【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。目前，受到器件容量的限制， PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng) [14] 測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，他把輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號(hào)輸出，并 要求輸出的電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)速成正比，分為直流與交流兩種。其繞組和磁路經(jīng)過(guò)精確設(shè)計(jì)，輸出電動(dòng)勢(shì) E 和轉(zhuǎn)速 n 成線性關(guān)系，即 E=kn，其中 k 是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。 當(dāng)被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸連接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，即可以獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，所以測(cè)速發(fā)電機(jī)又稱速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)速度的元件，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者通過(guò)反饋來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) （ 1）共陰數(shù)碼管管腳說(shuō)明與原理圖 七段 LED 顯示器 內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管的接線形式，可分成共陰極型和共陽(yáng)極型。 實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)扳上使用的是四位一體的共陰數(shù)碼管 [15]。 LED 數(shù)碼管的封裝如圖 6 所示。 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 11— 圖 6 數(shù)碼管的封裝形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu) (2）數(shù)碼管碼值的推算 LED 數(shù)碼管的 A—DP 七個(gè)發(fā)光二極管因以不同亮滅的組合就能形成不同的字形，這種組合稱之為字形碼，下面列出共陰極的字形碼， ―數(shù)字 ‖是要數(shù)碼管要顯示的數(shù)字， ―字形碼 ‖是單片機(jī) P0 口要輸出的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如數(shù)字―0‖和數(shù)字 ―7‖的字形碼推算方法如圖 7 所示： 圖 7 數(shù)碼管碼值的推算方法 同理，按照上述的推倒方法和原則我們得出數(shù)字 0——9 的編碼。 （ 3）數(shù)字的顯示規(guī)律 ——查表法 由于顯示的數(shù)字 0－ 9 的字形碼沒(méi)有規(guī)律可循，只能采用查表的方式來(lái)完成我們所需的要求了。這樣我們按著數(shù)字 0－ 9 的順序，把每個(gè)數(shù)字的筆段代碼按順序排好，建立的表格如下所示： TABLE DB[]={3FH， 06H， 5BH， 4FH，66H， 6DH， 7DH， 07H， 7FH， 6FH}，當(dāng)我們要顯示一個(gè)數(shù)字，比如 ?4‘的時(shí)候，我們就可以查表 TABLE DB[4]找到 66H，送 P0 口就可以了 [16]。 （ 4）數(shù)碼管顯示電路圖 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 12— 圖 8 數(shù)碼管顯示電路 設(shè)計(jì)中，用到了四位七段共陰數(shù)碼管。 LED 是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動(dòng)，性能穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性。 數(shù)碼管的顯示電路連接分為串行接法和并行接法，使用串行接法可以節(jié)約I/O 口資源，并行接法會(huì)占用過(guò)多的 I/O 口，由于考慮到操作的熟練與實(shí)際的資源，本設(shè)計(jì)采用了后者并行接法。 L298N 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品， L298N 為 15 個(gè)管角的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用 L298N 來(lái)接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載 (比如繼電器，直流和步進(jìn)馬達(dá) )和開(kāi)關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，其額定工作電流為 1 A，最大可達(dá) A， Vss 電壓最小 V，最大可達(dá) 36 V； Vs 電壓最大值也是 36 V。 L298N 可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路，可以驅(qū)動(dòng)電機(jī) [17]。 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 13— IN 1IN 2EN AOUT 1 OUT 2 OUT 3 OUT 4IN 3IN 4EN B動(dòng)力電源 圖 9 L298N 內(nèi)部電路 表 1 L298N 引腳符號(hào)及功能 引 腳 功 能 SENSA、 SENSB 分別為兩個(gè) H 橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地 ENA 、 ENB 使能端，輸入 PWM 信號(hào) IN IN IN IN4 輸入端， TTL 邏輯電平信號(hào) OUT OUT OUT OUT4 輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯 VCC 邏輯控制電源 VSS 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最小值需比輸入的低電平電壓高 GND 接地 表 2 L298N 的邏輯功能 IN1 IN2 ENA 電機(jī)狀態(tài) X X 0 停止 1 0 1 順時(shí)針 0 1 1 逆時(shí)針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端 IN1 為 PWM 信號(hào) ,IN2 為低電平信號(hào)時(shí) ,電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端 IN1 為低電平信號(hào)， IN2 為 PWM 信號(hào)時(shí) ,電機(jī)反轉(zhuǎn) 。