【正文】 制模塊 獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接入一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。即從段選口送出某位 LED 的字型碼，然后選通該位 LED，并保持一段延時(shí)時(shí)間。嚴(yán)格地講，術(shù)語(yǔ) LED 應(yīng)該僅應(yīng)用于發(fā)射可見光的二極管；發(fā)射近紅外輻射的二極管叫紅外發(fā)光二極管（ IRED,Infrared Emitting Diode）；發(fā)射峰值波長(zhǎng)在可見光短波限附近，由部份紫外輻射的二極管稱為紫外發(fā)光 二極管；但是習(xí)慣上把上述三種半導(dǎo)體二極管統(tǒng)稱為發(fā)光二極管。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成 PN 結(jié)的材料決定的。但這兩種半導(dǎo)體連接起 來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“ PN 結(jié)”。 LED 的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來(lái)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖 22 所示。直接采用 L 邏輯電平控制，可以驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制， L298 邏輯功能如表 1： 表 1 L298 功能邏輯圖 IN1 IN2 ENA 電機(jī)狀態(tài) X X 0 停止 1 0 1 順時(shí)針 0 1 1 逆時(shí)針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)中對(duì)大功率的電動(dòng)機(jī)常采用 IGBT 作為主開關(guān)元件 ,對(duì)中小功率的電機(jī)常采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為主開關(guān)元件。 在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中， L298 在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。 當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端 IN1 為 PWM 信號(hào)， IN2 為低電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端 IN1 為低電平信號(hào)， IN2 為 PWM 信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； IN1 與 IN2 相同時(shí)，電機(jī)快速停止。 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(hào)。 L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 33 頁(yè) 較方便 [13]。 L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號(hào)采樣處理，所以選取適合的頻率即可。 高頻率的時(shí)鐘有利于程序的更快運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。 5%，即 ～ 。為確保微機(jī)系統(tǒng)中 電路 穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。 AT89C51 單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)如圖 7 所示： 圖 7 8051 單片機(jī)引腳圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 33 頁(yè) 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊，是每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)所必須的電路部分。 定時(shí)器： AT89C51 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前 128 個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 RAM。 中央處理器 CPU： 8 位 CPU 是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。 4K 字節(jié)可編程閃 爍存儲(chǔ)器壽命為 1000 寫 /擦循環(huán)，通常數(shù)據(jù)保留時(shí)間為 10 年。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給 L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送 PWM 波形，完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速和急?？刂?； 同時(shí)單片機(jī)不停的將 PWM 脈寬調(diào)制占空比送到 LED 數(shù)碼管完成實(shí)時(shí)顯示 ，直流電機(jī) PWM 調(diào)速方案如圖 4 所示： 圖 4 直流電機(jī) PWM 調(diào)速方案 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 33 頁(yè) 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)基本組成 硬件模塊組成 （ 1）單片機(jī)控制模塊 （ 2）最小系統(tǒng)電路 （ 3） L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 （ 4） LED 顯示模塊及轉(zhuǎn)速顯示模塊 （ 5）獨(dú)立鍵盤控制模塊 單片機(jī)整個(gè)控制模塊 單片機(jī)整個(gè)控制模塊如圖 5 所示： 圖 5 單片機(jī)整體控制模塊 單片機(jī) AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 單片機(jī)由 CPU 和 8 個(gè)部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 33 頁(yè) 器的集中控制方法。 （ 5）測(cè)量并在 LED 顯示器上顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（ rpm）。在鍵盤上設(shè)置兩個(gè)按鍵 直流電動(dòng)機(jī)加速和直流電動(dòng)機(jī)減速鍵。 K4：“減速”。 K2：“正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)”。 （ 3） 設(shè)計(jì)一個(gè) 4 個(gè)按鍵的鍵盤。 設(shè)計(jì)要求 （ 1）在系統(tǒng)中擴(kuò)展直流電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路 L298，驅(qū)動(dòng) 直流測(cè)速電動(dòng)機(jī)。 設(shè)計(jì)顯示部分： LED 數(shù)碼管顯示部分，實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM 脈寬調(diào)制占空比的實(shí)時(shí)顯示。 設(shè) 計(jì)控制部分：主要由 AT89C51 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。其間是通過 AT89C51 單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到 L298 驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制直流電機(jī)工作的。 主體電路：即直流電機(jī) PWM 控制模塊。當(dāng)按動(dòng)按鈕后執(zhí)行相應(yīng)的程序，根據(jù)加、減速按鈕，調(diào)整輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而控制電壓的大小來(lái)決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 軟件采用定時(shí)中斷進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)我們改變占空比 D= 1t /T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Va,從而達(dá)到調(diào)速的目的。 控制程序設(shè)計(jì) 控制程序設(shè)計(jì)有兩種方法：軟件延時(shí)法和計(jì)數(shù)法。 