基于單片機(jī)與電機(jī)PWM控制的水族類喂養(yǎng)自動送氧送料系統(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,這樣即浪費電,又浪費氧,送料更是全手工操作,現(xiàn)代魚類飼養(yǎng)科學(xué)表明:一般的水族類更喜歡夜間覓食,另外如果一次放過多的料,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)代社會中起著重要作用。現(xiàn)在90%的驅(qū)動來自電機(jī)。對運動控制最有用的方式是對運動源的控制,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,實現(xiàn)了單片機(jī)能夠順利完成定時送氧,定時定量送料。對送料機(jī)械裝置創(chuàng)新性的設(shè)計,即簡單又方便,類似于洗衣機(jī)中摔水桶,靠電機(jī)轉(zhuǎn)動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
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,反饋。根據(jù)驅(qū)動信號PWM脈沖的產(chǎn)生過程,一般分為由單片機(jī)通過軟件編程產(chǎn)生PWM脈沖和通過定時計數(shù)器等脈沖發(fā)生器 產(chǎn)生PWM脈沖,本文將對這兩種方式進(jìn)行介紹。
2.1 電機(jī)的驅(qū)動
方案一:
由單片機(jī)通過軟件編程產(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)的定時器T0與軟件結(jié)合的方法。T0工作在方式1,即十六位計數(shù)器方式。對TL0置初值FFD6H,使定時器0每隔41微妙(12MHZ晶振)溢出中斷一次,中斷后重置初值,并使軟件計數(shù)器SUB—DIV的值減1。SUB—DIV的初值為244,當(dāng)此值減為0時,歷經(jīng)的時間為 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,就可以形成一定占空比的3KHZ的PWM
基金項目:陜西省教育廳項目(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: (上面位的運算結(jié)果為1)
7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
× | × | × | × | × | 0 | 0 | 0 |
× | × | × | × | × | 0 | 0 | 1 |
× | × | × | × | × | 0 | 1 | 0 |
× | × | × | × | × | 0 | 1 | 1 |
× | × | × | × | × | 1 | 0 | 0 |
× | × | × | × | × | 1 | 0 | 1 |
× | × | × | × | × | 1 | 1 | 0 |
× | × | × | × | × | 1 | 1 | 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數(shù)=23 –1,所以N位的組合形成占空比的個數(shù)=2N-1.同時通過改變計數(shù)器T0的初值與軟件計數(shù)器的值來產(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。.它一般用于對電機(jī)的粗略調(diào)檔控制。
方案二:
選用可編程芯片8253的計數(shù)器0作為PWM信號發(fā)生器,8253的計數(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為計數(shù)器時鐘信號的頻率;N為單片機(jī)為其置入的計數(shù)值。PWM的頻率由GATE0上所加的信號頻率決定;在計數(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。所以通過改變計數(shù)器值N來產(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),一般用于對電機(jī)的精確控制。
本系統(tǒng)采用由單片機(jī)通過軟件編程產(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的開關(guān)功放電路,晶體管T1,T4 和T2 ,T3 配對工作。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)通時間比T 2T3導(dǎo)通時間長,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,經(jīng)過反向和延時后變成兩路互補(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同時導(dǎo)通的情況,以至于引起短路。解決的辦法是通過軟件或延時電路使T1 T3同時有很短的一段時間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。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流保護(hù)防止對管導(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,具有過熱和過流保護(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)之間的信號處理電路。
① 位置的檢測:光電編碼器是一種電機(jī)位置反饋元件,它可以分為絕對與相對編碼器,這里僅介紹后者。相對編碼器的輸出一般有3根或6根信號線,輸出信號為相位相差90°的串行脈沖信號A,B或A+,A-,B+,B-;碼盤每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖Z,或Z-,Z+。6根信號線的輸出為差分信號,具有傳輸距離遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng)的特點。在與計算機(jī)系統(tǒng)接口時,必須對其進(jìn)行合成,MC3486就是一種差分信號接受器,一片上有四個接受通道,每個通道上A,B是輸入,分別接A+,A-,Y是輸出。
② 速度的檢測:可以用電機(jī)內(nèi)的磁電式碼盤(IE2-128)實現(xiàn)速度的檢測。IE2-128碼盤有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個脈沖,并對其進(jìn)行計數(shù),10秒內(nèi)的計數(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。對于方波脈沖可以采用簡單的四倍頻電路進(jìn)行倍頻和鑒相。
④ 說明:本系統(tǒng)由于為電機(jī)的粗略控制,無需反饋通道。
2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3 系統(tǒng)工作原理及使用說明
本產(chǎn)品使用說明:該電路即可按照系統(tǒng)默認(rèn)的時間參數(shù)運行,也可由用戶設(shè)定,通過按鍵設(shè)定新的時間參數(shù),還可以調(diào)節(jié)電機(jī)速度。電路運行后,能自動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顯示常通個位(按一下循環(huán)減1鍵,常通個位減1,當(dāng)為0時按一下變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時按一下變9);第三次按一下功能鍵,LED顯示常關(guān)個位(按一下循環(huán)減1鍵,常關(guān)個位減1,當(dāng)為0時按一下變 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時按一下變9);第五次按一下功能鍵,按第三個鍵調(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)將安新的時間參數(shù)運行,將安新的速度參數(shù)運行。系統(tǒng)默認(rèn)的常通時間為20分鐘,常關(guān)時間為15分鐘,電機(jī)轉(zhuǎn)速為第3擋,最長常通時間為100分鐘,最長常關(guān)時間為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=(常通時間+常關(guān)時間)*5,系統(tǒng)默認(rèn)的送料周期為35*5=175分鐘。LED的小數(shù)點閃爍顯示秒。在設(shè)置常通,常關(guān),電機(jī)轉(zhuǎn)速時,都有相應(yīng)發(fā)光二極管亮。
另外還有手動復(fù)位鍵,當(dāng)程序跑飛時,可以按這個鍵,使程序復(fù)位。還有手動關(guān)閉電機(jī)鍵。送料量可通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來定,一般情況下轉(zhuǎn)速高,送料多。
程序流程圖
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)創(chuàng)新點在于利用單片機(jī)與電機(jī)PWM控制自動送氧送料系統(tǒng),實現(xiàn)了自動的定時送氧,定時定量送料。對于家庭喂養(yǎng)的水族類:操作簡單,定時、自動送氧,送料、送料量可以控制,可方便于短時間外出旅游。餐飲喂養(yǎng)的水族類:可以晝夜喂養(yǎng),定時定量,科學(xué)喂養(yǎng),有利于水族類生長,降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 屈印,沈為群,宋子善. 基于專用PWM控制器的直流伺服位置系統(tǒng). 微計算機(jī)信息:2005.8-1期, P. 96-97
[2] 李華. 系列單片機(jī)實用接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社,1993
[3] 蘇開才. 現(xiàn)代功率電子技術(shù). 北京:國防科技大學(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
霍爾傳感器相關(guān)文章:霍爾傳感器工作原理
pwm相關(guān)文章:pwm原理
塵埃粒子計數(shù)器相關(guān)文章:塵埃粒子計數(shù)器原理 霍爾傳感器相關(guān)文章:霍爾傳感器原理 加速度計相關(guān)文章:加速度計原理 脈沖點火器相關(guān)文章:脈沖點火器原理
評論