調(diào)速電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)---直流斬波調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　直流斬波調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　摘 要：本設(shè)計(jì)主要完成以89s51單片機(jī)為核心的PWM直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括速度給定、速度顯示、速度測量和速度控制。論文主要介紹了基于單片機(jī)用PWM實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的基本方法，直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識，及PWM調(diào)整的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了基于MCS-51單片機(jī)的用軟件產(chǎn)生PWM信號的途徑，并介紹了一種通過采用軟件定時(shí)實(shí)現(xiàn)PWM信號占空

2、比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。主電路主要采用四個(gè)小鍵盤控制AT89S51單片機(jī)，再由AT89S51單片機(jī)把數(shù)據(jù)傳送到AT89C2051單片機(jī)中產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，然后通過電機(jī)驅(qū)動芯片L298N對小型電機(jī)進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)板中，還包括由CS3020霍爾開關(guān)，AT89S51單片機(jī)，74LS47七段數(shù)碼管譯碼芯片及四位LED構(gòu)成轉(zhuǎn)速檢測顯示電路。在最后的擴(kuò)展功能里還加上了紅外遙控功能，采用軟件進(jìn)行紅外解碼。&l

3、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制，直流電機(jī)調(diào)速，單片機(jī)，轉(zhuǎn)速測量，紅外遙控</p><p>　　THE DESIGN OF PWM SPEED</p><p>　　GOVERNING SYSTEM</p><p>　　Abstract：A speed governing system of DC- motor by using AT89S5

4、1 microcontroller is introduced .The system includes the setting of speed，the displaying of speed，the measurement of speed and the control of speed. This paper introduces a kind of method Of DC-motor speed modification b

5、ased on PWM theory by the SCM. Showing some relative knowledge upon the DC-motor timing，the basic theory and the way to implement. And it emphasizes on the way for carrying out PWM signals based on MCS-51.This paper st&l

6、t;/p><p>　　Keyword: PWM, DC-motor speed modification, Microcontroller, Measurement of rotating speed，Infrared remote control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言4&l

7、t;/b></p><p>　　第一章基本原理的分析5</p><p>　　1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理5</p><p>　　1.1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　1.1.2 直流電機(jī)的調(diào)速原理5</p><p>　　1.2 直流電機(jī)PWM控制原理7</p><

8、p>　　1.3 霍爾效應(yīng)及其原理8</p><p>　　第二章方案比較及選擇10</p><p>　　2.1控制方案的選擇10</p><p>　　2.1.1 8031、8051、8751的比較10</p><p>　　2.1.2AT89C51、AT89S51的比較11</p><p>　　2.

9、2鍵盤的選擇12</p><p>　　2.2.1獨(dú)立式鍵盤12</p><p>　　2.2.2矩陣式鍵盤13</p><p>　　2.3 顯示方式的選擇14</p><p>　　2.4 電動機(jī)驅(qū)動芯片的選擇15</p><p>　　2.5總方案的確定16</p><p>

10、　　第三章器件的介紹17</p><p>　　3.1L298N芯片的介紹17</p><p>　　3.1.2L298的典型應(yīng)用17</p><p>　　3.1.3L298的運(yùn)行參數(shù)18</p><p>　　3.1.4L298的邏輯控制19</p><p>　　3.2CS3020霍爾元件的介紹19

11、</p><p>　　3.3.1 CS3020的特征及應(yīng)用19</p><p>　　3.3.2CS3020的引腳說明19</p><p>　　3.3.3CS3020的電特性和磁特性20</p><p>　　第四章硬件系統(tǒng)的論述21</p><p>　　4.1電源部分21</p><

12、p>　　4.2PWM波形產(chǎn)生部分21</p><p>　　4.3電機(jī)驅(qū)動部分22</p><p>　　4.4測速顯示部分24</p><p>　　4.4.1霍爾元件測速24</p><p>　　4.4.2LED顯示的硬件電路24</p><p>　　第五章軟件系統(tǒng)的論述26</p&g

13、t;<p>　　5.1主程序26</p><p>　　5.2鍵盤掃描子程序27</p><p>　　5.3PWM信號發(fā)生程序28</p><p>　　5.4測速子程序29</p><p>　　5.5顯示子程序30</p><p>　　第六章系統(tǒng)功能擴(kuò)展設(shè)想32</p>

14、<p>　　6.1 閉環(huán)調(diào)速32</p><p>　　6.2紅外遙控33</p><p>　　6.2.1 HT6221芯片的介紹33</p><p>　　6.2.2 紅外解碼35</p><p><b>　　總 結(jié)37</b></p><p><b>　　參

15、考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　附 錄39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的核心技術(shù)是脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulat

16、ion）控制技術(shù)，該技術(shù)通常簡稱為PWM控制技術(shù)，是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。近年來，電氣傳動的PWM控制技術(shù)以成為電氣傳動自動控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。</p><p>　　直流電動機(jī)因其可以方便地通過改變電樞電壓和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻來改變電樞上的

17、電壓，是最經(jīng)典的直流電機(jī)調(diào)速方法，有相當(dāng)部分的電能消耗在所串聯(lián)電阻上，很不經(jīng)濟(jì) 。80 年代，以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無級、高效、節(jié)能而得到大力推廣 。但晶閘管斬波調(diào)速器不足之處是晶閘管一旦被觸發(fā)，其關(guān)斷必須依賴換流電容和換流電感振蕩產(chǎn)生反壓來實(shí)現(xiàn)，換流電容和電感增加了裝置的成本，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會導(dǎo)致?lián)Q流失敗，使系統(tǒng)的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開、關(guān)時(shí)間比較長，加上存在換流環(huán)節(jié)，使得斬波器的工作頻率不

18、能太高（一般在300Hz 以下）電機(jī)上的力矩脈動和電流脈動比較嚴(yán)重 。 因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件 。 于是 90年代出現(xiàn)了以 IGBT 為代表，具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的功率器件作為開關(guān)元件的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進(jìn)的直流調(diào)速方案 。</p><p>　　縱觀電氣傳動國內(nèi)外發(fā)展的情況，雖然直流電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維修保養(yǎng)費(fèi)用較貴以及隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步對交流調(diào)速問題的解決，交流調(diào)

19、速在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，但是在我國目前仍有大量的各類機(jī)床和系統(tǒng)使用直流電動機(jī)作為伺服驅(qū)動,有些用模擬PWM控制、有些用晶閘管移相控制。如果將其改造為微處理器控制PWM調(diào)速控制，使其具有控制方式多樣化,能與數(shù)字速度給定信號直接接口等優(yōu)點(diǎn)，則有利于國家工業(yè)化的發(fā)展。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，不僅促使交流傳動的迅速發(fā)展，同時(shí)也促使直流傳動得到新的發(fā)展，以往普遍采用的晶閘管相控整流直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)

20、速系統(tǒng)，現(xiàn)在也發(fā)展了全波不控整流——PWM斬波直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡單、控制方便、開關(guān)頻率高、低速性能好、穩(wěn)速精度高及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)并熟練掌握這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，對我們今后的工作有十分重要的意義。</p><p><b>　　基本原理的分析</b></p><p>　　直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理<

21、/p><p>　　直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) </p><p>　　直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但任何直流電機(jī)都包括定子部分和轉(zhuǎn)子部分，這兩部分間存在著一定大小的氣隙，使電機(jī)中電路和磁場發(fā)生相對運(yùn)動。直流電機(jī)定子部分主要由主磁極、電刷裝置和換向極等組成，轉(zhuǎn)子部分主要由電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)圖如圖1.1：</p><p>　　圖1.1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p>

22、;<p>　　1-電刷；2-磁軛；3-永久磁鋼；4-極靴；5-電樞繞組；6-內(nèi)磁軛</p><p>　　1.1.2 直流電機(jī)的調(diào)速原理</p><p>　　為了提高勞動生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品的質(zhì)量，就要求生產(chǎn)機(jī)械能以最合理的速度進(jìn)行工作，這樣就要求對生產(chǎn)機(jī)械的核心部分——電機(jī)，進(jìn)行調(diào)速控制。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與其他參數(shù)的關(guān)系如公式1.1</p><p><

23、;b>　　(1.1)</b></p><p>　　式中 ——電樞供電電壓（A）；</p><p>　　——電樞電流（A）；</p><p>　　——電樞回路總電阻（）；</p><p>　　——?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；</p><p><b>　　——電勢系數(shù)；</b></p&

24、gt;<p>　　由公式1.1可見，改變、、這三個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)都可以另轉(zhuǎn)速得到改變。所以直流電機(jī)有三種基本調(diào)速方法：（1）改變電樞的供電電壓；（2）改變勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路總電阻。</p><p>　　改變電樞回路總電阻調(diào)速，可以通過在電樞回路中串接電阻來實(shí)現(xiàn)。如公式1.2。</p><p><b>　　(1.2)</b></p>

