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

1 引言

現在家庭或餐廳飯店的水族飼養中，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，現代魚(yú)類(lèi)飼養科學(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)的飼養方法：多餐少食。

電機在現代社會(huì )中起著(zhù)重要作用?，F在90%的驅動(dòng)來(lái)自電機。對運動(dòng)控制最有用的方式是對運動(dòng)源的控制，單片機在電機控制的發(fā)展中扮演了十分重要的角色。本系統通過(guò)單片機與電機的PWM控制，由控制速度達到控制送料量，實(shí)現了單片機能夠順利完成定時(shí)送氧，定時(shí)定量送料。對送料機械裝置創(chuàng )新性的設計，即簡(jiǎn)單又方便，類(lèi)似于洗衣機中摔水桶，靠電機轉動(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 控制系統的組成及設計

基于的89C51單片機在電機PWM控制中的應用。精確的電機控制包括三部分，即控制，驅動(dòng)，反饋。根據驅動(dòng)信號PWM脈沖的產(chǎn)生過(guò)程，一般分為由單片機通過(guò)軟件編程產(chǎn)生PWM脈沖和通過(guò)定時(shí)計數器等脈沖發(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 電機的驅動(dòng)

方案一：

由單片機通過(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PWM 脈沖，這里可以用單片機的定時(shí)器T0與軟件結合的方法。T0工作在方式1，即十六位計數器方式。對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，并使軟件計數器SUB—DIV的值減1。SUB—DIV的初值為244，當此值減為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的低三位可以構成8種狀態(tài).在0.01秒內8種狀態(tài)的重復次數=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=23 –1,所以N位的組合形成占空比的個(gè)數=2N-1.同時(shí)通過(guò)改變計數器T0的初值與軟件計數器的值來(lái)產(chǎn)生不同頻率的脈沖.這也就達到用單片機產(chǎn)生PWM脈沖的目的(頻率范圍從幾HZ到幾十KHZ。.它一般用于對電機的粗略調檔控制。

方案二：

選用可編程芯片8253的計數器0作為PWM信號發(fā)生器，8253的計數器0工作在可編程單穩態(tài)方式，它的輸出口產(chǎn)生寬度連續可調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為計數器時(shí)鐘信號的頻率；N為單片機為其置入的計數值。PWM的頻率由GATE0上所加的信號頻率決定；在計數器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決定），該頻率一般由555構成多諧振蕩器產(chǎn)生。所以通過(guò)改變計數器值N來(lái)產(chǎn)生連續可調的PWM脈沖。由于它的頻率是由 555產(chǎn)生的，所以頻率范圍很廣，脈沖占空比連續可調，一般用于對電機的精確控制。

本系統采用由單片機通過(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(chēng)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 配對工作。T1 ，T4導通，T2 ，T3截止；反之，T1 ，T4導通，T2，T3截止。顯然T1和T3，T2和T4不能同時(shí)導通，因此，T1，T4與T2，T3上所加脈沖頻率相同，方向相反。如果T1T4導通時(shí)間比T 2T3導通時(shí)間長(cháng)，則電機正轉，反之電機反轉。所以我們可以把從上面產(chǎn)生的PWM脈沖信號，經(jīng)過(guò)反向和延時(shí)后變成兩路互補的PWM1，PWM2輸出至功放電路 的輸入端。由于脈沖電平轉換的延遲，可能出現T1T3同時(shí)導通的情況，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）。這里是用一片雙路單穩集成芯片74HC221構成的延時(shí)電路。

現在市面上已有各種電機功放電路芯片，例如由美國半導體公司生產(chǎn)的LMD18245芯片，專(zhuān)用于直流或步進(jìn)式電機的驅動(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)流保護防止對管導通的功，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4A，支持最大的PWM頻率為50KHZ，具有過(guò)熱和過(guò)流保護功能，用于伺服直流電機。

2.3 電機的反饋通道

電機的反饋通道是指從光電編碼器或其他的電機速度，位置等傳感器的輸出到單片機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(xiàn)，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(pán)每轉一圈輸出一個(gè)脈沖Z，或Z-，Z+。6根信號線(xiàn)的輸出為差分信號，具有傳輸距離遠，抗干擾能力強的特點(diǎn)。在與計算機系統接口時(shí)，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(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：可以用電機內的磁電式碼盤(pán)（IE2-128）實(shí)現速度的檢測。IE2-128碼盤(pán)有128線(xiàn)，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，在電機輪上安裝6組磁鋼，每轉一圈，霍爾元件產(chǎn)生6個(gè)脈沖，并對其進(jìn)行計數，10秒內的計數值即為電機轉速r/min。

③ 倍頻及鑒相電路：倍頻也叫細分，用于提高編碼器的分辨率。對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：本系統由于為電機的粗略控制，無(wú)需反饋通道。

2.4 系統結構圖

3 系統工作原理及使用說(shuō)明

本產(chǎn)品使用說(shuō)明：該電路即可按照系統默認的時(shí)間參數運行，也可由用戶(hù)設定，通過(guò)按鍵設定新的時(shí)間參數，還可以調節電機速度。電路運行后，能自動(dòng)周期性的控制送氧泵的通與停，以及電機送料。

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，其三為電機調速鍵；

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)鍵調節電機轉速，本系統有7擋可調（0，1，2，3，4，5，6）；第六次按一下功能鍵，系統將安新的時(shí)間參數運行，將安新的速度參數運行。系統默認的常通時(shí)間為20分鐘，常關(guān)時(shí)間為15分鐘，電機轉速為第3擋，最長(cháng)常通時(shí)間為100分鐘，最長(cháng)常關(guān)時(shí)間為100分鐘，系統上電復位后，電機送料1分鐘，電機送料周期=（常通時(shí)間+常關(guān)時(shí)間）*5，系統默認的送料周期為35*5=175分鐘。LED的小數點(diǎn)閃爍顯示秒。在設置常通，常關(guān)，電機轉速時(shí)，都有相應發(fā)光二極管亮。

另外還有手動(dòng)復位鍵，當程序跑飛時(shí)，可以按這個(gè)鍵，使程序復位。還有手動(dòng)關(guān)閉電機鍵。送料量可通過(guò)調節電機轉速來(lái)定，一般情況下轉速高，送料多。

程序流程圖

4 結束語(yǔ)

本系統創(chuàng )新點(diǎn)在于利用單片機與電機PWM控制自動(dòng)送氧送料系統，實(shí)現了自動(dòng)的定時(shí)送氧，定時(shí)定量送料。對于家庭喂養的水族類(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。餐飲喂養的水族類(lèi)：可以晝夜喂養，定時(shí)定量，科學(xué)喂養，有利于水族類(lèi)生長(cháng)，降低成本，提高經(jīng)濟效益。

參考文獻

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