【導(dǎo)讀】直流電機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字電子。技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研各個(gè)領(lǐng)域。并且在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由。速技術(shù)，具有調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬和損耗低的特點(diǎn)。自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。本設(shè)計(jì)主要介紹了使用微控制器AT89S51的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。主電路主要采用四個(gè)小鍵盤(pán)控制AT89S51單片機(jī)，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)并。產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，然后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298對(duì)小型直流電機(jī)進(jìn)行控制。芯片和四位LED構(gòu)成轉(zhuǎn)速檢測(cè)顯示電路。通過(guò)按鍵的調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)控制直流電。機(jī)啟動(dòng)、停止、方向和速度。設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)，采用了大量的集成電路模塊，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。測(cè)速子程序和顯示子程序的編寫(xiě)思路以及具體的程序?qū)崿F(xiàn)。

　　

【正文】 298 的引腳功能介紹，圖 33 是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件電路圖 。 表 33 L298 的引腳功能 引腳 符號(hào) 功能 1 SENSEA 此兩端與地連接電流檢測(cè)電阻，并向驅(qū)動(dòng) 芯片反饋檢測(cè)到的信號(hào) 15 SENSEB 2 OUT1 此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器 A的兩個(gè)輸出端， 用來(lái)連接負(fù)載 3 OUT2 4 Vs 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端 5 IN1 輸入標(biāo)準(zhǔn)的 TTL邏輯電平信號(hào)，用來(lái) 控制全橋式驅(qū)動(dòng)器 A的開(kāi)關(guān) 7 IN2 6 ENA 使能控制端 .輸入標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號(hào)；低電平時(shí) 全橋式驅(qū)動(dòng)器禁止工作 11 ENB 8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與 8 腳相通 9 Vss 邏輯控制部分的電源輸人端口 2010 IN3 輸入標(biāo)準(zhǔn)的 TTL邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制 全橋式驅(qū)動(dòng)器 B 的開(kāi)關(guān) 12 IN4 13 OUT3 此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器 B 的兩個(gè)輸出端， 用來(lái)連接負(fù)載 14 OUT4 單片機(jī) AT89S51輸出的脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)需經(jīng)過(guò)功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是 L298 驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)接口電路如圖 33 所示。 L298 有單極性、雙極性 2 種工作方式。單極性工作方式指的是在一個(gè) PWM 周期內(nèi)，電機(jī)的電樞只承受單極性的電壓；雙極性工作方式是指在一個(gè) PWM 周期內(nèi)電機(jī)電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化。調(diào)速控制系統(tǒng) 采用的是單極性工作方式。單片機(jī)的PWM 輸出引腳 接 L298 的 EnA 和 EnB 引腳 ,它控制著電機(jī)轉(zhuǎn)速大??；單片機(jī)的 經(jīng)過(guò)一定的邏輯電路接到 L298 的 IN1， IN2， IN3， IN4 輸入引腳上，它控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 圖 33 L298 驅(qū)動(dòng)芯片硬件電路 比較器 LM393 主要起到了限制過(guò)流和保護(hù) L298 的作用。 LM393 的同相端直接連到了一個(gè)可變電位計(jì)上 ， 電位計(jì)的參考電壓是可調(diào)的。調(diào)節(jié)電位計(jì)的參考電壓能調(diào)節(jié) L298 的限流電壓。 LM393 的反相端接到 L298 的 SENSEA 和 SENSEB兩檢測(cè)端。