【正文】 使 LM311成為一種通用的比較器。 LM358的封裝形式有塑封 8引線雙列直插式和貼片式。 LM358A 功能介紹 LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。 DIN 輸入的 12 位數(shù)據(jù)中，前 10位為 TLC5615 輸入的 D/A 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，且輸入時高位在前，低位在后，后兩位必 第 14頁 共 44頁 須寫入數(shù)值為零的低于 LSB 的位，因為 TLC5615 的 DAC 輸入鎖存器為 12位寬。 串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器 TLC5615 的使用有兩種方式，即級聯(lián) 方式和非級聯(lián)方式。由此要想串行輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)必須滿足兩個條件：第一 是 時鐘 SCLK 的有效跳變；第二 是 片選 CS 為低電平。輸入時 SCLK 的上升沿把串行輸入數(shù)據(jù) DIN 移入內(nèi)部的 16 位移位寄存器， SCLK 的下降沿輸出串行數(shù)據(jù) DOUT，片選 CS 的上升沿把數(shù)據(jù)傳送至DAC 寄存器。引腳功能說明如表 ： 表 TLC5615 各引腳功能 腳 1 DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端 腳 2 SCLK 串行時鐘輸入端 腳 3 CS 芯片選用通端，低電平有效 腳 4 DOUT 用于級聯(lián)時的串行數(shù)據(jù)輸出端 腳 5 AGND 模擬地 腳 6 REFIN 基準(zhǔn)電壓輸入端 腳 7 OUT DAC 模擬電壓輸出端 腳 8 VDD 正電源端 第 13頁 共 44頁 圖 TLC5615引腳排列圖 圖 TLC5615的時序圖 圖 TLC5615與 AT89C51單片機接口電路 TLC5615 的時序分析如圖 所示。 TLC5615 的特點 (1)10 位 CMOS 電壓輸出； (2)5V 單電源供電； (3)與 CPU 三線串行接口； (4)最大輸出電壓可達基準(zhǔn)電壓的二倍； (5)輸出電壓具有和基準(zhǔn)電壓相同極性； (6)建立時間 ； (7)內(nèi)部上電復(fù)位； (8)低功耗，最大僅 。帶有上電復(fù)位功能，即把DAC 寄存器復(fù)位至全零 [5]。 由于外圍元件少，電路簡單，成本低，各種性能滿足設(shè)計需求，所以選用了此芯片作為本設(shè)計的 PWM 信號產(chǎn)生電路的鋸齒波產(chǎn)生元件。 TL494內(nèi)置一個 的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達 10mA的負載電流，在典型 的 0—70℃ 溫度范圍 50mV 溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供 177。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。功率輸出管 Q1和 Q2受控于或非門。 (7)推或拉兩種輸出方式。 (5)可調(diào)整死區(qū)時間。 (3)內(nèi)置誤差放大器。其主要特性如下： (1)集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 第 10頁 共 44頁 表 AT89S52的功能特點 AT89S52主要功能特性 : 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦寫 (1000次 )ISP Flash ROM 32個雙向 I/O 口 工作電壓 3個 16位可編程定時 /計數(shù)器 時鐘頻率 033MHz 全雙工 UART 串行中斷口線 256x8bit 內(nèi)部 RAM 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模 式 3級加密位 看門狗 (WDT)電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 圖 AT89S52引腳圖 TL494結(jié)構(gòu)及功能介紹 TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直 至外中斷激活或硬件復(fù)位。 AT89S52具有如下特點： 40個引腳， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 32個外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷， 2個 16位可編程定時計數(shù)器 ， 2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。表 是 L298N 功能邏輯圖 表 L298N 的控制方式 L298N 的控制方式 ENA IN1 IN2 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 第 9頁 共 44頁 圖 L298N 的引腳圖 In3， In4的邏輯圖與表 。 