【文章內(nèi)容簡介】 6 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本設(shè)計以 AT89S52 單片機為核心，以 5 個彈跳按鈕作為輸入達到控 制直流電機的 停 止 、 加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) 。在設(shè)計中，采用 PWM 技術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的 。 （ 1）能實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)給定的電壓對直流電機的速度及轉(zhuǎn)向控制； （ 2） 通過按鈕能實現(xiàn)直流電機的加速、減速、等變速及轉(zhuǎn)向控制； 直流電動機具有優(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載 ， 可實現(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)各種不同的特殊運行要求 。 電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)自動控制 ， 是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一 。 采用微機控 制后 ， 整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)自動化 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 可靠性高 ， 操作維護方便 ， 電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平 ， 靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求 。 由于單片機性能優(yōu)越 ， 具有較佳的性能價格比 ， 所以單片機在工業(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 ： 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 ， 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PWM 調(diào)速系統(tǒng) [45]。 采用單片機構(gòu)成的直流電動機數(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）、直流電機組成 。系統(tǒng)采用 L298N芯片 作為 PWM 驅(qū) 7 動直流電動機的供電主回路。單片機通過軟件處理輸出 PWM信號 , 實現(xiàn)了直流電動機的速度控制 ,在運行中獲得了良好的動靜態(tài)性能。由于 系統(tǒng)性價比高 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,具有實用價值和推廣價值。在 介紹了基于單片機用 PWM實現(xiàn)直流電機調(diào)整的基本方法，直流電機調(diào)速的相關(guān)知識，及 PWM調(diào)整的基本原理和實現(xiàn)方法。重點介紹了基于 AT89S52單片機的用軟件產(chǎn)生 PWM信號的途徑，并介紹了一種獨特的通過軟件 定時中斷 實現(xiàn) PWM信號占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機速度控制系統(tǒng)的實現(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）通過對單片機程序燒錄實現(xiàn)對直流電機的 停止、加速、減速、 正轉(zhuǎn)、反 轉(zhuǎn) 控制。 （ 3）由于單片機的驅(qū)動能力不強，驅(qū) 動直流電機需要很強的電流所以必須有外圍的驅(qū)動電路，因此本設(shè)計采用 L298芯片 放大單片機微弱的電流。 控制原理 ： 89S52單片機為核心的直流電機控制系統(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，從而控制電機得電與失電。軟件采用 定時中斷 進行設(shè)計。單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。當按動啟動按鈕后，根據(jù) 電平 實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn) ， 高 電平 時實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn) 。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整 ，從而可以控制 ，進而控制電壓的大小?？刂瞥绦驊?yīng)用于電機的加減速 。 在電動機驅(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。脈沖頻率對電動機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 40Hz 以上，電動機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負載后，速度下降明顯，低速時甚至會停轉(zhuǎn)；脈沖頻率在 10Hz 以下，電動機轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，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)整來對直流電機進行調(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)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的 8 目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng) 時間慢、機械結(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， L298N 具有驅(qū)動能力強，外圍電路簡單等優(yōu)點，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，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。 PWM 軟件實現(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 鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過 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)動電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制 ， 電動機正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)， 加速 ， 減速 、 急停 。 總體設(shè)計方案的硬件部分詳細框圖如圖 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 機電 源 模 塊圖 21 系統(tǒng)硬件框圖 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計 單片機最小系統(tǒng) ： 所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機系 統(tǒng)。一般來說，它包括單片機，晶振電路和復位電路。 設(shè)計部分分析 ： 單片機 AT89S52 AT89S52 8位單片機是 MSC51174。系列產(chǎn)品的升級版，有世界著名半導體公司ATMEL 在購買 MSC51174。設(shè)計結(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)進行改進和擴展，同時使用新的半導體生產(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)進行改進生產(chǎn)，推廣一批如 51F020 等高性能單片機。 AT89S52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運行空間、 8K 字節(jié) Flash 存儲空間，支持最大 64K 外部存儲擴展。根據(jù)不同的運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?？梢栽?4V到 寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插 DIP40的封裝。 圖 22 DIP40封裝 89S52引腳圖 復位電路及時鐘電路 復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊。復位電路通常分為兩種：上電復位和手動復位。 RST單片機C1R1GNDVCC RST單片機C2R2GNDVCCR3S?SWPB 上電復位 手動復位 有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要 11 手動復位。所以本次設(shè)計選用手動復位。 高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系 統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻。考慮到單片機本身用在控制，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度準確度都有好處，本次設(shè)計選取 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 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，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到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它一般適用于負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)負反饋的原理來調(diào)節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。常用穩(wěn)壓電路歸納如下