基于PWM直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于PWM直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要直流電機(jī)是人類最早創(chuàng)造和應(yīng)用的一種電機(jī)。與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等缺點(diǎn)制約它的開展，應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛。但由于直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、調(diào)速、和制動(dòng)性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中仍占有一席之地。隨著電力電子技術(shù)的開展，直流電機(jī)調(diào)速已有逐步被交流電機(jī)調(diào)速取代的趨勢，但從供電的質(zhì)量和可靠性來看，直流電機(jī)仍有一定優(yōu)勢。PWM(PulseWidthModulation)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來獲得所需要波形〔含形狀和幅值〕。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，這是因?yàn)檩斎牒退栎敵龆际侵绷麟妷?，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)制。本文設(shè)計(jì)了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的根本方案，闡述了該系統(tǒng)的根本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性及其設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為核心，附以外圍電路，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的系統(tǒng)，運(yùn)用單片機(jī)的運(yùn)算和處理能力和L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的手動(dòng)加速、減速調(diào)速等智能控制系統(tǒng)。并運(yùn)用軟件Proteus進(jìn)行仿真。關(guān)鍵字：PWM信號；單片機(jī)；直流電機(jī)調(diào)速PWMDCMOTORCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTDCmotoristhefirstmotorofhuman’sinventionandapplication.ComparedwithACmotor,DCmotor’scomplexstructure,maintenancedifficultiesanditsmoreexpensiveaswellothershortcomingsrestrictitsdevelopmentandapplicationasawiderangeofACmotor.However,DChasagoodstart,speed,andbrakingperformance,itstillexistsintheindustrialfield.Withthedevelopmentofpowerelectronics,DCmotorspeedcontrolhasgraduallybeenreplacedbyACmotorspeedcontrol,butintheviewofthequalityandreliabilityofpowersupply,theDCgeneratorstillhasacertainadvantages.PWM(PulseWidthModulation)controlisatechnologyonthepulsewidthmodulation.Itmodulatesaseriesofpulsewidthinordertoobtaintherequiredwaveform(includingtheshapeandamplitude).Changingthepulsedutycycleisthepulsewidthmodulation.BecausebothinputvoltageandrequiredoutputvoltageareDC,pulseamplitudeandwidthareequal.Soitonlymodulatesthedutycycleofpulse.ThisarticledesignsthebasicplanofDCmotorcontrolsystem,describingthebasicstructure,workingprinciple,operatingcharacteristicsanddesignmethodsofthesystem.ThissystemtakesAT89C52asthedesignsystem’sCPU,whichisaccompaniedbytheexternalcircuit,realizesaDCmotorspeedcontrolsystem.BytheuseofmicrocontrolleroperationandtheprocessingabilityandL298motordriverchip,itachievesthemotormanuallyspeedup,down,andotherintelligentcontrol.AtlastitapplyProteussoftwaretosimulatKeywords:PWM;SignalMicrocontroller;SpeedControlofDCMotor目錄TOC\o"1-3"\u1前言……………12直流電機(jī)介紹……………….22.1直流電機(jī)工作原理…………….………22.1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)…..…………….22.1.2直流電機(jī)工作原理…………….22.2直流電機(jī)應(yīng)用狀況…………………53關(guān)鍵技術(shù)…………………….63.1PWM技術(shù)的根本原理…………………63.2PWM調(diào)速原理………….63.3單片機(jī)技術(shù)……………..83.4單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域………………………..83.5單片機(jī)的結(jié)構(gòu)…………..93.5.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)………………………...93.5.2單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)………………...94系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)……………...114.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案……………………114.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案選擇………………12模擬電路驅(qū)動(dòng)………………124.2.2L298芯片驅(qū)動(dòng)………………….124.3電源設(shè)計(jì)………………134.4復(fù)位電路設(shè)計(jì)…………144.5晶振電路設(shè)計(jì)…………154.6按鍵電路的選擇與設(shè)計(jì)………………164.7LED顯示電路設(shè)計(jì)……………………174.8測速電路設(shè)計(jì)…………195系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)……………...225.1主程序流程圖…………225.2鍵盤掃描子程序………………………235.3PWM波發(fā)生子程序…………………..245.4測速子程序……………245.5顯示子程序……………256系統(tǒng)仿真…………………...276.1按鍵電路仿真…………276.2PWM波形仿真………………………..286.3測速顯示仿真…………286.