當(dāng)檢測(cè)電 阻兩端的電壓大于限流電壓時(shí) ， 比較器的反相端的電壓大于 21 同相端的電壓 ， 輸出端輸出低電平 ， 從而把 L298 的 EnA 和 EnB 使能端拉低 ，L298 停止工作。這就起到了限制過(guò)流和保護(hù) L298 的作用。為了增強(qiáng) L298 的驅(qū)動(dòng)能力 ， 本調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì) L298 的兩路驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了并聯(lián)使用 ， 最大驅(qū)動(dòng)能力可以達(dá)到 3A?，F(xiàn)在我們可以通過(guò) L298 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，分析 L298 實(shí)現(xiàn)的功能，如圖 34： 圖 34 L298 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 L298 的邏輯控制見(jiàn)表 34。其中 C 為 IN IN3， D 為 IN IN4； L 為低電平， H 為高電平， ※ 為無(wú)論是低電平 還是高電平。 Ven 為電壓比較器輸出端信號(hào)。 對(duì)于 L298 的應(yīng)用，還需要對(duì)采樣電阻 R10 進(jìn)行選擇。對(duì) R10 進(jìn)行選擇，以下幾個(gè)因素是必須考慮的。第一， L298 的允許采樣電壓值是 2V，超過(guò)這一幅度，芯片會(huì)自動(dòng)保護(hù)從而停止工作。第二， L298 允許的電流和功率的限制。第三，電阻自身可能達(dá)到的功耗。在本設(shè)計(jì)中，選用了阻值 額定功率 5W 的電阻保證電機(jī)可正常工作。 表 34 L298 對(duì)直流電機(jī)的邏輯真值表 輸入 輸出 Ven=H C=H； D=L 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，正轉(zhuǎn) Ven=H C=L； D=H 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，反轉(zhuǎn) Ven=L C=※ ； D=※ 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)制動(dòng) Ven=L C=※ ； D=※ 停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)不工作 PWM 無(wú)輸 出 Ven=※ ； C=※ ； D=※ 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)制動(dòng)； 停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)不工作 鍵盤(pán)部分 22 在第二章已經(jīng) 選 用 了獨(dú)立式鍵盤(pán)作為該系統(tǒng)的輸入設(shè)備， S S S3 和 S4分別控制電機(jī)的啟停、方向、加速和減速，其與單片機(jī)的接口電路如圖 35 所示。 圖 35 獨(dú)立 鍵盤(pán)電路 硬件圖 本設(shè)計(jì)采用的是查詢工作法， 按鍵產(chǎn)生的抖動(dòng)采用軟件延時(shí)方法消去 ，具體方法在第 4 章有詳細(xì)介紹 。 直接在主程序中 插入鍵盤(pán)子程序，主程序每執(zhí)行一次，鍵盤(pán)子程序就執(zhí)行一次。如果沒(méi)有鍵按下就跳過(guò)鍵識(shí)別，直接執(zhí)行主程序；如果有鍵按下，則執(zhí)行鍵盤(pán)子程序，得到按鍵編碼值，然后根據(jù)編碼值進(jìn)行處理。處理完以后再回到主程序執(zhí)行。 LED 顯示部分 這里直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所使用的是四位共陽(yáng) 極數(shù)碼管顯示直流電 機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，為了節(jié)省 I/O 口我們使用譯碼器 74LS47 來(lái)把四位的 BCD 碼轉(zhuǎn)換成七段 LED 顯示，在下章軟件部分講述單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)速數(shù)值用 BCD 表示。下面給出 LED 與單片機(jī)的接口電路圖，如圖 36 所示： 由圖 36 可以看出 AT89S51 單片機(jī)的 、 、 、 作為 BCD 碼的輸出口，分別與譯碼器的 A、 B、 C、 D 引腳相連 ； 單片機(jī)的 、 、 和 分別作為四位 LED 的由低位到高位的選通腳。設(shè)計(jì)中采用了通過(guò)控制三極管來(lái)選通 LED 的方法。這里選用了一個(gè) NPN 三極管，當(dāng)給其高電平時(shí)就導(dǎo)通，給其低電平時(shí)就截止。由于 LED 正常的工作電壓為 左右，如果直接給 LED選通端接 5V 電壓， LED 可能會(huì)燒毀，所以先接兩個(gè)壓降為 的普通二極管進(jìn)行降壓后再送到三極管的集電極。這樣做可以保證 LED 能正常地工作。 23 圖 36 LED 與單片機(jī)接口圖 測(cè)速部分 第二章已經(jīng)對(duì)測(cè)速傳感器進(jìn)行了選擇，由圖 28 可知 CS3020 有三個(gè)引腳，其中 1 腳接電源， 2 腳接地， 3 腳接輸出，安裝簡(jiǎn)單方便易用。