5，7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 4 腳VS 接電源電壓， VS 電壓范圍為＋ ～ 46 V?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。它內(nèi)部由 8 管構(gòu)成的雙路 H 橋式驅(qū)動電路。12V 電源，電源芯片就采用一片 7805 由 12V 轉(zhuǎn)為 5V 穩(wěn)定直流電源為單片機供電就可以了。 顯示芯片采用 74595 驅(qū)動數(shù)碼管工作， 8 位顯示兩個芯片負責(zé)段選，一個負責(zé) 8 位位選剛好夠， DS， OE， SH 三個控制端僅使用單片機 3 個 IO 口，節(jié)約資源。其中 L298N 就是一款常用的優(yōu)秀的電機驅(qū)動芯片，雖然最高電壓 40V，電流最大 2A， 由于 本系統(tǒng)是由小型直流電機，完全能夠滿足要求，故本系統(tǒng)選用 L298N 為電機驅(qū)動芯片。但目前應(yīng)用最成熟和廣泛的還是由三極管，場效應(yīng)管，晶閘管等這些器件組成的 H 橋 [2]，成本低，效果好，能提供較大的驅(qū)動電壓和電流，還可以控制電機轉(zhuǎn)向。故本設(shè)計中采用片外硬件產(chǎn)生 PWM 信號的方式。因此，從上圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為 Ts 的鋸齒波發(fā)生器組成。 第 6頁 共 44頁 圖 PWM 產(chǎn)生原理圖 （ ） 脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。使用 TL494 加外圍元件組成鋸齒波發(fā)生器；選用串行 DAC 芯片 TLC5615 為 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，僅有 3 個引腳和單片機的 IO 口相連，可以很大程度上節(jié)約單片機 IO 口資源； D/A 轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)過運放 LM358AQ前后級隔離并 整形后得到一個直流電壓即為占空比調(diào)制信號；比較器采用LM311， 調(diào)制信號和鋸齒波信號經(jīng)過比較器比較后得到符合控制要求的 PWM 信號。 單片機外硬件生成 PWM 信號 PWM信號可以通過鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號與可控的調(diào)制信號經(jīng)比較器比較后可以得到相 應(yīng)占空比的 PWM 信號。使用軟件模擬產(chǎn)生 PWM 信號時候，會占用單片機的片內(nèi)資源造成單片機資源不夠用。嚴(yán)格來說，平均速度 Vd 與占空比 D 并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 PWM 波形如圖 所示： 圖 PWM 波形圖 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： 8 0 5 1 單 片 機 PWM 產(chǎn)生電路 驅(qū)動電路 直流 電機 LED 顯示 按鍵輸入 光電測速電路 第 5頁 共 44頁 TtD 1? (31) 則電機的平均速度為 DVmaxVa ?? (32) 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。轉(zhuǎn)速的預(yù)置由鍵盤輸入， 4 個鍵分別負責(zé)千、百、十、個位，按下加一，0—9 循環(huán)，最后一個 按 鍵負責(zé)確認(rèn)，按下后電機開始以輸入的預(yù)置轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)調(diào)速，直到穩(wěn)定。 3 方案研究與主要芯片選擇 總體方案原理及設(shè)計框圖 本設(shè)計是基于 AT89S52 單片機為核心的直流斬波調(diào)速器，由單片機控制和產(chǎn)生適合要求的 PWM 信號，該 PWM 信號通過驅(qū)動芯片或橋式電路進行直流斬 第 4頁 共 44頁 波，使輸出電壓平均值和功率可按照 PWM 信號的占空比而 變化，從而達到對直流電機調(diào)轉(zhuǎn)速的目的。 (5)PWM 系統(tǒng)很容易實現(xiàn)智能控制，如在 MCS51 單片機或 PLC 等控制器 的控制下可實現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)可預(yù)置參數(shù)實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。 PWM 系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對電網(wǎng)的 “ 污染 ” ，功率 因數(shù)高，效率高。 (2)由于開關(guān)頻率高，僅靠電動機電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時電動機的損耗和發(fā)熱都較小。