小车运动及速度控制设计

小车运动及速度控制
一、实验目的
小车在运动中，控制小车的控制速度是必要，通过控制小车驱动电机的电流可以实现
对电机速度的控制。采用PWM 脉冲可以方便的实现电机的速度控制。P89V51RD2 单片
机具有PCA 阵列，可以通过编程输出5 路PWM 脉冲。本实验通过编程产生PWM 脉冲控
制电机速度，从而控制小车实现各种动作。知识要点：
1．掌握使用P89V51RD2 单片机产生PWM 脉冲，实现电机速度控制的方法。
2．小车运动控制方法。
二、预备知识
1．P89V51RD2 单片机的PCA 模块和PWM 功能
PWM 脉冲叫脉宽可调脉冲，这种脉冲的高电平时间和低电平时间的比例可以调整。
脉冲的高电平时间于脉冲周期的比值叫做占空比。PWM 脉冲在电机调速领域应用较多。
在小车上，可以用于调整小车的驱动电机的转速，从而调整运行速度。
P89V51RD2 单片机的PCA 阵列由脉冲信号源选择、PCA 计数器、和5 个捕捉/比较模
块组成，其结构如图3-14 所示。

当比较/捕捉模块工作与比较模式时，可以用于产生PWM 脉冲，它包含了5 个比较/
捕捉模块，可以用于产生5 路PWM 脉冲，5 路PWM 脉冲的输出端是P1.3~P1.7。小车电
路中使用了P1.4~P1.7，具体功能入下表：
表3-4 驱动电路端口定义
引脚 功能
P1.4 右电机反转驱动脉冲输出端，使用比较/捕捉模块1（CEX1）
P1.5 右电机正转驱动脉冲输出端，使用比较/捕捉模块2（CEX2）
P1.6 左电机反转驱动脉冲输出端，使用比较/捕捉模块3（CEX3）
P1.7 左电机正转驱动脉冲输出端，使用比较/捕捉模块4（CEX4）

在小车控制电路中，由于以上4 路脉冲经过非门后作用于电机驱动电路，因此电机的
转速与脉冲的占空比成反比。在使用时要注意这一点。
PWM 脉冲的频率由脉冲源和PCA 计数器决定。脉冲源有三种选择，分别是内部时钟
脉冲、外部脉冲和定时器T0 溢出脉冲。内部时钟频率固定，等于振荡频率的六分之一即：
fOSC/6。在实验用小车控制板上，该内部时钟脉冲频率2MHz。T0 溢出脉冲是T0 计数器每
次累加到0FFFFH（或1FFFH 或0FFH）后溢出而产生的脉冲，由T0 的工作方式和初值
决定，可以通过编程修改。外部脉冲从单片机的P1.2 输入，其频率由输入脉冲信号源决定。
PCA 计数器实际上是一个8 位的计数器，在运行过程中其数值从初值到255 循环计
数，如果初值为0，则其数值为0~255 循环。在小车控制板上，如果选择内部时钟脉冲，
则PWM 脉冲的最低频率为7812.5Hz。在要求脉冲频率较低时就必须采用定时器T0 和外
部信号作为脉冲源。
各捕捉/比较模块中的寄存器的数值与PCA 计数器的内容比较，如果该寄存器中的数
值比PCA 计数器的数值大则对应的I/O 为低电平，否则为高电平。修改捕捉/比较模块中
寄存器的值就可以改变脉冲宽度，各模块中该寄存器的符号分别为：CCAP0H、CCAP1H、
CCAP2H、CCAP3H 和CCAP4H。
在直流电机调速中，PWM 脉冲的频率要根据电机的参数选择。如果脉冲频率过低会
造成电机抖动，运转不良。如果脉冲频率过高则会造成失控。对小车上的电机调速时，PWM
脉冲频率选择20Hz 为宜。编程时可以选择定时器T0 作为信号源。
2．PWM 脉冲的编程方法，及直流电机的调速。
要产生PWM 脉冲，需对相关控制寄存器进行设置，下面是一个从P1.7 和P1.5 输出
PWM 脉冲的程序：
……
MOV TMOD ，#02H ；设定T0 的工作方式为方式2
MOV TL0 ，#0EFH ；设定T0 初值，该值决定PWM 脉冲的频率
MOV TH0 ，#0EFH
MOV CMOD ，#04H ；脉冲选择，使用T0 作为PCA 的计数时钟源
MOV CCAPM4 ，#42H ；使能CEX4 的PWM 功能，从P1.7 输出PWM 脉冲
MOV CCAPM2 ，#42H ；使能CEX2 的PWM 功能，从P1.5 输出PWM 脉冲
MOV CCON ，#40H ；启动PCA 计数器工作
SETB TR0 ；启动定时器T0
MOV CCAP4H ，#64H ；设定P1.7 输出脉冲宽度为100/256
MOV CCAP2H ，#64H ；设定P1.5 输出脉冲宽度为100/256
……
思考：如果要从P1.6、P1.4 或其他I/O 输出PWM 脉冲应如何修改以上程序？
程序中T0 工作于方式2，初值为0EFH，因此由T0 溢出而产生的脉冲频率为：125KHz，
PCA 计数器的初值为0，则输出PWM 的频率为488.3Hz。脉冲宽度由CCAP4H 和CCAP2H
的值决定，输出脉冲的脉宽与其数值成正比。由于小车控制电路中各PWM 脉冲通过非门
后加入驱动电路中，因此电机的速度与脉冲宽度成反比关系。
思考：如果要使输出的PWM 脉冲频率低一些，应如何修改以上程序？怎样计算？