【文章內(nèi)容簡介】 CAD） 等知名 EDA 公司設(shè)計文件，以便用戶順利過渡到新的 EDA 平臺。 Protel99 SE 共分 5 個模塊，分別是原理圖設(shè)計、 PCB 設(shè)計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、 PLD設(shè)計。 基于單 片機的直流電機 PWM 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計包括 6 個部分 ， 分別是：液晶顯示電路、鍵盤控制電路、時鐘電路、復(fù)位電路、霍爾測速電路和驅(qū)動電路。設(shè)計本著簡單明了，成本低廉，實用性強的原則。 首先， 系統(tǒng)的主控芯片采用的是 MCS51 系列單片機 ， 這是已經(jīng)在工業(yè) ，民用業(yè) 現(xiàn)場應(yīng)用十分廣泛的單片機型號了，目前已經(jīng)發(fā)展了很多增強功能，本設(shè)計采用的是 STC89C52RC 單片機。 其次，驅(qū)動電路，采用的是 H 型橋接電路這種設(shè)計能夠滿足直流電機的正反轉(zhuǎn)，實驗中采用 5V 的直流電機 。還有 ，顯示部分 采用液晶顯示器 1602LCD 進行顯示 。 設(shè)計 主要能 及時 準(zhǔn)確生動的的進行 數(shù) 據(jù)的顯示， 以便于 直觀的看到 電機的轉(zhuǎn)速 變化 、正反方向以及占空比等 情況 。最后， 添加了蜂鳴器電路，與 PWM 波同頻率，以便直觀的觀察占空比的變化。 時鐘 電路的設(shè)計 MCS51 系列單片機 HMOS 器件內(nèi)含有一個高增益的反相放大器，通過 XTALXTAL2 外接作為反饋元件的晶體后，構(gòu)成自激振蕩器。接法如圖 所示 。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 8 圖 單片機 的時鐘電路原理圖 振蕩器的振蕩頻率主要取決于晶體；電容對振蕩頻率有微調(diào)作用，通常在 30pF 左右。電容的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機芯片。 復(fù)位 電路 的設(shè)計 單片機在啟動運行時都需要復(fù)位，以便 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于某一確定的初始狀態(tài)，并從該狀態(tài)開始工作。 MCS51 系列單片機的復(fù)位（ RST）引腳上只要出現(xiàn)了 10ms 以上的高電平，單片機就實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位的功能是把程序計數(shù)器 PC 值初始化為 0000H，使單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除此之外，復(fù)位操作還對一些特殊功能寄存器的值有影響。 MCS51 系列單片機系統(tǒng)常常有上電復(fù)位和操作復(fù)位兩種方法。上電復(fù)位是指單片機上電瞬間，要在 RST 引腳上出現(xiàn)寬度大于 10ms 的正脈沖，才能使單片機進入復(fù)位狀態(tài)。操作 復(fù)位是指用戶按下 “ 復(fù)位 ” 按鈕使單片機進入復(fù)位狀態(tài) [4]。本系統(tǒng)中這兩種復(fù)位電路（如圖 ）都體現(xiàn)出來了。 圖 單片機 的復(fù)位電路原理圖 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 9 上電時， +5V 電源立即對單片機芯片供電，同時經(jīng) R 對電容 C 充電。 C 上電建立的過程就是負脈沖的寬度，經(jīng)過倒相后， RST 上出現(xiàn)正脈沖使單片機實現(xiàn)上電復(fù)位。 當(dāng)按鈕 S0 按下時， RST 上同樣出現(xiàn)高電平 ， 實現(xiàn)復(fù)位。 液晶顯示器電路的設(shè)計 液晶顯示元件的選擇 LCD 液晶顯示器，英文名字是 Liquid Crystal Display，縮寫為 LCD。它的主要 原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。 LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。 液晶顯示器 （ LCD） 是平板顯示器的一種，具有低電壓、微功耗、無輻射、小體積等特點，被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式產(chǎn)品中。 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中常用的液晶顯示器有 12864 液晶和 LCD1602， 帶中文字庫的12864 液晶 是一種 具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫 的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨 率為 12864, 內(nèi)置 8192個 16*16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 點陣的漢字。也可完成圖形顯示。 LCD1602 顯示模塊只能實現(xiàn) ASCII 字符顯示，但是 低電壓低功耗。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 所以考慮到淋浴房溫度控制顯示系統(tǒng)不需要 太多的顯示內(nèi)容，從經(jīng)濟實惠的角度考慮。本設(shè)計選用 LCD1602。 液晶顯示元件 1602 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊，本設(shè)計使用的是長沙太陽人電子有限公司的1602 字符型液晶顯示器。一般 1602 字符型液晶顯示器實物如圖 所示。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 10 圖 LCD1602 實物圖 （一） LCD1602 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量 為 162 個字符；芯片工作電壓 是 —；工作電流 為 （ ）；模塊最 佳工作電壓 是 ；字符尺寸 為 （ WH） mm。 （ 二 ） 引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 。 表 1602LCD 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù) 據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負極 其中 VL 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時可以通過一個 10kΩ 的電位器調(diào)整對比度。 RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng) RS 和 R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當(dāng) RS 為高電平 R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 11 三、 1602LCD 的 RAM 地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫表 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則 此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在 何處 顯示字符， 如 圖 是 1602 的內(nèi)部顯示地址。 圖 LCD1602 內(nèi)部顯示地址 例如第二行第一個字符的地址是 40H，那么是否直接寫入 40H 就可以將光標(biāo)定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位 D7 恒定為高電平 1 所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是 01000000B（ 40H） +10000000B（ 80H） =11000000B（ C0H） 。 在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標(biāo)是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ CGROM）已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常 用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如 英文字母 “ A” 的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時模塊把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來， 就能看到字母 “ A” 。 液晶顯示 電路設(shè)計 液晶顯示器 （ LCD） 是平板顯示器的一種，具有低電壓、微功耗、無輻射、小體積等特點，被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式產(chǎn)品中。因而本設(shè)計采用液晶顯示器顯示溫室環(huán)境信息。 液晶顯示器的接口電路有 2 種 ： 一種是總線式接口電路方式 ； 另一種是非總線式接口電路方式 。 總線式接口電路方式是把液晶顯示器看做外部的數(shù)據(jù)存儲器 ， 訪問液晶顯示器就像訪問數(shù)據(jù)存儲器的一個單元一樣 ， 采用這種方式能充分發(fā)揮單片機的總線讀寫功能 ， 便于升級和擴展。而非總線方式是直接利用 I/O 口進行讀寫 ， 較靈活 ， 不便于升沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 12 級 。 這里采用總 線式接口方式。接口時要注意顯示器的使能信號 E 是高電平有效 ， 而單片機的讀、寫信號是低電平有效 ， 所以要取反。這里使用的液晶顯示器為 LCD1602。LCD1602 為字符點陣式液晶顯示器 ， 可以顯示 162 個字符 ， 可以滿足要求 。 單片機將數(shù)據(jù) 發(fā)送到 LCD 顯示模塊 ， 并控制 LCD 顯示模塊按照一定的格式顯示的 功能。 其具體的電路設(shè)計如圖 所示 。 圖 液晶顯示 電路 鍵盤控制 電路的設(shè)計 系統(tǒng)需要通過鍵盤控制直流電機的轉(zhuǎn)速、方向與啟停。 按鍵鍵盤有獨立式按鍵和矩陣式鍵盤 [5]兩種形式。根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)采用 獨立式鍵盤設(shè)計。其接口電路如圖 所示。 四 個開關(guān)分別和單片機的 、 、 、 相連。 