【正文】 ............................................................ 23 附錄 D： ........................................................................................................................ 24 . 引言 隨著時代的進步和科技的發(fā)展，電機調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用 .由于直流電動機具有優(yōu)良的起、制動性能，宜與在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼 機、礦井卷機、挖掘機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等領(lǐng)域中得到廣泛應用。長期以來，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標優(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，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，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(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)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應用的控制方式，也是人們研究 的熱點。本設(shè)計就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。 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： 256 字節(jié)的 RAM； 4KB 的 ROM； 32 個通用 I/O 口線；為用戶提供了豐富的 I/O 口資源； 32 個通用工作寄存器； 2 個定時器 /計數(shù)器；具有 6個中斷源； ~； 1000 次可重復擦寫周期等。 STC89C52 的內(nèi)核 和 AT51 系列單片機一樣，故引腳也相同 。 引腳說明： 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—— 復位輸入引腳。 第 18引腳： XTAL1—— 反向振蕩放大器與 片內(nèi)時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—— 地址鎖存允許信號輸出。 第 31引腳： ~EA—— 片外程序存儲器選用端。 . 第 299 引腳： ~PSEN：片外程序存儲器讀選通信號輸出端。 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請求輸入端，低電平有效 ~INT1 外部中斷 1請求輸入端，低電平有效 T0 定時 |計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖輸入端 T1 定時 |計數(shù)器 1 計數(shù)脈沖輸入端 ~WR 外部數(shù)據(jù)存儲器及 I/O口寫選通信號輸出端，低電平有效 ~RD 外部數(shù)據(jù)存儲器及 I/O口讀選通信號輸出端，低電平有效 注： 引腳功能前加 “ ~” ，說明其是低電平有效。 圖 1 STC89C52 單片機主控制電路圖 . L298N直流 電機的專用驅(qū)動器 L298N 是 直流 電機的專用驅(qū)動器，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路 ， 即二個 H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的電機。當驅(qū)動直流電機時，可以直接控制兩路電機，并可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(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 電機的專用驅(qū)動器 正常使用 L298N 驅(qū)動直流電機時： 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)動電機使用，因此通往 4 腳的都是大電流電源。 第 4 和 9 腳要通過一瓷片電容接地，以便排除交流干擾。 L298N 可驅(qū)動 2 個電機 ： 第 2 腳和 3 腳（ OUTl、 OUT2）、第 13 腳和 14 腳（ OUT OUT4） 之間分別接 2 個電動機。 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 2 的正反轉(zhuǎn)， ENA， ENB 接控制使能端，控制 兩個 電機的停轉(zhuǎn)。 注： IN1~IN4 引腳、 EN A、 EN B 全部要接上拉電阻。 本次實訓采用專用芯片 L298N 作 為電機驅(qū)動芯片且只驅(qū)動一個電機。 L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應頻率高，帶有控制使能端。用該芯. 片作為電機驅(qū)動，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) 電機狀態(tài) H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H H H 剎車停止 L X X 自己停止 表 1 硬件電路設(shè)計 顯示電路的設(shè)計 該部分采用 LED（ 發(fā)光二極管 ）顯示 模塊 ， 是一種固態(tài)的半導體器件 ， 它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 LED 的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是 N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個 “PN結(jié) ”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(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 是一種價格較便宜 ,節(jié)能環(huán)保 的顯 示器件。