【文章內(nèi)容簡介】 框圖如圖 所示。 單 片 機(jī)液 晶 顯 示 模 塊矩 陣 鍵 盤電 機(jī) 驅(qū) 動 模 塊直 流 電 機(jī)霍 爾 測 速 模 塊 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)以 AT89C51 為控制主芯片， AT89C51 是一款低功耗、高 14 性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 4K 可編程 Flash 存儲器，使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線可編程 Flash，具有雙工串行通道，可實(shí)現(xiàn)在線編程功能，內(nèi)部集成了看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、全新的加密運(yùn)算，使程序的保密性增強(qiáng)，兼容性強(qiáng)，軟硬件調(diào)試方便。因此，使用該MCU作為主控芯片可以方便的設(shè)計(jì)電路。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指單片機(jī)能正常工作所必須的外圍電路，主要由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 電路圖 復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號，復(fù)位信號送入 RST 后還要送至片內(nèi)的施密特觸發(fā)器，由片內(nèi)復(fù)位電路對觸發(fā)器輸出采樣信號，然后由內(nèi)部復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位操作所要的信號。一般的復(fù)位電路可分為上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位，我們選用的是按鍵與上電復(fù)位。 RST 引腳是復(fù)位信號的輸入端，只要高電平的復(fù)位信號持續(xù)兩個機(jī)器周期以上的有效時間，就可以使單片機(jī)上電復(fù)位。復(fù)位信號是通過電容充電實(shí)現(xiàn)的，上電瞬間，RST 端電位與 VCC 相同，隨充電電流的減少， RST 的電位逐漸下降，直到復(fù)位信號無效，完成上電自動復(fù)位。 電路中電容 C2 和 C3 的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性， 典型值通常選擇為 30pF 左右。晶振的范圍通常在 ~12MHz 之間，頻率 15 越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快，此次設(shè)計(jì)采用的晶體振蕩頻率為 12MHz。 直流電機(jī)驅(qū)動模塊 直流電機(jī)驅(qū)動模塊主要由電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N 和二極管及直流電機(jī)組成。單片機(jī)輸出 PWM 波給電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N，通過電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N 實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N 的 IN1 端輸入 PWM 波， IN2 輸入低電平直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)； ENA 輸入高電平實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。 電 機(jī)驅(qū)動芯片 L298N L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用 15 腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V。 L298N 的輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A，額定功率為 25W。 L298N 內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載。 L298N 采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制，具有兩個使能控制端， L298N 可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動電機(jī)，可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn) 電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。 L298N 對直流電機(jī)控制的邏輯真值表 如表 所示。 表 L298N對直流電機(jī)控制的邏輯真值表 輸入 輸出 EN=H C=H； D=L 正轉(zhuǎn) C=L； D=H 反轉(zhuǎn) C=D 制動 EN=L C=※ ； D=※ 沒有輸出，電機(jī)不工作 注：其中 EN 表示 ENA或 ENB； C、 D 分別為 IN IN2 或 IN IN4； L 為低電平， H 為高電平， ※ 為不管是低電平還是高電平。 16 直流 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖 直流電機(jī)驅(qū)動模塊接收由單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 波及其他控制信號，控制直流電機(jī)進(jìn)行加減速、正反轉(zhuǎn)、啟停等，其電路 如圖 所示。 圖 直流電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖 霍爾測速模塊 霍爾測速模塊主要用來測得直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，霍爾測速模塊主要由霍爾傳感器及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路組成。 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器 ,它具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn) ， 在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。 本模塊主要 用霍爾傳感器通過測量磁場強(qiáng)度 ， 來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號 ， 通過單片機(jī) 實(shí)現(xiàn) 直流 電機(jī) 實(shí)際 轉(zhuǎn)速的測量 。 選 用 型號為 A3144 的霍爾片作為霍爾測速模塊的核心，該霍爾傳感器體積小、安裝靈活，并與普通的磁鋼片配套使用 。 霍爾測速模塊 工作過程：測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器與機(jī)軸相連接，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定的脈沖個數(shù)， 經(jīng)霍爾器件電路部分輸出，成為單片機(jī) 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對應(yīng) 直流電機(jī) 機(jī)軸的 實(shí)際 轉(zhuǎn)速值。 霍爾測速模塊 由磁鋼、霍 17 爾元件 等組成， 將一非磁性圓盤固定裝在 直流 電機(jī) 轉(zhuǎn)軸上，圓盤上 等距離用環(huán)氧樹脂粘貼塊狀磁鋼，磁鋼采用永久磁 ，其示意圖如圖 所示 。 圖 霍爾傳感器檢測信號圖 矩陣鍵盤 矩陣鍵盤可以對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，并可以控制直流電機(jī)進(jìn)行加速、減速、正反轉(zhuǎn)、啟停等。 其電路圖如圖 所示。 圖 矩陣鍵盤電路圖 矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)與工作原理 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線連接到 鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些， 18 識別也要復(fù)雜一些，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。 矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 確定矩陣式鍵盤上哪個 鍵被按下介紹一種 “行掃描法 ”。行掃描法又稱為逐行 （或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法， 下面給出一個具體的例子：單片機(jī)的 P1 口用作鍵盤 I/O 口，鍵盤的列線接到 P1 口的高 4 位，鍵盤的 行線接到 P1 口的低 4 位。列線 分別接有 4 個上拉電阻到正電源 +5V， 4 根行線和 4 根列線形成 16 個相交點(diǎn)。 （ 1） 檢測當(dāng)前是否有鍵被按下。檢測的方法是 輸出全 “0”， 輸出全 “1”，即給 P1 賦值 “F0”讀取 的狀態(tài)，若 為全 “0”，則無鍵閉合，否則有鍵閉合。 （ 2） 去除鍵抖動。當(dāng)檢測到有鍵按下后，延時一段時間再做下一步的檢測判斷。 （ 3） 若第二次仍判斷有鍵被按下，為了確定鍵值，先判斷其所在行。方法是讀取此時 P1 口狀態(tài)， P1 的低四位 哪位電平被抬高則對應(yīng)行有鍵被按下，例如 P1 狀態(tài)為 F1，那么說明 被置位，則其對應(yīng)行某鍵被按下。 （ 4） 用同樣方法判斷按鍵所在列，給 P1 賦值 “0F”，并讀取 P1 口輸出狀態(tài)， P1高四位哪位電平被抬高則對應(yīng)列有鍵被按下。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計(jì)算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值 （ 5） 為了保證鍵每閉合一次 CPU僅作一次處理，必須去除鍵釋放時的抖動。按鍵識別的一個重要問題是去抖動，下面詳細(xì)介紹： 常用鍵盤的鍵是一個機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)，被按下時，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電 壓突跳等原因，在觸 點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動， 抖動時間長短與鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為 20~30 ms。而鍵的閉合時間和操作者的按鍵動作有關(guān)，大約為十分之幾秒到幾秒不等。 去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是在鍵盤中附加去抖動電路，從根上消除抖動產(chǎn)生的可能性；而軟件方法則是采用時間延遲以躲過抖動（大約延時 510ms 19 即可），待 線上狀態(tài)確定之后，再進(jìn)行狀態(tài)輸入。一般為簡單起見多采用軟件方法。 矩陣 鍵盤的工作方式 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是 CPU的工作內(nèi)容之一。 CPU對鍵盤的響應(yīng)取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU 的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證 CPU能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用 CPU的工作時間。通常，鍵盤的工作方式有三種，即編程掃描、定時掃描和中斷掃描。 1. 編程掃描方式 編程掃描方式是利用 CPU 完成其它工作的空余調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵盤輸入的要求。在執(zhí)行鍵功能程序時， CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求，直到 CPU重新掃描鍵盤為止。 2. 定時掃描方式 定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器產(chǎn)生一定時間（例 如 10ms）的定時，當(dāng)定時時間到就產(chǎn)生定時器溢出中斷， CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。 3. 中斷掃描方式 采用上述兩種鍵盤掃描方式時，無論是否按鍵， CPU 都要定時掃描鍵盤，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，因此， CPU 經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)，為提高 CPU工作效率，可采用中斷掃描工作方式。 當(dāng)無鍵按下時， CPU處理自己的工作，當(dāng)有鍵按下時，產(chǎn)生中斷請求， CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識別按鍵 。 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊選用 1602 型 LCD 顯示模塊 LM016L 來顯示直流電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速及其實(shí)際轉(zhuǎn)速。 1602 型 LCD 顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，可以顯示 2 行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7 和 RS， R/W， EN 三個控制端口，工作電壓為 5V，并且具有字符對比度調(diào)節(jié)和背光功能。其外部引腳如 所示。 20 圖 LM016L VSS:電源地。 VDD:電源正極。 VEE:液晶顯示偏壓信號。 RS:數(shù)據(jù) /命令選擇端。寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。 R/W:讀寫選擇端。高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作。 E:使能信號。 D0D7： 數(shù)據(jù)輸入 /輸出口。 從RS 和 R/W 的不同狀態(tài)對 LM016L 進(jìn)行不同的操作，具體見 表 。 表 LM016L控制字表 RS R/W 操作說明 0 0 寫入指令碼 D0~D7 0 1 讀取輸出的 D0~D7 狀態(tài)字 1 0 寫入數(shù)據(jù) D0~D7 1 1 從 D0~D7 讀取數(shù)據(jù) 21 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件共分六大部分，分別為主函數(shù)、 PWM 波形發(fā)生函數(shù)、 PID 控制器函數(shù)、LCD 顯示函數(shù)、矩陣鍵盤掃描函數(shù)。根據(jù)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)需要，完成參數(shù)顯示、轉(zhuǎn)速設(shè)置、 PID 控制等功能。 主函數(shù) 主函數(shù)是程序執(zhí)行的入口處，首先進(jìn)行定時器及外部中斷參數(shù)設(shè)置和初始化工作，然后設(shè)置顯示函數(shù)及鍵盤掃描函數(shù) 的死循環(huán)，進(jìn)行 實(shí)時顯示 并不斷掃描矩陣鍵盤 ， 設(shè)置 直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速值 及控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、啟停等都通過讀取矩陣鍵盤的鍵值實(shí)現(xiàn)。 控制器函數(shù)依靠 “定時中斷 ”（ T0）結(jié)合軟件延時實(shí)現(xiàn)以 1 秒為周期循環(huán)，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出即發(fā)生中斷響應(yīng)，計(jì)算控制量； PWM 波形發(fā)生函數(shù)依靠 “定時中斷 ”(T1)實(shí)現(xiàn)周期為 100us的循環(huán)，通過控制 電機(jī)驅(qū)動模塊 輸入電平調(diào)節(jié) 電機(jī) 轉(zhuǎn)速。 主函數(shù)流程圖如圖 所示。 開 始設(shè) 置 定 時 器 初值開 啟 定 時 器鍵 盤 掃 描液 晶 顯 示 圖 主函數(shù)流程圖 程序開始后