25、<p><b>　　式中是外接電阻。</b></p><p>　　由此可見，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，外接電阻的增大，會導(dǎo)致電樞回路總電阻R的增大，從而使n減少。其機(jī)械特性如圖1.2，M為轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖1.2 改變電樞回路總電阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性</p><p>　　這種調(diào)速方法是有級調(diào)速的，調(diào)速不平滑，而且串接了電阻增大了電路

26、的功耗，所以這種方法一般不使用。</p><p>　　改變電樞的供電電壓調(diào)速，就是改變電樞兩端的電壓，使速度n也改變?，F(xiàn)在隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可以方便的改變電壓的輸出值，從而可以方便的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其機(jī)械特性如圖1.3，M為轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖1.3 改變電樞供電電壓調(diào)速的機(jī)械特性</p><p>　　這種調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，并且它是通過減少輸

27、入功率來減少輸出功率從而降低轉(zhuǎn)速的，因此低速運(yùn)行時(shí)也不會增加功耗，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都很經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　改變勵(lì)磁磁通調(diào)速，可以通過在勵(lì)磁電路中串接一個(gè)可調(diào)電阻，從而改變勵(lì)磁電流和磁通來實(shí)現(xiàn)。其機(jī)械特性如圖1.4，M為轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖1.4 改變勵(lì)磁磁通調(diào)速的機(jī)械特性</p><p>　　這種調(diào)速方法，由于調(diào)節(jié)在小電流的勵(lì)磁回路進(jìn)行，所以損耗比

28、較小，并且平滑性好能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但是，因?yàn)樵谝话愕碾姍C(jī)的磁路在時(shí)已經(jīng)工作在飽和作態(tài)，所以這方法只適用于向上調(diào)速。</p><p>　　1.2 直流電機(jī)PWM控制原理</p><p>　　已經(jīng)說過，PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。日常生活中所用到的

29、DC-DC變換，一般用到PWM斬波器實(shí)現(xiàn)。下面簡述一下PWM斬波器的工作原理。圖1.5</p><p>　　給出PWM斬波器的工作原理電路及其輸出波形。</p><p>　　圖1.5 PWM斬波器的工作原理電路及其輸出波形</p><p>　　假設(shè)V1先導(dǎo)通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖1.5（b）的波形圖?？梢缘玫诫姍C(jī)電樞端的平均電壓如公式1.3

30、。</p><p><b>　　(1.3)</b></p><p>　　設(shè)，可定義為占空比。設(shè)定輸入電壓不變，越大，電機(jī)電樞端的平均電壓越大，反之也成立。固改變值就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。</p><p>　　改變有三種方法：第一種就是T1保持不變，使T2在0到之間變化，這叫定寬調(diào)頻；第二種就是T2不變，使T1在0到之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻；第三種就

31、是T保持一定，使T1在0到T間變化，這叫定頻調(diào)寬。</p><p>　　1.3 霍爾效應(yīng)及其原理</p><p>　　因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的測速部分用到了霍爾元件作為測速傳感器，所以有必要簡單述說一下霍爾效應(yīng)及其工作原理。如圖1.6所示的金屬或半導(dǎo)體薄片兩端面通以控制電流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，那么，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電勢UH（稱為霍爾電勢）。這種現(xiàn)象稱為霍

32、爾效應(yīng)。</p><p>　　圖1.6 霍爾效應(yīng)原理圖</p><p>　　霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。霍爾電勢可以用公式1.4表示。</p><p><b>　　(1.4)</b></p><p>　　式中： —— 材料的霍爾常數(shù)（ ）；</p><p>　　I——控

33、制電流（A）；</p><p>　　B——磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；</p><p>　　D——霍爾元件的厚度（m）；</p><p><b>　　令 </b></p><p><b>　　則得到：</b></p><p>　　由上式可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感

34、應(yīng)強(qiáng)度B。KH稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)、幾何尺寸有關(guān)。</p><p><b>　　方案比較及選擇</b></p><p><b>　　控制方案的選擇</b></p><p>　　PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好；同樣,由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動

35、態(tài)抗干擾能力強(qiáng),可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置效率高。比可控硅整流調(diào)速系統(tǒng)先進(jìn)。直流電機(jī)的PWM制可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)，總體可以分成硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩類。</p><p>　　隨著集成芯片工藝和功能水平的不對提高，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種可準(zhǔn)確發(fā)生PWM 波形控制直流電機(jī)調(diào)速的芯片，如SG3525、TL494等，這些芯片簡單易用適合于單獨(dú)的系統(tǒng)使用?，F(xiàn)在電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,