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真…………………….296.5系統(tǒng)電源的仿真………………………297結(jié)論………………………...31參考文獻(xiàn)……………………...32致謝………………………...33附錄……………………...34附錄1系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖…………………….34附錄2仿真電路圖…………..35附錄3系統(tǒng)程序……………..36.1前言脈寬調(diào)制〔PulseWidthModulation〕控制技術(shù)，通常簡稱為PWM控制技術(shù)，是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以到達(dá)變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以到達(dá)變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。近年來，電氣傳動(dòng)的PWM控制技術(shù)已成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。直流電動(dòng)機(jī)因其可以方便地通過改變電樞電壓和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻來改變電樞上的電壓，是最經(jīng)典的直流電機(jī)調(diào)速方法，但是有相當(dāng)局部的電能消耗在所串聯(lián)電阻上，很不經(jīng)濟(jì)。80年代，以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無級、高效、節(jié)能而得到大力推廣。但晶閘管斬波調(diào)速器缺乏之處是晶閘管一旦被觸發(fā)，其關(guān)斷必須依賴換流電容和換流電感振蕩產(chǎn)生反壓來實(shí)現(xiàn)，換流電容和電感增加了裝置的本錢，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流失敗，使系統(tǒng)的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開、關(guān)時(shí)間比擬長，加上存在換流環(huán)節(jié)，使得斬波器的工作頻率不能太高〔一般在300Hz以下〕，電機(jī)上的力矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)比擬嚴(yán)重。因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件。于是90年代出現(xiàn)了以IGBT為代表，具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的功率器件作為開關(guān)元件的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進(jìn)的直流調(diào)速方案?？v觀電氣傳動(dòng)國內(nèi)外開展的情況，雖然直流電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、本錢較高、維修保養(yǎng)費(fèi)用較貴以及隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步對交流調(diào)速問題的解決，交流調(diào)速在興旺國家已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，但是在我國目前仍有大量的各類機(jī)床和系統(tǒng)使用直流電動(dòng)機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng),有些用模擬PWM控制、有些用晶閘管移相控制。如果將其改造為微處理器控制PWM調(diào)速控制，使其具有控制方式多樣化,能與數(shù)字速度給定信號直接接口等優(yōu)點(diǎn)，那么有利于國家工業(yè)化的開展。PWM直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡單、控制方便、開關(guān)頻率高、低速性能好、穩(wěn)速精度高及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)并熟練掌握這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，對我們今后的工作有十分重要的意義。2直流電機(jī)介紹2.1直流電機(jī)工作原理2.1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但是任何直流電機(jī)都包括定子局部和轉(zhuǎn)子局部，這兩局部間存在著一定大小的間隙，是電機(jī)中電路和磁路發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)定子局部主要由主磁極、電刷裝置和換向極等組成，轉(zhuǎn)子局部主要由電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等組成。2.1.2直流電機(jī)工作原理N和S是一對固定不動(dòng)的磁極，用以產(chǎn)生所需要的磁場。在N極和S極之間有一個(gè)可以繞軸旋轉(zhuǎn)的繞組。直流電機(jī)的之一局部成為電樞。實(shí)際電機(jī)中的電樞繞組嵌放在貼心槽內(nèi)，電樞繞組中的電流稱為電樞電流。線圈兩端分別與兩個(gè)彼此絕緣而且與線圈同軸旋轉(zhuǎn)的銅片相連，銅片上又各壓著一個(gè)固定不變的電刷。如圖2-1所示，將電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載相連，這時(shí)便有電流從電源正極流出，經(jīng)電刷流入電樞繞組，然后另一電刷流回電源的負(fù)極。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，其方向可用左手定那么來判斷。這一對電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖2-1直流電機(jī)原理圖2.1.3直流電機(jī)調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比擬成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的根底。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程如公式2-1。〔2-1〕式中n—轉(zhuǎn)速〔r/min〕；

U—電樞電壓〔V〕；I—電樞電流〔A〕；

R—電樞回路總電阻〔〕；

φ—?jiǎng)?lì)磁磁通〔Wb〕；

Ke—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢常數(shù)?？梢钥闯?，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：〔1〕調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；〔2〕減弱勵(lì)磁磁通；〔3〕改變電樞回路電阻R。第一種改變電樞電路總電阻調(diào)速，可通過在電樞回路中串電阻來實(shí)現(xiàn)。如公式2-2。〔2-2〕式中是外接電阻。由此可見，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，外接電阻的增大，會(huì)導(dǎo)致電樞回路總電阻R的增大，從而使n減少。其機(jī)械特性如圖2-2所示，M為轉(zhuǎn)矩。圖2-2改變電樞回路總電阻時(shí)調(diào)速機(jī)械特性這種調(diào)速方法是有級調(diào)速的，調(diào)速不平滑，而且串接了電阻增大了電路的功耗，所以這種方法一般不使用。第二種改變點(diǎn)電樞的供電電壓調(diào)速，就是改變電樞兩端的電壓，使速度n也改變。