【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和急停，能夠很方便 的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。 主體電路：即直流電機(jī) PWM 控制模塊。這部分電路主要由 AT89C51 單片機(jī)的 I/O 端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間是通過(guò) AT89C51 單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到 L298 驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)主要由以下電路模塊組成： 設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和急停控制，以及對(duì) PWM 占空比和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。 設(shè) 計(jì)控制部分：主要由 AT89C51 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī) PWM 控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機(jī)和 L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。 設(shè)計(jì)顯示部分： LED 數(shù)碼管顯示部分，實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM 脈寬調(diào)制占空比的實(shí)時(shí)顯示。 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 設(shè)計(jì)任務(wù) 基于 MCS51 系列單片機(jī) AT89C51，設(shè)計(jì)單片機(jī)控制的直流電動(dòng)機(jī) PWM 調(diào)速控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速的控制，以及 PWM 的占空比在 LED 上的實(shí)時(shí)顯示。 設(shè)計(jì)要求 （ 1）在系統(tǒng)中擴(kuò)展直流電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路 L298，驅(qū)動(dòng) 直流測(cè)速電動(dòng)機(jī)。 （ 2）使用定時(shí)器產(chǎn)生可控的 PWM 波，通過(guò)按鍵改變 PWM 占空比，控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （ 3） 設(shè)計(jì)一個(gè) 4 個(gè)按鍵的鍵盤。 K1：“啟動(dòng) /停止”。 K2：“正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)”。 K3：“加速”。 K4：“減速”。 （ 4）手動(dòng)控制。在鍵盤上設(shè)置兩個(gè)按鍵 直流電動(dòng)機(jī)加速和直流電動(dòng)機(jī)減速鍵。在手動(dòng)狀態(tài)下，每按一次鍵，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按照約定的速率改變。 （ 5）測(cè)量并在 LED 顯示器上顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（ rpm）。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 33 頁(yè) 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 方案說(shuō)明：直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模 塊、LED 顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給 L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送 PWM 波形，完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速和急?？刂?； 同時(shí)單片機(jī)不停的將 PWM 脈寬調(diào)制占空比送到 LED 數(shù)碼管完成實(shí)時(shí)顯示 ，直流電機(jī) PWM 調(diào)速方案如圖 4 所示： 圖 4 直流電機(jī) PWM 調(diào)速方案 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 33 頁(yè) 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)基本組成 硬件模塊組成 （ 1）單片機(jī)控制模塊 （ 2）最小系統(tǒng)電路 （ 3） L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 （ 4） LED 顯示模塊及轉(zhuǎn)速顯示模塊 （ 5）獨(dú)立鍵盤控制模塊 單片機(jī)整個(gè)控制模塊 單片機(jī)整個(gè)控制模塊如圖 5 所示： 圖 5 單片機(jī)整體控制模塊 單片機(jī) AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 單片機(jī)由 CPU 和 8 個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 33 頁(yè) 器的集中控制方法?；窘M成如圖 6 所示： 圖 6 AT89C51 基本結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī) AT89C51 與 MCS51 兼容，由中央處理器，存儲(chǔ)器， 32 位可編程 I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行口和 5 個(gè)中斷源構(gòu)成。 4K 字節(jié)可編程閃 爍存儲(chǔ)器壽命為 1000 寫 /擦循環(huán)，通常數(shù)據(jù)保留時(shí)間為 10 年。全靜態(tài)工作頻率范圍 0Hz24Hz，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，采用可編程串行通道，含有片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路，此外，擁有低功耗的閑置和掉電模式為使用提供了方便 [11]。 中央處理器 CPU： 8 位 CPU 是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： AT89C51 芯片中共有 256 個(gè) RAM 單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前 128 個(gè)單元，其地址為 00H— 7FH。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前 128 個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 RAM。 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器： AT89C51 芯片內(nèi)部 共有 4K 個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 ROM。 定時(shí)器： AT89C51 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有 5 個(gè)中斷源，即外部中斷 2 個(gè)，定時(shí) /計(jì)數(shù)中斷 2 個(gè)和串行中斷 1 個(gè)。 AT89C51 單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)如圖 7 所示： 圖 7 8051 單片機(jī)引腳圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 33 頁(yè) 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊，是每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)所必須的電路部分。如圖 8 所示： 圖 8 單片機(jī)最小系統(tǒng) 有時(shí)系統(tǒng) 在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序跑飛得情況，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位，所以本次設(shè)計(jì)選用手動(dòng)復(fù)位。為確保微機(jī)系統(tǒng)中 電路 穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為 5V177。 5%，即 ～ 。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng) VCC 超過(guò) 低于 以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除 ，微機(jī)電路開(kāi)始正常工作 [12]。 