【文章內(nèi)容簡介】 CAD） 等知名 EDA 公司設計文件，以便用戶順利過渡到新的 EDA 平臺。 Protel99 SE 共分 5 個模塊，分別是原理圖設計、 PCB 設計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、 PLD設計。 基于單 片機的直流電機 PWM 控制系統(tǒng)硬件設計包括 6 個部分 ， 分別是：液晶顯示電路、鍵盤控制電路、時鐘電路、復位電路、霍爾測速電路和驅(qū)動電路。設計本著簡單明了，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 型橋接電路這種設計能夠滿足直流電機的正反轉，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 。 設計 主要能 及時 準確生動的的進行 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，構成自激振蕩器。接法如圖 所示 。 沈陽理工大學應用 技術學院 學士學位 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。電容的安裝位置應盡量靠近單片機芯片。 復位 電路 的設計 單片機在啟動運行時都需要復位，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)復位。復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)常常有上電復位和操作復位兩種方法。上電復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位狀態(tài)。操作 復位是指用戶按下 “ 復位 ” 按鈕使單片機進入復位狀態(tài) [4]。本系統(tǒng)中這兩種復位電路（如圖 ）都體現(xiàn)出來了。 圖 單片機 的復位電路原理圖 沈陽理工大學應用 技術學院 學士學位 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)上電復位。 當按鈕 S0 按下時， RST 上同樣出現(xiàn)高電平 ， 實現(xiàn)復位。 液晶顯示器電路的設計 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、面配合背部燈管構成畫面。 LCD 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(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，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示 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，不論硬件電路結構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。 沈陽理工大學應用 技術學院 學士學位 論文 10 圖 LCD1602 實物圖 （一） LCD1602 主要技術參數(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 采用標準的 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 RS 和 R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當 RS 為高電平 R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 沈陽理工大學應用 技術學院 學士學位 論文 11 三、 1602LCD 的 RAM 地址映射及標準字庫表 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)應該是 01000000B（ 40H） +10000000B（ 80H） =11000000B（ C0H） 。 在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。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：阿拉伯數(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，被廣泛應用于各種嵌入式產(chǎn)品中。因而本設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應用 技術學院 學士學位 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。 其具體的電路設計如圖 所示 。 圖 液晶顯示 電路 鍵盤控制 電路的設計 系統(tǒng)需要通過鍵盤控制直流電機的轉速、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 獨立式鍵盤設計。其接口電路如圖 所示。 四 個開關分別和單片機的 、 、 、 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應用 技術學院 學士學位 論文 13 下，電壓與轉速成正比，從而使轉速增加。當按下 S2 后，正好相反，能夠使轉速減小。按下 S3，電機的轉動方式正好相反。當 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 動方向 。 S4：切換系統(tǒng)工作的通斷狀態(tài)。 霍爾測速電路的設計 所謂霍爾效應 [6]，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當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作用。所以說，需要有磁場的變化，才能有相應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區(qū)，那么等到電機軸上的磁鐵轉到霍 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?？梢杂糜嫈?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，設定沈陽理工大學應用 技術學院 學士學位 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，在電機轉動后，每當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速。 在實際的設計 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矩而實現(xiàn)的連續(xù)旋轉的。 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；轉動部分（轉子）由環(huán)形鐵芯上的繞組組成，定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置由 A 和 B 兩根導體連成的電樞線圈，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，由換向片構成的整沈陽理工大學應用 技術學院 學士學位 論文 15 體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間互相絕緣。在換向片上放置著一對固定的不動的電刷 B1 和 B2，當電樞旋轉時，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，兩段導體受到的力 形成了一個轉矩，使得轉子逆時針轉動；當其方向轉到圖 (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，兩段導體受到的力形成了一個轉矩，仍使得轉子逆時針轉動；如此循環(huán)，換向片配合電刷使得電機轉動起