【正文】 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 圖 312 紅外計數(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。 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(dǎo)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。 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。 圖 310獨立式鍵盤 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)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(shù)據(jù)信號接 P1 口。 第 15 腳：背光源正極。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) 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(diào)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(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)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(jié)構(gòu) 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(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 （ 4） 單片機與 L298 的連接 單片機和 L298 連接如圖 37。當(dāng)使能端為低電平時 ， 電動機停止轉(zhuǎn)動。基于上述原因，在實際驅(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) 。如果三極管 Q1和 Q2 同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。當(dāng)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)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）。當(dāng)三極管 Q1 和 Q4 導(dǎo)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）。例如，如圖 35 所示，當(dāng) Q1 管和 Q4 管導(dǎo)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。根據(jù)不同 三極管對的導(dǎo)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。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。 圖 33 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu) 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 （ 2） L298 內(nèi)部 H 橋驅(qū)動電路 電路得名于 “ H 橋驅(qū)動電路 ” 是因為它的形狀酷似字母 H 如圖 34。 L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)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(diào)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(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)動電路。重復(fù) 1—5 步驟，改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，直到全部文件編程結(jié)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(yīng)的控制信號。 STC 89C52 編程前，要設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)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(fù)擦寫 (大于 1000 次） Flash ROM； 3． 32 個雙向 I/O 口； 4． 256x8bit 內(nèi)部 RAM； 5． 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷； 6． 時鐘頻率 024MHz； 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)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(shè)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(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似看成線性關(guān)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(shù)占一個周期總脈沖 個數(shù)的百分數(shù)。當(dāng)需要改變電機轉(zhuǎn)動方向時，兩個引腳的輸出相反。 圖 31直流電機調(diào)速系統(tǒng)的控制模塊圖 這里利用定時計數(shù)器讓單片機 P3 口的 引腳輸出占空比不同的方波，然后經(jīng)驅(qū)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(qū)動進行脈沖處理 電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、急停處理 結(jié)束 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本設(shè)計硬件模塊主要采用 STC89C52 控制模塊 、 L298 電機驅(qū)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(jié) 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(shè)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）組成的能把直流電機實時轉(zhuǎn)速反饋給單片機。電機驅(qū)動模塊是用來驅(qū)動直流電機。 圖 23 PWM脈沖調(diào)制的控制流程圖 各模塊作用 本設(shè)計主要模塊由 命令輸入模塊 、 電機驅(qū)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(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 圖 22 占空比示意圖 如圖 22 所示：設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D= t1 / T，測速系統(tǒng) LED顯示轉(zhuǎn)速 獨立鍵盤輸入 直流電機 L289 電機驅(qū)動 STC89C52 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)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(zhuǎn)速。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 直流電機調(diào)速系統(tǒng)總體框圖 見 圖 21。 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 第 2 章 直流電機調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計 方案說明：直流電機 PWM 調(diào)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(qū)動模塊組成。另一方面通過測速電路把電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。計算機的發(fā)展可以使復(fù)雜的控制規(guī)律較方便的實現(xiàn)，以計算機為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng)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(gòu)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(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快黑龍 江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直到進入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。因此，目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)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(shù)在 10000 以上，比機組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (1000)高 10 倍 。第四， 1957 年，世界上出現(xiàn)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(diào)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(yīng)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(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積設(shè)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(xiàn)了發(fā)電機— 電動機 (也稱為旋轉(zhuǎn)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(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍 (十比一至數(shù)十比一 )、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等 [3]。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。通過實時測試，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 ， 此調(diào)速系統(tǒng)可獲得快速、精確的調(diào)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(xiàn)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(jié)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(chǔ)上，重點對控制部分展開研究 ， 它包括對實現(xiàn)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(diào)制 PWM 專門控制芯片的飛速發(fā)展 ， 其對電機控制方面的應(yīng)用起了很重要的作用 ， 為設(shè)計性能更高的直流控制系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)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(gòu)成多種多樣的電機調(diào)速系統(tǒng)。為了滿足運行、生產(chǎn)、工藝的要求往往需要對另一類設(shè)備如風(fēng)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(diào)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(diào)節(jié) ，單片機根據(jù)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(zhuǎn)速反饋給單片機通過按鍵控制其轉(zhuǎn)速， LCD 把轉(zhuǎn)速顯示出來，從而實現(xiàn)電動機的調(diào)速、變向等功能， 這種設(shè)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 20211220 ～ 20210120 查閱資料，方案論證，系統(tǒng)設(shè)計 20210121 ～ 20210331 軟硬件設(shè)計及調(diào)試 20210401 ～ 20210518 撰寫論文，準(zhǔn)備答辯 學(xué)生簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 I 基于 PWM 控制 的直流電動機 調(diào)速 系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 近年來，隨著科技的進步，直流電機得到了越來越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(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，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)， 為 滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，對直流電機 調(diào)速 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)已遠遠不能滿