【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擇 本設(shè)計(jì)中要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的設(shè)定， 正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)及電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值 都需要用顯示器進(jìn)行顯示，所以 采用液晶顯示屏 幕 作為系統(tǒng)的顯示器，同時(shí)液晶顯示屏（ LCD）具有功耗小、輕薄短小無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫(huà)面效果好，抗干擾能力強(qiáng) ,并可靈活的實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)。 測(cè)速傳感器的 分析 與選擇 5 對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，依據(jù)當(dāng)今技術(shù)及本設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，大致有以下三種可以執(zhí)行的測(cè)量方式。 方案一：使用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速，電機(jī)的輸出電動(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)。當(dāng)改變旋轉(zhuǎn)方向 時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性也相應(yīng)改變。 方案二：采用霍爾傳感器測(cè)速，霍爾元件是磁敏元件，在被測(cè)的旋轉(zhuǎn)體上裝一個(gè)磁體，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)磁體經(jīng)過(guò)霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大整形得到脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。 方案三：采用紅外光電耦合器測(cè)速，發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，接收管接受到信號(hào)時(shí)輸出脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時(shí)間里面來(lái)采集上升源的個(gè)數(shù)，這樣就完成速度的采集。 經(jīng)比較，方案一中測(cè)速發(fā)電機(jī)的安裝不如方案二中霍爾元件安裝方便，準(zhǔn)確率也沒(méi)方案二的高，并且方案二不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，測(cè)量值直接可以被單片機(jī)接收。但方案二中霍爾傳感器的采購(gòu)不是很方便，價(jià)格比較也比較昂貴，方案三中硬件電路簡(jiǎn)單，器件采購(gòu)方便，更重要的是它具有方案二的幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，故選擇方案三。 方案三中具體的記數(shù)方法是通過(guò)單片機(jī)記數(shù)時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計(jì)算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=N/S 60。同時(shí)還可以采用定時(shí)的方法：通過(guò)定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=60/T。比較兩個(gè)計(jì)數(shù)方法，方法一的誤差主要是177。 1 誤差（量化誤差），假設(shè)電機(jī)的最低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 120 轉(zhuǎn) /分，則記數(shù)時(shí)間 S=1s，所以其誤差 的絕對(duì)值 |γ |=|(N177。 1)/S 60N/S 60=60（轉(zhuǎn) /分），誤差計(jì)算公式表明，增大記數(shù)時(shí)間可以提高測(cè)量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會(huì)降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方法二所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差，并且使采樣時(shí)間降到最短，誤差γ =[60/（ T177。 1） 60/T]，設(shè)電機(jī)速度在 120— 6000 轉(zhuǎn) /分之間，那么 ≤ T≤ ，代入公式得： ≤ |γ |≤ （轉(zhuǎn) /分）。由此明顯看出 ,方法二在測(cè)量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方法一，所以在這里我采用方法二進(jìn)行計(jì)數(shù)。 PWM 實(shí)現(xiàn)方案論證 (1)PWM 調(diào)速工作方式 6 方案一： 雙極性工作制。 在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，來(lái)自單片機(jī)兩個(gè)端口的兩個(gè)控制信號(hào)電平高低相反，這樣兩個(gè)控制信號(hào)的高電平時(shí)差控制著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案二：?jiǎn)螛O性工作制。 PWM 波的占空比取決于單片機(jī)的一個(gè)端口，另一個(gè)端口為低電平，兩個(gè)輸出口的切換控制著電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， PWM 占空比控制著電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 由于單極性工作制 相較于雙極性工作制具有電流最大波動(dòng)小和 電壓波 中的交流成分小 的優(yōu)點(diǎn) ， 所以我們 本系統(tǒng)采用 單極性工作制 [3]。 (2) 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(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定 ，不會(huì)與單片機(jī)中的其他頻率產(chǎn)生沖突， 并且在單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上 也 比較方便 [3]。 (3) PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式 方案 一 ：采用軟件延時(shí) 的 方式， 此方式的缺點(diǎn)是 在引入中斷 之 后，將 會(huì) 有一定的誤差。 方案 二 ：采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式， 此 方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確， 最大誤差只能達(dá)到 幾個(gè) 微秒，綜合考慮我們采用方案二 [4]。 鍵盤(pán)的方案 分析 與選擇 鍵盤(pán)是單片機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備和實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。常用的鍵盤(pán) 有獨(dú)立式鍵盤(pán)和行列式鍵盤(pán)等。 方案 一 ：獨(dú)立式鍵盤(pán) 獨(dú)立式鍵盤(pán)與單片機(jī)進(jìn)行接口時(shí)，鍵盤(pán)接口 使用 的 I/O 線 和鍵盤(pán)的數(shù)量相等，其特點(diǎn)為 其按鍵 的數(shù)量 比較少，且鍵盤(pán) 中各按鍵工作 時(shí)不會(huì)相互干擾 。因此可以依據(jù)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的靈活編碼 。 這 種形式的鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且按鍵識(shí)別比較容易。獨(dú)立 鍵盤(pán)的缺點(diǎn)是需要占用比較多的 I/O 口線，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤(pán)中需要的按鍵比較少或 I/O 口線比較富余時(shí)，可以采用這種類型的鍵盤(pán)。 方案 二 ：行列式鍵盤(pán) 行列式鍵盤(pán)是用 N條 I/O 線作為行線， M 條 I/O 線作為列線組成的鍵盤(pán)，按鍵在行線和列線的每個(gè) 交叉點(diǎn)上，按鍵中按鍵的個(gè)數(shù)是 M*N 個(gè)。這種形式的鍵盤(pán)結(jié) 7 構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，行列式鍵盤(pán)適用于按鍵輸入多的情況 [5]。 本設(shè)計(jì)不僅要求對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，而且要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，勢(shì)必需要至少十個(gè)以上的按鍵，又 根據(jù)以上的論述， 故 采用方案 二，以提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，從而節(jié)省了單片機(jī)系統(tǒng)中的 I/O 端口。 輸入輸出通道的 分析 由于選用了紅外光電耦合器進(jìn)行測(cè)速 ， 微處理器采集的信號(hào)是脈沖信號(hào) ， 故無(wú)需經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換就可以輸入到單片機(jī)中。由 于采用 PWM 控制直流電機(jī)的電樞電壓 ， 單片機(jī)的輸出 信號(hào) 通過(guò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行放大 后就是電機(jī)的電樞電壓 ， 從而通過(guò)控制PWM 波的占空比 來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 驅(qū)動(dòng)模塊的 分析 與選擇 本設(shè)計(jì)的核心部分就是對(duì)小型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可逆的 PWM 調(diào)速控制。要實(shí)現(xiàn)這些功能，基本上采用的是由四個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的 H 型橋式驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)有 H橋式驅(qū)動(dòng)和 L298 驅(qū)動(dòng)兩種方法， L298 驅(qū)動(dòng)芯片雖然簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)能力也較強(qiáng)，但由于其價(jià)格昂貴，且本設(shè)計(jì)中電機(jī)屬于小功率直流電機(jī)， H 橋式驅(qū)動(dòng)電路就足以驅(qū)動(dòng)，并且價(jià)格便宜，故而本設(shè)計(jì)采用 H 橋 式驅(qū)動(dòng)作為小功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 [6]。 系統(tǒng)硬件組成 及各模塊功能 本 調(diào)速系統(tǒng)主 要是由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、測(cè)速元件、接口電路、顯示器和 輸入控制模塊 等部分組成。硬件電路組成框圖如圖 ： 8 Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２單 片 機(jī)矩 陣 鍵 盤(pán)輸 入 模 塊Ｌ Ｃ Ｄ顯 示 模 塊Ｐ Ｗ Ｍ 控 制 及驅(qū) 動(dòng) 電 路 模 塊直 流 電 機(jī)紅 外測(cè) 速 模 塊 圖 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件 本調(diào)速系統(tǒng) 各模塊的功能 分析如下： 中央控制模塊：這部分電路 的核心部件是 STC89C52 單片機(jī) ，它的功能總得來(lái)說(shuō)分為三個(gè)方面，一、通過(guò)內(nèi)部程序設(shè)定出初始 PWM 信號(hào)，輸送給Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)運(yùn)行；二、接受來(lái)自 鍵盤(pán)和紅外光電接收管的信號(hào)再加以分析和處理；三、對(duì)處理的結(jié)果進(jìn)行輸出，如控制七段數(shù)碼管的顯示和點(diǎn)亮發(fā)光二極管。 輸入 控制 模塊：這一部分主要是利用帶中斷的 矩陣 鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。 由矩陣鍵盤(pán)十六個(gè)按鍵中的十個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的 分級(jí) 設(shè)定 （ 0 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 0,1 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 5,2 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 25,3 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 40,4鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 60,5 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 80,6 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 100， 7 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 120,8 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 135,9 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 150。其中轉(zhuǎn)速單位為 r/min） ，另外 六個(gè)按鍵分別實(shí)現(xiàn) 電機(jī)的開(kāi)始、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的 六種控制 。 驅(qū)動(dòng)模塊：采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 驅(qū)動(dòng)接受來(lái)自 和 口的 PWM 波， 然后用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)的是小功率直流電機(jī)，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能力要求不是太高，一般的Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)既能滿足要求。 測(cè)速模塊： 采用紅外光電耦合器測(cè)速，發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，接收管接受到信號(hào)時(shí)輸出脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時(shí)間里面來(lái)采集上升源的個(gè)數(shù)，這樣就完成速度的采集 。 9 顯示模塊： 本設(shè)計(jì)采用 液晶顯示屏 （ LCD） 作為本設(shè)計(jì)的顯示模塊 。 液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容包括：電機(jī)的 （正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)） 、電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速及電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。 