現(xiàn)在隨著電力電子技術(shù)的開展，可以方便的改變電壓的輸出值，從而可以方便的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其機(jī)械特性圖如圖2-3所示，M為轉(zhuǎn)矩。圖2-3改變電樞供電電壓調(diào)速的機(jī)械特性這種調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，并且它是通過減少輸入功率來減少輸出功率從而降低轉(zhuǎn)速的，因此低速運(yùn)行時(shí)也不會(huì)增加功耗，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都很經(jīng)濟(jì)。第三種改變勵(lì)磁磁通調(diào)速，可以通過在勵(lì)磁電路中串接一個(gè)可調(diào)電阻，從而改變勵(lì)磁電流和磁通來實(shí)現(xiàn)。其機(jī)械特性如圖2-4所示，M為轉(zhuǎn)矩。圖2-4改變勵(lì)磁磁通調(diào)速的機(jī)械特性這種調(diào)速方法，由于調(diào)節(jié)在小電流的勵(lì)磁回路進(jìn)行，所以損耗比擬小，并且平滑性好能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但是，因?yàn)樵谝话愕碾姍C(jī)的磁路在時(shí)已經(jīng)工作在飽和作態(tài)，所以這方法只適用于基頻以上調(diào)速。因此，對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速〔額定轉(zhuǎn)速〕以上作小范圍的弱磁升速。因此自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。2.2直流電機(jī)應(yīng)用狀況在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，至今在金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，是截止到目前為止調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。3關(guān)鍵技術(shù)3.1PWM技術(shù)的根本原理PWM(PulseWidthModulation)控制技術(shù)就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來獲得所需要波形〔含形狀和幅值〕。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退栎敵龆际侵绷麟妷?，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)制。在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果根本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果根本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形根本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如三種不同的脈沖即矩形脈沖、三角脈沖、正弦半波脈沖有相同的面積〔即沖量〕都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)根本相同。上述原理為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論根底。3.2PWM調(diào)速原理PWM調(diào)速原理及輸出波形如圖3-1所示：〔a〕〔b〕圖3-1PWM調(diào)速系統(tǒng)原理及波形輸出圖假設(shè)V1先導(dǎo)通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖3-1〔b〕的波形圖?？梢缘玫诫姍C(jī)電樞端的平均電壓Ua如公式3-1?！?-1〕設(shè)=，可定義為占空比。設(shè)輸入電壓Ud不變，越大，電機(jī)電樞端的平均電壓Ua越大，反之也成立。故改變值就可以到達(dá)調(diào)壓的目的。改變有三種方式：第一種是T1保持不變，使T2在0到∞之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種是T2保持不變，使T1在0和∞間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法。第三種是T保持一定，使T1在0到T間變化，這叫定頻調(diào)寬法。本設(shè)計(jì)采用定寬調(diào)頻法。3.3單片機(jī)技術(shù)單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器〔MicrocontrollerUnit〕，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器開展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。用專業(yè)語言講，單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器及各種輸入/輸出接口的芯片。3.4單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域〔1〕單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用在各類儀器儀表中引入單片機(jī)，使儀器儀表智能化，提高測試的自動(dòng)化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比?！?〕單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用機(jī)電一體化是機(jī)械工業(yè)開展的方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品，例如微機(jī)控制的車床、鉆床等。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度?！?〕單片機(jī)在日常生活及家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用自從單片機(jī)誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)器、電子玩具、電飯煲、視聽音響設(shè)備等家用電器配上單片機(jī)后，單片機(jī)將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩?！?〕在實(shí)時(shí)過程控制中的應(yīng)用用單片機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，使系統(tǒng)保持最正確工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量?！?〕辦公自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)代辦公室使用的大量通信和辦公設(shè)備多數(shù)嵌入了單片機(jī)。如打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、機(jī)、繪圖機(jī)、考勤機(jī)、以及通用計(jì)算機(jī)中的鍵盤譯碼、磁盤驅(qū)動(dòng)等。〔6〕商業(yè)營銷設(shè)備在商業(yè)營銷系統(tǒng)中已廣泛使用的電子秤、收款機(jī)、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機(jī)、商場保安系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保險(xiǎn)系統(tǒng)等都采用了單片機(jī)控制。〔7〕在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備根本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)，集群移動(dòng)通信，無線電對講機(jī)等?！?