如 L298N 就是一中內(nèi)部集成 H 橋式斬波電路的直流電機驅(qū)動芯片 ?，F(xiàn)在市場上出現(xiàn)了許多微型化的斬波器，專用的電機驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成了斬波電路，效率高，具有很好的穩(wěn)定性。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間以及通斷周期都是不確定的。開關(guān)器件的通 斷周期 T 和導(dǎo)通時間均可變，即調(diào)寬調(diào)頻，亦可稱為混合調(diào)制。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時間不變，只改變通斷周期 T 或開關(guān)頻率，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時間，即定寬調(diào)頻，稱為調(diào)頻。開關(guān)器件的通斷周期 T 保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時間，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。 改變直流電機電樞電壓，可通過 PWM 控制的降壓斬波器進行斬波調(diào)壓 [1][3]。 aPNCe 60? (22) (22)式中： p磁極對數(shù)， N 是 導(dǎo)體數(shù)， a 是 電樞支路數(shù)。 2 調(diào)速系統(tǒng)原理 直流電機工作特性及調(diào)速原理 根據(jù)直流電機的結(jié)構(gòu)分析可得到等效的模型，包括電樞繞組及其等效的電阻等。 (3)顯示程序就設(shè)計 LED 數(shù)碼管顯示程序，通過單片機對傳感器采樣的電機轉(zhuǎn)速信號 和鍵盤輸入的轉(zhuǎn)速值進行 處理，然后在數(shù)碼管上顯示。 軟件部分 第 2頁 共 44頁 (1)鍵盤輸入程序用鍵盤掃描程序，將按下鍵的鍵值提交給單片機作為 PWM信號產(chǎn)生子程序的預(yù)置值。設(shè)計 PWM 信號產(chǎn)生電路，以及預(yù)置轉(zhuǎn)速輸入的鍵盤電路。 本課題研究方法和目標(biāo) 直流斬波調(diào)速器研究的主要思路： 硬件部分： (1)首先確定電機驅(qū)動主電路，或采用專用驅(qū)動模塊 ，以及設(shè)計驅(qū)動電路的控制方式 。采用 PWM 脈寬調(diào)制的方法控制他勵直流電動機的電樞電壓，從而達到調(diào)速的目的 [1][2]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展出許多新的電樞電壓控制方法，如交流供電，使用晶閘管整流器進行調(diào)壓；使用硅整流器將交流電整為直流電或直接由蓄電池等直流電源供電，再由 PWM 脈沖寬度調(diào)節(jié)降壓斬波器進行斬波調(diào)速等 [1]。 PWM 脈沖信號控制驅(qū)動器件的開斷，占空比的變化來調(diào)節(jié)輸出的平均功率，在很大程度上節(jié)約了電能，不像電樞回路串電阻調(diào)速那樣消耗能量來達到調(diào)速的目的。作為現(xiàn)代應(yīng)用調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，節(jié)能是不可忽視的重點。 直流電機的調(diào)速方案一般有下列 3 種方式： (1)改變電樞電壓； (2)改變激磁繞組電壓； (3)改變電樞回路電阻。數(shù)控機床，機械控制，機車車輛，實驗設(shè)備，以致機器人都大量采用直流電機。 Closed Loop Speed Control System。 關(guān)鍵 詞 ： 單片機 ； PWM；閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；直流斬波 LowPower DC Motor Speed Control System Design Based on the PWM Technology Abstract The design is about lowpower DC motor speed regulation based on PWM technology. The MCS51 series singlechip microcontroller, as the core ponent, is designated to take charge of the speed adjustment, setting, measurement and display which is necessary for a closed loop system. An excellent solution has been worked out by using PWM technology bined with L298N motor driver IC as a lowpower DC motor driver, in order to achieve the flexible speed control and improve energy efficiency. Therein, DC chopper cons