【文章內(nèi)容簡介】 鍵盤，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立鍵盤，由于獨(dú)立鍵盤的每一個(gè)按鍵的電路是獨(dú)立的，占用一條數(shù)據(jù)線，其優(yōu)點(diǎn)是只要通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)，則可判斷該鍵是否被按下。 圖 4 獨(dú)立鍵盤 12 4. 硬件電路模塊 本系統(tǒng) 設(shè)計(jì) USB 迷你可調(diào)速風(fēng)扇系統(tǒng)面板有 一個(gè) ，分為 單片機(jī)工作電路，數(shù)碼管顯示電路，正方轉(zhuǎn)的電路，續(xù)流電路，紅外檢測(cè)電路。 . 單片機(jī)工作電路 . 單片機(jī)最小應(yīng) 用系統(tǒng) 單片機(jī)的最小 應(yīng)用 系統(tǒng)是指 用最少的元件組成的 單片機(jī) 能 運(yùn)行工作 的系統(tǒng) 。單片機(jī)的最小 應(yīng)用 系統(tǒng) 是由 電源電路、 時(shí)鐘 電路和復(fù)位電路 組成 。 其中， 電源電路 主要是為單片機(jī)正常工作時(shí)供電（ 5V）；時(shí)鐘 電路 即單片機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)部分在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下工作； 復(fù)位電路確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。其單片機(jī)的最小系統(tǒng)的原理圖如圖 5所示。 圖 5 單片機(jī)最小系統(tǒng) 13 . 電源電路 VBUS1D2D+3GND4J1USB213564K1D1LED1KR5GNDVCC+10ufC1104C2GNDVCCGND123456P6GND12345678910P7GNDVCC 圖 6 電源電路 圖 6中的 P6， P7作 為排針， 主 要是為了調(diào)試電路時(shí)用。 使用 USB提供電源， 即插即用，通用性強(qiáng) 。 其中 USB 接口的電壓為 5V，符合設(shè)計(jì)要求。 . 晶振 電路 時(shí)鐘信號(hào)由兩種方式產(chǎn)生： 即 內(nèi)部 時(shí)鐘 方式 和外部時(shí)鐘方式 ， 前者是 利用芯片內(nèi)部的震蕩電路來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào) ，后者通過單片機(jī)外部電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)。 本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)部 時(shí)鐘 方式，連接方式如圖 7所示。晶振的 頻率范圍可 選擇 在 至 12MHz，C C5為 晶 振的負(fù)載電容，分別接在晶振的 XTAL XTAL2腳上和對(duì)地的電容， 由于 CC5對(duì)頻率有微調(diào)作用，所以其 取 值為 30pF左右 。 圖 7 晶振電路 . 復(fù)位電路 復(fù)位電路 的功能 是當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí) ，負(fù)責(zé) 提供復(fù)位信號(hào) 的作用 ， 直至 系統(tǒng)電源穩(wěn)定后才 撤銷復(fù)位信號(hào)。所以 復(fù)位電路 是 作為 保證電路穩(wěn)定可靠工作的前提。 一般 單片機(jī) 系統(tǒng) 14 正常工作 的 電源為 5伏 。 復(fù)位電路 的 工作原理如 8所 示（引出端接到單片機(jī) RES端口）， VCC 上電時(shí)， 電容 充電， 這時(shí) 10K 電阻上出現(xiàn)電壓， 從而實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)復(fù)位； 大概 5ms 后， 電容 充滿， 這時(shí)在10K 電阻上電流降為 0， 則 電壓也為 0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。 在 工作期間，按下開關(guān) S， 電容 放電。 斷開開關(guān) S， 則電容 又 開始 充電， 這時(shí) 10K電阻上出現(xiàn)電壓， 實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)復(fù)位。 大概 5ms后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。 圖 8復(fù)位電路 . 鍵盤輸入電路 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立鍵盤，當(dāng)按下鍵盤時(shí)是低電平，當(dāng)不按的時(shí)候是高電平，在人為操作鍵盤時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在軟件方面采用消抖延時(shí)電路。 . 