〕單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等?！?〕汽車電子產(chǎn)品現(xiàn)代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運(yùn)行監(jiān)視器〔黑匣子〕等都離不開單片機(jī)?！?0〕航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器等領(lǐng)域。3.5單片機(jī)的結(jié)構(gòu)3.5.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個(gè)根本的MCS-51單片機(jī)通常包括：中央處理器、ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和I/O口等各功能部件，各個(gè)功能由內(nèi)部的總線連接起來，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其內(nèi)部框圖如圖3-2所示。圖3-28051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.5.2單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)常見的51單片機(jī)中一般采用雙列直插〔DIP〕封裝，共40個(gè)引腳。圖3-3為引腳排列圖。其中的40個(gè)引腳大致可以分為4類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。圖3-3單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案本設(shè)計(jì)是基于AT89C52單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)，其根本原理為：由單片機(jī)AT89C52接受鍵盤的信號并通過計(jì)算占空比產(chǎn)生出對應(yīng)的PWM信號輸出和控制信號輸出，其中一路信號控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直流電機(jī)的速度。在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號傳送到AT89C52，AT89C52進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算出直流電機(jī)每秒鐘的轉(zhuǎn)速，并送LED顯示。整個(gè)系統(tǒng)的電源由外接雙路穩(wěn)壓電源〔+5V、+12V〕提供。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-1所示：鍵盤鍵盤外圍電路霍爾元件AT89C52單片機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)LED顯示雙路直流穩(wěn)壓電源圖4-1系統(tǒng)硬件原理圖圖4-1為硬件系統(tǒng)原理框圖，按鍵輸入選擇電機(jī)的運(yùn)行方式，單片機(jī)通過讀取按鍵執(zhí)行程序，并產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動(dòng)L298使單片機(jī)運(yùn)行，通過霍爾元件測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，將霍爾元件輸出的上下電平送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)即為轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速值送出LED顯示。4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案選擇4.2.1模擬電路驅(qū)動(dòng)采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而到達(dá)調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比擬昂貴。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大;分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。4.2.2L298芯片驅(qū)動(dòng)L298是SGS公司的產(chǎn)品，比擬常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比擬方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2.5～46V。輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)表4-1L298N功能邏輯狀態(tài)ENAIN1IN2運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)0××停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111利停100停止圖4-2是L298與直流電機(jī)的連接圖，IN1和IN2分別接單片機(jī)輸出邏輯電平控制直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，ENA接單片機(jī)PWM波輸出端口。圖4-2L298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)圖實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為保證系統(tǒng)正常工作需要在L298周圍添加外圍邏輯電路，保證芯片不被燒壞。單片機(jī)的PWM輸出引腳P3.7接L298的EnA引腳,它控制著電機(jī)轉(zhuǎn)速大小。比擬器LM393主要起到了限制過流和保護(hù)L298的作用。LM393的同相端直接連到了一個(gè)可變電位計(jì)上,電位計(jì)的參考電壓是可調(diào)的。調(diào)節(jié)電位計(jì)的參考電壓能調(diào)節(jié)L298的限流電壓。LM393的反相端接到L298的SENSEA兩檢測端。當(dāng)檢測電阻兩端的電壓大于限流電壓時(shí),比擬器的反相端的電壓大于同相端的電壓,輸出端輸出低電平,從而把L298的EnA使能端拉低,L298停止工作。這就起到了限制過流和保護(hù)L298的作用。對于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，為了更好的獲得驅(qū)動(dòng)效果采用L298輸出并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。也為了使直流電機(jī)的工作狀態(tài)不影響主電路的工作狀態(tài)在直流電機(jī)的兩端并聯(lián)RC電路隔離電機(jī)。4.3電源設(shè)計(jì)對于一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和根底。51單片機(jī)雖然使用時(shí)間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過程中，一個(gè)和典型的問題就是相比其他系列的單片機(jī)，51單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)重要手段就是為單片機(jī)系統(tǒng)配置一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。一種方法是應(yīng)用變壓電路將市電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電源；一種方法是直接應(yīng)用外部5V電源供電或直接應(yīng)用計(jì)算機(jī)USB電源供電?？