【文章內(nèi)容簡介】 目的及意義；并且介紹了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展情況；PWM 變頻調(diào)速的發(fā)展前景；以及本課題的主要研究內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)做了簡要說明。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求設(shè)計(jì)一個基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)整系統(tǒng)，要求用 PWM 方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用獨(dú)立式按鍵控制電機(jī)的起運(yùn)，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，在鍵盤和上位機(jī)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。完成直流電機(jī)和單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的控制對象為直流電機(jī)，控制器為鍵盤，控制量為電機(jī)轉(zhuǎn)速，顯示量為電機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向和設(shè)定轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)分析與選擇根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊可以劃分為：中央處理器模塊、顯示電路模塊、控制模塊、電機(jī)測速模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊。為很好的實(shí)現(xiàn)各模塊功能，分別對每個模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析及選擇。 控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要功能有：產(chǎn)生初始的 PWM 波；接收來自控制模塊和測速模塊的信號并加以分析處理；將信號的處理結(jié)果輸出至顯示模塊和驅(qū)動模塊，前者以顯示電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速、實(shí)時轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，后者以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。對控制器的選擇我們做出以下選擇：采用 STC89C52 作為本系統(tǒng)的中央處理裝置。單片機(jī)不僅具有很好算術(shù)運(yùn)算能力，而且編程時靈活、自由度大。同時又具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，在本設(shè)計(jì)中采用 STC89C52 作為系統(tǒng)的中央控制器。 顯示模塊的分析與選擇本設(shè)計(jì)中要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的設(shè)定，正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)及電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值都需要用顯示器進(jìn)行顯示，所以采用液晶顯示屏幕作為系統(tǒng)的顯示器，同時液晶顯示屏（LCD）具有功耗小、輕薄短小無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng),并可靈活的實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)。 測速傳感器的分析與選擇對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，依據(jù)當(dāng)今技術(shù)及本設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，大致有以下三種可以執(zhí)行的測量方式。方案一：使用測速發(fā)電機(jī)測速，電機(jī)的輸出電動勢 E 和轉(zhuǎn)速 n 成線性關(guān)系，即 E=kn，其中 k 是常數(shù)。當(dāng)改變旋轉(zhuǎn)方向時，輸出電動勢的極性也相應(yīng)改變。方案二：采用霍爾傳感器測速，霍爾元件是磁敏元件，在被測的旋轉(zhuǎn)體上裝一個磁體，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，每當(dāng)磁體經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個信號，經(jīng)放大整形得到脈沖信號，送至單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。方案三：采用紅外光電耦合器測速，發(fā)射管發(fā)射信號，接收管接受到信號時輸出脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時間里面來采集上升源的個數(shù)，這樣就完成速度的采集。經(jīng)比較，方案一中測速發(fā)電機(jī)的安裝不如方案二中霍爾元件安裝方便，準(zhǔn)確率也沒方案二的高，并且方案二不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，測量值直接可以被單片機(jī)接收。但方案二中霍爾傳感器的采購不是很方便，價(jià)格比較也比較昂貴，方案三中硬件電路簡單，器件采購方便，更重要的是它具有方案二的幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，故選擇方案三。方案三中具體的記數(shù)方法是通過單片機(jī)記數(shù)時間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計(jì)算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S60。同時還可以采用定時的方法：通過定時器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=60/T。比較兩個計(jì)數(shù)方法，方法一的誤差主要是177。1 誤差（量化誤差），假設(shè)電機(jī)的最低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 120 轉(zhuǎn)/分，則記數(shù)時間 S=1s，所以其誤差的絕對值|γ|=|(N177。1)/S60N/S60=60（轉(zhuǎn)/分），誤差計(jì)算公式表明，增大記數(shù)時間可以提高測量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方法二所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差，并且使采樣時間降到最短，誤差 γ=[60/（T177。1）60/T]，設(shè)電機(jī)速度在 120—6000 轉(zhuǎn)/分之間，那么 ≤T≤ ，代入公式得： ≤|γ|≤（轉(zhuǎn)/分）。由此明顯看出,方法二在測量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方法一，所以在這里我采用方法二進(jìn)行計(jì)數(shù)。 