【正文】 動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對講機(jī)等。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)中，其驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)速精度是電機(jī)能夠穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。與此同時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和有關(guān)理論發(fā)展非常迅速，隨著可控關(guān)斷的電力電子器件的出現(xiàn)，由它實(shí)現(xiàn)的斬波與PWM 技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。利用電子信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，可以大幅提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品的市場競爭力。為了能精確的測量轉(zhuǎn)速，還要保證測量的實(shí)時(shí)性，要求能測得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。同時(shí)對電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其速度測量的研究，系統(tǒng)掌握了電源驅(qū)動(dòng)電路和速度測量電路的連接，以及其中用的到的諸如：L298，LM311,TI607,8051等芯片的功能及其各個(gè)引腳的功能，同時(shí)通過用面包板搭建臨時(shí)電路，加強(qiáng)了動(dòng)手能力，提高了解決實(shí)際問題的能力，充分的體現(xiàn)了理論與實(shí)踐結(jié)合，對畢業(yè)后走向社會(huì)，做了進(jìn)一步的準(zhǔn)備。要求：（1）用單片機(jī)做核心芯片，設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確控制；（2）利用傳感器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且繪制轉(zhuǎn)速變化圖形。（4）達(dá)到一定的檢測精度。對單片機(jī)控制器的選擇有以下方案。方案二：AVR系列的單片機(jī)，特點(diǎn)是：速度快性能價(jià)格比高統(tǒng)內(nèi)從新編程(ISP InSystem Programming)功能AVR單片機(jī)的定時(shí)和計(jì)數(shù)器功能大大增強(qiáng)，有3個(gè)PWM輸出口。所以采用了方案一，因?yàn)锳T89C51是我們最熟悉的器件，用起來可以很好地控制和調(diào)試。方案一：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器：通過內(nèi)部的兩個(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位的關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加和減少。方案二：光電傳感器 。改善了穩(wěn)定檢測功能PRO功能: PZ261的光軸系統(tǒng)的發(fā)射器透過水平偏光鏡后只發(fā)射光波的水平分量、而其接收器透過垂直偏光鏡后則只接受垂直分量。它利用直射式雙光速光電傳感器進(jìn)行采樣，該型號脈沖取樣板主要有以下功能：能有效消除抖動(dòng)誤差，在采集脈沖是不會(huì)因轉(zhuǎn)盤抖動(dòng)和上下電多計(jì)或少計(jì)脈沖數(shù)。且價(jià)格相對便宜。所以選用光電傳感器做為測速傳感器設(shè)計(jì)的選擇。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。方案二：采用繼電器對電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對電機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)整。方案三：采用有達(dá)林頓管組成的H型PWM電路，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。方案四：采用專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。所以在這里采用了L298做為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的模塊。合理選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片對于確?？刂葡到y(tǒng)的控制精度有著重要意義。方案二：采用TLC2543，TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)（掃描）顯示。方案二：動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多。所以采用了動(dòng)態(tài)顯示。其結(jié)構(gòu)圖如21所示：A/D轉(zhuǎn)換電路鍵盤80C51單片機(jī)L298N直流電機(jī)穩(wěn)壓電源數(shù)碼顯示電路圖21 系統(tǒng)整體框圖 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) AT89C51單片機(jī)簡介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器的集中控制方法。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：AT89C51芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80H—FFH。并行I/O口：AT89C51芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。定時(shí)器：AT89C51片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來實(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)果對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成89C51單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。：圖32 AT89C51引腳圖P0口：P0口是一組８位漏極開路型雙向I/O口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低８位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的８位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）４個(gè)TTL邏輯門電路。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的８位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）４個(gè)TTL邏輯門電路。在訪問外部程序存儲(chǔ)器１６位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時(shí)，P2口送出高８位地址數(shù)據(jù)。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）４個(gè)TTL邏輯門電路。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的１／６輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。表31 P3口功能表端口引腳第二功能（串行輸入口）（串行輸出口）（外中斷0）（外中斷1）（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）對Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。PSEN:程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。EA/VPP:外部訪問允許。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上＋12V的編程允許電源 ，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓 。XLAT2: 振蕩器反相放大器的輸出端。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器，XTALXTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。CMOS型單片機(jī)內(nèi)部（如AT89C51）有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖33為CMOS型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖。清“0”PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。