紤]到在整個(gè)系統(tǒng)中電源的需求并不唯一即單片機(jī)需要+5V電源供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298需要+12V電源供電所以電源方案選用將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)?V和12V直流穩(wěn)壓電源來實(shí)現(xiàn)。采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且有很多成熟是集成元件可選擇，電路的實(shí)現(xiàn)十分方便。圖4-3系統(tǒng)供電電路圖由上圖可見，這個(gè)雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡單，只用了一個(gè)220V變12V的變壓器，一個(gè)整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路〔7812和7805〕和四個(gè)電容。圖中C1是一個(gè)大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于C1本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比擬差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在C1旁邊并聯(lián)一個(gè)高頻濾波性能良好的小電容C2。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容C3和C4是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。4.4復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些存放器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩局部組成。上電復(fù)位：AT89C52由高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳RST上連接一個(gè)電容到VCC，再連接一個(gè)電阻到GND，由此形成一個(gè)RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí)RST腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的典型值為10K和10uF。按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來使單片機(jī)復(fù)位。此電路實(shí)在RC復(fù)位電路的根底上添加二極管實(shí)現(xiàn)，單一的RC復(fù)位電路可實(shí)現(xiàn)根底的復(fù)位要求但是解決不了電源緩慢下降帶來的問題如果經(jīng)常改變RC的參數(shù)會(huì)使驅(qū)動(dòng)能力變差。添加了二極管以后在電源電壓下降時(shí)電容瞬間放電。圖4-4為按鍵高電平復(fù)位電路圖4.5晶振電路設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器〔VCO〕。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供根本的時(shí)鐘信號。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各局部保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。AT89C52使用12MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可。圖4-5外部晶振電路圖4.6按鍵電路的選擇與設(shè)計(jì)鍵盤輸入、顯示輸出是人機(jī)對話的重要手段，是很關(guān)鍵的人機(jī)聯(lián)系設(shè)備。數(shù)據(jù)輸出顯示采用數(shù)碼顯示器較為實(shí)用可靠價(jià)廉；鍵盤實(shí)際上是一種按壓式開關(guān)，通常，所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)。在一些電路設(shè)計(jì)中，按鍵按下閉合后應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的矩形脈沖，但是由于在按動(dòng)按鍵時(shí)總會(huì)有一些抖動(dòng)，因此在開始和末尾會(huì)產(chǎn)生一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)的時(shí)間長短是由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5～10MS這是一個(gè)很重要的時(shí)間參數(shù)；而按鍵的穩(wěn)定閉合期長短是由操作人員的按鍵動(dòng)作所決定，一般為十分之幾到幾秒的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間參數(shù)可作為一般的參考。按鍵的閉合與否，反映在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。如果高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合，所以通過檢測電平的上下狀態(tài)，便可確認(rèn)按鍵是否按下。為了確保CPU對一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。消除按鍵抖動(dòng)一般有硬件軟件兩種方法。硬件方法：濾波消抖電路。眾所周知，RC積分電路具有吸收干擾脈沖的作用，所以只要適當(dāng)?shù)倪x擇時(shí)間常數(shù)，讓按鍵抖動(dòng)信號通過此濾波電路，便可消除抖動(dòng)影響。如圖4-6所示，當(dāng)K未按下時(shí)，Vc為0，OUT為1。當(dāng)按下時(shí)，由于電容兩端電壓都不能躍變，即使在接觸過程中出現(xiàn)抖動(dòng)，只要C兩端充電電壓波動(dòng)不超過G門得開啟電壓〔TTL電平為0.8V左右〕，OUT將不會(huì)改變，這可通過適中選取R1、R2和C的值來實(shí)現(xiàn)。同樣K在斷開的時(shí)候，即使出現(xiàn)抖動(dòng)，由于電容電壓不能躍變，它要經(jīng)過R2放電，只要電容兩端的放電電壓不超過G門關(guān)閉電壓，OUT也不會(huì)改變。所以，關(guān)鍵R1、R2和C時(shí)間常數(shù)的選取，必須保證電容由穩(wěn)態(tài)電壓充電到開啟電壓或放電關(guān)閉電壓的延遲時(shí)間大于或等于10ms。圖4-6去抖動(dòng)按鍵電路圖軟件消抖：如果按鍵較多，硬件消抖將不能滿足要求，因此常采用軟件的方法進(jìn)行消抖。在第一次檢測到有按鍵閉合時(shí)，首先執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序，然后再確認(rèn)該按鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平。如果保持閉合狀態(tài)電平，那么確認(rèn)為有按鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。按鍵的識別：按鍵識別就是判斷閉合鍵的鍵代碼。目前有兩種方法：一種是用硬件電路來識別，稱為編碼鍵盤；另一種是利用軟件方法來識別，稱為非編碼鍵盤。在編碼鍵盤中設(shè)有硬件檢測電路，以確定哪一個(gè)按鍵閉合，并產(chǎn)生該鍵的代碼。非編碼鍵盤那么是依靠時(shí)外部的硬件電路和軟件來區(qū)分哪一個(gè)閉合。對于單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)來說，目前用的比擬多的是非編碼鍵盤。本設(shè)計(jì)由于按鍵輸入較少并且單片機(jī)的端口資源有充裕所以采用非編碼鍵盤。由于硬件設(shè)計(jì)比擬復(fù)雜而且需要較多的按鍵器件，從經(jīng)濟(jì)的角度和方便程度來講應(yīng)用軟件去抖動(dòng)較為適宜，所以設(shè)計(jì)選擇軟件去抖動(dòng)方案。