【文章內(nèi)容簡介】 源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如圖25所示： 圖25 PWM方波設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，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Va = Vmax * D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D = t1 / T時(shí)，就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。嚴(yán)格來說，平均速度Vd 與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能分析 本文設(shè)計(jì)的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)采用的是調(diào)壓調(diào)速。系統(tǒng)主電路采用大功率GTR為開關(guān)器件、H橋單極式電路為功率放大電路的結(jié)構(gòu)。PWM調(diào)制部分是在單片機(jī)開發(fā)平臺之上，運(yùn)用匯編語言編程控制。由定時(shí)器來產(chǎn)生寬度可調(diào)的矩形波。通過調(diào)節(jié)波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時(shí)間，以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。增加了系統(tǒng)的靈活性和精確性，使整個(gè)PWM脈沖的產(chǎn)生過程得到了大大的簡化。本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心，以鍵盤作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停、速度和方向，在LED上顯示轉(zhuǎn)速，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)及其他手持設(shè)備通信，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在設(shè)計(jì)中，采用了PWM技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制，通過對占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。 系統(tǒng)組成框圖 圖31 系統(tǒng)組成框圖 鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動(dòng)H型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LED顯示出來。電動(dòng)機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開始顯示，停止時(shí)LED顯示出“0000”。 電動(dòng)機(jī)選擇 微型電機(jī)選用深圳馬至達(dá)RF37015370?！?，輸入電壓為12V?？蛰d轉(zhuǎn)速為5600r/min,。最佳負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)速為4810r/min,。 單片機(jī)選擇 AT89S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。功能強(qiáng)大AT89S52單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。此設(shè)計(jì)就采用AT89S52[12]。下面是單片機(jī)AT89S52的簡介:（1） AT89S52單片機(jī)的基本組成 AT89S52單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過片內(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器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示： 圖32 AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2） CPU及8個(gè)部件的作用功能介紹如下中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：AT89S52芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個(gè)單元，簡稱內(nèi)部RAM。特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80H—FFH。內(nèi)部程序存儲器：AT89S52芯片內(nèi)部共有8K個(gè)單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。并行I/O口：AT89S52芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。 串行口：它是用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 定時(shí)器：AT89S52片內(nèi)有3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用來實(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)果對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有6個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷3個(gè)和串行中斷1個(gè)。 振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成AT89S52單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。（3） AT89S52單片機(jī)引腳圖圖33 AT89S52單片機(jī)封裝圖4 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖41 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路最小系統(tǒng)電路是每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)所必須的電路部分，主要包括晶振電路和復(fù)位電路，如圖41所示。 測速方案選擇圖42 測速電路圖中J1是一個(gè)光電開關(guān)，用來檢測電機(jī)軸上圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)所發(fā)出的脈沖信號，采集信號后經(jīng)放大器放大傳給單片機(jī)的T1引腳，進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而經(jīng)過程序控制測出電機(jī)轉(zhuǎn)速。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 采用PWM進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速，其實(shí)就是把波形作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的使用端，因此有必要對電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行介紹。 圖43 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（上圖只是示意圖，而不是完整的電路圖）。電路中，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若復(fù)合管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?；谏鲜隹紤]，我們運(yùn)用了TLP5212光耦集成塊，將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開來。輸入端各通過一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過外接12V電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過P10輸入高電平信號，P11輸入低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；通過P10輸入低電平信號，P11輸入高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；PP11同時(shí)為高電平或低電平時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。通過對信號占空比的調(diào)整來對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。 通信接口設(shè)計(jì) 單片機(jī)的串行口是非常有用的，通過它我們可以把單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳回電腦處或者接受電腦傳過來的數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。微控制器有許多標(biāo)準(zhǔn)的通信方法,但在主/從嵌入 式系統(tǒng)中,最常用的是RS232串行接口、SPI和I2C。單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口。 圖44 串行通信接口電路 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，采用的是RS232出行接口方式。電路中串行端口的本質(zhì)功能是作為單片機(jī)和電腦端的通信，完成51單片機(jī)ISP程序下載的功能。當(dāng)數(shù)據(jù)從單片機(jī)經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在Windows環(huán)境（Windows NT、Win9Windows2000）下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求（打開串口），通信完成后須釋放資源（關(guān)閉串口）。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)串行通信接口，電路如圖44所示。 穩(wěn)壓電源電路電池放電時(shí)內(nèi)阻穩(wěn)定的增大，電壓則穩(wěn)定的減小， 而且接上大功率的負(fù)載時(shí)電壓會瞬時(shí)降低，不能用于提供固定的電壓，對于各種IC芯片需要的穩(wěn)定電壓，需要專門的穩(wěn)壓器件，或者穩(wěn)壓電路， 基本的穩(wěn)壓器有兩種：線性（LDO）和開關(guān)（DCDC）， 其中前者只能降壓使用，而前者還可以升壓使用而且效率很高。控制芯片AT89S52的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓是5V，可以選擇使用線性電壓調(diào)整芯片穩(wěn)壓，如： 7805：，內(nèi)部過熱保護(hù)，內(nèi)部短路電流限制，典型輸入電壓7～20V， ~，壓差（輸出與輸入的差）至少2V。 78L05（電流較?。鹤畲筝敵鲭娏?00mA，內(nèi)部過熱保護(hù)，典型輸入電壓7～20V， ~，靜態(tài)電流典型值3mA。 LM317（電壓可調(diào)）：，~37V，內(nèi)部過熱保護(hù)等。 選用7805，一方面簡單；另一方面比較常用且比較便宜。LM78系列是美國國家半導(dǎo)體公司的固定輸出三端正穩(wěn)壓器集成電路。我國和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的一類串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。內(nèi)置過熱保護(hù)電路，無需外部器件，輸出晶體管安全范圍保護(hù)，內(nèi)置短路電流限制電路。對于濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降。穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成， (1) 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓變換成脈動(dòng)電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。 (2) 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓受負(fù)載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓。