【正文】 圖 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 16 直流電機調(diào)速 根據(jù)直流電機的電機基本原理，由感應(yīng)電動勢，電磁轉(zhuǎn)矩以及機械特性方程式可知，直流電動機的調(diào)速方法 [7]三種： (1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。給兩個電刷加上直流電源，如圖 (a)所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd,從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab 和 cd 受到電磁力的作用，其方向由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力 形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；當其方向轉(zhuǎn)到圖 (b)所示的位置，電刷 A 與換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片 1 接觸，直流電機從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是 dcba,從電刷 B 流出。在換向片上放置著一對固定的不動的電刷 B1 和 B2，當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 15 體稱為換向器。 其中固定部分（定子）由磁鐵（成為主磁極）和電刷組成；轉(zhuǎn)動部分（轉(zhuǎn)子）由環(huán)形鐵芯上的繞組組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。絕大多數(shù)的直流電動機都是由電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)的。 單片機的 定時器 1 工作在計數(shù)狀態(tài)。 圖 霍爾元件安裝圖 在直流電機的主軸上安裝一個小磁剛，在電機轉(zhuǎn)動后，每當小磁鋼接近霍爾元件時，由霍爾元件的特性可知，此時霍爾輸出為低電平，當小磁鋼遠離霍爾元件時，霍爾輸出為高電平，如此循環(huán)，霍爾元件就能夠測出電機的轉(zhuǎn)速。 霍爾傳感器具有體積小，噪聲低，靈敏度高，快 速上電等優(yōu)點。第二種適合頻率低的情況。由于閘門不能與被測信號同步。所謂計數(shù)法就是給定一個閘門時間，在閘門時間內(nèi)，計數(shù)輸入的脈沖個數(shù)：脈沖寬度就是利用待測信號的脈寬來控制計數(shù)門。 利用霍爾測速就是利用這個原理。當電流通過霍爾元件時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則霍爾元件兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差（即稱為霍爾電壓），由于磁場的變化，于是霍爾元件發(fā)出脈沖信號傳輸給控制器來處理，從而實現(xiàn)測速測位置等傳感器或開關(guān)作用。 S4：切換系統(tǒng)工作的通斷狀態(tài)。 S2： 減小 PWM 波形的占空比。如此循環(huán)。按下 S3，電機的轉(zhuǎn)動方式正好相反。 按下 S1 單片機產(chǎn)生 PWM的波形占空比增大，從而使得直流電機兩端的電壓平均電壓增大，在磁通量不變的情況沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 13 下，電壓與轉(zhuǎn)速成正比，從而使轉(zhuǎn)速增加。其接口電路如圖 所示。 按鍵鍵盤有獨立式按鍵和矩陣式鍵盤 [5]兩種形式。 其具體的電路設(shè)計如圖 所示 。LCD1602 為字符點陣式液晶顯示器 ， 可以顯示 162 個字符 ， 可以滿足要求 。接口時要注意顯示器的使能信號 E 是高電平有效 ， 而單片機的讀、寫信號是低電平有效 ， 所以要取反。而非總線方式是直接利用 I/O 口進行讀寫 ， 較靈活 ， 不便于升沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 12 級 。 液晶顯示器的接口電路有 2 種 ： 一種是總線式接口電路方式 ； 另一種是非總線式接口電路方式 。 液晶顯示 電路設(shè)計 液晶顯示器 （ LCD） 是平板顯示器的一種，具有低電壓、微功耗、無輻射、小體積等特點，被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式產(chǎn)品中。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。 圖 LCD1602 內(nèi)部顯示地址 例如第二行第一個字符的地址是 40H，那么是否直接寫入 40H 就可以將光標定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位 D7 恒定為高電平 1 所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是 01000000B（ 40H） +10000000B（ 80H） =11000000B（ C0H） 。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 11 三、 1602LCD 的 RAM 地址映射及標準字庫表 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則 此指令失效。 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。 表 1602LCD 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù) 據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負極 其中 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 10kΩ 的電位器調(diào)整對比度。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 10 圖 LCD1602 實物圖 （一） LCD1602 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量 為 162 個字符；芯片工作電壓 是 —；工作電流 為 （ ）；模塊最 佳工作電壓 是 ；字符尺寸 為 （ WH） mm。 液晶顯示元件 1602 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊，本設(shè)計使用的是長沙太陽人電子有限公司的1602 字符型液晶顯示器。 所以考慮到淋浴房溫度控制顯示系統(tǒng)不需要 太多的顯示內(nèi)容，從經(jīng)濟實惠的角度考慮。 LCD1602 顯示模塊只能實現(xiàn) ASCII 字符顯示，但是 低電壓低功耗?？梢燥@示 84 行 1616 點陣的漢字。 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中常用的液晶顯示器有 12864 液晶和 LCD1602， 帶中文字庫的12864 液晶 是一種 具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫 的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨 率為 12864, 內(nèi)置 8192個 16*16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集。 LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。 液晶顯示器電路的設(shè)計 液晶顯示元件的選擇 LCD 液晶顯示器，英文名字是 Liquid Crystal Display，縮寫為 LCD。 C 上電建立的過程就是負脈沖的寬度，經(jīng)過倒相后， RST 上出現(xiàn)正脈沖使單片機實現(xiàn)上電復(fù)位。本系統(tǒng)中這兩種復(fù)位電路（如圖 ）都體現(xiàn)出來了。上電復(fù)位是指單片機上電瞬間，要在 RST 引腳上出現(xiàn)寬度大于 10ms 的正脈沖，才能使單片機進入復(fù)位狀態(tài)。除此之外，復(fù)位操作還對一些特殊功能寄存器的值有影響。 MCS51 系列單片機的復(fù)位（ RST）引腳上只要出現(xiàn)了 10ms 以上的高電平，單片機就實現(xiàn)復(fù)位。電容的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機芯片。接法如圖 所示 。最后， 添加了蜂鳴器電路，與 PWM 波同頻率，以便直觀的觀察占空比的變化。還有 ，顯示部分 采用液晶顯示器 1602LCD 進行顯示 。 首先， 系統(tǒng)的主控芯片采用的是 MCS51 系列單片機 ， 這是已經(jīng)在工業(yè) ，民用業(yè) 現(xiàn)場應(yīng)用十分廣泛的單片機型號了，目前已經(jīng)發(fā)展了很多增強功能，本設(shè)計采用的是 STC89C52RC 單片機。 基于單 片機的直流電機 PWM 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計包括 6 個部分 ， 分別是：液晶顯示電路、鍵盤控制電路、時鐘電路、復(fù)位電路、霍爾測速電路和驅(qū)動電路。最新版本的 Protel 軟件可以毫無障礙地讀 Orcad、 Pads、 Accel（ PCAD） 等知名 EDA 公司設(shè)計文件，以便用戶順利過渡到新的 EDA 平臺。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 7 2 系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計 本設(shè)計采用的硬件電路設(shè)計軟件為 Protel99SE 加 service pack 6 的補丁包?？蓪崿F(xiàn)在線對現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)的存儲、曲線參數(shù)的校正等功能。這將是以后電子產(chǎn)品的必然趨勢。不需要外加監(jiān)控芯片，只是通過串行口便可將 PC 機內(nèi)的產(chǎn)品升級軟件下載到產(chǎn)品中去，而實現(xiàn)產(chǎn)品軟件的升級換代。這對初次學(xué)習(xí)單片機的人們，尤其對學(xué)校單片機的教學(xué)帶來極大的方便是一種最低成本的單片機開 發(fā)手段。 STC89 的超級 Flash 配置存儲器 SFCF 的 bit6位用來開關(guān) IAP 功能， 0 關(guān)閉， 1 開啟，程序啟動時默認關(guān)閉。