4.7LED顯示電路設(shè)計(jì)顯示器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)使用的主要設(shè)備之一，它可將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、中間結(jié)果的內(nèi)容顯示出來。目前由半導(dǎo)體發(fā)光二極管組成的數(shù)碼顯示器〔簡稱LED〕是最常用的輸出顯示設(shè)備。它以廉價(jià)可靠耐用對電流電壓要求低等優(yōu)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。LED在脈沖工作狀態(tài)下亮度較強(qiáng)，一般每秒可導(dǎo)通100～500次。每段發(fā)光二極管須串接限流電阻，改變阻值可調(diào)整亮度。表4-27段數(shù)碼管顯示字符表顯示字符共陰極字型碼共陽極字型碼顯示字符共陰極字型碼共陽極字型碼03FHC0HC39HC6H106HF9HD5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HY6EH91H707HF8HH76H89H87FH80HL38HC7H96FH90H“滅〞00HFFHA77H88HB7CH83HLED數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即動(dòng)態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式。在動(dòng)態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的各個(gè)端并連在一起，與單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)I/O口相連，從該I/O口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陽極或共陰極那么與另一I/O口相連，控制被點(diǎn)亮的位。動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是：每一時(shí)刻只能有1位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，各位依次輪流放點(diǎn)亮；對于每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點(diǎn)亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應(yīng)，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每位數(shù)碼管被點(diǎn)亮的時(shí)間間隔〔一般為1mS〕，可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼管的各個(gè)端與一個(gè)8位的I/O口相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時(shí)，只要從對應(yīng)的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點(diǎn)為：各數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮，數(shù)碼管中的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹?。相比而言，?dòng)態(tài)顯示方式更節(jié)省硬件資源和I/O口，一般系統(tǒng)都會(huì)選擇該種顯示方式。故經(jīng)綜合考慮，決定選用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示電路圖如圖4-7所示。圖4-77段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電路圖由上圖可以看到，單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2和P2.3作為BCD碼的輸出口，分別與74LS47的A、B、C和D引腳相接。單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7分別作為四位LED的由低位到高位的選通腳。設(shè)計(jì)中我采用了通過控制三極管來選通LED的方法。所使用的三極管是9014，該三極管是NPN管，當(dāng)給它一個(gè)高電平時(shí)就導(dǎo)通，給它低電平時(shí)截止。由于LED正常的工作電壓為3.5V左右，如果直接給LED選通端接5V電壓，LED可能會(huì)燒毀，所以先接兩個(gè)壓降為0.7V的普通二極管進(jìn)行降壓后再送到三極管的集電極。這樣做可以保證LED能正常地工作。4.8測速電路設(shè)計(jì)對直流電動(dòng)機(jī)的測速功能原理框圖如圖4-8所示。NNSNSINT0口AT89C52施密特反向器3020I/O口I/O口74LS47七段譯碼器LED顯示5V圖4-8霍爾元件測速原理圖對轉(zhuǎn)速的檢測有很多傳感器可以應(yīng)用，如光學(xué)編碼器，霍爾元件和霍爾接近開關(guān)等。考慮到本錢和易用性等問題，本設(shè)計(jì)選用的是霍爾元件CS3020作為測速的傳感器。在電機(jī)的轉(zhuǎn)葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出兩個(gè)脈沖。CS3020霍爾傳感器內(nèi)部有5個(gè)局部組成，即由穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。其功能是把磁信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖4-9和圖4-10是霍爾元件CS3020的功能圖及輸出特性?；魻栐為磁敏元件，當(dāng)垂直于霍爾元件的磁場強(qiáng)度隨之變化時(shí)，其兩端的電壓就會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)放大和整形后。即可在3腳輸出脈沖電信號。其工作特性見圖4-10。對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖4-10看出，當(dāng)B=0時(shí)，OV為高電平；當(dāng)外磁場增至OPB輸出OV由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由OPB降RPB時(shí)輸出OV由低電平反向，RPB為釋放點(diǎn)。對于CS3020，OPB=02T，RPB=065T，OLV=8150mV，OHV=工作電壓為4.5V～24V。圖4-9霍爾元件功能圖圖4-10霍爾元件輸出特性在系統(tǒng)中將霍爾元件的輸出端與單片機(jī)的測速輸入口INT0相連接即可實(shí)現(xiàn)測速功能。5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1主程序流程圖圖5-1主程序流程圖如圖5-1所示，程序首先是給AT89C52送取一個(gè)占空比為50%的數(shù)據(jù)。跟著對數(shù)據(jù)和中斷進(jìn)行初始化：對控制電機(jī)的選通信號與方向信號的引腳置0〔通電時(shí)電機(jī)不啟動(dòng)，直到按下啟動(dòng)鍵后再啟動(dòng)，啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)向是正轉(zhuǎn)〕；對顯示子程序中用到的數(shù)據(jù)存放單元及測速子程序中用到的時(shí)間存放器、速度數(shù)據(jù)存放器清零；設(shè)定T0的工作方式及定時(shí)時(shí)間，開中斷，并讓T0開始工作。接著就按順序循環(huán)調(diào)用測速子程序、顯示子程序和鍵盤掃描子程序。5.2鍵盤掃描子程序獨(dú)立式鍵盤由四個(gè)按鍵組成，分別控制電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，加速和減速。其程序流程圖如圖5-2所示。圖5-2鍵盤掃描子程序圖組成鍵盤的按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的。