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，現代魚類飼養科學表明：一般的水族類更喜歡夜間覓食，另外如果一次放過多的料，使水質變差，科學的飼養方法：多餐少食。

電機在現代社會中起著重要作用。現在90%的驅動來自電機。對運動控制最有用的方式是對運動源的控制，單片機在電機控制的發展中扮演了十分重要的角色。本系統通過單片機與電機的PWM控制，由控制速度達到控制送料量，實現了單片機能夠順利完成定時送氧，定時定量送料。對送料機械裝置創新性的設計，即簡單又方便，類似于洗衣機中摔水桶，靠電機轉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，反饋。根據驅動信號PWM脈沖的產生過程，一般分為由單片機通過軟件編程產生PWM脈沖和通過定時計數器等脈沖發生器 產生PWM脈沖，本文將對這兩種方式進行介紹。

2.1 電機的驅動

方案一：

由單片機通過軟件編程產生PWM脈沖。關鍵是產生一定頻率占空比可調PWM 脈沖，這里可以用單片機的定時器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，歷經的時間為 244×41×10-6 =0.010004秒,SUB-DIV

的初值為244(11110100B),SUB-DIV的低三位可以構成8種狀態.在0.01秒內8種狀態的重復次數=11110B

=30。故把低3位的狀態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、陜西科技大學創新基金資助

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數=23 –1,所以N位的組合形成占空比的個數=2N-1.同時通過改變計數器T0的初值與軟件計數器的值來產生不同頻率的脈沖.這也就達到用單片機產生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信號發生器，8253的計數器0工作在可編程單穩態方式，它的輸出口產生寬度連續可調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構成多諧振蕩器產生。所以通過改變計數器值N來產生連續可調的PWM脈沖。由于它的頻率是由 555產生的，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軟件編程產生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導通時間比T 2T3導通時間長，則電機正轉，反之電機反轉。所以我們可以把從上面產生的PWM脈沖信號，經過反向和延時后變成兩路互補的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同時導通的情況，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）。這里是用一片雙路單穩集成芯片74HC221構成的延時電路。

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的LMD18245芯片，專用于直流或步進式電機的驅動。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，具有過熱和過流保護功能，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，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，抗干擾能力強的特點。在與計算機系統接口時，必須對其進行合成，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：可以用電機內的磁電式碼盤（IE2-128）實現速度的檢測。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，在電機輪上安裝6組磁鋼，每轉一圈，霍爾元件產生6個脈沖，并對其進行計數，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單的四倍頻電路進行倍頻和鑒相。

④ 說明：本系統由于為電機的粗略控制，無需反饋通道。

2.4 系統結構圖

3 系統工作原理及使用說明

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

本產品有三個按鍵，其一為功能鍵，其二為循環減1鍵，其三為電機調速鍵；

使用方法：先按一下功能鍵，LED顯示常通個位（按一下循環減1鍵，常通個位減1，當為0時按一下變9）；第二次按一下功能鍵，LED顯示常通十位（按一下循環減1鍵，常通十位減1，當為0時按一下變9）；第三次按一下功能鍵，LED顯示常關個位（按一下循環減1鍵，常關個位減1，當為0時按一下變 9）；第四次按一下功能鍵，LED顯示常關十位（按一下循環減1鍵，常關十位減1，當為0時按一下變9）；第五次按一下功能鍵，按第三個鍵調節電機轉速，本系統有7擋可調（0，1，2，3，4，5，6）；第六次按一下功能鍵，系統將安新的時間參數運行，將安新的速度參數運行。系統默認的常通時間為20分鐘，常關時間為15分鐘，電機轉速為第3擋，最長常通時間為100分鐘，最長常關時間為100分鐘，系統上電復位后，電機送料1分鐘，電機送料周期=（常通時間+常關時間）*5，系統默認的送料周期為35*5=175分鐘。LED的小數點閃爍顯示秒。在設置常通，常關，電機轉速時，都有相應發光二極管亮。

另外還有手動復位鍵，當程序跑飛時，可以按這個鍵，使程序復位。還有手動關閉電機鍵。送料量可通過調節電機轉速來定，一般情況下轉速高，送料多。

程序流程圖

4 結束語

本系統創新點在于利用單片機與電機PWM控制自動送氧送料系統，實現了自動的定時送氧，定時定量送料。對于家庭喂養的水族類：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。餐飲喂養的水族類：可以晝夜喂養，定時定量，科學喂養，有利于水族類生長，降低成本，提高經濟效益。

參考文獻

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[4] 沙占友. 單片機外圍電路. 北京：電子工業出版社，2003

[5] 張崇巍,張興. PWM整流器及其控制策. 北京：機械工業出版社，2003