【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、 直流 電機(jī)和 L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 構(gòu) 成。 設(shè)計(jì)顯示部分 ，主要是 LED數(shù)碼顯示部分， 它實(shí)現(xiàn) 對(duì) PWM脈寬調(diào)制占空比的實(shí)時(shí) 進(jìn)行 顯示。 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 達(dá)到 對(duì)直流電機(jī)的加 、減速以及電機(jī)的正 、 反轉(zhuǎn)和急停 進(jìn)行 控制。 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 方案 簡(jiǎn)介 ：直流電機(jī) PWM調(diào)速系統(tǒng) 主要 以 AT89S52單片機(jī)為控制 的 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。 利用 帶中斷的獨(dú)立式鍵 盤 輸入命令 ， AT89S52單片機(jī)在程序 的 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， H型驅(qū)動(dòng)電路 實(shí)現(xiàn)直流 電機(jī)正，反轉(zhuǎn)和急?？刂?；同時(shí)單片機(jī)不停的將 PWM脈寬調(diào)制占空比 傳送到 LED數(shù)碼管完成實(shí)時(shí) 的 顯示。 見圖 21。 基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 5 圖 21 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 因?yàn)?PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān) 次數(shù) 很 多 ， 所以 僅靠電樞電感的濾波作用就 可以 得到 穩(wěn)定 的直流電流， 速度低性能 好 ；同樣，因?yàn)殚_關(guān)次數(shù)高， 響應(yīng) 迅速性能 好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)， 就 可以 得到 很寬 廣 的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān) 的 狀態(tài)，主電路 功率 損耗 低 ，裝置效率高。 PWM 抗噪 性 很強(qiáng) ， 而 且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠 等 優(yōu) 點(diǎn)。 另外， 利 用傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模擬電路容易隨 著 時(shí)間 進(jìn)行飄移， 因而 會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱 能 損耗，以及對(duì)噪聲敏感等 缺點(diǎn) 。而在 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)利 用了 PWM技術(shù)后，避免了 上述 的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字方式來控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低支出 成本 和功 率損 耗。 3 PWM 脈寬調(diào)制原理 PWM 調(diào)速原理 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是 利用 控制固定電壓的直流電源開關(guān) 次數(shù) ， 來實(shí)現(xiàn)改變 負(fù)載兩端的電壓 大小 ，從而 實(shí)現(xiàn) 控制要求的一種電壓調(diào)整方 案 。 PWM可以應(yīng)用 于 許多 的 方面， 譬如 ：電機(jī)調(diào)速、溫度控 制、壓力控制等等 [7]。 在 PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中， 按照 一個(gè) 不變 的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需 要來 改變一個(gè)周期內(nèi)“ 運(yùn)行 ”和“ 停止 ”時(shí)間的 大小 。 通過變化 直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來 實(shí)現(xiàn) 改變平均電壓大小的目的，從而 可以 控制 直流 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)?這樣 ， PWM也 被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置” ，見圖 31所示。 基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 6 圖 31 PWM信號(hào)的占空比 設(shè)電機(jī) 一直 接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大 值 為 Vmax，設(shè)占空比為 D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 Va指的是電機(jī)的平均速度； Vmax 是指電機(jī)在 接 通電時(shí)的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。 