【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)。雖然與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，它有響應(yīng)速度快、調(diào)速精度高、調(diào)速。范圍寬和損耗低的特點(diǎn)。近年來由于數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一種重要的直流調(diào)速手段—。線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。設(shè)計(jì)主要介紹了以單片機(jī)AT89S51為核。作原理以及實(shí)現(xiàn)方法。主電路中采用四個(gè)小鍵盤控。制AT89S51單片機(jī)，然后通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298對(duì)小型直流電機(jī)進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)中還附加了轉(zhuǎn)速。檢測(cè)顯示電路，由霍爾開關(guān)CS3020、單片機(jī)AT89S51、七段數(shù)碼管譯碼芯片74LS47和四位LED構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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。最后在軟件方面，介紹了主程序、鍵盤掃描子程序、PWM信號(hào)發(fā)生程序、測(cè)速子程序和顯

　　

【正文】 含兩個(gè) H 橋的高電壓大青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)： 基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 化工 學(xué)院 電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端口，分別控制兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低 電壓下工作；它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。此外， L298 的兩個(gè)橋式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，直流電流可達(dá)到 4A[10]。 L298 的運(yùn)行參數(shù)如表 21 所示： 表 21 L298 運(yùn)行參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 測(cè)試環(huán)境 最小值 典型值 最大值 單位 驅(qū)動(dòng)電源電壓 Vs 持續(xù)工作時(shí) 46 V 邏輯電源電壓 Vss 5 7 V 輸入低電平電壓 ViL V 輸入高電平電壓 ViH Vss V 使能端低電平電壓 Ven=L V 使能端高電平電壓 Ven=H Vss V 全橋式驅(qū)動(dòng)器總的電壓降（每一路） VcE IL=1A V (sat) IL=2A V 檢測(cè)電壓 1,15 腳 Vsen 1 2 V 測(cè)速傳感器的選擇 方案一：使用測(cè)速發(fā)電機(jī)，輸出電動(dòng)勢(shì) E 和轉(zhuǎn)速 n 成線性關(guān)系，即 E=kn，其中 k 是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。 方案二：利用一個(gè)能夠反光的小圓片，在它的徑向上開一個(gè)小缺口，利用紅外光電耦合器，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后 用單片機(jī)在單位時(shí)間里面來采集上升源的個(gè)數(shù)，這樣就完成速度的采集。 方案三：采用霍爾傳感器，霍爾元件是磁敏元件，在被測(cè)的旋轉(zhuǎn)體上裝一磁體，旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)磁體經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大整形得到脈沖信號(hào)，送運(yùn)算。 經(jīng)比較，方案一中的測(cè)速電機(jī)安裝不如方案二中硬件電路簡(jiǎn)單，采購方便 。 方案 二 中具體的記數(shù)方法是通過單片機(jī)記數(shù)時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計(jì)算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=N/S60。同事還可以采用定時(shí)的方法：是通過定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=60/T。 方案三霍爾元件安裝方便，準(zhǔn) 確率也高，并且方案 三 不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，直接可以被單片機(jī)接收 ，故采用方案三。 霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號(hào)采集的有 CS3020。這種傳感器是一個(gè) 3 端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（ OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖 1 所示是 CS3020 的外形圖，將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是 Vcc，地，輸出。 2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 化工學(xué)院 15 圖 28 CS3020 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼 ，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。 霍爾傳感器 CS3020 工作頻率寬（ 100KHz），開關(guān)速度快，沒瞬間抖動(dòng)，電源電壓范圍寬，能直接和晶體管及 TTL、 MOS 等邏輯電路接口，并且還有壽命長(zhǎng)，體積小，方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。常用于無觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測(cè)量、隔離檢測(cè)、無刷電機(jī) 等方面 [11]。 CS3020 的電特性和磁特性分別見表 22 和表 23： 表 22 CS3020 的電特性 表 22 CS3020 的電特性參數(shù) 符號(hào) 測(cè)試條件 最小值 典型值 最大值 單位 電源電壓 Vcc 24 V 輸出高電平電流 Voh IOUT=20mA,BBOP 10 uA 輸出低電平電壓 Vol VOUT=24V,BBPR 200 400 mV 電源電流 Icc Vcc=輸出開路 8 mA 輸出上升時(shí)間 tr RL=820? uS 輸出下降時(shí)間 tf CL=20pF uS 表 23 CS3020 的磁特性 參數(shù) 符號(hào) 最小值 典型值 最大值 單位 工作點(diǎn) BOP 22 35 mT 釋放點(diǎn) BRP 5 mT 回差 Btrys 2 mT 系統(tǒng)硬件組成 本設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)主要是由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、測(cè)速元件、接口電路、顯示器、青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)： 基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 化工 學(xué)院 鍵盤等部分組成。硬件電路組成框圖如圖 29 所示： 圖 29 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì)是由單片機(jī) AT89S51 接受鍵盤的信號(hào)并通過計(jì)算占空比產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的 PWM 信號(hào)輸出和控制信號(hào)輸出，其中一路信號(hào)控制 L298 的使能和方向，一路 PWM 波形送 L298 控制直流電機(jī)的速度。在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號(hào)傳送到 AT89S51， AT89S51 進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算出直流電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速，并送 LED 顯示。 小結(jié) 主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方案比較與選擇，應(yīng)用了適合于該系統(tǒng)的總體 設(shè)計(jì)方案和電機(jī)調(diào)速控制方案；還介紹了直流電機(jī)調(diào)速原理， PWM 在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用以及霍爾效應(yīng)；在硬件部分器件的選擇方面也做了比較具體的說明；最后完成了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成框圖設(shè)計(jì)。 