本章小結(jié) 本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方案分析 與選擇，應(yīng)用了適合于該系統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速控制方案和總體設(shè)計(jì)方案；在器件的選擇方面也做了比較具體的說(shuō)明；最后又詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的具體功能。 在本章最后完成了基于單片機(jī) PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成框圖設(shè)計(jì)。 10 第三章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 本章將基于上一章為基礎(chǔ)對(duì)硬件系統(tǒng)各部分作進(jìn)一步的分析，并且對(duì)硬件 各部分電路加以分析和呈現(xiàn)。 下面將 分別對(duì) CPU 主控制模塊、 電源、 PWM 波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、鍵盤(pán)輸入部分、測(cè)速部分及顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 CPU 主控制模塊 本系統(tǒng)選用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器。 主要功能包括三個(gè)方面：接受外界信號(hào)、處理接受信號(hào)和輸出控制信號(hào)。外界信號(hào)主要指來(lái)自獨(dú)立式鍵盤(pán)和紅外光電耦合器接收管的信號(hào)；處理接受信號(hào)就是對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行作用分析，并作出相應(yīng)處理；輸出信號(hào)包括輸出 PWM 波控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和使數(shù)碼管顯示電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。 STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部資源很豐富，不需要擴(kuò)展芯片。 在用 STC89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí) ,首先要構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng) ,單片機(jī)才能正常工作 ,即將單片機(jī)接上時(shí)鐘(晶振 )電路和復(fù)位電路。 下面介紹單片機(jī)的設(shè)計(jì)部分分析： （ 1）單片機(jī) STC89C52 STC89C52 單片機(jī)是 MSC51系列產(chǎn)品的升級(jí)版，有世界著名半導(dǎo)體公司 ATMEL在購(gòu)買 MSC51 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后 ， 利用自身優(yōu)勢(shì)技術(shù) —— 閃存生產(chǎn)技術(shù)對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)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(shí)，世界上其他的著名公司也通過(guò)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) [7]。 STC89C52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間、 8K 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)空間，支持最大 64K 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。 根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在033M 之間。 片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 3 個(gè)定時(shí)器、 8個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式 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(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)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(hào)單片機(jī)暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同場(chǎng)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(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40的封裝。 如圖 所示： 11 圖 DIP40 封裝 STC89C52 引腳圖 （ 2） 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)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(dòng)復(fù)位。如圖 所示： RST單片機(jī)C1R1GNDVCC RST單片機(jī)C2R2GNDVCCR3S?SWPB 上電復(fù)位 手動(dòng)復(fù)位 圖 復(fù)位電路圖 有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位。所以本 系統(tǒng)中 選 用手動(dòng)復(fù)位 的方式 。 程序的運(yùn)行速度 取決 于時(shí)鐘 的頻率 ，而且 高頻率時(shí)鐘的應(yīng)用 還可以 實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)的采樣率 。然而 采用高時(shí)鐘的代價(jià)是功耗大，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行環(huán)境都比較高。本系統(tǒng)中 單片機(jī)本身 用于 控制， 不需要太高頻率的時(shí)鐘 ，所以 選擇適當(dāng) 頻率 的時(shí)鐘 ， 同時(shí) 適當(dāng)頻率的晶振有利于選頻信號(hào)強(qiáng)度的準(zhǔn)確度。 本 系統(tǒng) 選取 無(wú)源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳 ， 并聯(lián) 2個(gè) 20pF 陶瓷電容幫助起振。最小系統(tǒng)如圖 所示： 12 圖 STC89C52 最小系統(tǒng) 電源電路 由于整個(gè)系統(tǒng)都是用單片機(jī)、小型電機(jī)和各類芯片以及電阻、電容組成的，其工作電壓為 +5V，不需要負(fù)電壓，所以可采用三端固定集成穩(wěn)壓器 LM2940 穩(wěn)壓芯片。 LM2940 為輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器； 其輸入電壓為 ，輸出電壓 5V， 輸出電流為 1A。輸出電流為 1A 時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于 ；最大 輸入電壓為 26V，輸入電壓范圍比較大；工作溫度也比較大，可以在 40至 +125 攝氏度范圍內(nèi)正常工作；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過(guò)熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。 鑒于以上這些優(yōu)點(diǎn)和其適合于本設(shè)計(jì)的要求， 故采用 LM2940 作為整個(gè)系統(tǒng)的供電芯片。 其中輸入電壓為直流 ，后接 1uF和 22uF電容進(jìn)行濾波。 電源模塊電路圖 如圖 所示。 13 圖 電源電路 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)電機(jī) 和四個(gè)三極管 ，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 就 必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)電流的導(dǎo)通情況，電流會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 在本設(shè)計(jì) 中采