基于單片機(jī)與電機(jī)PWM控制的水族類(lèi)喂養(yǎng)自動(dòng)送氧送料系統(tǒng)

1 引言

現(xiàn)在家庭或餐廳飯店的水族飼養(yǎng)中，一般多為送氧泵一直通氧，這樣即浪費(fèi)電，又浪費(fèi)氧，送料更是全手工操作，現(xiàn)代魚(yú)類(lèi)飼養(yǎng)科學(xué)表明：一般的水族類(lèi)更喜歡夜間覓食，另外如果一次放過(guò)多的料，使水質(zhì)變差，科學(xué)的飼養(yǎng)方法：多餐少食。

電機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)中起著重要作用?，F(xiàn)在90%的驅(qū)動(dòng)來(lái)自電機(jī)。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制最有用的方式是對(duì)運(yùn)動(dòng)源的控制，單片機(jī)在電機(jī)控制的發(fā)展中扮演了十分重要的角色。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)與電機(jī)的PWM控制，由控制速度達(dá)到控制送料量，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)能夠順利完成定時(shí)送氧，定時(shí)定量送料。對(duì)送料機(jī)械裝置創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，即簡(jiǎn)單又方便，類(lèi)似于洗衣機(jī)中摔水桶，靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力把料撒出去，但只有半邊有孔，這樣可以控制撒出去的方向，防止漏料。

2 控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)

基于的89C51單片機(jī)在電機(jī)PWM控制中的應(yīng)用。精確的電機(jī)控制包括三部分，即控制，驅(qū)動(dòng)，反饋。根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM脈沖的產(chǎn)生過(guò)程，一般分為由單片機(jī)通過(guò)軟件編程產(chǎn)生PWM脈沖和通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器等脈沖發(fā)生器 產(chǎn)生PWM脈沖，本文將對(duì)這兩種方式進(jìn)行介紹。

2.1 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

方案一：

由單片機(jī)通過(guò)軟件編程產(chǎn)生PWM脈沖。關(guān)鍵是產(chǎn)生一定頻率占空比可調(diào)PWM 脈沖，這里可以用單片機(jī)的定時(shí)器T0與軟件結(jié)合的方法。T0工作在方式1，即十六位計(jì)數(shù)器方式。對(duì)TL0置初值FFD6H，使定時(shí)器0每隔41微妙（12MHZ晶振）溢出中斷一次，中斷后重置初值，并使軟件計(jì)數(shù)器SUB—DIV的值減1。SUB—DIV的初值為244，當(dāng)此值減為0時(shí)，歷經(jīng)的時(shí)間為 244×41×10-6 =0.010004秒,SUB-DIV

的初值為244(11110100B),SUB-DIV的低三位可以構(gòu)成8種狀態(tài).在0.01秒內(nèi)8種狀態(tài)的重復(fù)次數(shù)=11110B

=30。故把低3位的狀態(tài)以某種形式組合起來(lái)，就可以形成一定占空比的3KHZ的PWM

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳項(xiàng)目（2004JC07）資助、陜西科技大學(xué)創(chuàng)新基金資助

SUB-DIV.1 ORL SUB-DIV.2 形成占空比為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 形成占空比為37.5%

SUB-DIV.0 形成占空比50%

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

SUB-DIV.1 ORL SUB.DIV.2 形成占空比為75%

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

SUB-DIV位如下圖： （上面位的運(yùn)算結(jié)果為1）

我們可以看出SUB-DIV的低三位不同組合形成的占空比的個(gè)數(shù)=23 –1,所以N位的組合形成占空比的個(gè)數(shù)=2N-1.同時(shí)通過(guò)改變計(jì)數(shù)器T0的初值與軟件計(jì)數(shù)器的值來(lái)產(chǎn)生不同頻率的脈沖.這也就達(dá)到用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的目的(頻率范圍從幾HZ到幾十KHZ。.它一般用于對(duì)電機(jī)的粗略調(diào)檔控制。

