【正文】 驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。在圖23(a)中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，電樞電壓為Us，t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電樞電壓Us為0，t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，重?fù)前面的過程，這樣對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，電樞兩端的電壓波形如圖23（b）所示。（a） 原理圖 （b）輸入輸出電壓波形圖23 PWM調(diào)速控制原理和電壓波形根據(jù)式(24)、(25)，改變占空比，可以得到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的[15]。本系統(tǒng)采用軟件方法。：A、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t2，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。（圖23）C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變和t2。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)化硬件電路，有操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。它是恒壓恒流雙H橋集成電機(jī)芯片，輸出電流可達(dá)到2A，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，很方便單片機(jī)的操作，且此芯片內(nèi)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)，只用一片就可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，既方便，電路又簡(jiǎn)單，且驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)。鑒于方案二電路比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)、過載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案二。 L298引腳及功能說明[19]圖24 L298芯片管腳本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于L298 芯片的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路。由L298構(gòu)成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式,2個(gè)H 橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連在一起,其引腳排列如圖25所示,1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器,形成電流信號(hào)。12 腳接輸入控制電平,控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),ENA、ENB 接控制使能端,控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。其L298的功能如表21所示。3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證 方案一通過線性式霍爾傳感器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行感應(yīng)，產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速有不同頻率的非矩形脈沖信號(hào)，所以要通過放大整形電路將轉(zhuǎn)速信號(hào)處理變?yōu)閱纹瑱C(jī)要求的信號(hào)，然后將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理、計(jì)數(shù)，并通過PWM控制原理對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 方案選擇 綜合方案一與方案二的分析，方案一中由于線性霍爾傳感器的輸出信號(hào)不是矩形波，故此要通過處理后才可以將檢測(cè)到的信號(hào)送入單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后將所測(cè)得的轉(zhuǎn)速由LCD液晶顯示器顯示出來。本系統(tǒng)中采用霍爾傳感器CS3020作為檢測(cè)元件。CS3020是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號(hào)采集，這種傳感器是一個(gè)3 端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是Vcc(1腳)，地(2腳)，輸出(3腳)。 圖42 霍爾傳感器連接圖根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊磁鋼粘在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)靠近磁鋼，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，霍爾器件有脈沖信號(hào)輸出，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，計(jì)算周期內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)即可方便的測(cè)量轉(zhuǎn)速。且脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系如式31所示[4][10]。圖43 霍爾傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)速信號(hào)演示圖 單片機(jī)模塊單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要部分，本系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)前端的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算、并通過軟件編寫產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其次，將測(cè)量的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)送到顯示電路LCD1602液晶顯示器顯示轉(zhuǎn)速數(shù)值。圖44 單片機(jī)復(fù)位電路圖45 單片機(jī)晶振電路圖46 單片機(jī)模塊硬件電路圖如圖圖中，開關(guān)SK用來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器0和外部中斷1來編寫相應(yīng)的程序，使每按一次SK鍵，本設(shè)計(jì)中共設(shè)計(jì)了10檔，占空比分別為：50%、40%、30%、20%、10%、100%、90%、80%、70%、60%。（霍爾傳感器）的輸出信號(hào)，把信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理。、(RS)、5(RW)、6(E)腳，用來控制顯示器的操作。如圖47所示，L298 采用外接電源單獨(dú)供電工作方式，電源電壓為5V。本系統(tǒng)通過開關(guān)SK與外部中斷INT1 相連，其中每按下一次SK，分別給定適當(dāng)?shù)恼伎毡?，占空比由單片機(jī)程序控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速一共10檔，（占空比可調(diào)的PWM波）接到L298驅(qū)動(dòng)芯片的5腳（IN1），用來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。