36、是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,操作維護(hù)方便,電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平,靜動態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。由于單片機(jī)性能優(yōu)越,具有較佳的性能價(jià)格比,所以單片機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。因此，我們選用單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的控制核心。</p><p>　　在許多單片機(jī)的測控系統(tǒng)中，需要PWM功能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制。對此

37、出路只有兩條：要么就選用具有PWM功能的單片機(jī)，要么就是采用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)PWM輸出。對于前著來說，雖然現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了不少具有PWM功能的新型單片機(jī)，但是它們的價(jià)格一般都比較高，并且它們開發(fā)器的價(jià)格目前也比較高。還有的是，目前我國應(yīng)用最多的一種單片機(jī)系列是美國Intel公司的8位高檔單片機(jī)MCS—51系列，這個(gè)系列里機(jī)型多種，性能特點(diǎn)不錯(cuò)，加上我們學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程是該類型的單片機(jī)，應(yīng)用相對順手。因而，本設(shè)計(jì)還是選用51系列單片機(jī)采用

38、軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)PWM輸出。</p><p>　　因?yàn)镸CS—51系列單片機(jī)型號比較多應(yīng)該要作出合理的選擇，下面對幾種常用型號進(jìn)行比較。</p><p>　　2.1.1 8031、8051、8751的比較</p><p>　　8031/8051/8751是Intel公司早期的產(chǎn)品，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，同有8位的CPU，128個(gè)字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，2

39、1個(gè)字節(jié)專用寄存器，4個(gè)8位并行I/O口，1個(gè)全雙工串行I/O口，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源。不同的是：</p><p>　　8031片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，使用時(shí)用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。用戶若想對</p><p>　　寫入到EPROM中的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接

40、程序存儲器的程序代碼沒有什么保密性可言。</p><p>　　8051片內(nèi)有4k ROM，無須外接外存儲器和373，更能體現(xiàn)“單片”的簡練。但是你編的程序你無法燒寫到其ROM中，只有將程序交芯片廠代你燒寫，并是一次性的，今后你和芯片廠都不能改寫其內(nèi)容。</p><p>　　8751與8051基本一樣，但8751片內(nèi)有4k的EPROM，用戶可以將自己編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的EPROM中進(jìn)行現(xiàn)場

41、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時(shí)間擦除后再燒寫。 </p><p>　　圖2.1 8051引腳圖</p><p>　　AT89C51、AT89S51的比較</p><p>　　AT89C51是ATMEL公司推出的一種帶4K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器。器件使用ATME

42、L公司高密度、非易失性技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的MSC-51指令系統(tǒng)和8051引腳兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。與8051相比其最大的特點(diǎn)是：4KB可編程Flash存儲器，可進(jìn)行1000次擦寫；全靜態(tài)時(shí)鐘0-24MHz；三級程序加密；低功耗支持Idle（空閑）工作模式和Power-Down（斷電）工作模式。AT89S51是2003年ATMEL推出的新型品種，除了完全兼容8

43、051外，還多了ISP編程和看門狗功能。</p><p>　　2.1.3 AT89C1051、AT89C2051的比較</p><p>　　AT89C1051是一種帶1K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，該器件采用ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和

44、閃速存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C1051是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種靈活性高且價(jià)廉的解決方案。AT89C1051有以下特點(diǎn)：1k字節(jié)EPROM、64字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz/24MHz工作頻率，同時(shí)還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電

45、和時(shí)鐘電路等。此外，AT89C1051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時(shí)，CPU停止，而讓RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89C2051結(jié)構(gòu)與可實(shí)現(xiàn)的功能跟AT89C1051基本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)升級到2K，還有內(nèi)部RAM為128字節(jié)。</p><p>　　由上可知，8031片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，8051與8751在程序燒寫上很不方便而且805

46、1的ROM只能用一次，使用它們很不方便。而AT89C51和AT89S51不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動成果。這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。何況，AT89C51、AT89S51目前的售價(jià)比8031還低，市場供應(yīng)也很充足。顯然可見，AT89C51和AT89S51更

47、實(shí)用。</p><p>　　因?yàn)橛密浖?shí)現(xiàn)PWM波形輸出很占用機(jī)時(shí)，用一片單片機(jī)還要實(shí)現(xiàn)紅外遙控、速度檢測與顯示、鍵盤掃描比較困難。為了降低難度，增加系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，我們決定使用兩片單片機(jī)實(shí)現(xiàn)以上功能。為了盡可能的應(yīng)用硬件資源，所以選用AT89C51或AT89S51一片，作為主控制器，實(shí)現(xiàn)紅外遙控、速度檢測與顯示、鍵盤掃描功能；選用AT89C1051或AT89C2051實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出。因?yàn)槟壳癆T89C

