【文章內容簡介】 制 步進電機做出相應的反映 。 圖 2－ 1 單片機基本結構框圖 STC89C52 單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分 ， 它由如下功能部件組成 ， 即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O 口、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷 系統(tǒng)及特殊功能寄存器。11 它們都是通過片內單一總線連接而成 ， 其基本結構依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其基本結構框圖如圖 2－ 1 所示： (1) 微處理器 該 單片機中有一個 8 位的微處理器 ， 與通用的微處理器基本相同 ， 同樣包括了運算器和控制器兩 大部分 ， 只是增加了面向控制的處理功能 ， 不僅可處理數(shù)據(jù) ， 還可以進行位變量的處理。 (2) 數(shù)據(jù)存儲器 片內為 128 個字節(jié) ， 片外最多可外擴至 64k 字節(jié) ， 用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等 ， 所以稱 為數(shù)據(jù)存儲器。 (3) 程序存儲器 由于受集成度限制 ， 片內只讀存儲器一般容量較小 ， 如果片內的只讀存儲器的容量不夠 ， 則需用擴展片外的只讀存儲器 ， 片外最多可外擴至 64k 字節(jié)。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源 ， 2 級中斷優(yōu)先權。 (5) 定時器 /計數(shù)器 片內有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器 ， 具有四種工作方式。 (6) 串行口 1 個全雙工的串行口 ， 具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊 ， 擴展并行 I/O 口 ， 甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng) ， 從而使單片機的功能更強且應用更廣。 (7) P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口 為 4 個并行 8 位 I/O 口。 (8) 特殊功能寄存器 共有 21 個 ， 用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器 ， 是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 由上可見 ， STC89C52 單片機的硬件結構具有功能部件種類全 ，12 功能強等特點。特別值得一提的是該單片機 CPU 中的位處理器 ， 它實際上是一個完整的 1 位微計算機 ， 這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 1 位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機在數(shù)據(jù)采集 ， 運算處理方面有明顯的長處。 MCS51 單片機中 8 位機和 1 位機的硬件資源復合在一起 ， 二者相輔相承 ， 它是單片 機技術上的一個突破 ， 這也是MCS51 單片機在設計的精美之處。 167。 最小應用系統(tǒng)設計 89C52 是片內有 ROM/EPROM 的單片機 ， 因此 ， 這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用 89C52 單片機構成最小應用系統(tǒng)時 ， 只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可 ， 如圖 22 所示 89C52 單片機最小系統(tǒng)。由于集成度的限制 ， 最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點： (1) 有可供用戶使用的大量 I/O 口線。 (2) 內部存儲器容量有限。 (3) 應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 13 圖 22 89C52 單片機最小系統(tǒng) 1. 時鐘電路 MCS51 單片機 各功能部件運行都是以時鐘控制信號為基準 ， 有條不紊的一步一步地工作 ， 因此 ， 時鐘頻率直接影響單片機的速度 ，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 89C52 雖然有內部振蕩電路 ， 但要形成時鐘 ， 必須外部附加電路。 89C52 單片機的時鐘產生方法有兩種。內部時鐘方式和外部時鐘方式。 本設計采用內部時鐘方式 ， 利用芯片內部的振蕩電路 ， 在XTAL XTAL2 引腳上外接定時元件 ， 內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式 ， 即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在 到 12MHZ 之間選擇 。