按下 S1 單片機產(chǎn)生 PWM的波形占空比增大，從而使得直流電機兩端的電壓平均電壓增大，在磁通量不變的情況沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 13 下，電壓與轉(zhuǎn)速成正比，從而使轉(zhuǎn)速增加。當(dāng)按下 S2 后，正好相反，能夠使轉(zhuǎn)速減小。按下 S3，電機的轉(zhuǎn)動方式正好相反。當(dāng) S4 按下時，系統(tǒng)會停止工作。如此循環(huán)。 圖 溫度上下限調(diào)節(jié)電路原理圖 四 個按鈕控制功能如下： S1： 增加 PWM 波形的占空比 。 S2： 減小 PWM 波形的占空比。 S3： 切換直流電機的轉(zhuǎn) 動方向 。 S4：切換系統(tǒng)工作的通斷狀態(tài)。 霍爾測速電路的設(shè)計 所謂霍爾效應(yīng) [6]，是指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當(dāng)電流通過霍爾元件時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則霍爾元件兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差（即稱為霍爾電壓），由于磁場的變化，于是霍爾元件發(fā)出脈沖信號傳輸給控制器來處理，從而實現(xiàn)測速測位置等傳感器或開關(guān)作用。所以說，需要有磁場的變化，才能有相應(yīng)的霍爾脈沖信號輸出，對于單極性的霍爾，那么你就用磁鐵的一極朝向霍爾的正面感應(yīng)區(qū)，那么等到電機軸上的磁鐵轉(zhuǎn)到霍 爾放置的位置時，就會因為受到磁場變化，并切割磁力線，霍爾就會輸出脈沖信號。 利用霍爾測速就是利用這個原理。通常可以用計數(shù)法、測脈寬法和等精度法來進行測試。所謂計數(shù)法就是給定一個閘門時間，在閘門時間內(nèi)，計數(shù)輸入的脈沖個數(shù)：脈沖寬度就是利用待測信號的脈寬來控制計數(shù)門。對于一個高精度的高頻計數(shù)信號進行計數(shù)。由于閘門不能與被測信號同步。因此，這兩種都存在一定的誤差第一種方法適合信號頻率高的情況。第二種適合頻率低的情況。實驗中，采用第一種方法進行測速，設(shè)定沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 14 的閘門時間為 1S。 霍爾傳感器具有體積小，噪聲低，靈敏度高，快 速上電等優(yōu)點。實際中安裝方法如圖 所示。 圖 霍爾元件安裝圖 在直流電機的主軸上安裝一個小磁剛，在電機轉(zhuǎn)動后，每當(dāng)小磁鋼接近霍爾元件時，由霍爾元件的特性可知，此時霍爾輸出為低電平，當(dāng)小磁鋼遠離霍爾元件時，霍爾輸出為高電平，如此循環(huán)，霍爾元件就能夠測出電機的轉(zhuǎn)速。 在實際的設(shè)計 中， 采用單極性的霍爾元件， 霍爾元件 的 2 腳 連接 到 單片機的 ，如圖 所示。 單片機的 定時器 1 工作在計數(shù)狀態(tài)。 圖 霍爾元件連接圖 驅(qū)動電路的設(shè)計 直流 電 機簡介 直流電動機，這些年來一直作為換能器。絕大多數(shù)的直流電動機都是由電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)的。 有刷直流電機的物理模型如圖 所示。 其中固定部分（定子）由磁鐵（成為主磁極）和電刷組成；轉(zhuǎn)動部分（轉(zhuǎn)子）由環(huán)形鐵芯上的繞組組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置由 A 和 B 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 15 體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間互相絕緣。在換向片上放置著一對固定的不動的電刷 B1 和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。 圖 有刷直流電機的物理模型圖 有刷直流電機的工作原理如圖 所示。給兩個電刷加上直流電源，如圖 (a)所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd,從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab 和 cd 受到電磁力的作用，其方向由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力 形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)其方向轉(zhuǎn)到圖 (b)所示的位置，電刷 A 與換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片 1 接觸，直流電機從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是 dcba,從電刷 B 流出。此時載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用，其方向仍由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，仍使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；如此循環(huán)，換向片配合電刷使得電機轉(zhuǎn)動起