單片機可通過寫控制字的方式 輸出高低電平 來實現(xiàn)對 LED 亮滅 的控制。 圖 3 LED 顯示電路 . 鍵盤電路的設(shè)計 鍵盤電路采用行式鍵盤電路。 圖 4 鍵盤電路的設(shè)計 圖 5 電機驅(qū)動電路 工作原理簡述如下： 當 IN1=1,IN2=0：則 OUT1=1, OUT2=0,于是電流 i 流經(jīng)電機 M 的路徑為：VS?L298N? OUT1?MOTOR? OUT2?地，電機正轉(zhuǎn) ,此時綠燈亮，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，電機停止時則燈滅。 . 當 IN1=0,IN2=1：則 OUT1=0, OUT2=1,于是電流 i 流經(jīng)電機 M 的 路徑為：VS?L298N? OUT2?MOTOR? OUT1?地，電機反轉(zhuǎn) ,此時黃燈亮，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，電機停止時則燈滅。 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 設(shè)計要求 要求： 利用 L298N 芯片設(shè)計并制作一個直流電機控制電路； 控制直流電機的啟動和停止； 控制直流電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)； 控制直流電機的 轉(zhuǎn)動速度由按鍵開關(guān)控制。 總體設(shè)計方案 設(shè)計思路 要求設(shè)計一個直流電機的驅(qū)動電路，系統(tǒng)可以分為控制部分和顯示部分。設(shè)計中采用 STC89C52 芯片為主控制核心，鍵盤為控制部分，顯示部分采用 LED 顯示直流電機的正反轉(zhuǎn)、加減速。通過單片機軟件產(chǎn)生 PWM 波來控制電機，經(jīng)過電路，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向控制和速度的實時調(diào)節(jié)。 方案論證與設(shè)計 1 系統(tǒng)控制設(shè)計方案論證與選擇 方案一：采用 MCS51 系列的單片機和專用的 PWM 芯片及外部 D/A 轉(zhuǎn)換電路，同時結(jié)合 PID 算法實現(xiàn)實時控制。 方案二：直接采用 STC89C52 單片機由軟件產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，經(jīng)過 PID 算法，來對電機進行控制。 系統(tǒng)要求比較簡單，考慮性價比上，所以采用 STC89C52 單片機芯片，來對電機進行控制。 2 電機控制電路的設(shè)計 方案一：采用專用電機控制集成芯片來控制電機轉(zhuǎn)動，該方案電路簡單、可靠。 方案二：直接采用四個三極管搭成 H 型橋式電路來控制電機的轉(zhuǎn)動。 系統(tǒng)驅(qū)動電機采用小電機，考慮性價比上，采用專用電機控制集成芯片 L289N來控制電機轉(zhuǎn)動。 3 鍵盤電路的設(shè)計 由于系統(tǒng)要求功能簡單，所以直接采用行式鍵盤進行控制。鍵盤用來輸入啟動、停止；正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；加速、減速信號和設(shè)定的速度值。 4 顯示電路的設(shè)計 顯示電路采用 LED 進行對啟動、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 進行對直流電機的驅(qū)動，顯示電路采用 LED 顯示，鍵盤控制電路和電機控制電路。 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 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 是電路設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)，也是對原理電路的再設(shè)計。 因此 PCB 板的設(shè)計是理論 設(shè)計到實際應用一個十分重要的內(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)計的好壞對抗干擾能力影響很大．因此，在進行 PCB 設(shè)計時．必須遵守印制電路板設(shè)計原則和抗干擾措施的一般原則，并應符合抗干擾設(shè)計的要求。 本次設(shè)計采用 Altium 公司 PROTEL 系列設(shè)計完成 SCH 到 PCB的設(shè)計，并且手工完成電路焊接以及整機的裝配。 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 進行調(diào)試： （ 1）對每一塊加工好的印刷電路板要仔細的檢查，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或過孔粘連，焊盤是否脫落，過孔是否有未金屬化等現(xiàn)象，查出的故障及時排除。然后用萬用表復核認為可疑的連接線或接點，檢查它們的通斷狀態(tài)是否與設(shè)計規(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，加電過程中細心觀察芯片或器件是否出現(xiàn)打火、過熱、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，并觀察電機是否轉(zhuǎn)動，若轉(zhuǎn)動則用行列式開關(guān)來控電機的正反轉(zhuǎn)，加速，減速等功能是否實現(xiàn)。 若沒有實現(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 程序中幾個關(guān)鍵的寄存器的意義： 1. TCNT0：定時器計數(shù)值，定時過程中不斷增大，溢出后重新置數(shù)，開