【文章內(nèi)容簡介】 6 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以 AT89S52 單片機(jī)為核心，以 5 個彈跳按鈕作為輸入達(dá)到控 制直流電機(jī)的 停 止 、 加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) 。在設(shè)計(jì)中，采用 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 。 （ 1）能實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)給定的電壓對直流電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)向控制； （ 2） 通過按鈕能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加速、減速、等變速及轉(zhuǎn)向控制； 直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ， 調(diào)速平滑 、 方便 ， 調(diào)速范圍廣 ； 過載能力大 ， 能承受頻繁的沖擊負(fù)載 ， 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速起動 、停止 和反轉(zhuǎn) ； 能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求 。 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制 ， 是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一 。 采用微機(jī)控 制后 ， 整個調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 可靠性高 ， 操作維護(hù)方便 ， 電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平 ， 靜動態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求 。 由于單片機(jī)性能優(yōu)越 ， 具有較佳的性能價(jià)格比 ， 所以單片機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn) ： 由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高 ， 僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流 ， 低速特性好 ： 同樣 ， 由于開關(guān)頻率高 ， 快速響應(yīng)特性好 ， 動態(tài)抗干擾能力強(qiáng) ， 可以獲得很寬的頻帶 ； 開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài) ， 主電路 損耗小 ，裝置效率高。本文所介紹的系統(tǒng)就是一個采用典型的開環(huán)調(diào)速原理組成的單片機(jī)PWM 調(diào)速系統(tǒng) [45]。 采用單片機(jī)構(gòu)成的直流電動機(jī)數(shù)字 PWM 調(diào)速系統(tǒng) ,其控制核心主要由 最小系統(tǒng)、電源模塊（ 12v 5v）、電機(jī)驅(qū)動電路、按鍵（加速、減速、急停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）、顯示模塊（四位數(shù)碼管）、直流電機(jī)組成 。系統(tǒng)采用 L298N芯片 作為 PWM 驅(qū) 7 動直流電動機(jī)的供電主回路。單片機(jī)通過軟件處理輸出 PWM信號 , 實(shí)現(xiàn)了直流電動機(jī)的速度控制 ,在運(yùn)行中獲得了良好的動靜態(tài)性能。由于 系統(tǒng)性價(jià)比高 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,具有實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。在 介紹了基于單片機(jī)用 PWM實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)整的基本方法，直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識，及 PWM調(diào)整的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了基于 AT89S52單片機(jī)的用軟件產(chǎn)生 PWM信號的途徑，并介紹了一種獨(dú)特的通過軟件 定時中斷 實(shí)現(xiàn) PWM信號占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。 （ 1）鍵盤識別：通過 P1口的低電平輸入識別不同的按鍵。 （ 2）通過對單片機(jī)程序燒錄實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的 停止、加速、減速、 正轉(zhuǎn)、反 轉(zhuǎn) 控制。 （ 3）由于單片機(jī)的驅(qū)動能力不強(qiáng)，驅(qū) 動直流電機(jī)需要很強(qiáng)的電流所以必須有外圍的驅(qū)動電路，因此本設(shè)計(jì)采用 L298芯片 放大單片機(jī)微弱的電流。 控制原理 ： 89S52單片機(jī)為核心的直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制簡圖如圖 21所示，由軟件轉(zhuǎn)換成 PWM 信號，并由 、 ，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟件采用 定時中斷 進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動啟動按鈕后，根據(jù) 電平 實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn) ， 高 電平 時實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn) 。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整 ，從而可以控制 ，進(jìn)而控制電壓的大小。控制程序應(yīng)用于電機(jī)的加減速 。 在電動機(jī)驅(qū)動信號方面，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)，脈沖頻率在 40Hz 以上，電動機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在 10Hz 以下，電動機(jī)轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，脈沖頻率在 15Hz30Hz 時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過 輸入高電平信號 輸入 低電平與 。通過對信號占空比的調(diào)整來對直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 方案選擇 方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的 8 目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng) 時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三：采用 驅(qū)動芯片 L298N 驅(qū)動直流電機(jī)， L298N 具有驅(qū)動能力強(qiáng)，外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此我們采用方案三。 PWM 調(diào)速工作方式 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出 PWM 信號，兩口的輸出切換和對 PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 由于單極性工作制電壓波 開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 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；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式 方案 一 ：采用軟件延時方式，在引入中斷 之 后，將有一定的誤差。 方案 二 ：采用定時器作為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us，綜合考慮我們采用方案二 [67]。 9 系統(tǒng)分析與 硬件 設(shè)計(jì) 鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過 與 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM 脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、驅(qū)動電動機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制 ， 電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)， 加速 ， 減速 、 急停 。 總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖 21所示： A T 8 9S 5 2輸 入 模 塊顯 示 模 塊驅(qū) 動 模 塊 直 流 電 機(jī)電 源 模 塊圖 21 系統(tǒng)硬件框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) ： 所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機(jī)和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機(jī)系 統(tǒng)。一般來說，它包括單片機(jī)，晶振電路和復(fù)位電路。 設(shè)計(jì)部分分析 ： 單片機(jī) AT89S52 AT89S52 8位單片機(jī)是 MSC51174。系列產(chǎn)品的升級版，有世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL 在購買 MSC51174。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù) —— （掉電不丟數(shù)據(jù)）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)。 AT89S52 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 10 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、看門狗和斷電保護(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。 圖 22 DIP40封裝 89S52引腳圖 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。 RST單片機(jī)C1R1GNDVCC RST單片機(jī)C2R2GNDVCCR3S?SWPB 上電復(fù)位 手動復(fù)位 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 11 手動復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動復(fù)位。 高頻率的時鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系 統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2引腳。并聯(lián) 2個 30pF 陶瓷電容幫助起振。 最小系統(tǒng)如圖： 圖 23 最小系統(tǒng) 電源電路設(shè)計(jì) 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 ： 直流穩(wěn)壓電源一般有電源變壓器 T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如下。 12 圖 24 直流電源原理 各部分作用： (1)電源變壓器 T的作用是將 220V的交流 電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n，式中 n是變壓器的效率。 (2)整流電路：整流電路將交流電壓 Ui變換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓 U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 圖 25 整流電路 （ 3）濾波電路：各濾波電路 C滿足 RLC=（ 3~5） T/2，式中 T為輸入交流信號周期， RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。 13 圖 26 濾波電路 (4)穩(wěn)壓電路 :常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn) 壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。二者的工作原理有所不同。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它一般適用于負(fù)載電流變化較小的場合。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋的原理來調(diào)節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實(shí)上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。常用穩(wěn)壓電路歸納如下