在圖中，當(dāng)開關(guān)S未被按下時(shí)，P1.X輸入為高電平，S閉合后，P1.X輸入為低電平。由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)動(dòng)所以在鍵盤的應(yīng)用中，一定要解決抖動(dòng)問題。軟件法其實(shí)很簡單，就是在單片機(jī)獲得P3.X口為低的信息后，不是立即認(rèn)定S1已被按下，而是延時(shí)10毫秒或更長一些時(shí)間后再次檢測P1.X口，如果仍為低，說明S確實(shí)按下了，這實(shí)際上是避開了按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間。5.3PWM波發(fā)生子程序用延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出的流程圖如圖5-3所示。在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用單片機(jī)每50個(gè)機(jī)器周期為PWM波形的根本周期〔AT89C52采用12MHz的晶體，即PWM波形的周期為50uS，其頻率為20KHz〕，采用定頻調(diào)寬的方法。定時(shí)器T0確定PWM波的頻率，T1確定高電平的時(shí)間，這樣改變T1的初值就可以改變占空比。圖5-3PWM波子程序5.4測速子程序?qū)τ谛⌒碗妱?dòng)機(jī)速度的測量，比擬常用的采用脈沖發(fā)生器來檢測速度。通?？梢允褂靡韵聝煞N方法：〔1〕M法，在一定時(shí)間間隔T內(nèi)，對脈沖發(fā)生器的輸出脈沖計(jì)數(shù)，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖測量值m；〔2〕T法，通過測量脈沖發(fā)生器的脈沖周期來計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一種測量方法，脈沖周期的測量是借助頻率已經(jīng)確定的始終脈沖計(jì)數(shù)間接獲得。一般情況下，M法適用于中高速的檢測，速度越高誤差就越小，測量的數(shù)據(jù)就越精確，相反速度越低，誤差就越大；T法適用于低速的檢測。在實(shí)際應(yīng)用中，還有一種集以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)與一體的測速方法M/T法。在本設(shè)計(jì)中，對轉(zhuǎn)速的測量精度沒有很高的要求，而且轉(zhuǎn)速較多的工作于中高速局部，所以選用M法測速。在測速功能的程序流程圖中可以看到，利用單片機(jī)進(jìn)行速度的轉(zhuǎn)速測量比擬簡單。轉(zhuǎn)速的檢測，實(shí)際上是應(yīng)用了兩個(gè)中斷效勞子程序，T0中斷和INT0中斷。如圖5-4所示，INT0中斷執(zhí)行的功能十分簡單，就是外部每輸入一個(gè)脈沖，R0存放器就加1。T0中斷的作用就是給定一個(gè)時(shí)間間隔T，在T內(nèi)應(yīng)用INT0中斷對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，時(shí)間到就送出R0的數(shù)值，并對其清零。由于測速電路設(shè)計(jì)應(yīng)用了兩塊小磁鋼，所以電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，因此我們只需要定時(shí)0.5S就可以得到電機(jī)1S的轉(zhuǎn)速了。程序中的測速子程序，就是對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換并且顯示。圖5-4測速子程序5.5顯示子程序在LED的硬件圖中可以看到，單片機(jī)的P2口作為顯示局部的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。其中P2口的低四位作為BCD碼的輸出口，在LED的硬件圖中可以看到，單片機(jī)的P2口作為顯示局部的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。其中P2口的低四位作為BCD碼的輸出口，P2口的高四位分別控制四位LED〔LED1、LED2、LED3和LED4〕。如圖5-5所示，程序先把個(gè)位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對P2.4置1選通LED1，這樣LED1就顯示個(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS；接著再把十位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對P2.5置1選通LED2，這樣LED2就顯示十位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS；然后把百位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對P2.6置1選通LED3，這樣LED3就顯示百位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS；最后把千位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對P2.7置1選通LED3，這樣LED4就顯示千位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS后返回。其中，軟件不可能顯示到轉(zhuǎn)速的千位數(shù)，因?yàn)槲覀冎灰砸粋€(gè)存放器儲(chǔ)存轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，所以本軟件最大的檢測轉(zhuǎn)速值是255轉(zhuǎn)每秒。LED的千位是正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志位，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候不顯示〔BCD碼為1111〕，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候顯示為“三〞型〔BCD碼為1101〕。圖5-5顯示子程序6系統(tǒng)仿真6.1按鍵電路仿真Proteus軟件不僅具有EDA軟件的仿真功能還能仿真單片機(jī)及其外圍器件。是單片機(jī)系統(tǒng)仿真的首選軟件。這里選用其作為我設(shè)計(jì)的仿真。在系統(tǒng)工作時(shí)，按鍵的作用是控制電機(jī)的工作狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)工作時(shí)按下P1.0接口按鈕P3.0端口電平就要轉(zhuǎn)置，按下P1.1端口的按鍵P3.1端口電平就要轉(zhuǎn)置。按下P1.2、P1.3端口的接口按鈕調(diào)速存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)值相應(yīng)的變化。如圖6-1,6-2所示。圖6-1按鍵仿真電路圖圖6-2按鍵引起端口電平變化圖6.2PWM波形仿真將示波器的A端與單片機(jī)的P3.7口相連運(yùn)行程序后端口輸出波形如圖6-3所示。圖6-3PWM仿真電路圖6.3測速顯示仿真由于霍爾測速原件不可仿真這里應(yīng)用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)方波接到INT0端口觀察數(shù)碼管的顯示結(jié)果即可仿真測速功能。顯示結(jié)果如圖6-4,6-5所示。圖6-4數(shù)碼顯示十位圖6-5數(shù)碼顯示個(gè)位由于采用動(dòng)態(tài)顯示所以每次只能顯示一位數(shù)字，數(shù)碼管顯示表示外加脈沖的速度是33轉(zhuǎn)/秒。6.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真根據(jù)L298邏輯和設(shè)計(jì)要求，P3.0、P3.1邏輯相與送入IN1，P3.0與P3.1的反相端相與送入IN2那么可實(shí)現(xiàn)按下SW1控制直流電機(jī)起停，按下SW2控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。