【正文】 ， 速度逐漸減少。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。 PWM 脈沖的占空比，決定電機(jī) M 的轉(zhuǎn)速。 PWM 驅(qū)動(dòng)裝置控制原理框圖如圖 56 所示。 并 利用了芯片 AT89C51 的 P1 口的 、 兩個(gè)管腳。其中 Q2 為激勵(lì)級(jí)， 4 為功放級(jí)。 脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速也有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差，頻率低則反之。接入了這三個(gè)發(fā)光二極管后，不但小車的運(yùn)行狀態(tài)能夠更好的表現(xiàn)出來，更重要的是，在軟件調(diào)試中，這三個(gè)發(fā)光二極管可以給我們很大東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計(jì) 24的參照，可以提示我們程序運(yùn)行到什么位置，是否按照要求輸出快速的 PWM 波形或者是慢速 PWM 波形。脈沖調(diào)速實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，通過計(jì)算可發(fā)現(xiàn)汽車的速度與脈寬成正比。 （ 2）、 為低電平時(shí) ： “向前”和“向后”端均為低電平，電機(jī)停轉(zhuǎn)。根據(jù)這個(gè)原因才選用 、 口?？焖傩院?。假設(shè)高電平導(dǎo)通，忽略 三極 管損耗，則在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為 t，周期為 T， 則電機(jī)兩端的平均電壓為： U=Vcc t/ T=αVcc ， 其中， α=t/T稱為占空比， Vcc 為電源電壓（電源電壓 三極 減去兩個(gè)開關(guān) 管的飽和壓降）。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí) ，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax， 設(shè)占空比為 D=t1/T， 則電機(jī)的平均速度為 Vd=VmaxD 式中， Vd電機(jī)的平均速度； Vmax電機(jī)全通電時(shí)的速度（最大）； D=t1/T占空比。軟件 編程時(shí)的考慮是設(shè)置脈寬這個(gè)變量，在 的啟?？刂贫水a(chǎn)生 20Hz 可調(diào)脈寬 方波 。 PWM 脈沖可由具有 PWM 輸出口的單片機(jī)通過編程產(chǎn)生，或者由單片機(jī)外擴(kuò)8253 來構(gòu)成脈寬調(diào)制器，還可以采用 PWM 專用芯片。 當(dāng)電壓由高向低變化時(shí)： Vi2/3Vcc， V0=“ 0” ； 1/3VccVi2/3Vcc， V0 保持不變； Vi1/3Vcc， V0 翻轉(zhuǎn)為“ 1” 。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U2NE5551 2 3 4WW51PC6200KR91KR101MVR1+5V+5VINT0 圖 51 數(shù)據(jù)采集電路原理圖 在此設(shè)計(jì)中我們選用 NE555 芯片 在數(shù)據(jù)采集電路中 。小車前端貼有一片光電檢測(cè)器，對(duì)線區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)電路整形后，送入單片機(jī)的中斷端 （ INT0）。在通電瞬間，由于 RC 的充電過程，在RESET 端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持 10ms 以上就能使單片機(jī)可靠復(fù)位。輸出端為引腳 XTAL2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳接晶體震蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激震蕩器。 30pFC230pFC312MHXTAL1KR1+5V+12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40AT89C51D1IN414822uFC1 圖 43 單片機(jī)最小化系統(tǒng)圖 AT89C51 的 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。當(dāng) P3 口寫入 “ 1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。 主要功能特性 （ 1） AT89C51 與 MCS51 兼容 ； （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ； （ 3） 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； （ 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ； （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； （ 6） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； （ 7） 1288 位內(nèi)部 RAM； （ 8） 32 可編程 I/O 線 ； 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng) CPU 的選擇 12（ 9） 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； （ 10） 5 個(gè)中斷源 ； （ 11） 可編程串行通道 ； （ 12） 低功耗的閑置和掉電模式 ； （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。 MCS51 的 典 型產(chǎn)品有： 803 805 875 89C51。 （ 2） 雙電源供電 ，控制電路電源和電動(dòng)機(jī)電源隔離， 提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。這樣供電比較簡(jiǎn)單；但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且 PWM 驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)很大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，缺點(diǎn)十分明顯。 方案一： 采用液晶顯示器。而數(shù)據(jù)采集對(duì) 路面黑線 探測(cè) 的大致原理 是 :根據(jù) 光線照到路面 上對(duì)黑線和白紙 的反射系數(shù)不同。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。 圖 22 給出系統(tǒng)組成框圖，數(shù)據(jù)采集通過光電傳感器完成對(duì)不同標(biāo)志的檢測(cè)，并以電信號(hào)脈沖的形式送入單片機(jī)的 INT0 和 T1 口。 紅色表示停止?fàn)顟B(tài)，綠色表示加速狀態(tài)，黃色表示限速 狀態(tài) ，分別接入單片機(jī)的 、 、 。最后在顯示器上顯示出小車行駛過的路程和走完全程所用的時(shí)間。 4） 對(duì)電源的影響。 擬解決的關(guān)鍵性問題 在直流電機(jī) 調(diào)速 電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)： 1． 功能： 電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)？ 需不需要調(diào)速？對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三 極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由 4 個(gè)功率元件組成的 H 橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果能夠?qū)㈦娮踊椭悄芑芎玫慕Y(jié)合在一起，那么對(duì)汽車工業(yè)的智能化發(fā)展起到相當(dāng)重要的作用，可以在 很大 程度上減少交通事故的發(fā)生，也可以降低現(xiàn)在汽車的發(fā)展對(duì)交通的壓力。 但晶閘管斬波調(diào)速器不足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成本，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)間比較長(zhǎng)，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)比較嚴(yán)重 。 采用單片機(jī)控制取代了以往的模擬控制，無零點(diǎn)漂移，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)，靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng) 。路面黑線檢測(cè)使用反射式光電傳感器， 采用 單片機(jī)軟件產(chǎn)生 PWM 信號(hào) 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 、 H 型驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的正反向行駛、快慢速行駛 ，利用與 MAX7219 連接的 LED 來顯示時(shí)間和總的路程 。 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(jí)、高效、節(jié)能而得到大力推廣 。 由于單片機(jī) 系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛 ，我們可以用 MCS51 的單片機(jī)控制系統(tǒng)，利用脈沖寬度調(diào)制 （ PWM）對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行 調(diào)速 控制，實(shí)現(xiàn) 對(duì) 小車調(diào)速的智能化 控制 。最后在顯示器上顯示出小車行駛過的路程和走完全程所用的時(shí)間。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。 預(yù)期的成果 通過脈寬調(diào)制對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，小車從起跑線出發(fā)， 在跑道上 每碰到一次黑線根據(jù)接收到的信號(hào)，小車變換一次行駛狀態(tài)， 每次變換行駛狀態(tài)都有亮燈顯示，不同的狀態(tài)用不同的顏色表示， 到達(dá)終點(diǎn)后，停留 10 秒，然后自 動(dòng)返回起跑線。 4. 本設(shè)計(jì)用了三個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來顯示小車正處在何種 速度行駛 狀態(tài)， 小車每次進(jìn)入一種行駛狀態(tài)就亮一種顏色的燈來顯示其行駛的狀態(tài)。 系統(tǒng)組成框圖 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)車速控制要 求很高，準(zhǔn)確的定位以及慢速要求，為減少硬件開銷，我們考慮利用軟件脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的調(diào)速控制。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。 信號(hào)檢測(cè) 方案 的 選擇 系統(tǒng)中小車在跑道上行駛需要對(duì)跑道上的黑線進(jìn)行識(shí)別和判斷，這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須有對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的電路以把信息送給單片機(jī)來控制小車的行駛狀態(tài)。 顯示模塊方案的選擇 系統(tǒng)最終要求現(xiàn)實(shí) 對(duì) 小車行駛的路程以及所用的時(shí)間 的顯示 ，這就要求我們必須要一個(gè)顯示模塊來顯示這個(gè)結(jié)果信息。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證 9 方案一 ： 所有器件采用單一電源（ 6 節(jié) AA 電池）。 綜合以上 所有方案的論證 ， 本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的主要特色 是 ： （ 1） 高效的 H 型 PWM 電路 ，提高電源利用率。片內(nèi)帶 掩膜 型 ROM 適 合于定型大 批 量應(yīng)用產(chǎn)品的 生 產(chǎn) ； 片內(nèi)帶 EPROM 適 合于 研 制產(chǎn)品 樣 機(jī) ； 外接 EPROM 的方式 適 用于 研 制新產(chǎn)品。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 [3]。 （ 2） XTAL2 接外部晶體的另一個(gè)引腳。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸 入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 （ 4） P3 口 （ ～ ） ： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。 如圖 43所示。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 單片機(jī)最常見的 復(fù)位電路 如圖 45 所示。當(dāng)小車在規(guī)定的跑道行駛時(shí)，貼在小車底部的反射式光電檢測(cè)器就會(huì)作出不同的反應(yīng)。在對(duì)不同介質(zhì)材料進(jìn)行綜合比較后，我們選擇光電反射器離地 面為 的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，由于該脈沖電壓不是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓，所以需要經(jīng)過一個(gè)施密特電路整形后得到一TTL 電平送單片機(jī) 的 INT0。 Vi2/3Vcc， V0 翻轉(zhuǎn)為 “ 0” 。 電機(jī)調(diào)速控制模塊 目前較好的調(diào)速方法是脈寬調(diào)制 (PWM)， 脈寬調(diào)制 (PWM)是 通過改變周期性脈沖信號(hào)的占空比來改變加在電動(dòng)機(jī)上的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，通過計(jì)算可發(fā)現(xiàn)小車的速度與脈寬成正比。只要按一 定規(guī)律，改變通、 斷電的時(shí)間 ， 即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制 。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計(jì) 21M12J112J2C1D1U14N25R1R3 R2Q1Q212VVCCGND光電隔離PWM 信號(hào)輸入功率驅(qū)動(dòng)級(jí) 圖 55 PWM 脈沖驅(qū)動(dòng)電路 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速 ， 非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。 圖 56 PWM 驅(qū)動(dòng)裝置控制原理框圖 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)： （ 1） 頻帶寬、頻率高，晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控頻率 （ 20Hz） ，可達(dá) 2～ 10KHz。為什么會(huì)選用 、 接口呢？是由于 可用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T2； 可用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。電流從 +9V經(jīng) Q3 到電機(jī)“ +”端再到“ ”端最后經(jīng) Q4 入地端，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 為高電平時(shí)，則反之， Q Q Q7 導(dǎo)通， Q Q Q4 截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 15~20HZ 效果最好。 30pFC230pFC312MHXTAL1KR1+5V+12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC