【正文】 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 16 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 本設計主要模塊由 命令輸入 系統(tǒng)、 電機驅動 系統(tǒng)、獨立鍵盤系統(tǒng)、 測速系統(tǒng) 系統(tǒng)、 LCD顯示 系統(tǒng)幾部 分組成。 圖 313 轉速檢測示意 圖 本章小結 本章主要 介紹的是系統(tǒng)的硬件設計，本系統(tǒng)硬件 主要采用 STC89C5 L298 電機驅動 、LCD1602 液晶顯示 、 獨立鍵盤控制 、 紅外 測速系統(tǒng) 。 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 15 圖 312 紅外計數測速電路 紅外計數電路主要由紅外發(fā)射和接收電路組成 。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產 生的電流叫光電流。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。沒有光照時，反向電流很小，稱為暗電流。 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，和普通二極管相比，在結 構上采取了大的改變，紅外線接收管為了更多更大面積的接受入射光線， PN 結面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且 PN 結的結深很淺，一般小于 1 微米。 產品參數：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。 圖 310獨立式鍵盤 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 14 獨立鍵盤與單片機連接圖見圖 311。 圖 39單片機與 LCD連接圖 獨立式鍵盤控制模塊 獨立式鍵盤的按鍵相互獨立，每個按鍵接一根 I/O 口線，一根 I/O 口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它 I/O 口線的工作狀態(tài)。 （ 2） 單片機與 LCD 的連接 （ E,RW,RS）控制引腳接 P3 口， 8 個數據信號接 P1 口。 第 15 腳：背光源正極。 第 6 腳： E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生 “ 鬼影 ” ，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。 （ 2） LCD1602 液晶主要接口 第 1 腳： VSS 為地電源。 （ 1） LCD1602 液晶的結構 如圖 38 所示 。 表 31 L298 的邏輯功能 IN1 X IN2 X ENA 0 電機狀態(tài) 停止 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 順時針 逆時針 停止 停止 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 11 （ 4） 單片機與 L298 的連接 單片機和 L298 連接如圖 37。當使能端為低電平時 ， 電動機停止轉動?；谏鲜鲈?，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關 。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。當三極管 Q2 和 Q3 導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為 逆時針方向）。當三極管 Q1 和 Q4 導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。例如，如圖 35 所示，當 Q1 管和 Q4 管導通時，電流就從電源正極經 Q1 從左至右穿過電機，然后再經 Q4 回到電源負極。根據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，從而控制電機的轉向。如圖所示， H 橋式電機驅動電路包括 4 個三極管和一個電機。 圖 33 L298內部結構 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 9 （ 2） L298 內部 H 橋驅動電路 電路得名于 “ H 橋驅動電路 ” 是因為它的形狀酷似字母 H 如圖 34。 L298N 芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。 L298 是 SGS 公司的產品，比較常見的是 15 腳Multiwatt 封裝的 L298N，內部同樣包含 4 通道邏輯驅動電路。重復 1—5 步驟，改變編 程單元的地址和寫入的數據，直到全部文件編程結束 。 5． 每對 Flash 存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加上一個ALE/PROG 編程脈沖。 3． 激活相應的控制信號。 STC 89C52 編程前，要設置好地址、數據及控制信號， 編程方法如下： 。 STC89C52 主要性能 圖 32 STC89C52 STC89C52 主要功能特性如下： 1． 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) ； 2． 8k 可反復擦寫 (大于 1000 次） Flash ROM； 3． 32 個雙向 I/O 口； 4． 256x8bit 內部 RAM； 5． 3 個 16 位可編程定時 /計數器中斷； 6． 時鐘頻率 024MHz； 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 8 I N 1I N 2E N AO U T 1O U T 2O U T 3O U T 4I N 3I N 4E N B6 V 動 力 電 源7． 2 個串行中斷，可編程 UART 串行通道； 8． 2 個外部中斷源，共 8 個中斷源； 9． 2 個讀寫中斷口線， 3 級加密位； 10． 低功耗空閑和掉電模式， 軟件 設置睡眠和喚醒功能 ； 11． 有 PDIP、 PQFP、 TQFP 及 PLCC 等幾種封裝 形式。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程 ，亦適于常規(guī)編程器。 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。精確的講，平均速度與占空比并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可以將其近似看成線性關系 。電機的平均速度等于在一定的占空比下電機的最大速度乘以占空比。占空比為高電平脈沖個數占一個周期總脈沖 個數的百分數。當需要改變電機轉動方向時，兩個引腳的輸出相反。 圖 31直流電機調速系統(tǒng)的控制模塊圖 這里利用定時計數器讓單片機 P3 口的 引腳輸出占空比不同的方波，然后經驅動芯片 L298 放大后控制直流電機。 