48、51和AT89S51價(jià)格相當(dāng)，固選用功能更好的AT89S51；因?yàn)樵诰d陽的電子城中AT89C2051容易購買，所以選用了AT89C2051。</p><p><b>　　鍵盤的選擇</b></p><p>　　鍵盤是計(jì)算機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶，借助鍵盤可以向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等。在本設(shè)計(jì)中，使用者可通過鍵盤對電

49、機(jī)進(jìn)行啟動和制動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、加速和減速控制（本設(shè)計(jì)中還在擴(kuò)展中用到紅外遙控實(shí)現(xiàn)與鍵盤一樣的功能）。</p><p>　　獨(dú)立式鍵盤 </p><p>　　獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O接口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線，每根I/O接口線的工作狀態(tài)不會影響其它I/O接口線的工作狀態(tài)。獨(dú)立鍵盤如圖2.3所示。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單

50、，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口線浪費(fèi)較大，故只在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用這種按鍵電路。此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O口線上有確定的高電平。當(dāng)I/O口內(nèi)部有上拉電阻時(shí)，外電路可以不配置上拉電阻。</p><p>　　圖2.3 獨(dú)立式鍵盤電路</p><p><b>　　矩陣式鍵盤</b></p>

51、;<p>　　將I/O接口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，這就構(gòu)成了行列式鍵盤。行列式鍵盤中按鍵的數(shù)量可達(dá)行線數(shù)n乘以列線數(shù)m，如4行、4列行列式鍵盤的按鍵數(shù)可以達(dá)到4×4＝16個(gè)。由此可以看到行列式鍵盤在按鍵較多時(shí)，可以節(jié)省I/O口線。一個(gè)4×4行列式鍵盤的電路原理圖如圖2.4所示。</p><p>　　8條I/O口線分為4條行線和4條列線

52、，按鍵設(shè)置在行線和列線交點(diǎn)上，即按鍵開關(guān)的兩端分別接在行線和列線上。行線通過一個(gè)上拉電阻接到+5V電源上，在沒有鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)。若向所有的列線I/O口輸出低電平，然后將行線的電平狀態(tài)讀入累加器A中，若無鍵按下，行線仍保持高電平狀態(tài)，若有鍵按下，行線至少應(yīng)有一條為低電平。 圖2.4 矩陣式鍵盤電路</p><p>　　若確定有鍵按下后，即可進(jìn)行求鍵碼的過

53、程。其方法是：依次從一條列線上輸出低電平，然后檢查各行線的狀態(tài)，若全為高電平，說明閉合鍵不在該列，若不全為1，則說明閉合鍵在該列，且在變?yōu)榈碗娖降男械慕稽c(diǎn)的行的交點(diǎn)上。 若在鍵盤處理程序中，給每個(gè)鍵都賦予一個(gè)鍵號，由從列線I/O口輸出的數(shù)據(jù)和從行線I/O口讀入的數(shù)據(jù)即可求出閉合鍵的鍵號，完成對鍵盤的掃描工作。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中只用到了4個(gè)鍵盤，用獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤都要用到4個(gè)I/O口，但是應(yīng)

54、用獨(dú)立式鍵盤相對比較簡單，故采用獨(dú)立式鍵盤。</p><p>　　2.3 顯示方式的選擇</p><p>　　LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的LED顯示器有7段和“米”字段之分。在次顯示轉(zhuǎn)速數(shù)值用7段顯示管即可。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。

55、共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二圾管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。其實(shí)設(shè)計(jì)選用共陰或共陽都是一樣的只是個(gè)人喜歡問題。本設(shè)計(jì)選用了四位共陽數(shù)碼。 </p><p>　　圖2.5 LED的共陰、共陽接法

56、</p><p>　　LED數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即動態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式。在動態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的各個(gè)端并連在一起，與單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)I/O口相連，從該I/O口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陽極或共陰極則與另一I/O口相連，控制被點(diǎn)亮的位。動態(tài)顯示的特點(diǎn)是：每一時(shí)刻只能有1位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，各位依次輪流放點(diǎn)亮；對于每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點(diǎn)亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時(shí)

57、間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應(yīng)，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每位數(shù)碼管被點(diǎn)亮的時(shí)間間隔（一般為1mS），可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。</p><p>　　在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼管的各個(gè)端與一個(gè)8位的I/O口相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時(shí)，只要從對應(yīng)的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點(diǎn)為：各數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮，數(shù)碼管中的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹埂?lt;/p><p>