AT89S51 單片機(jī) 直 流 電 機(jī) 霍爾測(cè) 速元件 獨(dú)立 鍵盤 L298 LED顯示 PWM 控制 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 化工學(xué)院 17 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的 PWM 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本章將基于上一章為基礎(chǔ)對(duì)硬件系統(tǒng)各部分作進(jìn)一步分析，并且對(duì)硬件各部分電路加以呈現(xiàn)和分析。本系統(tǒng)控制對(duì)象是 55LCX1 永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表 31。針對(duì)要求分別對(duì)電源、 PWM 波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、鍵盤輸入部分 及測(cè)速顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 表 31 55LCX1 主要技術(shù)指標(biāo) 55LCX1 峰值堵轉(zhuǎn) 連續(xù)堵轉(zhuǎn) 最大空載轉(zhuǎn)速 r/min 轉(zhuǎn)矩 N? m 電流 A 電壓 V 轉(zhuǎn)矩 N? m 電流 A 電壓 V 27 9 2021 AT89S51 單片機(jī)特性及管腳說明 上一章在系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)微控制器 AT89S51 簡(jiǎn)單介紹了，本節(jié)將在上一章的基礎(chǔ)上對(duì)微控制器作詳 細(xì)地闡述。 （ 1） ATMEL 公司的 AT89S51 芯片具有以下特性： ●指令集和芯片引腳與 Intel 公司的 8051 兼容； ●4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲(chǔ)器； ●時(shí)鐘頻率為 0～ 33MHz； ●128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（ RAM）； ●32個(gè)可編程 I/O 引腳； ●2個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； ●6個(gè)中斷源， 2 級(jí)優(yōu)先級(jí)； ●全雙工串行通信接口； ●監(jiān)視定時(shí)器； ●低功耗的閑置和掉電模式。 （ 2） AT89SS51 引腳功能介紹， AT89S51 引腳如圖 31 所示： ●Vcc： AT89S51 電源正端輸入，接 +5V； ●Vss：電源接地端； ●XTAL1：?jiǎn)涡酒到y(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端； ●XTAL2：系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端； ●RST/VPD： RST 是復(fù)位信號(hào)，高電平有效，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 RST 的第二功能是備用電源 VPD 的輸入端。 青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)： 基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 化工 學(xué)院 ● VppEA/ ：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端 /固化編程電壓輸入端（ enable address/voltage pulse of programming）。當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位后訪問片內(nèi)存儲(chǔ)器 ROM。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器 PC的值超過 4KB 時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外存儲(chǔ)器 ROM 內(nèi)的程序。當(dāng) EA 端接地保持低電平時(shí)，則只訪問片外程序存儲(chǔ)器，而不管內(nèi)部是否有程序存儲(chǔ)器。 ● PROGALE / ：地址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許 ALE (address latch enable)信號(hào)的輸出用于鎖存低 8 位地址的控制信號(hào)，此信號(hào)頻率為 振蕩器的 1/6。當(dāng)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 信號(hào)可用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。 ALE 端可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 ●PSEN ：程序存儲(chǔ)器允許輸出信號(hào)端（ program store enable）。此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引腳分別啟用存在外部的 RAM 與 EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可以合并在一起而共用 64K 的定址范圍。 PSEN 端同樣 可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)LS 型 TTL 負(fù)載。 ●P0口： ~。 P0 口第一功能是作為通用的 I/O 口， CPU 在傳送輸入 /輸出數(shù)據(jù)時(shí)，輸出數(shù)據(jù)可以鎖存，輸入數(shù)據(jù)可以緩存； P0 口第二功能是當(dāng) CPU 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，分時(shí)提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復(fù)位總線。 ●P1口： ~。 P1 口第一功能是作為通用 I/O 口； P1口第二功能是在對(duì)片內(nèi) EPROM 編程或校驗(yàn)時(shí)輸入片內(nèi) EPROM 的低 8 位地址。 ●P2口： ~。 P2口第一功能是當(dāng)不帶片外存儲(chǔ)器時(shí)，作為通用 I/O 口； P2口第二功能是當(dāng)帶片外存儲(chǔ)器時(shí)，與 P0 口配合 ，傳送片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元。 ●P3口： ~。 P3 口除了做通用的 I/O 口外，作為控制用的第二功能如表 32 所示 [5]： 表 32 P3 口各位的第二功能 P3 口的位 第 2 功能 注釋 RXD 串行數(shù)據(jù)接收口 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā) 送口 INT0 外部中斷 0 輸入 INT1 外部中斷 1 輸入 T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入 T1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入 WR 外部 RAM 寫選通信號(hào) RD 外部 RAM 讀選通信號(hào) 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 化工學(xué)院 19 圖 31 AT89S51 引腳圖 直流電源電路 在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中邏輯元件需要 +5V 直流電源，而小型直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 12V，由此可見在本設(shè)計(jì)中需要兩個(gè)直流電源，所以可以選用雙路穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且有很多是成熟集成元件可選擇，電路十分簡(jiǎn)單 [12]。所以設(shè)計(jì)中采用雙路輸出的線性直流穩(wěn)壓電源，如圖 32 所示： 圖 32 雙路輸出的線性直流穩(wěn)壓電源 青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)： 基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 化工 學(xué)院 由圖 32 可見，這個(gè)雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源只用了一個(gè) 220V 變 12V 的變壓器，一個(gè)整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（ 7812 和 7805）和四個(gè)電容。圖中 C4 是一個(gè)大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于 C4 本身的電解比大，對(duì)高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在 C4 旁邊并聯(lián)一個(gè)高頻濾波性能良好的小電容 C5。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容 C6 和 C7 是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。 PWM 波形發(fā)生原理 設(shè)計(jì)中 PWM 波形是用 AT89S51 單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的，這部分硬件比較少，主要保證 AT89S51 正常工作的最少模式就行了， AT89S51 的