【導(dǎo)讀】電路，PWM調(diào)速信號(hào)由單片機(jī)AT89AC52提供，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制由單片機(jī)控制H橋，文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，并且對(duì)PWM. 輸入信號(hào)波形等均作了詳細(xì)的闡述。此外，本文中還采用了芯片LN298作為直流電機(jī)正。轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動(dòng)模塊。另外，本系統(tǒng)中使用了測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。片機(jī)進(jìn)行PI運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制。

　　

【正文】 些初學(xué)者會(huì)對(duì)晶振的頻率感到奇怪， 12M、 24M 之類的晶振較好理解，選用如 的晶振給人一種奇怪的感覺，這個(gè)問(wèn)題解釋起來(lái)比較麻煩，如果初學(xué)者在練習(xí)串口編程的時(shí)候就會(huì)對(duì)此有所理解，這種晶振主 要是可以方便和精確的設(shè)計(jì)串口或其它異步通訊時(shí)的波特率。 四位數(shù)碼管 四位 數(shù)碼管 （圖 12所示） 是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是 發(fā)光二極管 。能顯示 4個(gè)數(shù)碼管叫四位數(shù)碼管。數(shù)碼管按段數(shù)分為 七段數(shù)碼管 和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光 二極管 單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和 共陰極數(shù)碼管 。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極 (COM)的數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 基于 H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 21 (COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)， 相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。 圖 12 4位數(shù)碼管 4 位數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 5 8=40根 I/O端口來(lái)驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè) 89S51單片機(jī)可用的 I/O端口才 32個(gè)呢：），實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8個(gè)顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM端電路的 控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。 4 位數(shù)碼管的引腳圖 4 位數(shù)碼管的引 腳圖如圖 13 所示 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 13 4位數(shù)碼管的引腳圖 4 位數(shù)碼管的參數(shù) 8字高度： 8字上沿與下沿的距離。比外型高度小。通常用英寸來(lái)表示。范圍一般為 。長(zhǎng) *寬 *高：長(zhǎng) —— 數(shù)碼管正放時(shí)，水平方向的長(zhǎng)度；寬 —— 數(shù)碼管正放時(shí)，垂直方向上的長(zhǎng)度；高 —— 數(shù)碼管的厚度。時(shí)鐘點(diǎn)：四位數(shù)碼管中，第二位 8與第三位 8字中間的二個(gè)點(diǎn)。一般用于顯示時(shí)鐘中的秒 。 4 位數(shù)碼管區(qū)分共陰陽(yáng)極的方法 首先數(shù)碼管有共陰極和共陽(yáng)極之分，區(qū)別他們的方法是若公共端接地，其他端接電源，若各段測(cè)試能亮，說(shuō)明是共陰的，反之共陽(yáng)的；若公共端接電源，其他端分別接的，測(cè)得各端亮，則說(shuō)明是共陽(yáng)的，反之為共陰的。世面上的四位一體的數(shù)碼管一般都沒有datasheet，所以掌握他們管腳的分布是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。下面是一張四位一體數(shù)碼管引腳分布圖 4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，引腳如圖所示（正面朝自己，小數(shù)點(diǎn)在下方）。a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dP為段引腳， 4分 別表示四個(gè)數(shù)碼管的位。 。 。 。 。 。 。 1 a f 2 3 b 。 。 。 。 。 。 基于 H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 23 e d dp c g 4 即： 12986為公共端， A11 B7 C4 D2 E1 F10 G5 DP3 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 4 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制器， H 橋作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，紅外測(cè)試，系統(tǒng)的總體框架圖如圖 14 所示 圖 14 總體框架圖 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)穩(wěn)壓電源 基于 7805芯片設(shè)計(jì) 7805 三端穩(wěn)壓集成電路，電子產(chǎn)品中常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出。 顧名思義，三端 IC 是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有 9013樣子的 TO92封裝。用 78系列三端穩(wěn)壓 IC 來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號(hào)中的 78 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 7806表示 輸出電壓為正 6V， 7909 表示輸出電壓為負(fù) 9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 基于 H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 25 在 78 系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是 TO220 和 TO202 兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號(hào)、引腳功能如附圖 15所示。 圖 15 7805芯片 從正面看①②③引腳從左向右按順序標(biāo)注，接入電路時(shí)①腳電壓高于②腳，③腳為輸出位。如對(duì)于 78**正壓系列，①腳高電位，②腳接地。 基于 7805 的系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖 16 所示。 圖 16 穩(wěn)壓電源原理圖 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 系統(tǒng) PWM 調(diào)速的設(shè)計(jì) 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在 10Hz 以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過(guò) 輸入高電平信號(hào)， 輸入低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；通過(guò) 輸入低電平信號(hào)， 輸入高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 、 同時(shí)為高電平或低電平時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。 要實(shí)現(xiàn)按住加 /減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時(shí)，每進(jìn)行一次增加 /減少一定的占空比。