，U7 的自舉電路能正常工作；而U8 的HO ＝0，LO ＝1，V2 保持截止，V3 保持飽和導(dǎo)通，因V2 截止，所以自舉電路的電壓對V2 沒有影響。當(dāng)L_DIR 為低電平0 時，PWM_L ＝0，DIR_L ＝L_PWM。DIR_L端輸出PWM波形，U8 的自舉電路能夠正常工作；U7 的HO＝0，LO ＝1，V4 保持飽和導(dǎo)通，V1 保持截止，因V1 截止，所以自舉電路的電壓對V1 沒有影響。

圖5 邏輯電路

從上述分析可知，經(jīng)過邏輯電路后不論電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，保持飽和導(dǎo)通的不是高橋臂而是低橋臂，低橋臂飽和導(dǎo)通時門極電壓不需要比VCC的電壓高，因此克服了驅(qū)動電路的缺陷。本文的邏輯電路也是學(xué)生需要理解的一個重點。

（4）電機轉(zhuǎn)速反饋電路

電機的閉環(huán)控制需要通過傳感器獲得電機的實際轉(zhuǎn)速并反饋給單片機，確保電機的實際轉(zhuǎn)速和單片機的給定轉(zhuǎn)速一致。本文的轉(zhuǎn)速傳感器采用HEDS-5540增量式編碼器，它安裝在電機的尾部，與電機合為一體。該編碼器是1024 線編碼器，直接輸出兩相TTL 的數(shù)字脈沖信號，兩相信號之間有90°的相位差。本文用其中任何一相作為電機的轉(zhuǎn)速反饋信號，送給單片機的計數(shù)器實現(xiàn)測速。

（5）電機轉(zhuǎn)向反饋電路

要對電機閉環(huán)控制，必須將電機的轉(zhuǎn)向反饋給單片機，確保電機的實際轉(zhuǎn)向和給定轉(zhuǎn)向一致。本文的轉(zhuǎn)向檢測電路采用兩路邊沿D觸發(fā)器74LS74 實現(xiàn)對兩個電機的轉(zhuǎn)向檢測，檢測電路如圖6 所示。為便于檢測，本文將復(fù)位端CLR1、CLR2 和置位端SET1、SET2 接高電平。將2 個編碼器送來的四路脈沖信號分別輸入CLK1、D1和CLK2、D2，其中CLK 為2 個D 觸發(fā)器的時鐘信號，上升沿有效；D 為數(shù)據(jù)輸入端，Q 為觸發(fā)器的輸出信號端，其輸值為時鐘信號上升沿對應(yīng)的輸入端D 的值，即：RQ＝RD·RCLK↑。編碼器傳輸過來的AB 兩路脈沖方波的頻率相同，但相位相差90°。鑒向過程如圖7 所示，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，A相超前B相90°，觸發(fā)信號的上升沿對應(yīng)的輸入信號是高電平，此時輸出端Q 為高電平1；當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，A 相滯后B相90°，觸發(fā)信號的上升沿對應(yīng)的輸入信號是低電平，此時輸出端Q 為低電平0。通過電機轉(zhuǎn)向反饋電路，單片機可獲得電機的轉(zhuǎn)向。

圖6 電機轉(zhuǎn)向反饋電路

圖7 電機轉(zhuǎn)向鑒相示圖

（6）按鍵及OLED顯示電路

為調(diào)節(jié)及顯示電機轉(zhuǎn)速，控制電路中設(shè)計了按鍵及OLED顯示電路，控制引腳分配（圖3）。按鍵共有5 個“運行”“停止”“調(diào)速”“速度＋”“速度-”。通過這些按鍵可以啟動、停止和調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。OLED 顯示屏是采用SPI通信方式通信，用于顯示電機的設(shè)置轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速，通過兩個速度的比較，可以直觀地得到電機控制的效果。

3 軟件設(shè)計和性能測試

3.1 主程序設(shè)計

主程序流程如圖8 所示，在電機運行過程中，可以隨時改變電機速度。按功能不同，子程序包括了初始化設(shè)置子程序、PID 轉(zhuǎn)速控制程序、按鍵和顯示子程序等。

圖8 主程序流程

3.2 數(shù)字PID控制器設(shè)計

PID控制器廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，是電類專業(yè)學(xué)生要求掌握的一個知識點，也是本課程設(shè)計的一個教學(xué)重點。本設(shè)計通過對電機的轉(zhuǎn)速控制和顯示，能夠讓學(xué)生對PID 控制器的設(shè)計及其效果有一個直觀的理解。在微機控制系統(tǒng)中，采用離散化設(shè)計方法，得到數(shù)字PID控制器，它分為位置式PID和增量式PID，本文的控制對象為電機，故采用增量式數(shù)字PID控制器［15］，其控制方式如式（2）所示，控制程序的流程如圖9 所示。因為PWM 的占空比最大為1，因此，本文采用限幅式PID控制方式，即u（k）≤Umax。

圖9 增量式PID子程序流程

3.3 系統(tǒng)性能測試

本文測試的電機是Faulhaber 2342L012CR 直流伺服減速電機，是在學(xué)科競賽中常用的一款電機，其主要參數(shù)：額定電壓12 V，額定功率17 W，直流阻抗1.9 Ω，轉(zhuǎn)子電感65 μH，機械時間常數(shù)6 ms，原始轉(zhuǎn)速7 680 r／min，減速后轉(zhuǎn)速120 r／min，連續(xù)轉(zhuǎn)矩1.7 N·m。兩輪機器人小車的實物如圖10 所示。

圖10 兩輪機器人實物

本課程設(shè)計實驗平臺的控制方式為閉環(huán)控制，為檢測控制效果，采用開環(huán)和閉環(huán)兩種方式進(jìn)行了測試比較，測試的結(jié)果如表1 所示。從表中可得出，本課程設(shè)計的實驗平臺能夠良好運行，閉環(huán)控制方式的靜差率和調(diào)節(jié)時間比開環(huán)控制都有大幅度降低，其控制效果明顯優(yōu)于開環(huán)控制方式。

表1 綜合實驗平臺性能測試

4 結(jié)束語

單片機課程設(shè)計是單片機課程教學(xué)的一個重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，本課程設(shè)計涉及的知識點廣，主要包含了的單片機基本編程、定時器脈寬調(diào)制、單片機中斷編程、數(shù)字PID編程、直流電機驅(qū)動電路設(shè)計、OLED 顯示器驅(qū)動、數(shù)字編碼器應(yīng)用、電機鑒向電路等知識點。尤其在電機驅(qū)動電路為了使截止橋臂快于導(dǎo)通橋臂而設(shè)置門極二極管D6 ～D9；為了克服半橋驅(qū)動器IR2104 高橋臂長時間導(dǎo)通時輸出電壓低的問題而設(shè)計的邏輯電路，都是解決實際設(shè)計電路的措施，通過學(xué)習(xí)這些實際案例可以很大地拓展學(xué)生的知識點和電路設(shè)計能力。因此，本文的設(shè)計是一個很好的單片機綜合設(shè)計案例。