仿真如圖6-6所示。圖6-6直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真6.5系統(tǒng)電源的仿真根據(jù)設(shè)計(jì)要求將市電220V轉(zhuǎn)變成+5V、+12V穩(wěn)定電壓輸出仿真結(jié)果如下列圖所示：閉合開關(guān)SW1，可以看到直流電壓表的示數(shù)分別為+5.02V和+12V符合設(shè)計(jì)的要求。仿真如圖6-7所示。圖6-7電源仿真圖7結(jié)論本設(shè)計(jì)中的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是由集成芯片組成。所用的芯片主要有：單片機(jī)AT89C52、施密特反向器74LS14，與門74HC08，NOT非門、七段譯碼器74LS47、霍爾傳感器CS3020、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298。本設(shè)計(jì)采用AT89C52構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的核心，產(chǎn)生PWM波，實(shí)現(xiàn)按鍵輸入控制直流電機(jī)的起停、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制，并且應(yīng)用數(shù)字測速元件CS3020對電機(jī)進(jìn)行測速提高了精確度。本設(shè)計(jì)的缺乏之處是：直流電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)成了開環(huán)控制系統(tǒng)，雖然這樣設(shè)計(jì)滿足了課題的要求，但是在實(shí)際中系統(tǒng)的運(yùn)行往往受外界環(huán)境因素干擾，如果設(shè)計(jì)成具有抗干擾功能閉環(huán)控制系統(tǒng)那么應(yīng)用的價(jià)值會(huì)更高。參考文獻(xiàn)[1]唐介．電機(jī)與拖動(dòng)[M]．北京：高等教育出版社，2007．[2]陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023．[3]王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023．[4]陳麗蘭．直流脈速系統(tǒng)初步研究[J]．常州工業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998,35〔1〕:2—5[5]孫育才．M-SC51單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M]．南京：東南大學(xué)出版社.，2004[6]王蘇.直流電機(jī)PWM調(diào)速研究及單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程技術(shù),2023,31(11):82-95[7]李全利．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2023．[8]王效華，牛思先．基于單片機(jī)PWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2023,32〔1〕：94-98[9]玄子玉，曹海波．基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．煤炭技術(shù)，2023,27〔11〕：24-26．[10]王慶利，袁建敏．單片機(jī)設(shè)計(jì)案例實(shí)踐教程[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社．2023．[11]程勇，劉純悅．實(shí)用穩(wěn)壓電源DIY[M]．北京：福建科技技術(shù)出版社，2004．[12]求實(shí)科技．單片機(jī)典型外圍器件及應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：人民郵電出版社，2006．[13]范立南，李雪飛，尹授遠(yuǎn)．單片微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：人民郵電出版社，2004．[14]雷建龍．用定時(shí)器中斷處理按鍵輸入脈沖的去抖動(dòng)問題[J]．新技術(shù)新工藝，2003，8〔1〕：,8-26．[15]吳景狄．單片機(jī)的鍵盤及LED數(shù)碼管顯示接口[J]．單片機(jī)與應(yīng)用，2001，32〔2〕：30-32．[16]王瓊．單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程[M]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社．2005．[17]靳達(dá)．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M]．北京：人民郵電出版社．2003．[18]吳澤民，王俊，王景．利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號的軟件實(shí)現(xiàn)方法[J]．機(jī)電技術(shù)，2023，2〔1〕：20-21.[19]Rashid．PowerElectronics[M]．Prentice-Hall，Ink，1988．[20]MicrochipTechnologyInc．KEELOQCodeHoppingEn—coderHCS365Datasheet[EB／OL].[21]MacroChipTechnol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///包含頭文件#include<absacc.h>#definegwDBYTE[0X40] ///定義顯示緩沖區(qū)個(gè)位#defineswDBYTE[0X41] ///十位#definebwDBYTE[0X42] ///百位#defineqwDBYTE[0X43] ///千位#defineunintunsignedint ///自定義變量#defineucharunsignedcharsbitin1=P3^0; ///控制位定義sbitin2=P3^1;sbitena=P3^7;ucharcodezm[12]={0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F,0x73,0x71};///在程序存儲(chǔ)區(qū)定義字型碼表ucharcodewm[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};///在程序存儲(chǔ)區(qū)定義字位控制碼表uchara=8; ///占空比控制字ucharn=1; ///速度增減量一ucharm=2; ///速度增減量二unintspeedbuf=0; ///速度值ucharzc=0;unintys=0;key(); ///子函數(shù)聲明display();control();delays();speedcan();///*************************************************************************************************************///主函數(shù)///*************************************************************************************************************main() { gw=sw=bw=qw=0; ///顯示初始化 P0=0xc0; P2=0; in1=0; ///電機(jī)控制的初始化 in2=0; ena=1; TMOD=0X15; ///定時(shí)器1為定時(shí)模式,使用方式2;定時(shí)器0為計(jì)數(shù)模式,使用方式2 TH1=0Xfa; ///裝定時(shí)器初值 TL1=0X24; 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