【正文】 ............................................................ 23 附錄 D： ........................................................................................................................ 24 . 引言 隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及日常生活中起著越來(lái)越重要的作用 .由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起、制動(dòng)性能，宜與在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼 機(jī)、礦井卷機(jī)、挖掘機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)。 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)，其效果基本相同。 PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究 的熱點(diǎn)。本設(shè)計(jì)就是利用這種控制方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。 1 系統(tǒng)硬件介紹 硬件 主控芯片 概述及 功能介紹 STC89C52單片機(jī)主控制電路圖 STC89C52 芯片介紹：該芯片是基本型的低功耗 8 位 CMOS 微處理器，提供串口程序下載口。有如下特點(diǎn)： 256 字節(jié)的 RAM； 4KB 的 ROM； 32 個(gè)通用 I/O 口線；為用戶提供了豐富的 I/O 口資源； 32 個(gè)通用工作寄存器； 2 個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；具有 6個(gè)中斷源； ~； 1000 次可重復(fù)擦寫(xiě)周期等。 STC89C52 的內(nèi)核 和 AT51 系列單片機(jī)一樣，故引腳也相同 。 引腳說(shuō)明： 第 40引腳：（ VCC） VCC—— 正常操作、接 +5V 電源 第 20引腳：（ VSS） GND—— 接地。 第 32~39引腳： (— )：作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，為 8位雙向 I/O 口。 第 01~08引腳： (— )： 8位雙向 I/O 口。 第 21~28引腳： (— )： 8位雙向 I/O 口。 第 10~17引腳： (— )： 8位雙向 I/O 口。 第 09引腳： RST—— 復(fù)位輸入引腳。 第 18引腳： XTAL1—— 反向振蕩放大器與 片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 第 19引腳： XTAL2—— 反向振蕩放大器的輸出端。 第 30引腳： ALE—— 地址鎖存允許信號(hào)輸出。 第 31引腳： ~EA—— 片外程序存儲(chǔ)器選用端。 . 第 299 引腳： ~PSEN：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。 P3 口第二功能定義 引腳 第二功能 RXD 串行口輸入端 TXD 串行口輸出端 ~INT0 外部中斷 0請(qǐng)求輸入端，低電平有效 ~INT1 外部中斷 1請(qǐng)求輸入端，低電平有效 T0 定時(shí) |計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T1 定時(shí) |計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 ~WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及 I/O口寫(xiě)選通信號(hào)輸出端，低電平有效 ~RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及 I/O口讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效 注： 引腳功能前加 “ ~” ，說(shuō)明其是低電平有效。 圖 1 STC89C52 單片機(jī)主控制電路圖 . L298N直流 電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器 L298N 是 直流 電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路 ， 即二個(gè) H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的電機(jī)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制兩路電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平 。 其引腳排列如圖 2 所示 ： 圖 2 L298N 直流 電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器 正常使用 L298N 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)： 第 1 腳（ SENSING A）和 15 腳（ SENSING B）。 第 8 腳（ GND）接地。 第 9 腳（ VSS）接 +5V電供芯片使用。 第 4 腳（ VS）接 +12V電供驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，因此通往 4 腳的都是大電流電源。 第 4 和 9 腳要通過(guò)一瓷片電容接地，以便排除交流干擾。 L298N 可驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)電機(jī) ： 第 2 腳和 3 腳（ OUTl、 OUT2）、第 13 腳和 14 腳（ OUT OUT4） 之間分別接 2 個(gè)電動(dòng)機(jī)。 第 5 腳（ IN1）和 7 腳（ IN2） 、 第 10 腳（ IN3）和 12 腳 （ IN4） 接輸入控制電平，控制電機(jī) 2 的正反轉(zhuǎn)， ENA， ENB 接控制使能端，控制 兩個(gè) 電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 注： IN1~IN4 引腳、 EN A、 EN B 全部要接上拉電阻。 本次實(shí)訓(xùn)采用專(zhuān)用芯片 L298N 作 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片且只驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。 L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，帶有控制使能端。用該芯. 片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 L298N 的邏輯功能如表 1 所列 ENA(B) IN 1 (IN 3) IN 2 (IN 4) 電機(jī)狀態(tài) H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H H H 剎車(chē)停止 L X X 自己停止 表 1 硬件電路設(shè)計(jì) 顯示電路的設(shè)計(jì) 該部分采用 LED（ 發(fā)光二極管 ）顯示 模塊 ， 是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件 ， 它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 LED 的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是 N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè) “PN結(jié) ”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成 PN結(jié)的材料決定的。 LED 是一種價(jià)格較便宜 ,節(jié)能環(huán)保 的顯 示器件。單片機(jī)可通過(guò)寫(xiě)控制字的方式 輸出高低電平 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 亮滅 的控制。 圖 3 LED 顯示電路 . 鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)電路采用行式鍵盤(pán)電路。 