通過上面的公式可以知道 ，當(dāng)我們 把 占空比 D=t1/T改變 時(shí)，就可以得到 各種 電機(jī)平均速度 Va,從而 實(shí)現(xiàn)了 我們需要的 調(diào)速目的。嚴(yán)格來 講 ，平均速度 Vd和 占空比 D并 不是 嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在 通常 的應(yīng)用中，我們可以 把它 近似的當(dāng)成 是線 性關(guān)系。 直流電機(jī)的速度 調(diào)節(jié) 既可 利 用電樞控制法 , 也 可以通過 磁場(chǎng)控制法。磁場(chǎng)控制法控制磁通 , 它的 控制功率雖然較小 , 但低速 運(yùn)行 時(shí)受到磁極飽和的 控制 , 高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的 控制 ,而且 因?yàn)?勵(lì)磁線圈電感較 小 , 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較 慢 , 一次 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 通常使用 的是電樞控制法。 電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下 , 把控制電壓信號(hào) 放在 電機(jī)的電樞上來 影響 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 過去 改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)電阻 , 通過調(diào)節(jié)電阻 大小 改變電樞 兩端 電壓 ,從而 達(dá)到調(diào)速的目的 , 所以說 這種方法效率低、平滑度差 , 而且 由于 串聯(lián)電阻上要消耗電功率 ,也引發(fā)出 經(jīng)濟(jì)效益低 , 而且轉(zhuǎn)速越慢 , 能 量損 耗越大 等缺點(diǎn) 。隨著電力電子的 快速進(jìn)步和 發(fā)展 , 出現(xiàn)了 大量 新的電樞電壓控制方法。如 : 通過 交流電源 提供電源 , 利用 晶閘管整流器 來 相控調(diào)壓 。 脈寬調(diào)制 ( PWM )調(diào)壓等 方法 。調(diào)壓調(diào)速法 因?yàn)?平滑度高、能耗 低 、精度 準(zhǔn)確 等優(yōu)點(diǎn) , 在工業(yè)生產(chǎn)中 得到了 廣泛使用 , 尤其 PWM 應(yīng)用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個(gè) 穩(wěn)定 的頻率來 調(diào)節(jié) 電源的接通或斷開 , 并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“ 接通” 和“斷開”時(shí)間的 大小 , 即 通過變化 直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比 ”來改變平均 電 流 的大小 , 從而 改變 電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)快慢 , 所以 PWM 又被 叫成 “開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 根據(jù)圖 1, 如果電機(jī)始終接通電源時(shí) , 電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng) 最 快時(shí)的速度 為 Vm ax,占空比為 D = t1*T,則電機(jī)的平均 轉(zhuǎn)動(dòng) 速度為 : VD= Vmax/ D,顯而 改變占空比 D大小 ,就可以得到 各種需要 的電機(jī)速度 , 從而 實(shí)現(xiàn)改變速度的結(jié)果 , 非常 嚴(yán)格地說 , 平均速度與占空比 D 它們之間 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系 , 在一般的 生產(chǎn)生活應(yīng)用中 , 我們可以把 其近似 當(dāng)成是 線性關(guān)系。 PWM 調(diào)速方法 基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 7 由于 單片機(jī)類 通過 軟件來 達(dá)到我們需要的 PWM：在 PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比 D是 一個(gè)決定性的參數(shù) ， 在電源電壓 保持 穩(wěn)定 的 狀態(tài) 下，電樞端電壓的平均大小受到 占空比 D的大小 的影響 ，改變 D的 大小 可以 使 電樞端電壓的平均值 發(fā)生變化 從而達(dá)到 改變速度 的目的。改變占空比 D的值有三種方法： ① 定寬調(diào)頻法： 首先 不變 ，只改變 t， 從而 使周期 (或頻率 )也隨之 發(fā)生變化 。 ② 定頻調(diào)寬法： 首先 周期 T(或頻率 )不變 ， 通過 改變 t1和 t值大小 。 ③ 調(diào)寬調(diào)頻法： 首先 t穩(wěn)定 ， 僅 改變 ， 從而 使周期 (或頻率 )也隨之 發(fā)生 改變。 