電容值無嚴格要求 ， 但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響 ， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值 ， 但在 60pF 到 70pF 時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設計中 ， 振蕩晶體選擇 12MHZ， 電容選擇 65pF。 在設計印刷電路板時 ， 晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安14 裝 ， 以減少寄生電容 ， 更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性 ， 應采用 NPO 電容 ， 時鐘電路如圖 23 所示。 圖 23 時鐘電路 2. 復位電路 89C52 的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳 RST 通過 一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲 ， 在每個機器周期的 S5P2， 斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次 ， 然后才能得到內部復位操作所需要的信號。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 最簡單的上電自動復位電路是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms， 就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用 12MHZ 時 C 取 22uF， R 取 1KΩ。 除 上電復位外 ， 有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過 RST 端 經電阻與電源 VCC 接 通而實現(xiàn)的。 三種 復位電路 如圖 24 所示 ，從左到右依次是上電自動復位、手動電平復位和手動脈沖復位 。 15 圖 24 復位電路 3. 燒寫接口電路 如圖 25 所示 就是 USB 供電 下載接口 ， 圖中 PL2303 芯片 是Prolific 公司生產的一種高度集成的 RS232USB 接口轉換器 ， 可提供一個 RS232 全雙工 異步串行通信 裝置與 USB 功能接口便利連接的解決方案。該器件內置 USB 功能控制器、 USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調制解調器 控制信號 的 UART， 只需外接幾只電容就可實現(xiàn) USB 信號與 RS232 信號的轉換 ， 能夠方便嵌入到各種設備；該器件作為 USB/RS232 雙向 轉換器 ， 一方面從 主機 接收 USB 數(shù)據(jù)并將其轉換為 RS232 信息流格式發(fā)送給外設；另一方面從 RS232 外設接收數(shù)據(jù)轉換為 USB 數(shù)據(jù)格式傳送回 主機 。這些工作全部由器件 自動完成 ， 開發(fā)者無需考慮 固件 設計 。 只需將 ISP 下載線插到電腦 USB 接口上就可以向單片機燒寫程序。同時 ， ISP 的下載接口如圖 26， 在設計時應注意以下兩點 ， 否則會造成程序下載的失敗。 (1) 下載線接口中的電源和單片機共用一個電源。 (2) 下載線接口中用到的 到 腳不能連接外部器件 ，如果要連接外部器件可以設計為可插拔的方式 ， 防止影響程序的下載。 16 圖 25 USB 供電下載電路 圖 26 ISP 程序下載電路 167。 電機驅動電路的設計 167。 智能小車驅動電機的要求 控制電機是本次設計中的重要元件 ， 如果控制電機的性能不佳或使用不當 ， 將直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。智能小車控制系統(tǒng)中對控制電機要求其體積小、重量輕、耗電少 ， 另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應等特點 ， 主要集中在以下幾個方面 ： 17 (1) 高可靠性?？刂齐姍C的可靠性對保證任何自動控制系統(tǒng)的正常工作極為重要 ， 一旦發(fā)生故障 ， 將會直接導致本次設計的失敗。 (2) 高精度。在本次設計中對電機的響應精度要求較高 ， 因為 本設計 所加的脈沖 寬度是毫秒級 的 ， 有時甚至是微秒級的。從廣義上而言 ， 直流電機特性的線性度和失靈區(qū)會直接影響到系統(tǒng)的精度。 (3) 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行 ， 具有良好的響應特性。 (4) 正轉反轉的特性相同 ， 且運行特性穩(wěn)定。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。 常用的控制電機有步進電機和直流電機兩大類。步進電機效率較低 ， 功率較小 ， 雖然近年來不斷有小體積大功率的步進電機出現(xiàn) ，但其價格昂貴 ， 因此在小車類控制中常用的是直流電機。直流電機能夠將輸入的電壓信號變成轉軸的角位移或角速度輸出 ， 改變控制電壓即可改變電機轉速和轉向 ， 用途很廣泛 ， 主要有 如下優(yōu)點： (1) 寬廣的調速范圍。直流電機的轉速能夠隨著控制電壓的改變在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)。 (2) 線性的機械特性和調節(jié)特性。直流電機在控制電壓一定時 ， 轉速隨著轉矩的變化而變化。