IN1 與 IN2相 同時(shí) ,電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí) ,電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，半導(dǎo)體功率器件 (L298)在使用上可XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 14— 以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式在線性放大驅(qū)動(dòng)方式。 半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干 擾小，缺點(diǎn)為功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈調(diào)制（ PWM）來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制 [18]。 圖 10 L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 按鍵電路電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用三個(gè)按鍵作為參數(shù)設(shè)置輸入方式， K1 用于用于速度等級(jí)手動(dòng)往上加； K2 用于速度等級(jí)手動(dòng)往下減； K3 用于控制電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)； K4用于速度重置。 按鍵電路的工作原理： I/O 口默認(rèn)狀態(tài)為高電平，當(dāng)有按鍵按下是會(huì)將 I/O口電平拉低，及按下為低電平，不按為高電平。單片機(jī)就 是通過(guò)檢測(cè)高低電平變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。電路圖如下所示。 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 15— P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 380 C 51VCCK 1K 4K 3K 2 圖 11 鍵盤電路原理圖 圖 12 鍵盤與單片機(jī)連接電路 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 16— 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：其一是硬件的設(shè)計(jì)，其二是軟件的設(shè)計(jì)。在前面，我們已經(jīng)討論了硬件電路的設(shè)計(jì)。接下來(lái)，我們將討論系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 對(duì)一個(gè)系統(tǒng)而言，沒(méi)有硬件的支持，如同紙上談兵，意義蕩然無(wú)存；然而如果沒(méi)有軟件，硬件的應(yīng)用范圍也將受到極大的限制。軟件的設(shè)計(jì)在大多數(shù)系統(tǒng)中有著相當(dāng)重要的意義。如果沒(méi)有軟件的設(shè)計(jì)，就必須為每 一項(xiàng)具體功能的實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件。如若這樣，將帶來(lái)人力和財(cái)力的巨大浪費(fèi)，且硬件的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)及其復(fù)雜的過(guò)程，除非具有專業(yè)才能，否則無(wú)法達(dá)到。所以通常我們采用通用的可編程器件。利用軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)所需的功能。 軟件語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)而言最常用的有匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言： 在設(shè)計(jì)中，采用的可編程器件是單片機(jī) STC89C52，使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言。在余下的篇幅中，將主要討論系統(tǒng)中軟件的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)包括幾個(gè)個(gè)方面：按鍵檢測(cè)、數(shù)碼管顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序。 系統(tǒng)的整體程序流程圖 開(kāi) 始系 統(tǒng) 初 始 化顯 示 初 始 化鍵 處 理 子 程 序是 否 有 鍵 按 下調(diào) 用 按 鍵 子 程 序無(wú) 鍵 按 下有 鍵 按 下定 時(shí) 中 斷 為 1定 時(shí) 中 斷 為 0外 中 斷 為 0發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 至 處 理 器測(cè) 量 計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速發(fā) 送 測(cè) 量 值 到 處 理器系 統(tǒng) 時(shí) 間 計(jì) 時(shí)處 理中 斷 返 回中 斷 處 理 圖 13 主程序流程圖 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 17— 數(shù)碼管 LED 顯示程序設(shè)計(jì) 要讓數(shù)碼管顯示數(shù)字需要軟件的控制，則要求二進(jìn)制代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管發(fā)光段的控制。 