前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期 (或頻率 )，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來(lái)改變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓 [5]。 B、 調(diào)寬調(diào)頻法：保持 t 不變，只改變 1t ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 2 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖 如圖 2 所示，如果電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，占空比為 D=t1/T，則電機(jī)的平均速度為： DV =Vmax*D，可見只要改變占空比 D，就可以得到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法 [4]。 由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場(chǎng)控制法。不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。 通過設(shè)計(jì)基于 AT89C51 單片機(jī)的直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)并調(diào)試得出結(jié)論，在掌握AT89C51 的同時(shí)進(jìn)一步加深對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法的理解，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行鞏固。它對(duì)單片機(jī)的要求是：具有足夠快的速度；有 PWM 口，用于自動(dòng)產(chǎn)生 PWM中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 33 頁(yè) 波；有捕捉功能，用于測(cè)頻；有 A/D 轉(zhuǎn)換器、用來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、輸出電壓和電流的模擬量進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換；有各種同步串行接口、足夠的內(nèi)部 ROM 和 RAM，以減小控制 系統(tǒng)的無(wú)力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。 本文介紹了直流電機(jī)的工作原理、脈寬調(diào)制（ PWM）控制原理和 H 橋電路基本原理設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)模型，利用 PROTEUS 軟件對(duì)各個(gè)子電路及整體電路進(jìn)行了仿真，確保設(shè)計(jì)的電路能夠滿足性能指標(biāo)要求，并給出了仿真結(jié)果。 本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，以鍵盤按鍵作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停、速度 和方向，完成了實(shí)驗(yàn)性的基本要求。通過調(diào)節(jié)波形的寬度來(lái)控制 H 電路中的 GTR 通斷時(shí)間，以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。 PWM 調(diào)制部分是在單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)PROTUES 之上，運(yùn)用 C 語(yǔ)言編程控制。 本文設(shè)計(jì)的直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)采用的是調(diào)壓調(diào)速。尤其是我國(guó)在此領(lǐng)域的現(xiàn)狀，再加上 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了這個(gè)空白，更加提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性，直流調(diào)速系統(tǒng)仍將處于十分重要地位。進(jìn)入 21世紀(jì)后，可以預(yù)期新的更高性能電力電子器件還會(huì)出現(xiàn)，已有的各代電力 電子元件還會(huì)不斷地改進(jìn)提高。 如今，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢(shì)更為明顯，促進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)以更快的速度發(fā)展著。 在國(guó)外， PWM 最早應(yīng)用在軍事工業(yè)以及空間技術(shù)中，它以優(yōu)越的性 能，滿足那些高速度、高精度隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的需求。最早用于不可逆、小功率驅(qū)動(dòng)，例如自動(dòng)跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡、自動(dòng)記錄儀表等 。 直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation簡(jiǎn)稱 PWM)調(diào)速系統(tǒng) 基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受 電力電子器件 發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn) 。利用這種有自關(guān)斷能力的器件，取消了原來(lái)普通晶閘管系統(tǒng)所必需的換相電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了效率，提高了工作頻率，降低了噪聲，也縮小了電力電子裝置的體積和重量。在這以后，這種半控型功率器件一直主宰著電機(jī)控制市場(chǎng)。近 30 年來(lái)，電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動(dòng)和改變著電機(jī)控制的面貌和應(yīng)用。從而這就 要求大量使用 PWM 控制的直流調(diào)速系統(tǒng) ， 因此人們對(duì) PWM 控制的 直流 調(diào)速系統(tǒng)的研究將會(huì)更深一步。而用 PWM 技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，可以大幅度減低成本和功耗。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這時(shí)通過 PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn) 而生。 關(guān)鍵詞 ：直流電機(jī) ； 轉(zhuǎn)速； AT89C51； L298； PWM 調(diào)速 ABSTRACT DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. Speed is an important physical quantity in the operation of the DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed, and to achieve in practical work with a very large value in use of the motor speed control. DC motor has very good speed performance, in some occasions more stringent requirements on the speed performance, the main use of the DC speed control system. This design is DC motor PWM speed control system which is based on single chip microputer AT89C51 and L298 to control. Using AT89C51 chip to design the lowcost dc motor control system, which can simplify the system structure, reduce the system cost, enhance the system performance, meet the needs of more applications. System control the move forward, reverse, stop, acceleration and deceleration of the motor, and PWM duty ratio in realtime display on LED. Keywords： DC Mot