【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2 系統(tǒng)論述 設(shè)計(jì)背景近幾年來(lái)，伴隨著科技技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。直流電機(jī)它具有調(diào)速特性良好,調(diào)速平滑、方便快捷,調(diào)速范圍寬廣。過載能力強(qiáng),能夠頻繁承受沖擊負(fù)載,可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。使用時(shí)能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，從而對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速提出了很高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們的要求，這時(shí)通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法隨即而產(chǎn)生。 設(shè)計(jì)思路直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的功能主要有以下幾種，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠簡(jiǎn)便快捷的實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的智能化控制。主體電路是直流電機(jī)PWM的控制模塊。這部分電路主要由AT89S52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、減速以及電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，能夠很方便快捷的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能化控制。它是通過AT89S52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)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行的。其直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下幾種電路模塊溝成：設(shè)計(jì)控制部分，主要由AT89S52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、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(lái)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。圖21 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)因?yàn)镻WM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(lái)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(lái)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(lái)接通和斷開電源，并且根據(jù)需要來(lái)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(lái)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)檫@樣，PWM也被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”，見圖31所示。 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(lái)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)閯?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(lái)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(lái)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)槠交雀?、能耗低、精度?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(lái)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(lái)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)速方法由于單片機(jī)類通過軟件來(lái)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(lái)改變占空比來(lái)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(lái)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圖41單片機(jī)整個(gè)控制模塊，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(lái)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。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：?jiǎn)涡酒到y(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(lái)執(zhí)行命令。因此在8031及8033中，EA引腳一定要與低電平相連，因?yàn)樗膬?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(lái)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(lái)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(lái)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