方案二：

選用可編程芯片8253的計(jì)數(shù)器0作為PWM信號(hào)發(fā)生器，8253的計(jì)數(shù)器0工作在可編程單穩(wěn)態(tài)方式，它的輸出口產(chǎn)生寬度連續(xù)可調(diào)PWM脈沖，該輸出脈沖寬度為：W=N/fi；輸出的占空比為：G=fGATE×N/fi； 式中，W為輸出脈沖寬度，單位是秒；G為占空比；fi為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)的頻率；N為單片機(jī)為其置入的計(jì)數(shù)值。PWM的頻率由GATE0上所加的信號(hào)頻率決定；在計(jì)數(shù)器0的GATE0端輸入一定頻率的方波（頻率值由PWM功放電路功放管的參數(shù)決定），該頻率一般由555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生。所以通過(guò)改變計(jì)數(shù)器值N來(lái)產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的PWM脈沖。由于它的頻率是由 555產(chǎn)生的，所以頻率范圍很廣，脈沖占空比連續(xù)可調(diào)，一般用于對(duì)電機(jī)的精確控制。

本系統(tǒng)采用由單片機(jī)通過(guò)軟件編程產(chǎn)生PWM脈沖

2.2 PWM功率放大電路

最常用的PWM功率放大器是橋式功放電路，又稱H型功放電路。圖一中的晶體管T1，T2，T3，T4組成PWM的開(kāi)關(guān)功放電路，晶體管T1，T4 和T2 ，T3 配對(duì)工作。T1 ，T4導(dǎo)通，T2 ，T3截止；反之，T1 ，T4導(dǎo)通，T2，T3截止。顯然T1和T3，T2和T4不能同時(shí)導(dǎo)通，因此，T1，T4與T2，T3上所加脈沖頻率相同，方向相反。如果T1T4導(dǎo)通時(shí)間比T 2T3導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。所以我們可以把從上面產(chǎn)生的PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)反向和延時(shí)后變成兩路互補(bǔ)的PWM1，PWM2輸出至功放電路 的輸入端。由于脈沖電平轉(zhuǎn)換的延遲，可能出現(xiàn)T1T3同時(shí)導(dǎo)通的情況，以至于引起短路。解決的辦法是通過(guò)軟件或延時(shí)電路使T1 T3同時(shí)有很短的一段時(shí)間TW的截止（死區(qū)）。這里是用一片雙路單穩(wěn)集成芯片74HC221構(gòu)成的延時(shí)電路。

現(xiàn)在市面上已有各種電機(jī)功放電路芯片，例如由美國(guó)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LMD18245芯片，專用于直流或步進(jìn)式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。電源電壓范圍 12V~55V，額定電流3A，具有電流反饋控制電路及過(guò)流保護(hù)防止對(duì)管導(dǎo)通的功，PWM單雙極性可選，控制電平與TTL，CMOS兼容。雙H橋功率集成電路L298，其輸出最大電流達(dá)4A，支持最大的PWM頻率為50KHZ，具有過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)功能，用于伺服直流電機(jī)。

2.3 電機(jī)的反饋通道

電機(jī)的反饋通道是指從光電編碼器或其他的電機(jī)速度，位置等傳感器的輸出到單片機(jī)之間的信號(hào)處理電路。

① 位置的檢測(cè)：光電編碼器是一種電機(jī)位置反饋元件，它可以分為絕對(duì)與相對(duì)編碼器，這里僅介紹后者。相對(duì)編碼器的輸出一般有3根或6根信號(hào)線，輸出信號(hào)為相位相差90°的串行脈沖信號(hào)A，B或A+，A-，B+，B-；碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖Z，或Z-，Z+。6根信號(hào)線的輸出為差分信號(hào)，具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行合成，MC3486就是一種差分信號(hào)接受器，一片上有四個(gè)接受通道，每個(gè)通道上A，B是輸入，分別接A+，A-，Y是輸出。

② 速度的檢測(cè)：可以用電機(jī)內(nèi)的磁電式碼盤(pán)（IE2-128）實(shí)現(xiàn)速度的檢測(cè)。IE2-128碼盤(pán)有128線，2通道方波脈沖輸出，TTL電平，相位相差90°。另一種方法是利用霍爾傳感器，在電機(jī)輪上安裝6組磁鋼，每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生6個(gè)脈沖，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，10秒內(nèi)的計(jì)數(shù)值即為電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min。

③ 倍頻及鑒相電路：倍頻也叫細(xì)分，用于提高編碼器的分辨率。對(duì)于方波脈沖可以采用簡(jiǎn)單的四倍頻電路進(jìn)行倍頻和鑒相。

④ 說(shuō)明：本系統(tǒng)由于為電機(jī)的粗略控制，無(wú)需反饋通道。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)工作原理及使用說(shuō)明

本產(chǎn)品使用說(shuō)明：該電路即可按照系統(tǒng)默認(rèn)的時(shí)間參數(shù)運(yùn)行，也可由用戶設(shè)定，通過(guò)按鍵設(shè)定新的時(shí)間參數(shù)，還可以調(diào)節(jié)電機(jī)速度。電路運(yùn)行后，能自動(dòng)周期性的控制送氧泵的通與停，以及電機(jī)送料。

本產(chǎn)品有三個(gè)按鍵，其一為功能鍵，其二為循環(huán)減1鍵，其三為電機(jī)調(diào)速鍵；

使用方法：先按一下功能鍵，LED顯示常通個(gè)位（按一下循環(huán)減1鍵，常通個(gè)位減1，當(dāng)為0時(shí)按一下變9）；第二次按一下功能鍵，LED顯示常通十位（按一下循環(huán)減1鍵，常通十位減1，當(dāng)為0時(shí)按一下變9）；第三次按一下功能鍵，LED顯示常關(guān)個(gè)位（按一下循環(huán)減1鍵，常關(guān)個(gè)位減1，當(dāng)為0時(shí)按一下變 9）；第四次按一下功能鍵，LED顯示常關(guān)十位（按一下循環(huán)減1鍵，常關(guān)十位減1，當(dāng)為0時(shí)按一下變9）；第五次按一下功能鍵，按第三個(gè)鍵調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)有7擋可調(diào)（0，1，2，3，4，5，6）；第六次按一下功能鍵，系統(tǒng)將安新的時(shí)間參數(shù)運(yùn)行，將安新的速度參數(shù)運(yùn)行。系統(tǒng)默認(rèn)的常通時(shí)間為20分鐘，常關(guān)時(shí)間為15分鐘，電機(jī)轉(zhuǎn)速為第3擋，最長(zhǎng)常通時(shí)間為100分鐘，最長(zhǎng)常關(guān)時(shí)間為100分鐘，系統(tǒng)上電復(fù)位后，電機(jī)送料1分鐘，電機(jī)送料周期=（常通時(shí)間+常關(guān)時(shí)間）*5，系統(tǒng)默認(rèn)的送料周期為35*5=175分鐘。LED的小數(shù)點(diǎn)閃爍顯示秒。在設(shè)置常通，常關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，都有相應(yīng)發(fā)光二極管亮。

另外還有手動(dòng)復(fù)位鍵，當(dāng)程序跑飛時(shí)，可以按這個(gè)鍵，使程序復(fù)位。還有手動(dòng)關(guān)閉電機(jī)鍵。送料量可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)定，一般情況下轉(zhuǎn)速高，送料多。

程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)在于利用單片機(jī)與電機(jī)PWM控制自動(dòng)送氧送料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的定時(shí)送氧，定時(shí)定量送料。對(duì)于家庭喂養(yǎng)的水族類(lèi)：操作簡(jiǎn)單，定時(shí)、自動(dòng)送氧，送料、送料量可以控制，可方便于短時(shí)間外出旅游。餐飲喂養(yǎng)的水族類(lèi)：可以晝夜喂養(yǎng)，定時(shí)定量，科學(xué)喂養(yǎng)，有利于水族類(lèi)生長(zhǎng)，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 屈印,沈?yàn)槿?宋子善. 基于專用PWM控制器的直流伺服位置系統(tǒng). 微計(jì)算機(jī)信息：2005.8-1期, P. 96－97

[2] 李華. 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社，1993

[3] 蘇開(kāi)才. 現(xiàn)代功率電子技術(shù). 北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1995

[4] 沙占友. 單片機(jī)外圍電路. 北京：電子工業(yè)出版社，2003

[5] 張崇巍,張興. PWM整流器及其控制策. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003