58、　　相比而言，動態(tài)顯示方式更節(jié)省硬件資源和I/O口，一般系統(tǒng)都會選擇該種顯示方式。故經(jīng)綜合考慮，決定選用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示方式。</p><p>　　2.4 電動機(jī)驅(qū)動芯片的選擇</p><p>　　根據(jù)任務(wù)書的要求，本設(shè)計(jì)的核心部分就是對小型直流電動機(jī)進(jìn)行可逆的PWM調(diào)速控制。要實(shí)現(xiàn)以上的功能，應(yīng)用比較廣泛的是由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的H型橋式驅(qū)動電路。這種驅(qū)動電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四

59、象限運(yùn)行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。其基本原理如圖2.6所示。</p><p>　　我們可以根據(jù)需要對四個(gè)開關(guān)管進(jìn)行控制，使其能實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速的功能。使全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，V1、V4為一組，V2、V3為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)V1、V4導(dǎo)通時(shí)，V2、V3關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)V2、V3導(dǎo)通時(shí)，V1、V4關(guān)斷電機(jī)兩端

60、為反向電 圖2.6 H橋型PWM降壓斬波器原理圖</p><p>　　壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。</p><p>　　上述的這種方法叫雙極性PWM控制方式，應(yīng)用時(shí)要注意避免上下臂橋之間的同時(shí)導(dǎo)通，因?yàn)樯舷卤蹣蛑g的同時(shí)導(dǎo)通會引起短路。應(yīng)用H型橋式驅(qū)動電路可以很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)所要求的功能。但是為了簡化電路，我們決定使用集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片。LMD18200和L298都是比

61、較常用，性能比較穩(wěn)定可靠的集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片。</p><p>　　LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動機(jī)驅(qū)動的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅(qū)動電流可達(dá)6A，正常工作電流可達(dá)3A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力，無“shot-through”電流，而且此種芯片內(nèi)部還具有過流保護(hù)的測量電路，只需要在LMD18200的8腳輸出端測出電壓和給定的電壓比較即

62、可保護(hù)電路過流，從而實(shí)現(xiàn)電路的過流保護(hù)功能。LMD18200提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式選擇.LMD18200組成的電機(jī)驅(qū)動電路（單極性）如圖2.7 所示。</p><p>　　L298是ST公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成有兩個(gè)橋式電路的電機(jī)驅(qū)動專用芯片，它驅(qū)動的電壓可達(dá)到46V，單個(gè)橋直流電流可達(dá)到2A。具有兩個(gè)使能控制端口，分別控制兩個(gè)電機(jī)的啟動和制動。它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。其外，L298的兩個(gè)橋

63、式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動一個(gè)直流電動機(jī)，直流電流可達(dá)到4A。</p><p>　　其實(shí)對于本設(shè)計(jì)來說，上述兩塊芯片都可用。不過在市場上，L298使用比較廣，而且比較容易購買，所以本設(shè)計(jì)選用L298作為電機(jī)的驅(qū)動芯片。</p><p><b>　　總方案的確定</b></p><p>　　經(jīng)過上述文字對調(diào)速系統(tǒng)各部分的討論選擇后，我們所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的

64、方案可以初步確定，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)直流斬波調(diào)速系統(tǒng)簡單原理為：由單片機(jī)AT89S51接受鍵盤或紅外遙控器的信號并產(chǎn)生相應(yīng)的信號輸出，其中兩路信號控制L298的使能和方向，一路占空比信號送給AT89C2051；AT89C2051接受到占空比信號后產(chǎn)生出對應(yīng)的PWM波形送L298控制直流電機(jī)的速度。在直流電

65、機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號傳送到AT89S51，AT89S51進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算出直流電機(jī)每秒鐘的轉(zhuǎn)速，并送LED顯示。 整個(gè)系統(tǒng)的電源由外接雙路穩(wěn)壓電源（+5V 、+12V）提供。</p><p><b>　　器件的介紹</b></p><p>　　L298N芯片的介紹</p><p>　　L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電

66、機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是:工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。</p>

67、<p>　　3.1.1 L298的引腳功能</p><p>　　L298芯片的引腳圖如下圖3.1，其引腳功能見表3.1。</p><p>　　圖3.1 L298引腳圖</p><p><b>　　L298的典型應(yīng)用</b></p><p>　　※ 驅(qū)動直流電機(jī)、步機(jī)電機(jī)※ 伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

68、位置與轉(zhuǎn)速※ 應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)※ 應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)※ 應(yīng)用于電腦打印機(jī)與繪圖儀</p><p>　　表3.1 L298引腳功能表</p><p><b>　　L298的運(yùn)行參數(shù)</b></p><p>　　表3.2 L198的運(yùn)行參數(shù)</p><p><b>　　L2