前兩種方法在 改變速度時(shí)使 控制脈沖的周期 (或頻率 )發(fā)生了變化 ，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率 值一樣 時(shí)，將會(huì) 產(chǎn)生 振蕩， 所以一般通過 定頻調(diào)寬法來改變占空比 來實(shí)現(xiàn) 改變直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓 大小 。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí) 等 方 法 來 達(dá)到 脈寬的自由調(diào)整， 這種方法可以簡(jiǎn)便 硬件電路，操作 容易 等優(yōu)點(diǎn) 。 PWM 實(shí)現(xiàn)方式 ⑴ ： 通過 軟件延時(shí) 方法 ， 這種方法在精度上沒有第二種精確 ， 尤其是在采用了 中斷后，將有 產(chǎn)生很大 的誤差。故采用方案 二 。 ⑵ ： 通過 定時(shí)器 當(dāng)作 脈寬控制的 時(shí)間控制 方式， 這種方法產(chǎn)生的脈沖寬度非常 精確，誤差只 有 幾個(gè) us。 PWM 控制流程圖 在本設(shè)計(jì)中 PWM脈沖調(diào)制 控制流程圖如 下圖 32 基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 8 圖 32 PWM控制流程圖 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） LED顯示模塊 （ 3） L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 （ 4）獨(dú)立鍵盤 控制模塊 單片機(jī)整個(gè)控制模塊 直流電機(jī) 調(diào)節(jié)速度 系統(tǒng)的控制 板塊 見圖 41 基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 9 圖 41單片機(jī)整個(gè)控制模塊 上圖通過 定時(shí)計(jì)數(shù)器讓單片機(jī) P2口的 產(chǎn)生各種不同占空比的 方波， 而后通過 驅(qū)動(dòng)芯片 L298放大后 調(diào)節(jié) 直流電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) 。驅(qū)動(dòng)芯片的輸入電壓是兩引腳的 電勢(shì)差 ，在 調(diào)節(jié)快慢 時(shí)一根引腳線 產(chǎn)生調(diào)速方波 ，另一個(gè)引腳 接低電平 ，這樣兩個(gè)引腳的電壓 之間的差值 就 可以通過改變 其中一個(gè)引腳來控制。 當(dāng)我們需要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí) ，兩個(gè)引腳的輸出 一樣 。 定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（ 1us） 停止 一次， 就會(huì)讓 低 電平 或者高電平。直流電機(jī)的速度 有 10個(gè)等級(jí) 構(gòu)成 ， 所以 一個(gè)周期就有 10個(gè)脈沖 組成 ，周期為一百個(gè)脈沖的時(shí) 長(zhǎng)構(gòu)成 ，速度等級(jí) 與 一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù) 相關(guān)聯(lián) 。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù) 在 周期 中 總脈沖 數(shù)量中所對(duì)應(yīng) 百分 比 。一個(gè)周期 內(nèi)通過電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓 和 占空比 的乘積 。占空比越大， 相應(yīng) 電機(jī)兩端的電壓越大，電機(jī) 轉(zhuǎn)速 越 大 。電機(jī)的平均速度 就是 在 穩(wěn)定 的占空比下電機(jī)的 轉(zhuǎn)速的最大值 乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比 的大小 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度，從而 實(shí)現(xiàn)我們改變速度的目的 。精確的講，平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線 性關(guān)系， 在我們通常使用和利用的時(shí)候 ， 可以認(rèn)為他們就是 線性關(guān)系。 AT89S52 的簡(jiǎn)介 AT89S52 主要性能 AT89S52是一種 功率損耗大，性能不好的 CMOS8位微控制器， 擁有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ) 裝置 。使用 Atmel 公司高密度 不容易失去記憶的 存儲(chǔ)器技基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 10 術(shù)制造， 與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳 可以共同使用 。片上 Flash使用 程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可 以通過 編程 得到 ， 也可以用在常規(guī)編程器。在單芯片上，具有小巧簡(jiǎn)便 的 4 位 CPU 和在系統(tǒng) 使用到的可以使用的 Flash，使得 AT89S52 為 較少 嵌入式 約束 應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活 性強(qiáng) 、 方法有效 的解決方 法 。 