C8051F005單片機的比例電磁鐵控制技術

自動控制系統中，由微處理器控制的比例電磁鐵作為執行器的應用越來越廣泛。本設計是一個由C8051F005單片機控制的接口電路，采用PWM技術對比例電磁鐵進行控制；簡單實用，能滿足自動控制系統中執行器的控制精度高、響應快的要求，具有一定的實用價值。

關鍵詞 C8051F005比例電磁鐵控制PWM

引言

　　比例電磁鐵作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用于各種自動化控制系統中；比例電磁鐵的推力大，結構簡單，維護方便，成本低廉，是應用非常廣泛的電—機械轉換器[1]；比例電磁鐵的特性及工作的可靠性，對于整個控制系統具有十分重要的影響，是決定控制系統品質的關鍵部件之一。比例電磁鐵作為電—機械轉換元件，其功能是將比例控制放大器輸給的電流信號，轉換成位移或者力信號輸出。

　　比例電磁鐵適用于直流電壓為24 V比例控制放大器的控制線路中，作為連續地、按比例地控制系統執行元件的運動、速度和方向的動力元件。比例電磁鐵在其額定行程范圍內的推力與通入其線圈的電流成正比，可在其他需要作用力自動控制的裝置上作為線性動力元件，如自動油門控制等。當電磁鐵與單片機一起構成一個自動控制系統時, 由于電磁鐵的工作電壓較高, 工作電流較大，因此單片機與比例電磁鐵之間接口電路的設計是一個關鍵。

　　隨著微電子技術和計算機技術的發展，比例電磁鐵的需求量與日俱增，在各個控制領域都有應用。下面介紹比例電磁鐵的控制技術。

1 PWM驅動的基本原理及特點

　　PWM（Pulse Width Modulation,脈沖寬度調制）技術是利用半導體開關器件的導通和關斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期來達到變壓、變頻目的的一種控制技術[2]。也就是用脈沖寬度不等的一系列等幅值的矩形脈沖去逼近一個所需要的電流或電壓信號。

　　PWM驅動電路，是廣泛應用于高精度控制系統的驅動形式。這種電路能夠實現寬范圍的速度和位置控制，較之常規驅動方式具有無可比擬的優點。PWM驅動電路線路簡單、快速性好、線性度好、效率高的優點，使其廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換的許多領域中。本設計利用PWM驅動電路所需大功率可控器件少、調速范圍寬、快速性好、效率高，功耗低的特點，用C8051F005單片機直接輸出的PWM信號經過驅動電路，然后配合合適的控制算法（PID算法或模糊控制算法等）去控制比例電磁鐵，可實現離合器的精確控制，對于電控離合器控制系統的研究有很好的參考價值。

2 比例電磁鐵與單片機接口電路

2.1 單片機概述

　　本控制系統采用的單片機是美國Silabs公司推出的C8051F005型單片機[3]。它是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，有1個真正的12位多通道ADC、1個可編程增益放大器、2個12位DAC、2個電壓比較器、1個電壓基準、1個具有32 KB Flash存儲器并與8051兼容的微控制器內核，還有硬件實現的（不是在用戶軟件中用位操作模擬）I2C/SMBus、UART、SPI串行接口和1個具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列（PCA），以及4個通用的16位定時器和4字節寬的通用數字I/O端口。C8051F005有2 304字節的RAM，執行速度可達25 MIPS；具有片內VDD監視器、WDT和時鐘振蕩器，是真正能獨立工作的片上系統，能有效地管理模擬和數字外設。Flash存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。MCU可以關閉任何一個或全部外設，以降低功耗。

　　C8051F005型單片機可在工業溫度范圍（－45～+85 ℃）內用2.7～3.6 V的電壓工作。端口I/O、RST和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號電壓。

2.2 PWM信號輸出及比例電磁鐵驅動電路

　　C8051F005 MCU有一個片內可編程計數器/定時器陣列PCA。PCA包括1個專用的16位計數器/定時器時間基準和5個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的4個時鐘源之一：系統時鐘/12、系統時鐘/4、定時器0溢出或外部時鐘輸入（ECI）。

　　每個捕捉/比較模塊都有自己的I/O線（CEXn線），當允許它工作時，CEXn線通過功能選擇開關連到端口的某個引腳。每個捕捉/比較模塊都有4種工作方式：邊沿觸發捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調制（PWM）。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數字交叉開關連到MCU的端口I/O引腳。

　　由PCA輸出8位PWM信號（占空比可變）程序如下：

　　＄ include (c8051F005.inc)
　　ORG 0000H
　　LJMP MAIN
　　ORG 0073H；定時器3的中斷入口
　　LJMP INTERT33
MAIN:
　　MOV WDTCN, #0DEH；禁止看門狗定時器
　　MOV WDTCN, #0ADH
　　MOV OSCICN, #84H；選擇內部振蕩器為12 MHz
　　MOV XBR0, #08H；選擇CEX0引腳連到P0.0
　　MOV XBR2, #40H；允許功能選擇開關
　　ORL PRT0CF, #00000001B；選擇P0.0為推拉方式
　　MOV TMR3RLL, #0B0H；給定時器3低字節賦初值
　　MOV TMR3RLH, #0A0H；給定時器3高字節賦初值
　　MOV PCA0CPH0, #0FFH；給PCA捕捉模塊高字節賦初值
　　MOV PCA0CPL0, #0FFH；給PCA捕捉模塊低字節賦初值
　　MOV PCA0MD, #08H；選擇PCA的時鐘源為系統時鐘，禁止CF中斷
　　MOV PCA0CPM0, #42H；選擇8位脈寬調制輸出方式，并啟動開始
　　MOV PCA0CN, #40H；允許PCA工作
　　MOV IE, #080H；CPU開中斷
　　MOV EIE2, #1；T3開中斷
　　MOV TMR3CN, #00000110B；啟動T3工作，T3使用系統時鐘源
　　SJMP ＄
INTERT33:
　　MOV A, TMR3CN；清除T3的標志位TF3
　　ANL A, #7FH
　　MOV TMR3CN, A
　　DEC PCA0CPH0；占空比的改變
　　RETI