69、98的邏輯控制</b></p><p>　　L298的邏輯控制見如下表3.3。其中C、D分別為IN1、IN2或IN3、IN4；L為低電平，H為高電平，※為不管是低電平還是高電平。</p><p>　　表3.3 L298對直流電機(jī)控制的邏輯真值表</p><p>　　CS3020霍爾元件的介紹</p><p>　　CS3020是C

70、S系列霍爾傳感器中比較常用的一員，它的由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路的輸出級組成發(fā)磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為電壓。</p><p>　　3.3.1 CS3020的特征及應(yīng)用</p><p><b>　?。?）特征</b></p><p>　　CS3020工作頻率寬（100KHz），開關(guān)速度快，

71、沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能直接和晶體管及TTL、MOS等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　?。?）應(yīng)用</b></p><p>　　CS3020典型應(yīng)用于無觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機(jī)等方面。</p><p>　　CS3020的引腳說明</p><p&g

72、t;　　CS3020只有三個(gè)引腳，1腳接電源，2腳接地，3腳接輸出，安裝簡單方便易用。其功能框圖如圖3.6。</p><p>　　圖3.6 CS3020的功能框圖</p><p>　　CS3020的電特性和磁特性</p><p>　　CS3020的電特性見表3.5，磁特性見表3.6。</p><p>　　表3.5 CS3020的電特性&l

73、t;/p><p>　　表3.6 CS3020的磁特性</p><p><b>　　硬件系統(tǒng)的論述</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)原理概圖在論文第二章圖2.8 中也作過表述。整機(jī)電路原理圖見附錄1部分。本章將對硬件系統(tǒng)各部分作具體分析。</p><p><b>　　電源部分</b

74、></p><p>　　本設(shè)計(jì)中控制部分的邏輯元件需要+5V的直流電，而我們實(shí)驗(yàn)用的小型直流電動機(jī)的額定電壓為12V。這樣我們就需要兩個(gè)直流電源。為解決這個(gè)問題，我們采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且有很多成熟是集成元件可選擇，電路十分簡單。所以我們在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源如下圖4.1。&

75、lt;/p><p>　　圖4.1 雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　由上圖可見，這個(gè)雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡單，只用了一個(gè)220V變12V的變壓器，一個(gè)整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（7812和7805）和四個(gè)電容。圖中C1是一個(gè)大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于C1本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在C1傍邊并聯(lián)

76、一個(gè)高頻濾波性能良好的小電容C2。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容C3和C4是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。</p><p><b>　　PWM波形產(chǎn)生部分</b></p><p>　　PWM波形的產(chǎn)生是由AT89C2051用軟件模擬實(shí)現(xiàn)的，所以這部分的硬件比較少，主要是保證AT89C2051正常工作的最少模式就可以了。至于AT89C2051正常工作的最少模式跟A

77、T89C51基本上是一樣的，這里就不再詳述了。特別的是AT89C2051沒有引腳就不用做相應(yīng)的處理了。AT89C2051的P1口與AT89S51的P1口并接，進(jìn)行并行通信。AT89C2051的P3.7引腳用作PWM波的輸出口。其詳細(xì)的硬件圖可參照附錄1中的原理圖。</p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動部分</b></p><p>　　在第二章的方案選擇中我們已經(jīng)確定直

78、流電動機(jī)的驅(qū)動部分選用集成芯片L298及其外圍電路構(gòu)成。其電路圖如下圖4.2。</p><p>　　圖4.2 L298及其外圍電路硬件圖</p><p>　　由上圖可以看出，L298及其外圍電路比較簡單。其中ENABLE、PWM和DIRECTION三路信號又控制電路部分給出。單片機(jī)輸出的PWM信號經(jīng)過一個(gè)反響器變成我們上圖中的信號。在使用過程中，我們把L298內(nèi)部的兩個(gè)橋式驅(qū)動器并聯(lián)使用

79、，這樣可以提高直流電動機(jī)的供電電流的極限值，使直流電動機(jī)的持續(xù)工作電流最高可達(dá)到4A。（在我們所用的電源中，最高可提供1.5A的電流，這主要由電源變壓器和穩(wěn)壓集成電路7812、7805的性能決定，使用并聯(lián)的方法是為了以后的擴(kuò)展及對要求直流電機(jī)工作電流大于2A小于4A的情況應(yīng)用提供參照）現(xiàn)在我們可以通過L298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，分析以下L298實(shí)現(xiàn)的功能。見下圖4.3</p><p>　　在圖4.2可見L298的ENA