在電機(jī)的轉(zhuǎn)葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出兩個(gè)脈沖 ，這樣可測(cè)出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 其硬件原理 圖如圖 37 所示： 圖 37 測(cè)速硬件原理 圖 CS3020 工作原理是將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因其內(nèi)部含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)，故能實(shí)現(xiàn)以上功能。圖 38（ a） 和圖 38（ b）分別是 CS3020 的功能圖和輸出特性圖。對(duì)于開(kāi)關(guān)型傳感器 24的正值規(guī)定是：用磁鐵的 S 極接近傳感器的端面所形成的 B 值為正值。由輸出特性圖可以看出：當(dāng) B=0 時(shí)， VO 為高電平；當(dāng)外磁場(chǎng)增至 BOP 時(shí)，輸出 VO 由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場(chǎng)由 BOP降 BRP時(shí)輸出 VO由低電平反向， BRP 被為釋放點(diǎn)。對(duì)于 CS3020， BOP=， BRP=， VOL=80~150mV， VOH=4V， 工作電壓為 ～ 24V。 圖 38（ a） CS3020 功能圖 圖 38（ b） CS3020 輸出特性 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 B VO VOH VOL BRP BOP 25 圖 39 復(fù)位電路 圖 310 時(shí)鐘電路 復(fù)位是單片機(jī)初始化操作，不僅可以正常工作時(shí)初始化，也可在發(fā)生故障時(shí)初始化 ，以擺脫困境，復(fù)位電路如圖 39 所示 。單片機(jī)的復(fù)位電路剛通電時(shí)，開(kāi)始電容內(nèi)沒(méi)有電，通電后 5V 電壓給電解電容充電，電容兩端 電壓逐漸升至 4V左右，復(fù)位由低電平變?yōu)楦唠娖?。?dāng) S5 按下時(shí)， C11 開(kāi)始發(fā)電，則電容兩端電壓又恢復(fù)至 0V，這就是進(jìn)行了一次手動(dòng)復(fù)位。 單片機(jī)的每個(gè)功能部件都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)的，不僅時(shí)鐘頻率影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片 機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 時(shí)鐘電路如圖310 所示。本設(shè)計(jì)采用 12MHZ 晶振，外接電容 C12 和 C13 選用 30pF。外接電容會(huì)影響振蕩器的頻率高低、穩(wěn)定性和起振的快速性，晶振頻率越高即系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也越快。當(dāng)單片機(jī)芯片和時(shí)鐘系統(tǒng)正常工作時(shí)，用外用表可測(cè)出 晶振腳 XTAL1 和 XTAL2 的電壓分別為 和 。 本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率適用于 12MHZ， C11 取 100uF， R13 取 10K，為保證可靠復(fù)位初始化程序中應(yīng)有一段延遲時(shí)間。 整體電路設(shè)計(jì) 整體電路設(shè)計(jì)部分見(jiàn)附錄 A 所示。 26 本章小結(jié) 本章開(kāi)頭主要介紹了該系統(tǒng)中所用的微控制器 AT89S51 的引腳功能和主要特性以及詳細(xì)介紹了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298 的功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等；接著分別介紹了在該系統(tǒng)中獨(dú)立鍵盤(pán)、 LED 顯示器和霍爾測(cè)速元件與單片機(jī)的接口電路； 本章最后介紹了復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路，并給出了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的整體硬件圖。 4 軟件系統(tǒng)的論述 主程序 匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的語(yǔ)言，它顯著的特點(diǎn)是：程序結(jié)構(gòu)緊湊，占用存儲(chǔ)空間少；實(shí)用性強(qiáng)，執(zhí)行的速度快；能直接管理和控制存儲(chǔ)器及硬件接口，充分發(fā)揮硬件的作用。 在設(shè) 計(jì) 編程時(shí)要盡量向 結(jié)構(gòu)化、模塊化方向編寫(xiě)， 整個(gè)程序清單見(jiàn)附錄 C。本章將對(duì)單片機(jī)控制的 PWM 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的程序做具體分析。本節(jié)是對(duì)主程序的流程作分析，具體流程圖如圖 41 所示： 程序入口 數(shù)據(jù)初始化 中斷初始化 調(diào)用測(cè)速子程 序 調(diào)用鍵盤(pán)子程序 調(diào)用顯示子程序 圖 41 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主流程 27 在 圖 41 中可以 看出 首先 對(duì) 數(shù)據(jù) 然后對(duì)數(shù)據(jù)和中斷初始化。 