PWM 實(shí)現(xiàn)方案論證(1)PWM 調(diào)速工作方式方案一：雙極性工作制。在一個脈沖周期內(nèi)，來自單片機(jī)兩個端口的兩個控制信號電平高低相反，這樣兩個控制信號的高電平時差控制著電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：單極性工作制。PWM 波的占空比取決于單片機(jī)的一個端口，另一個端口為低電平，兩個輸出口的切換控制著電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，PWM 占空比控制著電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制相較于雙極性工作制具有電流最大波動小和電壓波中的交流成分小的優(yōu)點(diǎn)，所以我們本系統(tǒng)采用單極性工作制 [3]。(2) PWM 調(diào)脈寬方式調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，不會與單片機(jī)中的其他頻率產(chǎn)生沖突，并且在單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上也比較方便 [3]。(3) PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式方案一：采用軟件延時的方式，此方式的缺點(diǎn)是在引入中斷之后，將會有一定的誤差。方案二：采用定時器作為脈寬控制的定時方式，此方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，最大誤差只能達(dá)到幾個微秒，綜合考慮我們采用方案二 [4]。 鍵盤的方案分析與選擇鍵盤是單片機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備和實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶。常用的鍵盤有獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤等。方案一：獨(dú)立式鍵盤獨(dú)立式鍵盤與單片機(jī)進(jìn)行接口時，鍵盤接口使用的 I/O 線和鍵盤的數(shù)量相等，其特點(diǎn)為其按鍵的數(shù)量比較少，且鍵盤中各按鍵工作時不會相互干擾。因此可以依據(jù)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對按鍵的靈活編碼。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，且按鍵識別比較容易。獨(dú)立鍵盤的缺點(diǎn)是需要占用比較多的 I/O 口線，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤中需要的按鍵比較少或 I/O 口線比較富余時，可以采用這種類型的鍵盤。方案二：行列式鍵盤行列式鍵盤是用 N 條 I/O 線作為行線，M 條 I/O 線作為列線組成的鍵盤，按鍵在行線和列線的每個交叉點(diǎn)上，按鍵中按鍵的個數(shù)是 M*N 個。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，行列式鍵盤適用于按鍵輸入多的情況 [5]。本設(shè)計(jì)不僅要求對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，而且要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動、停止、加速、轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，勢必需要至少十個以上的按鍵，又根據(jù)以上的論述，故采用方案二，以提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，從而節(jié)省了單片機(jī)系統(tǒng)中的 I/O 端口。 輸入輸出通道的分析由于選用了紅外光電耦合器進(jìn)行測速，微處理器采集的信號是脈沖信號，故無需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換就可以輸入到單片機(jī)中。由于采用 PWM 控制直流電機(jī)的電樞電壓，單片機(jī)的輸出信號通過驅(qū)動進(jìn)行放大后就是電機(jī)的電樞電壓，從而通過控制 PWM 波的占空比來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 驅(qū)動模塊的分析與選擇本設(shè)計(jì)的核心部分就是對小型直流電動機(jī)進(jìn)行可逆的 PWM 調(diào)速控制。要實(shí)現(xiàn)這些功能，基本上采用的是由四個開關(guān)管構(gòu)成的 H 型橋式驅(qū)動電路。對于小功率直流電機(jī)驅(qū)動有 H 橋式驅(qū)動和 L298 驅(qū)動兩種方法，L298 驅(qū)動芯片雖然簡單，驅(qū)動能力也較強(qiáng)，但由于其價(jià)格昂貴，且本設(shè)計(jì)中電機(jī)屬于小功率直流電機(jī)，H 橋式驅(qū)動電路就足以驅(qū)動，并且價(jià)格便宜，故而本設(shè)計(jì)采用 H 橋式驅(qū)動作為小功率直流電機(jī)的驅(qū)動模塊 [6]。 系統(tǒng)硬件組成及各模塊功能本調(diào)速系統(tǒng)主要是由：單片機(jī)、驅(qū)動電路、直流電機(jī)、測速元件、接口電路、顯示器和輸入控制模塊等部分組成。硬件電路組成框圖如圖 所示：ＳＴＣ ８９ Ｃ ５２單片機(jī)矩陣鍵盤輸入模塊ＬＣＤ顯示模塊ＰＷＭ 控制及驅(qū)動電路模塊直流電機(jī)紅外測速模塊圖 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件本調(diào)速系統(tǒng)各模塊的功能分析如下：中央控制模塊：這部分電路的核心部件是 STC89C52 單片機(jī)，它的功能總得來說分為三個方面，一、通過內(nèi)部程序設(shè)定出初始 PWM 信號，輸送給Ｈ橋式驅(qū)動從而控制電機(jī)運(yùn)行；二、接受來自鍵盤和紅外光電接收管的信號再加以分析和處理；三、對處理的結(jié)果進(jìn)行輸出，如控制七段數(shù)碼管的顯示和點(diǎn)亮發(fā)光二極管。輸入控制模塊：這一部分主要是利用帶中斷的矩陣鍵盤來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。由矩陣鍵盤十六個按鍵中的十個鍵實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的分級設(shè)定（0 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 0,1 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 5,2 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 25,3 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為40,4 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 60,5 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 80,6 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 100，7鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 120,8 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 135,9 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 150。