圖 4 鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì) 圖 5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 工作原理簡(jiǎn)述如下： 當(dāng) IN1=1,IN2=0：則 OUT1=1, OUT2=0,于是電流 i 流經(jīng)電機(jī) M 的路徑為：VS?L298N? OUT1?MOTOR? OUT2?地，電機(jī)正轉(zhuǎn) ,此時(shí)綠燈亮，燈的亮度變化表示速度的快慢，速度越快則等越亮，越慢則燈越暗，電機(jī)停止時(shí)則燈滅。 . 當(dāng) IN1=0,IN2=1：則 OUT1=0, OUT2=1,于是電流 i 流經(jīng)電機(jī) M 的 路徑為：VS?L298N? OUT2?MOTOR? OUT1?地，電機(jī)反轉(zhuǎn) ,此時(shí)黃燈亮，燈的亮度變化表示速度的快慢，速度越快則等越亮，越慢則燈越暗，電機(jī)停止時(shí)則燈滅。 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 要求： 利用 L298N 芯片設(shè)計(jì)并制作一個(gè)直流電機(jī)控制電路； 控制直流電機(jī)的啟動(dòng)和停止； 控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)； 控制直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)速度由按鍵開(kāi)關(guān)控制。 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 要求設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)可以分為控制部分和顯示部分。設(shè)計(jì)中采用 STC89C52 芯片為主控制核心，鍵盤(pán)為控制部分，顯示部分采用 LED 顯示直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速。通過(guò)單片機(jī)軟件產(chǎn)生 PWM 波來(lái)控制電機(jī)，經(jīng)過(guò)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制和速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。 方案論證與設(shè)計(jì) 1 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案論證與選擇 方案一：采用 MCS51 系列的單片機(jī)和專(zhuān)用的 PWM 芯片及外部 D/A 轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)結(jié)合 PID 算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。 方案二：直接采用 STC89C52 單片機(jī)由軟件產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò) PID 算法，來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。 系統(tǒng)要求比較簡(jiǎn)單，考慮性價(jià)比上，所以采用 STC89C52 單片機(jī)芯片，來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。 2 電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 方案一：采用專(zhuān)用電機(jī)控制集成芯片來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，該方案電路簡(jiǎn)單、可靠。 方案二：直接采用四個(gè)三極管搭成 H 型橋式電路來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用小電機(jī)，考慮性價(jià)比上，采用專(zhuān)用電機(jī)控制集成芯片 L289N來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 3 鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)要求功能簡(jiǎn)單，所以直接采用行式鍵盤(pán)進(jìn)行控制。鍵盤(pán)用來(lái)輸入啟動(dòng)、停止；正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；加速、減速信號(hào)和設(shè)定的速度值。 4 顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示電路采用 LED 進(jìn)行對(duì)啟動(dòng)、停止；正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；加速、減速的狀態(tài)顯示。 . 系統(tǒng)組成 經(jīng)過(guò)比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示，其中采用 STC89C52為主控制芯片，采用 L298 N 進(jìn)行對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，顯示電路采用 LED 顯示，鍵盤(pán)控制電路和電機(jī)控制電路。 圖 6 系統(tǒng)組成框圖 3 硬件制作、調(diào)試與軟件 系統(tǒng) PCB 板的設(shè)計(jì) PCB 即印刷電路板，是電子電路的承載體。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，幾乎都要使用 PCB。PCB 板的設(shè)計(jì) 是電路設(shè)計(jì)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是對(duì)原理電路的再設(shè)計(jì)。 因此 PCB 板的設(shè)計(jì)是理論 設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用一個(gè)十分重要的內(nèi)容。 印制電路板 (PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件．它提供電路元件和器件之間的電氣連接。 PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大．因此，在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)．必須遵守印制電路板設(shè)計(jì)原則和抗干擾措施的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。 本次設(shè)計(jì)采用 Altium 公司 PROTEL 系列設(shè)計(jì)完成 SCH 到 PCB的設(shè)計(jì)，并且手工完成電路焊接以及整機(jī)的裝配。 采用 Proteus 軟件下載程序仿真調(diào)試， Proteus 軟件仿真圖： . 圖 8 Proteus 軟件仿真電路 系 統(tǒng)硬件調(diào)試 本系統(tǒng)的硬件調(diào)試分為以下 階段 進(jìn)行調(diào)試： （ 1）對(duì)每一塊加工好的印刷電路板要仔細(xì)的檢查，檢查它的印制線是否斷線，是否有毛刺，是否與其他印制線或焊盤(pán)或過(guò)孔粘連，焊盤(pán)是否脫落，過(guò)孔是否有未金屬化等現(xiàn)象，查出的故障及時(shí)排除。然后用萬(wàn)用表復(fù)核認(rèn)為可疑的連接線或接點(diǎn)，檢查它們的通斷狀態(tài)是否與設(shè)計(jì)規(guī)格相符。再檢查各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象并排除。最后，加電檢查，加電過(guò)程中細(xì)心觀察芯片或器件是否出現(xiàn)打火、過(guò)熱、變色、冒煙和異味等現(xiàn)象，如有，立即斷電檢查。 （ 2）將程序燒入 STC89C52 芯片，分別接上電 源，觀察電源顯示燈是否亮，并觀察電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，若轉(zhuǎn)動(dòng)則用行列式開(kāi)關(guān)來(lái)控電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加速，減速等功能是否實(shí)現(xiàn)。 若沒(méi)有實(shí)現(xiàn)功能則看是電路原因還是軟件程序的原因。 主控程序 程序流程圖： . 圖 7 控制流程圖 程序中幾個(gè)關(guān)鍵的寄存器的意義： 1. TCNT0：定時(shí)器計(jì)數(shù)值，定時(shí)過(guò)程中不斷增大，溢出后重新置數(shù)，開(kāi)