對于 STC89C52 來說， （ 1）當程序運行于 Block0 時，可擁有 6~8K 的 Flash EEPROM(一般不使用 )； （ 2）當程序運行于 Block1 時，可擁有近 32K 的 Flash EEPROM（ 需要技巧或更改ISP 引導(dǎo)碼的用戶 ） ； 技巧：對于想使用 32K 的 Flash EEPROM，又不想更改 ISP 引導(dǎo)碼的用戶，可以這樣設(shè)計程序，在用戶程序開始處，通過 REMAP 功能將 Block1 影象到前 8K，并將影象指令之后的程序燒錄 在 Block1 中即可。 IAP不能對自身所在的 Block編程，即當程序運行在 Block1 時，可 編程的是 Block0。無論是程序下載還是正常啟動， ISP 引導(dǎo)碼最后總是將 REMAP 取消，恢復(fù) Block0在前 8K 的地址空間，進而執(zhí)行 Block0 中的用戶程序，即用戶程序總是放在 Block的 00H沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 6 開始的單元，除非用戶自行修改了 ISP 引導(dǎo)碼。 STC89系列單片機在出廠時，片內(nèi)已經(jīng)燒錄有 ISP 引導(dǎo)碼，占用 Block1 的程序空間前 2K 字節(jié)，并設(shè)置為從 Block1 啟動。接下來就可以用 PC 機的 ISP 軟件，如 ZLGISP 軟件對系統(tǒng)編程了。如果狀態(tài)字為 0，則轉(zhuǎn)去 0000H 地址開始執(zhí)行程序；這是用戶程序的正常起始地址。當 ISP操作結(jié)束時，應(yīng)重新配置單片機，這樣才能正常進行下一次操作。單片機在 “ISP模式 ”下，上電時，可以進行 ISP 操作，在 ISP 模式下，單片機通過串行端口與外部主機，（如 PC機或終端）通信。 ISP 是指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶程序代碼，而不需要從電路板上取下芯片。通過 REMAP功能可以將 Flash 塊重定位。 STC89 系列單片機按芯片型號分別有 64/32/16/8K 片內(nèi) Flash，分為 2 個 Flash 存儲塊： Block0 和 Block1。 由于 STC 單片機具有 ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程）功能，無需專用編程 器 /仿真器，可通過串口（ ）直接下載用戶程序， 8K 程序 3 秒鐘即可完成。 （ 二 ） STC89 系列單片機的主要性能 STC89C52RC 是 STC 公司生產(chǎn)的單片機，它是一款性價比非常高的單片機，內(nèi)置8K 字節(jié) Flash， 1K 電擦除可編程 EEPROM 片內(nèi)程序存儲器和 512 字節(jié) RAM，片內(nèi)程序存儲器空間能滿足本系統(tǒng)程序存儲之需要，可省去片外 EPROM 程序存儲器和地址鎖存器，使電路結(jié)構(gòu)簡捷。但是 P0 和 P2，既可以做 I/O 輸 入，也做 AD 信號輸入口。第三層是指單片機應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象的要求的全部電路系統(tǒng)。 簡單概括來說，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為三個層次：第一層是指單片機：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。它們在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標準 8051 單片機完全兼容， DIP40 封裝系列與 8051 為 pintopin 兼容。 系統(tǒng)的思路簡單明了，首先單片機生成 PWM 波， PWM 波通過驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機工作，然后通過霍爾測速電路反饋回單片機并通過 LCD 顯示電路在液晶上顯示出來，系統(tǒng)采用獨立鍵盤 控制直流電機的加速和減速，電源的通和斷，電機的方向以及PWM 波形的占空比 。 該設(shè)計控制器使用單片機STC89C52，用 1602LCD 液晶顯示 電機的轉(zhuǎn)速、方向、啟停以及占空比 ， 驅(qū)動電路采用H 型橋接，同時采用霍爾 元件 測速 。隨著市場的發(fā)展，電機的驅(qū)動性能也越來越高，希望功能更強、噪聲更低 、控制算法更復(fù)雜，同時還要符合環(huán)境標準，可以預(yù)見，在不久的將來，會有更新的電力電子器件問世，已有的器件會得到更好的改進。隨后在民用工業(yè)以及機器人等領(lǐng)域得到了普及。 PWM 最早應(yīng)用在軍事工業(yè)和空間技術(shù)當中。最早用于不可逆、小功率驅(qū)動，例如自動跟蹤天文望遠鏡、自動記錄儀表等。之后由于諧波和功率因數(shù)的原因逐步由斬波器或者 PWM 變流器所代替，明顯的擴大了調(diào)速范圍 ，提高了調(diào)速精度，改善了快速性、效率和功率因數(shù)。到 70 和 80 年代才先后出現(xiàn)全控型功率器件，如 GTO、 GTR、 POWERMOSFET、 IGBT 和 MCT 等。 隨著全控型器件的問世， 它的特點開關(guān)速度 更快和控制更方便 使得脈寬調(diào)制技術(shù)表現(xiàn)出更大的優(yōu)越性能 ，主電路線路簡單，需要用的功率元件少，開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率更高；微型計算機的飛速發(fā)展，正向各個領(lǐng)域滲透，直流調(diào)速系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展成為一種趨勢。雖然直流電機不如交流電機那樣結(jié)