轉矩一定時 ， 轉速則隨電壓的變化而線性調節(jié)。線性的機械特性和調節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動態(tài)精度。 (3) 與步進電機相比 ， 小體積較易獲得大功率。 167。 直流電機調速原理 直流電動機轉速 可以用 式 21 表示： n=(UIR)/Kφ （ 21） 其中 U 為電樞端電壓 ， I 為電樞電流 ， R 為電樞電路總電阻 ，φ 為每 極磁通量 ， K 為電動機結構參數(shù)。 直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。大多18 數(shù)應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步 ， 改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn) ， 其中 PWM(脈寬調制 )便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。 PWM 調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源 ， 并根據(jù)需要改變一個周期內接通和斷開的時間比 (占空比 )來改變直流電機電樞上電壓的 “ 占空比 ” ， 從而改變平均電壓 ， 控制電機的轉速。在脈寬調速系統(tǒng)中 ， 當電機通電時其速度增加 ， 電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電 的時間 ， 即可控制電機轉速。而且采用 PWM 技術構成的無級調速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊 ， 并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。 設電機始終接通電源時 ， 電機轉速最大為 Vmax， 且設占空比為 D=t／ T， 則電機的平均速度 Vd 為： Vd=Vmax D （ 22） 由公式可知 ， 當改變占空比 D=t／ T 時 ， 就可以得到不同的電機平均速度 Vd， 從而達到調速的目的。嚴格地講 ， 平均速度與占空比 D 并不是嚴格的線性關系 ， 在一般的應用中 ， 可將其近似地看成線性關系。 在直流電機驅動控制電路中 ， PWM 信號由 單片機產生 ， 驅動 L298N 的 H 橋 左右兩邊的三極管 開關來改變直流電機電樞上平均電壓 的大小 ， 從而控制電機的轉速 ， 實現(xiàn)直流電機 PWM 調速。 當用單片機 I/O 口輸出 PWM 信號時 ， 可采用以下三種方法： 利用軟件延時。當高電平延時時間到時 ， 對 I/O 口電平取反變成低電平 ， 然后再延時；當?shù)碗娖窖訒r到時 ， 再對 I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號。 利用定時器。控制方法相同 ， 只是在這里利用單片機定時器來定時進行高低電平的翻轉 ， 而不用軟件延時。 利用單片機自帶的 PWM 控制器。但本實驗用的 STC89C52 并沒有 PWM 控制器 ， 所以采用定時器產生 PWM 信號。 167。 L298N 電機 驅動 原理 前面已經提到，由于單片機的驅動能力不足，無法驅動像電機19 這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅動電路。電機常用的驅動芯片很多，在本設計中筆者選用硬件設計簡單，驅動效率高的L298N 作為電機驅動芯片， L298N 芯片是一種集成大功率 H 橋芯片。 電機驅動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過電機控制芯片轉化為小車實際的動作。本設計中采用的 L298N 電機 驅動 電路板使用 ST 公司的 L298N 作為主驅動芯片，具有驅動能力強，發(fā)熱量低，抗干擾能力強的特點。 L298N 是歐洲著名的 SGS 公司的產品 ， 為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅動。設計用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平 ， 驅動感性負載 (比如繼電器 ， 直流電機 )，和開關電源晶體管。 L298N 芯片有一個電源引腳 VCC 和接地引腳GND。四個電機驅動引腳和四個 PWM 波控制引腳。 VCC 引腳可以接+12V 電源用來給芯片和電動機供電。 模塊板載 7805 三端穩(wěn)壓集成電路 穩(wěn)壓芯片 ， 可以方便給單片機以及其他需要 5V 的系統(tǒng)供電 ，前提是 VCC 接大于 6V 電壓 ?？蓪崿F(xiàn)電機正反轉及調速、啟動性能好、啟動轉矩大、可同時驅動兩臺直流電機。 L298N 是雙 H 橋驅動芯片，包含兩個 H 橋電路。每個 H 橋電路原理大體如圖 27 所示： 圖 27 H 橋電路圖 20 若 H 橋的 1 端為低電平， 2 端為高電平時，三極管 Q4 導通，Q1 截止，此時 Q3 的基極為低電平， Q2 的基極為高電平，因此三極管 Q2 和 Q6 導通， Q3 和 Q5 截止，電流流向如圖 28 所示，電機正轉。 圖 28 電機正轉示意圖 若 H 橋的 1 端為高電平， 2 端為低電平時，三極管 Q1 導通，Q4 截止，此時 Q3 的基極為高電平， Q2 的基極為低電平，因此三極管 Q3 和 Q5 導通， Q2 和 Q6 截止，電流流向如圖 29 所示，電機反轉。 21