采用中斷方式，按下鍵，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。 圖 17 調(diào)速模塊硬件 如 圖 17所示， K1電機(jī)正反轉(zhuǎn)， K2 實(shí)現(xiàn)加速， K3 實(shí)現(xiàn)減速， K4停止。 基于 H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 27 電機(jī)測(cè)速電路 本設(shè)計(jì)采用的是紅外傳感器（由紅外線發(fā)射管、紅外線接收管構(gòu)成的紅外計(jì)數(shù)電路） 紅外線發(fā)射管 簡(jiǎn)介：紅外線發(fā)射管也稱紅外線發(fā)射二極管，屬于二極管類。它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成近紅外光（不可見光）并能輻射出去的發(fā)光器件，主要應(yīng)用于各種光電開關(guān)及遙控發(fā)射電路中。紅外線發(fā)射管的結(jié)構(gòu)、原理與普通發(fā)光二極管相近，只是使用的半導(dǎo)體材料不同。紅外發(fā)光二極管通常使用砷化鎵（ GaAs）、砷鋁化鎵（ GaAlAs）等材料，采用全透明 或淺藍(lán)色、黑色的樹脂封裝。 產(chǎn)品參數(shù)：發(fā)射距離、發(fā)射角度（ 15度、 30度、 45度、 60度、 90度、 120度、 180度）、發(fā)射的光強(qiáng)度、波長(zhǎng)。以上決定紅外線發(fā)射管產(chǎn)品的主要性能及使用范圍。 紅外線接收管 特征與原理： 紅外線接收管是將紅外線光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個(gè)特殊材料的 PN 結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上采取了大的改變，紅外線接收管為了更多更大面積的接受入射光線， PN結(jié)面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且 PN 結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于 1 微米。紅外線接收二 極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮? 微安），稱為暗電流。當(dāng)有紅外線光照時(shí)，攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入 PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子 空穴對(duì)（簡(jiǎn)稱：光生載流子）。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導(dǎo)”。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。 分類： 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 紅外線接收管有兩種，一種是光電二極管，另一種是光電三極管。光電二極管就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，光電三極管在將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的同時(shí)，也把電流放大了。因此，光電三極管也分為兩種，分別別是 NPN 型和 PNP 型。 作用： 紅外接收管的作用是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在光控、紅外線遙控、光探測(cè)、光纖通信、光電耦合等方面有廣泛的應(yīng)用。 如何選擇紅外線接收管：紅外線最重要的參數(shù)就是光電信號(hào)的放大倍率，一般的有 10001300 13001800 18002500，這些對(duì)靈敏度有決定作用。 紅外 計(jì)數(shù)電路 紅外計(jì)數(shù)電路硬件設(shè)計(jì)如圖 18 所示 圖 18 計(jì)數(shù)測(cè)速電路 紅外計(jì)數(shù)電路主要由紅外發(fā)射和接收電路組成 . 紅外發(fā)射和接收電路 : 在電動(dòng)機(jī)上安裝一對(duì)紅外發(fā)射和接收管 , 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,對(duì)紅外光反射、散射和折射 ,穿過(guò)紅外光的光強(qiáng)瞬間減少 , 紅外接收管導(dǎo)通程度也在瞬間減小 , 因而產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào) 。 信號(hào)放大比較電路 : 電容拾取脈沖信號(hào)后由運(yùn)放 LM324 進(jìn)行放大 , 放大倍數(shù)為 10 倍 , 再將放大的信號(hào)由運(yùn)放 LM324 比較后輸出標(biāo)準(zhǔn)的低電平脈沖信號(hào) (undershoot), 其中C1=0. 01μ F, R1=11KΩ , R2=500Ω , R3=10KΩ , R4=100KΩ , R5=100KΩ , R6=5KΩ , R7=100KΩ , R6 和 R7 起著抗干擾作用 [1]. 然后將獲得的脈沖信號(hào)送到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器引腳進(jìn)行計(jì)數(shù) , 這樣就可以達(dá)到計(jì)數(shù)的目的 . 基于 H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 29 直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 、 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 圖 19 中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“ H 橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?H。 4 個(gè)三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機(jī)就是 H 中的橫杠（注意：圖 19 及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖 ，而不是完整的電圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來(lái)）。 如圖所示， H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4 個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 圖 19 H橋驅(qū)動(dòng)電路 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖 20 所示，當(dāng) Q1管和 Q4 管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng) Q4 回到電源負(fù)極。按圖中 電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管 Q1 和Q4 導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍? 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 20 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 21 所示為另一對(duì)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針?lè)较颍? 圖 21 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 使能控制和方向邏輯 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證 H 橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管 Q1 和Q2 同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電 路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常 要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。 基于 H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 31 圖 22 所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電