對(duì)控制直流電機(jī)的選通信號(hào)和 方向信號(hào)的引腳置 0（通電時(shí)電機(jī)不啟動(dòng)，直至啟動(dòng)鍵按下后才啟動(dòng)，啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)向是正轉(zhuǎn)）；接著就要對(duì)顯示子程序中用到的數(shù)據(jù)寄存單元及測(cè)速子程 序中用到的時(shí)間寄存器和數(shù)據(jù)寄存器清零 ；設(shè)定 T0 的工作方式及定時(shí)時(shí)間，開(kāi)中斷，并讓 T0 開(kāi)始工作；最后執(zhí)行鍵盤(pán) 掃描子程序。以后就循環(huán)著執(zhí)行測(cè)速子程序、顯示子程序和鍵盤(pán)子程序。 鍵盤(pán)掃描子程序 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)只需用到 4 個(gè)鍵，所以選用獨(dú)立式鍵盤(pán)，這點(diǎn)在第二章已經(jīng)有 詳細(xì)的分析了。這里用到的獨(dú)立式鍵盤(pán)一共就由 4 個(gè)鍵組成，分別控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，加速和減速。 鍵盤(pán)的按鍵方式分為接觸式和非接觸式兩種，而在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一般是用機(jī)械式觸點(diǎn)。 在本設(shè)計(jì)中按鍵 S 未按下時(shí)， 口輸入為高電平，按鍵 S 按下后，對(duì)應(yīng)的 口輸入低電平。因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)中按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，按鍵閉合或斷開(kāi)時(shí)均會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí) 口輸入端的輸出波形如圖 42 所示。雖然這種抖動(dòng)只是毫秒級(jí)，人是感覺(jué)不到的，但是計(jì)算機(jī)的處理速度是微 秒 級(jí)的，所以這種抖動(dòng)對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)影響還是很大的。所以在鍵盤(pán)使用中必須解決抖動(dòng)問(wèn)題。 圖 42 鍵盤(pán)按下時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象 常用的去抖動(dòng)方法有兩種：硬件方法和軟件方法。而在單片機(jī)中一般都常用軟件方法，本設(shè)計(jì)中也是用軟件解決去抖動(dòng)問(wèn)題。 軟件解決抖動(dòng)方法：如 果檢測(cè)到 口為低電平時(shí)，等待一段時(shí)間，即延時(shí) 10ms 或更長(zhǎng)時(shí)間， 口仍為低電平，那么即可認(rèn)為對(duì)應(yīng)的按鍵 S 被按下。關(guān)于按鍵釋放的后沿一般不對(duì)其進(jìn)行處理，這里就不多做說(shuō)明。 鍵盤(pán)子程序的流程圖如圖 43 所示。 N 28 圖 43 鍵盤(pán)子程序流程圖 PWM 信號(hào)發(fā)生程序 本設(shè)計(jì)采用的 AT89S51 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件方法模擬輸出 PWM 波形，具體流程圖見(jiàn)下圖 44。 返回 掃描鍵盤(pán) 有鍵閉合 ? N N N N N Y 啟動(dòng)、取反 S1? Y Y Y S4? S3? 方向、取反 減速 加速 S2? Y Y 有鍵閉合 ? 延時(shí)去抖動(dòng) 29 相對(duì)應(yīng)用硬件實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào)，用軟件實(shí)現(xiàn)具有成本低，限制少，實(shí)現(xiàn)便捷等優(yōu)點(diǎn)。但是實(shí)現(xiàn)高 性能的軟件 PWM，也不是容易的事情。軟件 PWM 的最大難題是死區(qū)的大小，就是 PWM 的最少分辨時(shí)間；其次是程序的效率問(wèn)題。用軟件實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào)，常用兩種方法：一種是用定時(shí)器控制 PWM 輸出，此種方法死區(qū)時(shí)間最少占 5 個(gè)指令周期，分辨率比較低。第二種是應(yīng)用指令延時(shí)實(shí)現(xiàn) PWM的輸出，此種方法的分辨率可以達(dá)到一個(gè)指令周期，但是程序較為復(fù)雜，而且占用機(jī)時(shí)比較多。理論上，把這兩種方法結(jié)合起來(lái)，根據(jù)不同的占空比，采用相應(yīng)合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問(wèn)題。 圖 44 就是 用延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn) PWM 波形輸出的流程圖。在本設(shè)計(jì)中 ，應(yīng)用單片機(jī)每 50 個(gè)機(jī)器周期為 PWM波形的基本周期（ AT89S51 采用 12MHz的晶 振 ，即 PWM 波形的周期為 100uS，其頻率為 10KHz），采用定頻調(diào)寬的方法。定時(shí)器 T0 確定 PWM 波的頻率， T1 確定高電平的時(shí)間，這樣改變 T1 的初值就可以改變占空比。詳細(xì)程序見(jiàn) 附錄 C。 圖 44