開始 STC89C52控制 程序控制單片機輸出PWM脈沖 PWM輸入L298電機驅動進行脈沖處理 電機轉速、轉向、急停處理 結束 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 本設計硬件模塊主要采用 STC89C52 控制模塊 、 L298 電機驅動模塊 、 LCD1602 液晶顯示模塊 、 獨立鍵盤控制模塊 、 測速系統(tǒng) 模塊。 本章小結 本章主要介紹了系統(tǒng)的總體思路 、框架。 測速系統(tǒng)模塊在本設計采用的是紅外傳感器（由紅外線發(fā)射管、紅外線接收管構成的紅外計數電路）組成的能把直流電機實時轉速反饋給單片機。電機驅動模塊是用來驅動直流電機。 圖 23 PWM脈沖調制的控制流程圖 各模塊作用 本設計主要模 塊由 命令輸入模塊 、 電機驅動模塊 、獨立鍵盤模塊、 測速系統(tǒng)模塊 、LCD 顯示模塊 幾部分組成。如果采用軟件延時方法，此方法在精度上不及定時器，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。嚴格來說，平均速度 Vd 與占空比 D 并非嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，我們可以將其近似地看成是線性關系。 圖 22 占空比示意圖 如圖 22 所示：設電機始終接通電源時，電機轉速最大為 Vmax，設占空比為 D= t1 / T，測速系統(tǒng) LED顯示轉速 獨立鍵盤輸入 直流電機 L289 電機驅動 STC89C52 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 5 則電機的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 Va 指的是電機的平均速度； Vmax 是指電機在全通電時的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。通過改變直流電機電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。 PWM 可以應用在許多方面，比如：電機調速、溫度控制、壓力控制等等。 直流電機調速系統(tǒng)總體框圖 見 圖 21。 黑龍江 東方學院 本科畢業(yè)論文（設計） 4 第 2 章 直流電機調速系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)總體框圖設計 方案說明：直流電機 PWM 調速系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為控制核心，由命令輸入模塊、測速系統(tǒng)模塊、 LED 顯示模塊及電機驅動模塊組成。另一方面通過測速電路把電機的轉速送給單片機在通過液晶顯示出來，從而可以直觀的控制電機轉速。計算機的發(fā)展可以使復雜的控制規(guī)律較方便的實現，以計算機為核心的數字控制技術成為自控領域的主流，也給直流電氣傳動的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動進入了更新的發(fā)展階段。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。 直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快黑龍江東方學院本科畢業(yè)論文（設計） 3 速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。直到進入上世紀 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現和迅速發(fā)展， PWM 控制技術才真正得到應用。因此，目前在直流調速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設備而且供電電路容量較小的情況下，仍有采用機組供電、晶閘管勵磁系統(tǒng)以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控整流供電了。晶閘管變流裝置的放大倍數在 10000 以上，比機組 (放大倍數 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (1000)高 10 倍 。第四， 1957 年，世界上出現了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力 [4]。特別是它的系統(tǒng)快速響應性是發(fā)電機 — 電動機系統(tǒng)不能比擬的。但發(fā)電機 — 電動機調速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調速電動機 相當的旋轉電機和一些輔助勵磁設備，因而體積設備較多、體積大、費用高、效率低、安裝需要地基、運行有噪聲、維修困難等。第二 ， 三十年代末，出現了發(fā)電機— 電動機 (也稱為旋轉變流組 )，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調速性能，如有較寬的調速范圍 (十比一至數十比一 )、較小的轉速變化率和調速平滑等 [3]。這種方法 簡單易行，設備制造方便，價格低廉。通過實時測試，調節(jié)電動機的轉速 ， 此調速系統(tǒng)可獲得快速、精確的調速效果。在微機控制方面，討論了顯示 、 PWM、光電編碼盤測速的原理 ,并給出了軟、硬件實現方案。用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎上，重點對控制部分展開研究 ， 它包括對實現控制所需要的硬件和軟件的探 討。 隨著微控制器尤其是脈寬調制 PWM 專門控制芯片的飛速發(fā)展 ， 其對電機控制方面的應用起了很重要的作用 ， 為設計性能更高的直流控制系統(tǒng)提供了基礎。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。首先實現了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。各部分之間的不同組合，可構成多種多樣的電機調速系統(tǒng)。為了滿足運行、生產、工藝的要求往往需要對另一類設備如風機、水泵等進行控制 ： 為了減少運行損耗，節(jié)約電能 也需要對電機進行調速 [1]。 L298。 STC89C52。 以 C語言進行軟件編寫， 通過軟件編程對 PWM 信號占空比進行調節(jié)，單片機根據程序進行操作，進一步控制了 H 橋電路的輸入信號，而測速系統(tǒng)把電機轉速反饋給單片機通過按鍵控制其轉速， LCD 把轉速顯示出來，從而實現電動機的調速、變向等功能， 這種設計方法的電路簡單，具有 操作簡單、 非常實用前景和價值。 進度安排 20201220 ～ 20200120 查閱資料，方案論證，系統(tǒng)設計 20200121 ～ 20200331 軟硬件設計及調試 20200401 ～ 20200518 撰寫論文，準備答辯 學生簽字： 指導教師簽字：