【文章內(nèi)容簡介】 矩形脈沖構成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。上圖所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖， x(t)即為控制占空比的調(diào)制信號。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為 Ts 的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù) A，否則輸出 0。因此，從上圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。 PWM 產(chǎn)生方案的確定 經(jīng)過以上兩種 PWM 產(chǎn)生方式的分析，聯(lián)系本系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速還要在測速和顯示中用到中斷定時 器等片內(nèi)資源，而且對 PWM 產(chǎn)生和轉(zhuǎn)速控制要求較高響應速度。故本設計中采用片外硬件產(chǎn)生 PWM 信號的方式。 電機驅(qū)動方式 常用的直流電機驅(qū)動方式有 H 橋驅(qū)動方式，在直流電機功率較小時也用三極管或場效應管放大作放大器驅(qū)動。但目前應用最成熟和廣泛的還是由三極管，場效應管，晶閘管等這些器件組成的 H 橋 [2]，成本低，效果好，能提供較大的驅(qū)動電壓和電流，還可以控制電機轉(zhuǎn)向。 第 7頁 共 44頁 圖 H 橋直流電機驅(qū)動電路原理圖 另外現(xiàn)在市場上有很多專用的電機驅(qū)動芯片或模塊，使用簡單，簡化電路和降低電路的故障率。其中 L298N 就是一款常用的優(yōu)秀的電機驅(qū)動芯片，雖然最高電壓 40V，電流最大 2A， 由于 本系統(tǒng)是由小型直流電機，完全能夠滿足要求，故本系統(tǒng)選用 L298N 為電機驅(qū)動芯片。 其他芯片選擇 單片機采用常用的 AT89S52， MCS51 構架，性能優(yōu)秀，價格便宜，下載器等這些維護設備及相應的軟件都容易找到，兼容性也很好。 顯示芯片采用 74595 驅(qū)動數(shù)碼管工作， 8 位顯示兩個芯片負責段選，一個負責 8 位位選剛好夠， DS， OE， SH 三個控制端僅使用單片機 3 個 IO 口，節(jié)約資源。 為了簡化電路在實驗室有 177。12V 電源，電源芯片就采用一片 7805 由 12V 轉(zhuǎn)為 5V 穩(wěn)定直流電源為單片機供電就可以了。 4 硬件電路設計 主要芯片介紹 L298N 的構造及其功能介紹 L298N 是直流電機的專用驅(qū)動芯片，最高電壓可達 46V， 單路最高的 電流可達 2A。它內(nèi)部由 8 管構成的雙路 H 橋式驅(qū)動電路。 第 8頁 共 44頁 圖 L298N 的內(nèi)部構造框圖 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。 L298N 可接受標準 TTL 邏輯電平信號 VSS， VSS 可接 ～ 7 V 電壓。 4 腳VS 接電源電壓， VS 電壓范圍為＋ ～ 46 V。輸出電流可達 A，可驅(qū)動電感性負載。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 L298 可驅(qū)動 2 個電動機， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機 的方式，即 A 通道 。 5，7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。 ENA， ENB 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn) ,本設計中 ENA 接 PWM 信號 。表 是 L298N 功能邏輯圖 表 L298N 的控制方式 L298N 的控制方式 ENA IN1 IN2 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 第 9頁 共 44頁 圖 L298N 的引腳圖 In3， In4的邏輯圖與表 。由表 ENA 為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當 ENA 為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。 AT89S52的結構和功能介紹 AT89S52是一個低功耗，高性能 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S52可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解 決方案。 AT89S52具有如下特點： 40個引腳， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 32個外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷， 2個 16位可編程定時計數(shù)器 ， 2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外， AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直 至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求 [4]。 第 10頁 共 44頁 表 AT89S52的功能特點 AT89S52主要功能特性 : 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8k 可反復擦寫 (1000次 )ISP Flash ROM 32個雙向 I/O 口 工作電壓 3個 16位可編程定時 /計數(shù)器 時鐘頻率 033MHz 全雙工 UART 串行中斷口線 256x8bit 內(nèi)部 RAM 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模 式 3級加密位 看門狗 (WDT)電路 軟件設置空閑和省電功能 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 圖 AT89S52引腳圖 TL494結構及功能介紹 TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。 TL494有 SO16和PDIP16兩種封裝 形式，以適應不同場合的要求。其主要特性如下： (1)集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 (2)片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個 (一個電阻和一個電容 )。 (3)內(nèi)置誤差放大器。 (4)內(nèi)止 5V 參考基準電壓源。 (5)可調(diào)整死區(qū)時間。 第 11頁 共 44頁 (6)內(nèi)置功率晶體管可提供 500mA 的驅(qū)動能力。 (7)推或拉兩種輸出方式。 