根據(jù)L298N 的輸入輸出關(guān)系( 見表41) ，使能控制端ENA 接+5V電源，PWM信號(hào)輸入端IN1 和IN2 可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)( 輸入端IN1為PWM信號(hào)，輸入端IN2為低電平，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN2為PWM信號(hào)， 輸入端IN1為低電平，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)) ，當(dāng)它為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋路上的4 個(gè)晶體管全部截止，使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)自由停止。表41 L298功能模塊In1In2運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)0XX停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111急停100停止在本系統(tǒng)中，要求只要控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)功能，所以只需用到L298驅(qū)動(dòng)芯片功能模塊中的正轉(zhuǎn)模塊，7腳（IN2）接地，正轉(zhuǎn)時(shí)，使能端EnA接高電平，然后在IN1腳通過單片機(jī)送入不同占空比的信號(hào)來對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 顯示電路模塊本設(shè)計(jì)顯示電路主要采用LCD液晶顯示模塊。 液晶顯示器LCD1602芯片引腳圖及說明液晶顯示器LCD1602芯片引腳如圖48所示圖48 液晶顯示器LCD1602芯片引腳圖其中：第1腳：VSS為地電源第2腳：VCC接5V正電源第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整電壓端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作（從LCD讀取信號(hào)），低電平時(shí)進(jìn)行寫操作（向ICD寫入指令或數(shù)據(jù)）。第6腳：E端為使能端，使能信號(hào)，1時(shí)讀取信息，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第15腳：LCD背光電源正極，接+VCC。 液晶顯示模塊電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)液晶顯示模塊電路如圖49所示。其中P0口要接上拉電阻R5。Protel 99 SE 具有良好的兼容性、簡(jiǎn)單的PLD設(shè)計(jì)工具，模板豐富、方便的庫(kù)封裝、多種元件布局工作、優(yōu)異的繪圖及處理功能、簡(jiǎn)單的同步設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性分析等特點(diǎn)。 印制電路板設(shè)計(jì)1．建立一個(gè)自己的項(xiàng)目，并保存在相應(yīng)的目錄下2．在項(xiàng)目中添加所需要的文件。4．檢查原理圖連接和各個(gè)元器件的封裝是否合理正確，確定無誤，導(dǎo)入PCB進(jìn)行布線，注意布線要合理正確。6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，C語(yǔ)言具有編程靈活，可移植性好的優(yōu)點(diǎn)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。 主程序流程圖如圖61為軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)總體流程，主要設(shè)計(jì)思路是，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如果有采集到，調(diào)用相應(yīng)的中斷程序，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，把采集到的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，把數(shù)據(jù)送入顯示電路進(jìn)行顯示。（2）把采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。（4）鍵盤與顯示：實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過外部中斷0和定時(shí)器1進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)的計(jì)算程序。為了測(cè)量的方便設(shè)置一個(gè)測(cè)量標(biāo)志flag，初始化flag為0。定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序和外部中斷0服務(wù)程序流程圖如圖62所示。當(dāng)1秒過后，定時(shí)器1和外部中斷0停止中斷，然后開始計(jì)算轉(zhuǎn)速。 占空比可調(diào)PWM波產(chǎn)生程序利用外部中斷1和定時(shí)器0產(chǎn)生一個(gè)占空比可調(diào)的矩形波[21][22]，使外部中斷1每中斷1次，就產(chǎn)生一個(gè)固定占空比的矩形波。定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序和外部中斷1服務(wù)程序流程圖如圖63所示。使用的儀器儀表有：數(shù)字萬(wàn)用表VC8045II、單片機(jī)仿真器、燒寫器、數(shù)字示波器（GOS1152A）、數(shù)字示波器（GDS2064）、霍爾開關(guān)（HA124NA）、SET2000C型傳感器與測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器（GRG450B）。（2）檢查線路：通過目測(cè)和使用數(shù)字萬(wàn)用表，檢查電路連線的正確性。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路模塊調(diào)試把直流電機(jī)接到L298驅(qū)動(dòng)芯片的OUT1腳和OUT2腳之間，給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊接上相應(yīng)的電源，即給使能端E、電源端VCC和VS接上5V直流電源，打開信號(hào)源，選擇為方波，把該方波信號(hào)送到L298驅(qū)動(dòng)芯片的IN1腳，接上電源，看看直流電機(jī)是否會(huì)旋轉(zhuǎn)，如果可以，說明可以驅(qū)動(dòng)，如果不可以說明電路有問題，得繼續(xù)修改，直至可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 系統(tǒng)軟件調(diào)試通過仿真對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試，看看所編的程序是否符合設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)主要對(duì)控制程序、轉(zhuǎn)速測(cè)量程序與顯示程序進(jìn)行調(diào)試，三方面都調(diào)試成功后在進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。其仿真圖如圖72（a）和72（b）所示，圖71（a） %的波形圖71（b） %的波形圖72（a） INT0送入1Hz頻率的脈沖信號(hào)所測(cè)轉(zhuǎn)速圖72（b） INT0送入2Hz頻率的脈沖信號(hào)所測(cè)轉(zhuǎn)速其中72（a）所示的是，在外部中斷0處送入頻率為1Hz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理與計(jì)算，在液晶上顯示的是60r/m。 系統(tǒng)硬件與軟件統(tǒng)調(diào) 測(cè)試方法1．用數(shù)字示波器（GOS1152A）。3．用實(shí)驗(yàn)臺(tái)和自己設(shè)計(jì)的電路分別來測(cè)自己設(shè)計(jì)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。圖73（a）和73（d）測(cè)試過程是用本文設(shè)