TAB： DB 0C0H， 090H， 0A4H， 0B0H， 99H， 92H， 82H， 0F8H，80H， 90H 數(shù)碼管顯示利用的是動(dòng)態(tài)掃描：動(dòng)態(tài)掃描是利用人眼的視覺(jué)暫留原理，只要掃描頻率不小于 24Hz，人眼就感覺(jué)不到顯示器的閃爍。本系統(tǒng) 24Hz的掃描脈沖由相應(yīng)的外圍電路提供。動(dòng)態(tài)掃描電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于位選信號(hào)要與顯示的數(shù)據(jù)在時(shí)序上一一對(duì)應(yīng)，因此電 路中必須提供同步脈沖信號(hào) [19]。 圖 14 數(shù)碼管與單片機(jī)連接原理圖 圖 15 數(shù)碼管與單片機(jī)連接電路圖 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 18— 電機(jī)控制子程序 電機(jī)控制子程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，利用初始值與調(diào)速系統(tǒng)送來(lái)的值，然后用 PI 算法輸出控制系數(shù)給 PWM 發(fā)生電路改變波形的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖所示。軟件由 1 個(gè)主程序、 1 個(gè)中斷子程序和 1 個(gè) PI 控制算法子程序組成。主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是由單片機(jī) P1 口生數(shù)據(jù)送到 PWM 信號(hào)發(fā)生電路，然后用 PI 算法輸出控制系數(shù)給 PWM 發(fā)生 電路改變波形的占空比進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 [20]。 開(kāi) 始系 統(tǒng) 初 始 化讀 取 鍵 值正 轉(zhuǎn)減 速停 機(jī) 程 序P W M 啟 動(dòng) 調(diào) 制 P 1 口數(shù) 值 增 加P W M 啟 動(dòng) 調(diào) 制 P 1 口數(shù) 值 減 小是停 機(jī)否否 減 速否加 速是加 速是按 鍵 是 否 按 下否反 轉(zhuǎn)否是是是否是否是 圖 16 PWM 脈寬調(diào)制流程圖 XXXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 19— 5 系統(tǒng)調(diào)試 常見(jiàn)的故障分析 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開(kāi)的．許多硬件故障只有通過(guò)軟、硬件聯(lián)調(diào)才能發(fā)現(xiàn) ,但一般是先排除系統(tǒng)中比較明顯的硬件故障后才和軟件一起聯(lián)調(diào)。 (1)邏輯錯(cuò)誤 樣機(jī)硬件的邏輯錯(cuò)誤是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過(guò)程中的工藝錯(cuò)誤而造成的 ,包括錯(cuò)線、開(kāi)路、短路、相位錯(cuò)誤、時(shí)序錯(cuò)誤等 ,其中最常見(jiàn)的是短路故障。 (2)元器件錯(cuò)誤 元器件錯(cuò) 誤的原因有器件損壞或性能不符合要求 ,電解電容、二極管的極性接反或集成塊裝反等。 (3)可靠性差 應(yīng)用系統(tǒng)可靠性差的原因很多 ,如金屬化孔、接插件接觸不良、內(nèi)部和外部的干擾、電壓紋波系數(shù)過(guò)大、器件負(fù)載過(guò)重等均會(huì)造成系統(tǒng)的可靠性差。另外 ,走線和布置的不合理也會(huì)造成系統(tǒng)可靠性差。 (4)電源故障 電源故障包括：電壓值不符合設(shè)計(jì)要求、電源功率不足、負(fù)載能力差、紋波太重等。 系統(tǒng)調(diào)試注意事項(xiàng) 在加電前 ,先用萬(wàn)用表等工具 ,按圖紙仔細(xì)核對(duì)樣機(jī)線路是否正確 ,并對(duì)元器件的安裝、型號(hào)、規(guī)格等進(jìn)行仔細(xì)檢查 ,特別注意 印制板加工和焊接時(shí)有無(wú)走線之間相互短路等。 在程序編寫的過(guò)程中，需要認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)環(huán)節(jié)，包括鍵盤掃描處理、PWM 信號(hào)發(fā)生電路的控制、以及單片機(jī)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等問(wèn)題，一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)試，最后可以實(shí)現(xiàn) 正反轉(zhuǎn)。 結(jié)論 — 20— 結(jié)論 PWM 技術(shù)是直流電機(jī)調(diào)速中最為有效的方法。本文在硬件上采用了基于PWM 技術(shù)的 H 型橋式驅(qū)動(dòng)電路，解決了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率問(wèn)題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機(jī)的使用效率，且具有一定的防飛能力。 本文所述的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的單片微機(jī) STC89C52 為核心的，而 通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對(duì)于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用 PWM 軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過(guò)程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡(jiǎn)易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。 參考文獻(xiàn) — 21— 參考文獻(xiàn) [1]胡健 .單片機(jī)原理及接口技術(shù) [J].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [2]李廣弟 .單片機(jī)基礎(chǔ) [M].北京 :航空航天大學(xué)出版社， 1994 [3]王法能 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 [J].北京 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