高頻率的時(shí)鐘有利于程序的更快運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻。考慮到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號(hào)采樣處理，所以選取適合的頻率即可。適合頻率的晶振介入 XTAL1 和XTAL2 引腳，并聯(lián) 2 個(gè) 30pF 陶瓷電容幫助起振。 L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)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。可以方便的驅(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(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 33 頁(yè) 較方便 [13]。 L298N 的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖 9 所示： 圖 9 L298N 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖 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(hào)。 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)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，利用按鍵 K2 控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， K1 按鍵控制電機(jī)的停 轉(zhuǎn)， K K4 分別控制直流電機(jī)的加減速。 當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端 IN1 為 PWM 信號(hào)， IN2 為低電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端 IN1 為低電平信號(hào)， IN2 為 PWM 信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； IN1 與 IN2 相同時(shí)，電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中， L298 在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，缺點(diǎn)為功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)重 [14]。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制， L298 邏輯功能如表 1： 表 1 L298 功能邏輯圖 IN1 IN2 ENA 電機(jī)狀態(tài) X X 0 停止 1 0 1 順時(shí)針 0 1 1 逆時(shí)針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)中對(duì)大功率的電動(dòng)機(jī)常采用 IGBT 作為主開(kāi)關(guān)元件 ,對(duì)中小功率的電機(jī)常采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為主開(kāi)關(guān)元件。另外還可以采用集成電路來(lái)完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)I N 1I N 2E N AO U T 1O U T 2O U T 3O U T 4I N 3I N 4E N B6 V 動(dòng) 力 電 源中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 33 頁(yè) 動(dòng)，系統(tǒng)采用集成電路 L298 來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)， L298 引腳接線圖 如圖 10 所示： 圖 10 L298 引腳接線圖 L298 是雙 H 高電壓大電流功率集成電路。直接采用 L 邏輯電平控制，可以驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。其內(nèi)部有兩個(gè)完全相同的功率放大回路 [15]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖 22 所示。 L298 引腳符號(hào)及功能： SENSA、 SENSB：分別為兩個(gè) H 橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地 ENA、 ENB：使能端，輸入 PWM 信號(hào) IN IN IN IN4：輸入端， TTL 邏輯電平信號(hào) OUT OUT OUT OUT4：輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯 VCC：邏輯控制電源， ~7V GND：地 VSS：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最小值需比輸入的低電平電壓高 LED 數(shù)碼管顯示 LED 簡(jiǎn)介 LED（ Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，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)”。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 33 頁(yè) 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。除半導(dǎo)體激光器外，當(dāng)電流激勵(lì)時(shí)能發(fā)射光學(xué)輻射的半導(dǎo)體二極管。嚴(yán)格地講，術(shù)語(yǔ) LED 應(yīng)該僅應(yīng)用于發(fā)射可見(jiàn)光的二極管；發(fā)射近紅外輻射的二極管叫紅外發(fā)光二極管（ IRED,Infrared Emitting Diode）；發(fā)射峰值波長(zhǎng)在可見(jiàn)光短波限附近，由部份紫外輻射的二極管稱為紫外發(fā)光 二極管；但是習(xí)慣上把上述三種半導(dǎo)體二極管統(tǒng)稱為發(fā)光二極管。 LED 數(shù)碼管和單片機(jī)的連接 LED 數(shù)碼管接線如圖 11 所示： 圖 11 LED 數(shù)碼管接線 電路的接法決定了必須采用逐位掃描顯示方式。即從段選口送出某位 LED 的字型碼，然后選通該位 LED，并保持一段延時(shí)時(shí)間。然后選通下一位，直到所有位掃描完，完成對(duì)PWM 的占空比在 LED 上的實(shí)時(shí)顯示。 獨(dú)立鍵盤控制模塊 獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接入一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線 的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵按下了。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件簡(jiǎn)單。但每個(gè)按鍵需要占用一個(gè)輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。 消除鍵抖動(dòng)。一般按鍵在按下的時(shí)候有抖動(dòng)的問(wèn)題，即鍵的簧片在按下時(shí)會(huì)有輕微的彈跳，需經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的時(shí)間才會(huì)可靠地接觸。若在簧片抖動(dòng)時(shí)進(jìn)行掃描就可能得出不正中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 33 頁(yè) 確的結(jié)果。因此，在程序中要考慮防抖動(dòng)的問(wèn)題。最簡(jiǎn)單的辦法是在檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，等待（延遲）一段時(shí)間再進(jìn)行“行掃描”，延遲時(shí)間為 10～ 20ms。這可通過(guò)調(diào)用 子程序來(lái)解決，當(dāng)系統(tǒng)中有顯示子程序時(shí)，調(diào)用幾次顯示子程序也能同時(shí)達(dá)到消除抖動(dòng)的目的。按鍵控制模塊如圖 12 所示： 圖 12 按鍵控制模塊中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 33 頁(yè) 5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。 在程序中通過(guò)軟件產(chǎn)生 PWM，送出預(yù)設(shè)占空比的 PWM 波形。 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于每個(gè)脈沖的高電平時(shí)間和低電平時(shí)間之和必須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時(shí)間必須由定時(shí)器來(lái)控制。設(shè)