【文章內(nèi)容簡介】 頻率在 15Hz30Hz 時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過 輸入高電平信號 輸入低電平與 。通過對信號占空比的調(diào)整來對直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 8 調(diào)速控制模塊 方案選擇 方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三：采用 驅(qū)動芯片 L298N 驅(qū)動直流電機(jī)， L298N 具有驅(qū)動能力強(qiáng)，外圍電路簡 單等優(yōu)點(diǎn)，因此我們采用方案三。 PWM 調(diào)速工作方式 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出 PWM 信號，兩口的輸出切換和對 PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 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，電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 9 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式 方案 一 ：采用軟件延時方式，在引入中斷 之 后，將有一定的誤差。 方案 二 ：采用定時器作為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us，綜合考慮我們采用方案二 [67]。 系統(tǒng)分析與 硬件設(shè)計(jì) 鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過 與 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM 脈 沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、驅(qū)動電動機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制 ， 電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)， 加速 ， 減速 、 急停 。 總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖 21所示： A T 8 9S 5 2輸 入 模 塊顯 示 模 塊驅(qū) 動 模 塊 直 流 電 機(jī)電 源 模 塊圖 21 系統(tǒng)硬件框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) ： 所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機(jī)和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機(jī)系統(tǒng)。一般來說，它包括單片機(jī)，晶振電路和復(fù)位電路。 設(shè)計(jì)部分分析： 單片機(jī) AT89S52 AT89S52 8位單片機(jī)是 MSC51174。系列產(chǎn)品的升級版，有世界著名半導(dǎo)體公司 10 ATMEL 在購買 MSC51174。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù) —— （掉電不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的 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)。 AT89S52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間、 8K 字節(jié) Flash 存儲空間，支持最大 64K 外部存儲擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在033M 之間。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 3 個定時器、 8 個中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(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，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機(jī)暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同場合的要求，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)有時需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40的封裝。 圖 22 DIP40封裝 89S52引腳圖 復(fù)位電路及時鐘電路 復(fù)位電路和時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)位和手動復(fù)位。 11 RST單片機(jī)C1R1GNDVCC RST單片機(jī)C2R2GNDVCCR3S?SWPB 上電復(fù)位 手動復(fù)位 有時系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動復(fù)位。 高頻率的時鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻。考慮到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于 選頻信號強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2引腳。并聯(lián) 2個 30pF 陶瓷電容幫助起振。 最小系統(tǒng)如圖： 12 圖 23 最小系統(tǒng) 電源電路設(shè)計(jì) 直流穩(wěn)壓電源的基本原理：直流穩(wěn)壓電源一般有電源變壓器 T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如下。 圖 24 直流電源原理 各部分作用： (1)電源變壓器 T的作用是將 220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n，式中 n是變壓器的效率。 (2)整流電路：整 流電路將交流電壓 Ui變換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓 U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 圖 25 整流電路 （ 3）濾波電路：各濾波電路 C滿足 RLC=（ 3~5） T/2，式中 T為輸入交流信號周期， RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。 