【導讀】電路，PWM調(diào)速信號由單片機AT89AC52提供，電機的驅(qū)動運轉(zhuǎn)控制由單片機控制H橋，文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對PWM. 輸入信號波形等均作了詳細的闡述。此外，本文中還采用了芯片LN298作為直流電機正。轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動模塊。另外，本系統(tǒng)中使用了測速發(fā)電機對直流電機的轉(zhuǎn)速。片機進行PI運算，從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。

　　

【正文】 些初學者會對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，這個問題解釋起來比較麻煩，如果初學者在練習串口編程的時候就會對此有所理解，這種晶振主 要是可以方便和精確的設計串口或其它異步通訊時的波特率。 四位數(shù)碼管 四位 數(shù)碼管 （圖 12所示） 是一種半導體發(fā)光器件，其基本單元是 發(fā)光二極管 。能顯示 4個數(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)碼管多一個發(fā)光 二極管 單元（多一個小數(shù)點顯示）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和 共陰極數(shù)碼管 。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極 COM 接到 +5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。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)動直流電機的調(diào)速系統(tǒng)的電路設計 21 (COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極 COM 接到地線 GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時， 相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。 圖 12 4位數(shù)碼管 4 位數(shù)碼管的驅(qū)動方式 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動 5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 5 8=40根 I/O端口來驅(qū)動，要知道一個 89S51單片機可用的 I/O端口才 32個呢：），實際應用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復雜性。 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8個顯示筆劃 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，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 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)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為 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，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，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)，不會有閃爍感，動態(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)師范學院本科畢業(yè)設計（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。通常用英寸來表示。范圍一般為 。長 *寬 *高：長 —— 數(shù)碼管正放時，水平方向的長度；寬 —— 數(shù)碼管正放時，垂直方向上的長度；高 —— 數(shù)碼管的厚度。時鐘點：四位數(shù)碼管中，第二位 8與第三位 8字中間的二個點。一般用于顯示時鐘中的秒 。 4 位數(shù)碼管區(qū)分共陰陽極的方法 首先數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分，區(qū)別他們的方法是若公共端接地，其他端接電源，若各段測試能亮，說明是共陰的，反之共陽的；若公共端接電源，其他端分別接的，測得各端亮，則說明是共陽的，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)點在下方）。a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dP為段引腳， 4分 別表示四個數(shù)碼管的位。 。 。 。 。 。 。 1 a f 2 3 b 。 。 。 。 。 。 基于 H 橋驅(qū)動直流電機的調(diào)速系統(tǒng)的電路設計 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)師范學院本科畢業(yè)設計（論文） 24 4 直流電機調(diào)速系統(tǒng)電路設計 系統(tǒng)采用 AT89C52 單片機作為控制器， H 橋作為電機驅(qū)動模塊，紅外測試，系統(tǒng)的總體框架圖如圖 14 所示 圖 14 總體框架圖 穩(wěn)壓電源電路設計 系統(tǒng)穩(wěn)壓電源 基于 7805芯片設計 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 的標準封裝，也有 9013樣子的 TO92封裝。用 78系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號中的 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 9V。因為三端固定集成穩(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)動直流電機的調(diào)速系統(tǒng)的電路設計 25 在 78 系列三端穩(wěn)壓器中最常應用的是 TO220 和 TO202 兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號、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注，接入電路時①腳電壓高于②腳，③腳為輸出位。如對于 78**正壓系列，①腳高電位，②腳接地。 基于 7805 的系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的硬件設計原理圖如圖 16 所示。 圖 16 穩(wěn)壓電源原理圖 廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設計（論文） 26 系統(tǒng) PWM 調(diào)速的設計 在電動機驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當電動機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負載后，速度下降明顯，低速時甚至會停轉(zhuǎn)；脈沖頻率在 10Hz 以下，電動機轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過 輸入高電平信號， 輸入低電平，電機正轉(zhuǎn)；通過 輸入低電平信號， 輸入高電平，電機反轉(zhuǎn)； 、 同時為高電平或低電平時，電機不轉(zhuǎn)。通過對信號占空比的調(diào)整來對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。 要實現(xiàn)按住加 /減速鍵不放時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，每進行一次增加 /減少一定的占空比。采用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。 圖 17 調(diào)速模塊硬件 如 圖 17所示， K1電機正反轉(zhuǎn)， K2 實現(xiàn)加速， K3 實現(xiàn)減速， K4停止。 基于 H 橋驅(qū)動直流電機的調(diào)速系統(tǒng)的電路設計 27 電機測速電路 本設計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)成的紅外計數(shù)電路） 紅外線發(fā)射管 簡介：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)射的光強度、波長。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變成電信號的半導體器件，它的核心部件是一個特殊材料的 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，反向電流很?。ㄒ话阈∮? 微安），稱為暗電流。當有紅外線光照時，攜帶能量的紅外線光子進入 PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子 空穴對（簡稱：光生載流子）。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導”。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載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。 分類： 廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設計（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轉(zhuǎn)化為電信號，光電三極管在將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的同時，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行光電轉(zhuǎn)換，在光控、紅外線遙控、光探測、光纖通信、光電耦合等方面有廣泛的應用。 如何選擇紅外線接收管：紅外線最重要的參數(shù)就是光電信號的放大倍率，一般的有 10001300 13001800 18002500，這些對靈敏度有決定作用。 紅外 計數(shù)電路 紅外計數(shù)電路硬件設計如圖 18 所示 圖 18 計數(shù)測速電路 紅外計數(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 : 在電動機上安裝一對紅外發(fā)射和接收管 , 當電動機轉(zhuǎn)動時 ,對紅外光反射、散射和折射 ,穿過紅外光的光強瞬間減少 , 紅外接收管導通程度也在瞬間減小 , 因而產(chǎn)生一個脈沖信號 。 信號放大比較電路 : 電容拾取脈沖信號后由運放 LM324 進行放大 , 放大倍數(shù)為 10 倍 , 再將放大的信號由運放 LM324 比較后輸出標準的低電平脈沖信號 (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送到單片機的計數(shù)器引腳進行計數(shù) , 這樣就可以達到計數(shù)的目的 . 基于 H 橋驅(qū)動直流電機的調(diào)速系統(tǒng)的電路設計 29 直流電機 H 橋驅(qū)動的設計 、 H 橋驅(qū)動電路 圖 19 中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“ H 橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母 H。 4 個三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機就是 H 中的橫杠（注意：圖 19 及隨后的兩個圖都只是示意圖 ，而不是完整的電圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。 如圖所示， H 橋式電機驅(qū)動電路包括 4 個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。 圖 19 H橋驅(qū)動電路 要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖 20 所示，當 Q1管和 Q4 管導通時，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4 回到電源負極。按圖中 電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當三極管 Q1 和Q4 導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。 廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設計（論文） 30 圖 20 H橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動 圖 21 所示為另一對三極管 Q2 和 Q3 導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管 Q2 和 Q3 導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 圖 21 H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動 使能控制和方向邏輯 驅(qū)動電機時，保證 H 橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管 Q1 和Q2 同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電 路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈颍趯嶋H驅(qū)動電路中通常 要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。 基于 H 橋驅(qū)動直流電機的調(diào)速系統(tǒng)的電路設計 31 圖 22 所示就是基于這種考慮的改進電