邏輯延時(shí)電路（消抖） 操作按鍵的通和斷時(shí) ， 往往會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象， 如圖 10 所示 ,用手按下時(shí) ， 可能會(huì)因?yàn)橹車h(huán)境存在灰塵、氧化物質(zhì)、人 體顫抖等原因不能直接導(dǎo)通，所以產(chǎn)生了震蕩電路 。 即當(dāng) 按下 時(shí) ，不 僅僅 是電平 的 變化， 更 是一系斷開閉合的方波。 因此，引入消除抖動(dòng)電路顯得非常重要，其可 通過硬件或者軟件 來解決 。 U110KR41234S2+10ufC3VCCGNDRST圖 9 RC復(fù)位的時(shí)間電壓圖 15 圖 10 抖動(dòng)原理圖 通常，鍵數(shù)較少時(shí)可采用硬件方法消除按鍵抖動(dòng)，方法如圖 11所示：利用電容的放電延時(shí)，采用并聯(lián)電容法。 圖 11 硬件消抖電路 本設(shè)計(jì)使用的按鍵有 4個(gè)， 采 用軟件消抖，軟件消抖主要是添加一個(gè)延時(shí)程序 ,按下按鍵后開始延時(shí)，延時(shí) 20ms 后（抖動(dòng)期過后），仍然檢測(cè)為按下，就說明真的按下，并且只按 一次。 . 續(xù)流電路的設(shè)計(jì) 由 于電機(jī)具有較大的感性，而電流又不能突變，如果突然將電流切斷，將會(huì)在功率管兩端產(chǎn)生巨大的電壓，則會(huì)損壞器件。我們應(yīng)用二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)ㄐ缘奶攸c(diǎn)。依據(jù)電機(jī)的電流和 PWM 的頻率來選用二極。二極管必須要具備足夠的電流 16 承受能力和恢復(fù)時(shí)間。 為保護(hù)芯片而加上續(xù)流電路，其電路原理圖如圖 12所示： 圖 12 續(xù)流電路 . 紅外測(cè)速部分電路的設(shè)計(jì) 如右圖 13所示 ,在紅外測(cè)速模塊，發(fā)射二極管的電流是由 R6來限制。 假如發(fā)射管的電流大，那么 發(fā)射 的 功率大，但 絕對(duì) 不能超過它的極限電流，其極限輸入正向電流為 50mA。其 優(yōu)點(diǎn)是 采樣速度快， 采樣精確， 范圍廣等 特點(diǎn)。 電扇的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)遮擋紅外 光， 在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的葉片的旁邊的縫隙 ， 通過電扇的 葉片 經(jīng)過 轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期 之后， 則紅外光通過縫隙被 光敏接收器 接收。則 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)， 其經(jīng)過處理 后 再通入單片機(jī) 計(jì)數(shù)，在一 定的 計(jì)數(shù)時(shí)間 T 之 內(nèi)， 則 轉(zhuǎn)速為 nT ，其中 n 為 計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)， 通常 T為 60 秒 ， 因此 轉(zhuǎn)速 N=n（轉(zhuǎn) /分 ） 。 . 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電壓可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是我們?cè)O(shè)計(jì)的電源大都是固定的電壓，且模擬可調(diào)電源不易于單片機(jī)控制， 但 數(shù)字可調(diào)電源設(shè)計(jì)麻煩。所以 本系統(tǒng)設(shè)計(jì) 用脈寬調(diào)制（ PWM）來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。方波的有效電壓跟電壓幅值和占空比有關(guān)，我們可以通過圖 13 紅外測(cè)試電路 17 站空比實(shí)現(xiàn)改變有效電壓。一般用軟件模擬 PWM 有延時(shí)和定時(shí)兩種方法，延時(shí)方法占用大量的 CPU，所以這里采用定時(shí)方法。 . PWM 簡單介紹 PWM的 全名為 脈沖寬度調(diào)制 ，其 英文 全稱 為 “Pulse Width Modulation” ，簡稱 為 脈寬調(diào)制。 其使 用 微處理器 輸出 的數(shù)字 從而 控制 模擬電路 的一種 方法 ， 廣泛應(yīng)用于通信、功率控制與變換 及 測(cè)量 等 領(lǐng)域。 其 具有 主電路簡單 、 抗干擾性好 、 工作穩(wěn)定 和 調(diào)速范圍寬 等優(yōu)點(diǎn) 。 . PWM 調(diào)速原理 在調(diào)整系統(tǒng) 的 PWM驅(qū)動(dòng)控制 下 ， 其中 電源 的 接通和斷開 是 按 照 固定的頻率 進(jìn)行的 ，且 根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通” 與 “斷開” 的時(shí)間 長短。 控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 是 通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比” ，從而 改變平均電壓的大小 來達(dá)到目的。 