電容C1和C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率f起微調(diào)作用（CC2大，f變?。?。MCS51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對于CHMOS單片機(jī)，RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻)，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS51保持復(fù)位狀態(tài)。RST變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。對于MOS(AT89C51)單片機(jī)只要接一個(gè)電容至VCC即可(見圖3—4)。RST端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括VCC的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間，VCC上升時(shí)間若為10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。RC時(shí)間常數(shù)越大，上電RST端保持高電平的時(shí)間越長。圖34上電復(fù)位電路顯示電路：顯示電路采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，LED（LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED有單個(gè)LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。圖35七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié)構(gòu)此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。所謂動(dòng)態(tài)顯示，就一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。NE555是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。工作電壓范圍：≤VCC≤16V。：比較器，鎖存器，反相器，方波輸出及整形等。在本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用脈沖啟動(dòng)單穩(wěn)，它的特點(diǎn)是：引腳2端輸入，外脈沖啟動(dòng)輸入帶RC微分電路。用途：定（延）時(shí)、消抖動(dòng)、分（倍）頻、脈沖輸出、L、C速率等檢測。15伏分離電源，如通常的運(yùn)算放大器運(yùn)用一樣，使lm311成為一種真正通用的比較器。在電流達(dá)50毫安時(shí)，該輸出還可以把電壓切換到50伏。管腳圖如38所示：圖38 TL084引腳圖TL607的特點(diǎn)：①開關(guān)177。②TTL邏輯能力。④低（100 ）通態(tài)電阻。⑥8引腳功能。TL607是P MOS器件模擬開關(guān)，提供快速的開關(guān)速度比率，沒有偏移電壓P溝道增強(qiáng)型MOS管開關(guān)接受模擬信號高達(dá)177。整體結(jié)構(gòu)所帶來的BI MOS管技術(shù)，它結(jié)合了P溝道MOS管的標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管。TL607是一個(gè)SPDT開關(guān)與一個(gè)邏輯控制輸入和一個(gè)使能輸入。 電信號易于傳輸和處理，所以大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的。又如電感式位移傳感器能感受位移量的變化，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。如果傳感器不能靈敏地感受被測量，或者不能把感受到的被測量精確地轉(zhuǎn)換成電信號，其他儀表和裝置的精確度再高也無意義。光電二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光電二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光電二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴，稱為光電載流子。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在本次設(shè)計(jì)中采用的是光電對管用來作為對電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測的傳感器也就是光電傳感器。通過光電脈沖輸入頻率計(jì)計(jì)數(shù)，即可得到其轉(zhuǎn)速。每個(gè)器件有三個(gè)控制輸入端：片選(CS)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)以及數(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。片內(nèi)含有一個(gè)14通道多路器，可從11個(gè)模擬輸入和三個(gè)內(nèi)部自測電壓中選擇一個(gè)。用“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號EOC指示轉(zhuǎn)換的完成。正、負(fù)基準(zhǔn)電壓(REF＋，REF－)由外部提供，通常為VCC或地，兩者差值決定輸入電壓范圍。1LSB的線性誤差)和低噪聲的特點(diǎn)。采用20腳DIP封裝.TLC2543的工作過程分為兩個(gè)周期：I/O周期和實(shí)際轉(zhuǎn)換周期。器件進(jìn)入I/O周期后同時(shí)進(jìn)行兩種操作。其中前4位為模擬通道地址，控制14通道模擬多路器從11個(gè)模擬輸入和三個(gè)內(nèi)部測電壓中選通一路送到采樣保持電路，該電路從第4個(gè)I/O CLOCK脈沖的下降沿開始對所選信號進(jìn)行采樣，直到最后一個(gè)I/O CLOCK脈沖的下降沿。當(dāng)工作于12或16位時(shí)，在前8個(gè)時(shí)鐘脈沖之后，DATA INPUT無效。當(dāng)CS保持為低時(shí)，第一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在EOC的上升沿。這個(gè)數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)位之后的每個(gè)后續(xù)位均由后續(xù)的I/O時(shí)鐘下降沿輸出。轉(zhuǎn)換完成后EOC變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個(gè)I/O周期輸出。圖310 TLC2543引腳圖從控制模塊產(chǎn)生的波形需要加載到直流電機(jī)，才能控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此需要將信號進(jìn)行放大，工程上也叫做驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。輸出電流可達(dá)2．5 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表32 L298功能邏輯圖In1In2運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)0停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止In3，In4的邏輯圖與表1相同。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。圖311 L298N的引腳圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試本章重點(diǎn)闡述測量轉(zhuǎn)速的匯編語言、軟件設(shè)計(jì)以及調(diào)試的過程。電路調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)功能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，我們將整個(gè)調(diào)試過程分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。本章將對該直流電機(jī)測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做具體分析。如上圖顯示，本設(shè)計(jì)方法比較簡單。跟著對數(shù)據(jù)和中斷進(jìn)行初始化：對控制電機(jī)的選通信號與方向信號的引腳置0（通電時(shí)電機(jī)不啟動(dòng)，直到按下啟動(dòng)鍵后再啟動(dòng)，啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)向是正轉(zhuǎn)）；對顯示子程序中用到的數(shù)據(jù)寄存單元及測速子程序中用到的時(shí)間寄存器、速度數(shù)據(jù)寄存器清零；設(shè)定T0的工作方式及定時(shí)時(shí)間，開中斷，并讓T0開始工作。圖41 系統(tǒng)主設(shè)計(jì)流程圖測速是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能，通過對速度的測量并顯示出數(shù)值