基于单片机的直流电机控制模块设计

(四川文化传媒学院五年一贯制校区 四川 成都 611700)

基于单片机的直流电机控制模块设计

刘春梅

(四川文化传媒学院五年一贯制校区 四川 成都 611700)

利用单片机和电子技术等方面的知识，通过C语言编程，使 STC系列单片机的定时器产生不同频率、不同占空比的PWM信号，由单片机的I/O口输出，去控制L298N电机驱动芯片，达到对电机转速和方向控制的目的。

单片机；PWM；信号；转速 ；转向

电机为运动提供动力，无论旋转运动还是直线运动，电机在人们日常生活的各个方面发挥着重要作用。与气压或液压系统相比，电机系统工作时更加清洁和高效。因此高效的电机控制技术显得尤为重要，近年来，随着脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，电机控制技术正朝着数字化智能化的方向发展，因此脉宽调制(PWM)技术是较优越的电机控制技术。

一、 设计的总体任务和要求

(一)设计单片机开发系统，利用C语言或汇编语言实现PWM信号的产生，对直流电机转速进行有效控制。

(二)采用单片机的编程技术设计并产生PWM信号，对直流电机进行控制，无需外接D/A转换器，使控制电路大大简化，控制方式简洁，控制精度高、控制效果好。

二、直流电机PWM调速原理

在脉冲作用下，当电动机通电时，速度增加；电动机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律改变通、断电时间，即可使电动机速度达到一定的稳定性。

设电动机永远接通电源时其转速为最大Vmax，占空比D=t1/T，如图1所示，则电动机的平均速度为

Vd=VmaxD

(公式一)

式中:Vd——电动机的平均速度； Vmax——电动机全通电时的速度(最大)； D=t1/T——占空比。

图1 脉冲信号

三、硬件系统组成

(一) 总体框图

图2 总体框图

如图2所示，硬件系统由单片机最小系统、L298N电机驱动模块、按键模块、1602液晶显示模块、LED指示模块组成。

(二) 各模块电路说明

1、 单片机最小系统

STC系列是单片机是一款高性价比的单片机，它虽然功能强大，但要想完成其强大的功能，单靠它也是不行的。因此要让单片机运行起来，就要创设单片机工作的环境，即单片机的最小系统，它包括振荡电路、复位电路、电源电路。

2、 L298N电机驱动模块

驱动芯片比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，如图2所示，内部包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。表1是L298N逻辑功能。

表1 L298N功能模块

3、 按键模块及功能

表2 按键功能表

4、 液晶显示模块

1602液晶主要用于显示直流小电机的速度等级及电机的转向。

5、LED指示模块及功能

表3 指示模块及功能

四、软件系统设计

(一) 定时/计数器工作方式及控制寄存器的设置

1、选用T0和T1作为产生脉冲用的定时器并且使它们工作在模式1(定时模式)下。在模式1中，寄存器TH0、TH1和TL0、TL1以全8位参与操作，构成16位定时/计数器，当TH0(TH1)溢出时向中断标志位TF0(TF1)进位，并申请中断。在这种模式下T0(T1)定时时间最长，有利于在更大的范围内对电机进行调速。

2、工作模式寄存器TMOD。如表4所示：

表4定时器工作模式寄存器TMOD

TMOD的高4位用于T1，低4位用于T0，4种符号含义如下：

GATE：门控位。

C/T：定时/计数器方式选择位。C/T=0为定时器方式，C/T=1时为计数器方式。

M1M0：工作模式选择位,具体如下：

M1M0=00：模式0(13位定时/计数器)

M1M0=01：模式1(16位定时/计数器)

M1M0=10：模式2(8位自动重装常数的定时/计数器)

M1M0=11：模式3(2个8位定时/计数器，仅对T0)

(二)定时/计数器常数的计算

定时/计数器中的计数器是在计数初值基础上以加法计数的，并能在计数器从全“1”变为全“0”时自动产生溢出中断请求。因此，可以把计数器计数初值设定为TC，定时器定时时间T的计算公式为：

T=(M-TC)T计数

(公式二)

式中M为计数器模值，该值和计数器工作模式有关。在模式1时M为216。在定时器模式下，T计数是单片机振荡周期的12倍。

上式也可写成：TC=M-T/T计

(公式三)

在程序设计中工作模式为模式1，计数器模值M=216=65536；

则给定时器赋值：

TH0=(65535-T计数)/256

(公式四)

TL0=(65535-T计数)%256

(公式五)

(三)中断控制

除特殊功能寄存器TCON和SCON中的某些位与中断有关以外，还有一个特殊功能寄存器即中断允许寄存器IE用来设定各个中断源的打开和关闭。其形式如表5所示：

表5 中断允许寄存器IE

EA：CPU中断允许位。

ES：串口中断允许位。

ET0：定时/计数器0中断允许位。

以上各位等于1时，CPU开放中断；等于0时，CPU禁止该中断。单片机系统复位后，IE中各位均被清零，即禁止所有中断。程序中要开T0或T1中断则应将ET0或ET1置1，另外如果要使用中断EA也要置1。

五、总结

用单片机做开发比模拟电路有明显优势，即不用对电路有大改动就可以适应新的工作条件，升级也很方便，只需对CPU重新刷写一次程序就可以了。单片机具有结构简单、编程方便、经济、易于连接等优点，特别是其内部定时器/计数器、中断系统资源丰富，有应用价值。而且电路的可靠性比较高，功能也比较强大，可以随时更新系统，进行不同状态的组合。但是实际应用中单片机也有很多局限性，比如内部存储器容量不够大，运算速度不够快，内部输出信号功率很小，因而要驱动电机必须用电机驱动芯片。

[1]何立民，单片机应用技术大全[J]，北京，北京航空航天大学出版社， 1994

[2]康华光，电子技术基础(数字部分)[M]，高等教育出版社，2005.07