其中轉(zhuǎn)速單位為 r/min），另外六個按鍵分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開始、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的六種控制。驅(qū)動模塊：采用 H 橋式驅(qū)動來驅(qū)動電機(jī)及實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動接受來自 和 口的 PWM 波，然后用來驅(qū)動直流電機(jī)。本設(shè)計(jì)中驅(qū)動的是小功率直流電機(jī)，所以對驅(qū)動的驅(qū)動能力要求不是太高，一般的Ｈ橋式驅(qū)動既能滿足要求。測速模塊：采用紅外光電耦合器測速，發(fā)射管發(fā)射信號，接收管接受到信號時輸出脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時間里面來采集上升源的個數(shù)，這樣就完成速度的采集。顯示模塊：本設(shè)計(jì)采用液晶顯示屏（LCD）作為本設(shè)計(jì)的顯示模塊。液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容包括：電機(jī)的（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）、電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速及電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速。 本章小結(jié)本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方案分析與選擇，應(yīng)用了適合于該系統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速控制方案和總體設(shè)計(jì)方案；在器件的選擇方面也做了比較具體的說明；最后又詳細(xì)介紹了各個模塊實(shí)現(xiàn)的具體功能。在本章最后完成了基于單片機(jī) PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成框圖設(shè)計(jì)。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章將基于上一章為基礎(chǔ)對硬件系統(tǒng)各部分作進(jìn)一步的分析，并且對硬件各部分電路加以分析和呈現(xiàn)。下面將分別對 CPU 主控制模塊、電源、PWM 波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動部分、鍵盤輸入部分、測速部分及顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 CPU 主控制模塊本系統(tǒng)選用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器。主要功能包括三個方面：接受外界信號、處理接受信號和輸出控制信號。外界信號主要指來自獨(dú)立式鍵盤和紅外光電耦合器接收管的信號；處理接受信號就是對接受的信號進(jìn)行作用分析，并作出相應(yīng)處理；輸出信號包括輸出 PWM 波控制電機(jī)轉(zhuǎn)動和使數(shù)碼管顯示電機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速。STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部資源很豐富，不需要擴(kuò)展芯片。在用 STC89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時,首先要構(gòu)成一個最小系統(tǒng),單片機(jī)才能正常工作,即將單片機(jī)接上時鐘(晶振)電路和復(fù)位電路。下面介紹單片機(jī)的設(shè)計(jì)部分分析：（1）單片機(jī) STC89C52STC89C52 單片機(jī)是 MSC51 系列產(chǎn)品的升級版，有世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL 在購買 MSC51 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)——閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如 51F020 等高性能單片機(jī) [7]。STC89C52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間、8K 字節(jié) Flash 存儲空間，支持最大 64K 外部存儲擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在 033M 之間。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、3 個定時器、8 個中斷、軟件設(shè)置低能耗模式和斷電保護(hù)?？梢栽?4V 到 寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。同時，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價(jià)格讓該型號單片機(jī)暢銷10 年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。如圖 所示：圖 DIP40 封裝 STC89C52 引腳圖（2）復(fù)位電路及時鐘電路復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。如圖 所示：RST單C1GNDV 3?WPB上電復(fù)位 手動復(fù)位圖 復(fù)位電路圖有時系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。所以本系統(tǒng)中選用手動復(fù)位的方式。程序的運(yùn)行速度取決于時鐘的頻率，而且高頻率時鐘的應(yīng)用還可以實(shí)現(xiàn)更高的信號的采樣率。然而采用高時鐘的代價(jià)是功耗大，同時對系統(tǒng)級運(yùn)行環(huán)境都比較高。本系統(tǒng)中單片機(jī)本身用于控制，不需要太高頻率的時鐘，所以選擇適當(dāng)頻率的時鐘，同時適當(dāng)頻率的晶振有利于選頻信號強(qiáng)度的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳，并聯(lián) 2 個 20pF 陶瓷電容幫助起振。最小系統(tǒng)如圖 所示：圖 STC89C52 最小系統(tǒng) 電源電路由于整個系統(tǒng)都是用單片機(jī)、小型電機(jī)和各類芯片以及電阻、電容組成的，其工作電壓為+5V，不需要負(fù)電壓，所以可采用三端固定集成穩(wěn)壓器 LM2940 穩(wěn)壓芯片。LM2940 為輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；其輸入電壓為 ，輸出電壓 5V，輸出電流為 1A。輸出電流為 1A 時，最小輸入輸出電壓差小于 ；最大輸入電壓為 26V，輸入電壓范圍比較大；工作溫度也比較大，可以在40 至+125 攝氏度范圍內(nèi)正常工作；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。鑒于以上這些優(yōu)點(diǎn)和其適合于本設(shè)計(jì)的要求，故采用