與 MCS51單片機(jī)產(chǎn)品 完全可以混合使用 ； 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器； 10000次擦寫周期； 所有的都是靜止操作 ： 1Hz～ 33Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 48個(gè)可編程 I/O 口線；三個(gè) 32位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 十六 個(gè)中斷源；全雙工 UART串行通道；低功耗空閑和 斷電狀態(tài) ； 關(guān)閉電源后 中斷可喚醒；看門狗定時(shí)器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識(shí)符。 AT89S52 主要功能列舉 擁有靈巧的 4位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最 高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ ROM）為 16KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）為 256字節(jié) 32 個(gè)可編程 I/O 口線 8 個(gè)中斷向量源 三個(gè) 32 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 全雙工 UART串行通道 AT89S52 各引腳功能介紹 AT89S52單片機(jī) 各個(gè) 引腳見圖 42 基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 11 圖 42 AT89S52 單片機(jī)各引腳 VCC： AT89S52輸入 電源正 極 10V。 VSS： 電源地端。 XTAL1： 單芯片系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端。 XTAL2： 系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端， 通常 在 設(shè)計(jì)時(shí) 只要在 XTAL2 和 XTAL1 上 裝上 一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以 完成我們的需要 了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 個(gè) 30PF 的小電容，可以 讓 系統(tǒng)更穩(wěn)定 運(yùn)行 ，避免噪聲干擾而 引起機(jī)器停止運(yùn)行 。 RESET： AT89S52的重置引腳，高電平動(dòng)作， 當(dāng)要對(duì) 晶片重新改動(dòng)時(shí) ，只要對(duì)此引腳電平提升 到 高電平并 在 兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間 保持不變 ， AT89S51 就能夠完成系統(tǒng)要求的 的各項(xiàng)動(dòng)作， 就能讓 內(nèi)部特殊功能寄存器 中的數(shù)據(jù)都 被設(shè)成已知狀態(tài)， 而且 至地址 00000H處開始 輸入 程序代碼而執(zhí)行程序 命令 。 EA/Vpp： EA為英文 External Access的縮寫， 意思是存儲(chǔ) 外部程序代碼，低電平動(dòng)作， 相當(dāng)于當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)就會(huì)利用 外部的程序代碼（存于外部 EPROM中）來執(zhí)行 命令 。因此在 8031及 8033 中， EA引腳 一定要與 低電平 相連 ，基于 L298 直流電機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì) 12 因?yàn)?它的內(nèi)部中沒有 程序存儲(chǔ) 器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時(shí)， 這時(shí)候要 引腳要 引入 高電平。 而且 ，在將程序代碼 變成了 8751內(nèi)部 EPROM 時(shí)，可以利用此引腳來 得到 21V的燒錄高壓（ Vpp）。 ALE/PROG： ALE是英文 Address Latch Enable的 意思 ，表示地址鎖存器 開啟狀態(tài) 。 AT89S52可以 通過這支引腳來引起外面 的 8位鎖存器（如 74LS373），將端口 0的地址總線（ A0～ A7）放在 鎖存器 之 中， 由于 AT89S52是以多種的方案?jìng)鞒龅刂芳皵?shù)據(jù)。通常 在程序執(zhí)行時(shí) ALE引腳的輸出單位時(shí)間次數(shù)約是系統(tǒng)工作單位時(shí) 間次數(shù) 的 1/12，所以可以依靠驅(qū)動(dòng)其他附近晶片的時(shí)基輸入。并且 在燒錄 8751程序代碼時(shí)，此引腳會(huì)被當(dāng)成程序 設(shè)計(jì) 的特殊 需要 來 采用 。 PSEN： 此為 Program Store Enable的 意思 ， 意思是 程序儲(chǔ)存 功能開啟 ，當(dāng) 8051被設(shè)成為 讀作 外部程序代碼工作 狀態(tài) 時(shí)（ EA=0），會(huì)送出此信號(hào) 方便得到 程序代碼， 一般 這支腳是 連接在 EPROM的 OE腳。 AT89S52 可以 利用 PSEN及 RD引腳 對(duì)應(yīng)開啟放置在 外部的 RAM與 EP