圖 TL494引腳圖 TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié) [3]，其振蕩頻率如下： osc 11? (41) 圖 TL494脈沖控制波形圖 輸出脈沖的寬度是通過電容 CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管 Q1和 Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號 第 12頁 共 44頁 為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖 。 TL494內(nèi)置一個 的基準電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達 10mA的負載電流，在典型 的 0—70℃ 溫度范圍 50mV 溫漂條件下，該基準電壓源能提供 177。5%的精確度 [3]。 由于外圍元件少，電路簡單，成本低，各種性能滿足設計需求，所以選用了此芯片作為本設計的 PWM 信號產(chǎn)生電路的鋸齒波產(chǎn)生元件。 TLC5615 的功能介紹 TLC5615 為美國德州儀器公司的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍。帶有上電復位功能，即把DAC 寄存器復位至全零 [5]。 TLC5615 性能價格比高， 管腳少便于設計安裝， 目前在市場 上 很方便購買。 TLC5615 的特點 (1)10 位 CMOS 電壓輸出； (2)5V 單電源供電； (3)與 CPU 三線串行接口； (4)最大輸出電壓可達基準電壓的二倍； (5)輸出電壓具有和基準電壓相同極性； (6)建立時間 ； (7)內(nèi)部上電復位； (8)低功耗，最大僅 。 TLC5615 引腳說明 TLC5615 有小型和塑料 DIP 封裝， DIP 封裝的 TLC5615 芯片引腳排列如圖 所示。引腳功能說明如表 ： 表 TLC5615 各引腳功能 腳 1 DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端 腳 2 SCLK 串行時鐘輸入端 腳 3 CS 芯片選用通端，低電平有效 腳 4 DOUT 用于級聯(lián)時的串行數(shù)據(jù)輸出端 腳 5 AGND 模擬地 腳 6 REFIN 基準電壓輸入端 腳 7 OUT DAC 模擬電壓輸出端 腳 8 VDD 正電源端 第 13頁 共 44頁 圖 TLC5615引腳排列圖 圖 TLC5615的時序圖 圖 TLC5615與 AT89C51單片機接口電路 TLC5615 的時序分析如圖 所示。由時序圖可以看出，當片選 CS 為低電平時，輸入數(shù)據(jù) DIN 由時鐘 SCLK 同步輸入或輸出，而且最高有效位在前，低有效位在后。輸入時 SCLK 的上升沿把串行輸入數(shù)據(jù) DIN 移入內(nèi)部的 16 位移位寄存器， SCLK 的下降沿輸出串行數(shù)據(jù) DOUT，片選 CS 的上升沿把數(shù)據(jù)傳送至DAC 寄存器。 當片選 CS 為高電平時，串行輸入數(shù)據(jù) DIN 不能由時鐘同步送入移位寄存器；輸出數(shù)據(jù) DOUT 保持最近的數(shù)值不變而不進入高阻狀態(tài)。由此要想串行輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)必須滿足兩個條件：第一 是 時鐘 SCLK 的有效跳變；第二 是 片選 CS 為低電平。這里， 為了減小 了使時鐘的內(nèi)部饋通，當片選 CS 為高電平時，輸入時鐘 SCLK 應當為低電平 [5]。 串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器 TLC5615 的使用有兩種方式，即級聯(lián) 方式和非級聯(lián)方式。如不使用級聯(lián)方式， DIN 只需輸入 12 位數(shù)據(jù)。 DIN 輸入的 12 位數(shù)據(jù)中，前 10位為 TLC5615 輸入的 D/A 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，且輸入時高位在前，低位在后，后兩位必 第 14頁 共 44頁 須寫入數(shù)值為零的低于 LSB 的位，因為 TLC5615 的 DAC 輸入鎖存器為 12位寬。本設計中使用其單片非級聯(lián)方式已能滿足要求。 LM358A 功能介紹 LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范 圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 LM358的封裝形式有塑封 8引線雙列直插式和貼片式。 圖 LM358引腳圖 LM311(高靈活性的電壓比較器 ) 能工作于 到 30V 的單個電源或 177。15V 分離電源，如通常的運算放大器一樣， 使用范圍廣闊， 使 LM311成為一種通用的比較器。該設備的輸入可以是 與系統(tǒng)隔離的，而輸出則可以驅(qū)動以地 電位為 參考或以 VCC 為參考的，或以 VEE電源為參考的負載。可以使 其靈活地 驅(qū)動 DTL、 RTL、 TTL 或者 MOS 邏輯 等類型的 負載 。 圖 LM311 的管腳圖 74595 功能介 紹 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。數(shù)據(jù)在 SCHcp 的上升沿輸入，在 STcp 的上升沿進入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。移位寄存器有一個串行移位輸入 (Ds)，和一個串行輸出 (Q7’)， 和一個 第 15頁 共 44頁 異步的低電平復位，存儲寄存器有一個并行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能 OE 有效 時 (為低電平 )，存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線 [6]。 圖 74595 的引腳圖 74HC595 各個引腳的功能 如表 所示。 表 74HC595 的引腳功能 Q0~7 是并行數(shù)據(jù)輸出口，即儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出口 Q739。 串行輸出口，其應該接 SPI 總線的 MISO 接口 STcp 存儲寄存器的時鐘脈沖輸入口 SHcp 移位寄存器的時鐘脈沖輸入口 OE 輸出使能端 MR 芯片復位端 Ds 串行數(shù)據(jù)輸入端 電機驅(qū)動電路設計 L298N 內(nèi)部集成了兩路的 H 橋式電路， 此設計只用了 L298N 的 A 路來驅(qū)動直流電機， 7 引腳的 IN IN2 的高低 電平組合控制電機的轉(zhuǎn)向和剎車， 6 腳的 ENA 接 PWM 信號，然后 PWM 信號經(jīng) L298N 斬波后，輸出端 3 引腳即OUT1 和 OUT2 之間的電壓與 PWM 信號的占空比大小成近似線性正比關系， 由PWM 的 占空比大小 來 控制輸出功率，從而電機的轉(zhuǎn)速也是受其控制的。 電源引腳加接地電容是為了濾波提高驅(qū)動電路的穩(wěn)定性。 在電機