所以 ，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 其中， = 高 電 平 所 占 周 期 時(shí) 間占 空 比整 個(gè) 周 期 時(shí) 間。 如 圖 14所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)， 則 速度 變快 ； 相反，當(dāng) 電機(jī)斷電時(shí)，則 速度逐漸 變慢 。 在 一定 的 規(guī)律 情況下 ，改變通、斷電機(jī)的平均速度 是可以 控制。 設(shè)電機(jī) 一直 接通電源 的情況 ， 則 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 maxdV V D?? () 式中， Vd為 電機(jī)的平均速度； Vmax為 電 機(jī)全通電時(shí)的速度（最大）。 由 ，當(dāng)改變占空比 D=t1/T時(shí)， 相應(yīng)地 可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 18 圖 14 電樞電壓占空比與平均電壓關(guān)系 . PWM 調(diào)速方法 產(chǎn)生 PWM 信號(hào) 的 方法 即 軟件 和硬件 方法 ，因?yàn)楹笳吣M電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 所以本 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 使 用軟件方法。 其 方式 有 定時(shí)器 和 軟件延時(shí) 兩種方式 。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使 用定時(shí)器 作 為脈寬控制的定時(shí)方式， 其 產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及定時(shí)器，特別是在引入中斷后，將有一定的誤 差。所以，采用定時(shí)器中斷更適合 。 . H 橋的原理分析 通常 利用 H橋電路來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 如下圖 15所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。 由4個(gè)三極管組成 H的 4條垂直腿， 則 電機(jī) 為 H中的橫杠（注意：圖 15及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來）。 如 圖 15所示 ，由 一個(gè)電機(jī) 和 4個(gè)三極管 組成 的 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ，想要 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 則需要將 對(duì)角線上的一對(duì)三極管 導(dǎo)通， 根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左 到右或從右 到 左流過電機(jī)，從而 實(shí)現(xiàn) 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 19 圖 15 H橋驅(qū)動(dòng)電路 實(shí)現(xiàn) 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 則需要將 對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。如圖 16 所示， 首先， 當(dāng) Q1 管和Q4管導(dǎo)通時(shí)， 則 電流 從電源正極經(jīng) Q1從左 到 右 流 過電機(jī)， 其次 再經(jīng) Q4 回到電源負(fù)極。如 圖 中 電流箭頭 可知 ， 其 流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管 Q1 和 Q4導(dǎo)通時(shí)，電流從左 到 右 穿 過電機(jī)，從而 實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng) （電機(jī)周圍的箭頭指 示為 順時(shí)針方向）。 圖 16 橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)際電路圖如 圖 17所示： 20 圖 17 實(shí)際電路 . 顯示設(shè)計(jì) LED數(shù)碼管 的 基本單元 為 發(fā)光二極管 ， 是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件 ， 對(duì)其 各個(gè)不同 的管腳輸入相對(duì)的電流 ， 則可以 使其發(fā)亮 ， 從而 以數(shù)字形式顯示出來 。 根據(jù) 段數(shù) ，則 數(shù)碼管 可 以 分 成 2部分，即 七段數(shù) 碼管和八段數(shù)碼管， 則兩者的區(qū)別是 八 段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二