13 圖 26 濾波電路 (4)穩(wěn)壓電路 :常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。二者的工作原理有所不同。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變 化這一特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它一般適用于負(fù)載電流變化較小的場合。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋的原理來調(diào)節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實(shí)上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。常用穩(wěn)壓電路歸納如下表： 電路名稱 典型電路 輸出電壓及有關(guān)參數(shù) 特點(diǎn)與用途 穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓 ? ?? ?0003~23~UUIIUUimZmZ??? 電路簡單，適用于輸出電壓恒定，負(fù)載電流變化小的場合，常用作基準(zhǔn)電源 可調(diào)穩(wěn)壓電源 Zf URRU ???????? ?? 10 1 電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸出電壓更穩(wěn)定且可調(diào)， 可獲得負(fù)電源 14 串聯(lián)型穩(wěn) 壓電路 ZURRU RR ???????? ???? ,23 210 1， ZUR RRU ???????? ??? 3 21m ax0 1 ZURR RU ???????? ??? 23 1m in0 1 電路較復(fù)雜，輸出電壓可調(diào)，輸出電流較大，應(yīng)用范圍廣 集成穩(wěn)壓 電源 ??78 系列為正電源 ??79 系列為負(fù)電源 輸出電壓固定，為 5V，9V， 12V， 15V， 18V 等，可根據(jù)需要選用 電路簡單，輸出電壓固定 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 由于單片機(jī) P3 口輸出的電壓最高才有 5V，難以直接驅(qū)動直流電機(jī)。所以我們需要使用 恒壓恒流橋式 2A 驅(qū)動芯片 L298N 來驅(qū)動電機(jī)。 L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號 VSS， VSS可接 ～ 7V電壓。 4腳 VS接電源電壓， VS電 壓范圍 VIH為＋ ～ 46V。輸出電流可達(dá) ，可驅(qū)動電感性負(fù)載。 1腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)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(jī)， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 同時需要加四個二極管在電機(jī)的兩端，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)的時候產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流燒壞電機(jī) [89]。具體驅(qū)動電路如下圖 27： 15 圖 27 驅(qū)動電路 顯示模塊設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)顯示模塊采用的是 SM410564 四位共陽數(shù)碼管顯示，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出端口輸出的電流小，點(diǎn)亮數(shù)碼管的能力不大，所以需要采用三極管放大輸出電流，此次三極管采用的是 C9013，具體放大電路如圖示： 16 圖 28 放大電路 鍵盤電路設(shè)計(jì) 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速五個開關(guān)分別與單片機(jī)的 ， ， ， 相連，然后再與地相連。急停實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的停轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的 反轉(zhuǎn)，加速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加速，減速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的減速，其電路如圖： 17 圖 29 按鍵電路 元件選擇與參數(shù)計(jì)算 （ 1）整流電路參數(shù) 輸出電壓平均值： Uo(AV)= U322 2? 輸出電流平均值： IO(AV)=LLAVO RURU 2)( ? 平均整流電流： ID(AV)=LLAVOAVO RURUI 2)()( ?? 最大反向電壓： URM= 22U 整流二極管的選擇（考慮電網(wǎng) %10? ）：????? ?? LFRR UI UU 22 （ 2）濾波電路參數(shù) 18 濾波電容選擇： RLC=(3～ 5) 一般選幾十至幾千微法的電解電容，耐壓 U （ 3）實(shí)際計(jì)算過程 7812 正常工作，必須保證輸入與輸出之間維持大于 2V 的壓降，因此7812 輸入端直流電壓必須保證 14V 以上。 7812 輸入端的電流是對 變壓器副邊輸出電壓 U（ t） 整流、濾波后得到的。假設(shè)整流電路內(nèi)阻為 0，負(fù)載電流為 0， 7812輸入端有最大電壓 U=， Uef 是 U（ t） 有效值。由于濾波電容不可能無限大，所以 U＜ ，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知 U=，可知 Uef=，考慮到整流橋經(jīng)過兩個二極管約有 的壓降，得變壓器可取 15V。 ：變壓器選擇雙 15V 變壓，考慮到電流不需要太大，最大電流為 1A，實(shí)際選擇變壓器輸出功率為 10W，可以很好的滿足要求。 ：考慮到電路中會出現(xiàn)沖擊電流，整流橋的額定電流是工作電流的2~3 倍。選取 RS301（ 100V， 3A）即可，實(shí)際購買過程中選擇了 RS307（ 700V，3A）也符合設(shè)計(jì)要求。 ：考慮到對紋波電壓要求比較高，故選擇了 2200μ F 耐壓值為25V 以及 100μ F耐壓值 50v 的電解電容。 ：去耦電容的選擇是 7812 及 7805 芯片要求的，查手冊可知分別為 F、用來濾除高頻分量防止產(chǎn)生自激。 ，故在輸出端加入 2200μ F、耐壓值為 25V的電解電容。 。 至此，所有元件的參數(shù)都已經(jīng)確定。 （ 4） 12v、 5v 電源電路 19 圖 210 12v直流電源電路圖 圖 211 5v直流電源電路圖 20 系統(tǒng)整體硬件電路圖如圖 2