C8051F005单片机的比例电磁铁控制技术.docx

C8051F005 C8051F005 单片机的比例电磁铁控制技术 自动控制系统中，由微处理器控制的比例电磁铁作为执行器的应用越来越广泛。本设计是一 个由C8051F005 单片机控制的接口电路，采用PWM 技术对比例电磁铁进行控制；简单实用，能满足自动控制系统中执行器的控制精度高、响应快的要求，具有一定的实用价值。 引言 比例电磁铁作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制 系统中；比例电磁铁的推力大，结构简单，维护方便，成本低廉，是应用非常广泛的电—机 械转换器[1]；比例电磁铁的特性及工作的可靠性，对于整个控制系统具有十分重要的影响， 是决定控制系统品质的关键部件之一。比例电磁铁作为电—机械转换元件，其功能是将比例 控制放大器输给的电流信号，转换成位移或者力信号输出。 比例电磁铁适用于直流电压为 24 V 比例控制放大器的控制线路中，作为连续地、按比例地控制系统执行元件的运动、速度和方向的动力元件。比例电磁铁在其额定行程范围内的推力与通入其线圈的电流成正比，可在其他需要作用力自动控制的装置上作为线性动力元 件，如自动油门控制等。当电磁铁与单片机一起构成一个自动控制系统时, 由于电磁铁的工作电压较高, 工作电流较大，因此单片机与比例电磁铁之间接口电路的设计是一个关键。 随着微电子技术和计算机技术的发展，比例电磁铁的需求量与日俱增，在各个控制领域都有应用。下面介绍比例电磁铁的控制技术。 PWM 驱动的基本原理及特点 PWM（Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制）技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期来达到变压、变频目的的一种控制技术[2]。也就是用脉冲宽度不等的一系列等幅值的矩形脉冲去逼近一 个所需要的电流或电压信号。 PWM 驱动电路，是广泛应用于高精度控制系统的驱动形式。这种电路能够实现宽范围的速度和位置控制，较之常规驱动方式具有无可比拟的优点。PWM 驱动电路线路简单、快速性好、线性度好、效率高的优点，使其广泛应用于测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。本设计利用 PWM 驱动电路所需大功率可控器件少、调速范围宽、快速性好、效率高， 功耗低的特点，用C8051F005 单片机直接输出的PWM 信号经过驱动电路，然后配合合适的控制算法（PID 算法或模糊控制算法等）去控制比例电磁铁，可实现离合器的精确控制， 对于电控离合器控制系统的研究有很好的参考价值。 比例电磁铁与单片机接口电路 单片机概述 本控制系统采用的单片机是美国 本控制系统采用的单片机是美国Silabs 公司推出的C8051F005 型单片机[3]。它是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片，有 1 个真正的 12 位多通道ADC、1 个可编程增益放 大器、2 个 12 位DAC、2 个电压比较器、1 个电压基准、1 个具有 32 KB Flash 存储器并与 8051 兼容的微控制器内核，还有硬件实现的（不是在用户软件中用位操作模拟） I2C/SMBus、UART、SPI 串行接口和 1 个具有 5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA），以及4 个通用的 16 位定时器和 4 字节宽的通用数字I/O 端口。C8051F005 有 2 304 字节的RAM，执行速度可达25 MIPS；具有片内VDD 监视器、WDT 和时钟振荡器，是真正能独立工作的片上系统，能有效地管理模拟和数字外设。Flash 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。MCU 可以关闭任何一个或全部外设，以降低功耗。 C8051F005 型单片机可在工业温度范围（－45～+85 ℃）内用 2.7～3.6 V 的电压工作。端口 I/O、RST 和 JTAG 引脚都容许 5 V 的输入信号电压。 PWM 信号输出及比例电磁铁驱动电路 C8051F005 MCU 有一个片内可编程计数器/定时器阵列PCA。PCA 包括 1 个专用的16 位计数器/定时器时间基准和 5 个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的 4 个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器 0 溢出或外部时钟输入（ECI）。 每个捕捉/比较模块都有自己的I/O 线（CEXn 线），当允许它工作时，CEXn 线通过功能选择开关连到端口的某个引脚。每个捕捉/比较模块都有 4 种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、脉冲宽度调制（PWM）。PCA 捕捉/比较模块的I/O 和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU 的端口I/O 引脚。 由 PCA 输出 8 位PWM 信号（占空比可变）程序如下： ＄ include (c8051