80、BLE A 引腳與ENABLE B 引腳相連由一路控制信號同時(shí)控制。由結(jié)構(gòu)圖可知，當(dāng)ENABLE輸入為低電平時(shí)，L298內(nèi)的8個(gè)開關(guān)管都不會導(dǎo)通，L298沒輸出。當(dāng)ENABLE輸入為高電平時(shí)，可由圖4.4看出8個(gè)開關(guān)管根據(jù)輸入端信號的變化而變化的情況。</p><p>　　圖4.3 L298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在時(shí)序圖中我們可以見到PWM波形的占空比由40%到80%到60%

81、的變化。在ENABLE輸入為高電平的情況下，當(dāng)DIRECTION輸入為低電平時(shí)，可以見到與</p><p>　　一直導(dǎo)通，其對應(yīng)下臂橋與一直截止。這過程中與一直與PWM波形變化一致。這時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，并且可以根據(jù)PWM控制信號變化方向進(jìn)行調(diào)速控</p><p>　　圖4.4 L298內(nèi)部8個(gè)三極管根據(jù)輸入信號變化的時(shí)序圖</p><p>　　制；當(dāng)DIRECTION輸

82、入為高電平時(shí)，可以見到與一直導(dǎo)通，其對應(yīng)下臂橋與一直截止。這過程中與一直與PWM波形變化一致。這時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，并且同樣可以根據(jù)PWM控制信號變化方向進(jìn)行調(diào)速控制。</p><p>　　對于L298的應(yīng)用，還需要對采樣電阻Rs進(jìn)行選擇。對Rs進(jìn)行選擇，以下幾個(gè)因素是必須考慮的。第一，L298的允許采樣電壓值是2V（見表3.2），超過這一幅度，芯片會自動保護(hù)從而停止工作。第二，L298允許的電流和功率的限制。第三，電阻

83、自身可能達(dá)到的功耗。在本設(shè)計(jì)中，選用了1.55W的電阻，電機(jī)能正常工作。</p><p><b>　　測速顯示部分</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)附加了對直流電動機(jī)的測速顯示功能。下面我們分別分析一下測速部分和顯示部分的硬件連接。其原理框圖如圖4.5。</p><p>　　圖4.5 測速顯示部分硬件原理框圖</p><

84、p><b>　　霍爾元件測速</b></p><p>　　對轉(zhuǎn)速的檢測有很多傳感器可以應(yīng)用，如光學(xué)編碼器，霍爾元件和霍爾接近開關(guān)等?？紤]到成本和易用性等問題，本設(shè)計(jì)選用的是霍爾元件CS3020作為測速的傳感器。我們在電機(jī)的轉(zhuǎn)葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出兩個(gè)脈沖。CS3020的接線圖比較簡單，參見圖4.5。</p><p>　　LED顯示的

85、硬件電路</p><p>　　本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了節(jié)省I/O口，我們使用74LS47來把四位的BCD碼轉(zhuǎn)換成七段LED顯示，所以在單片機(jī)中輸出轉(zhuǎn)速的數(shù)值要用BCD表示，詳細(xì)會在下一章的軟件部分講到。下面給出LED與單片機(jī)的接口電路圖，如圖4.6。</p><p>　　圖4.6 LED與單片機(jī)接口的硬件圖</p><p>　　由上圖可以

86、看到，單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2和P2.3作為BCD碼的輸出口，分別與74LS47的A、B、C和D引腳相接。單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7分別作為四位LED的由低位到高位的選通腳。在實(shí)驗(yàn)中，我們嘗試將單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7引腳直接接到四位LED的選通斷，結(jié)果是LED幾乎不能顯示，所以我們采用了通過控制三極管來選通LED的方法。我們使用的三極管是9014，該三極管是NPN管，當(dāng)給它一個(gè)高電平

87、時(shí)就導(dǎo)通，給它低電平時(shí)截止。由于LED正常的工作電壓為3.5V左右，如果直接給LED選通端接5V電壓，LED可能會燒毀，所以我們先接兩個(gè)壓降為0.7V的普通二極管進(jìn)行降壓后再送到三極管的集電極。實(shí)驗(yàn)證明，這樣做LED能正常地工作。</p><p><b>　　軟件系統(tǒng)的論述</b></p><p><b>　　主程序</b></p>

88、<p>　　本設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制程序采用51匯編語言編寫，在編寫的過程中，盡量向結(jié)構(gòu)化、模塊化的方向編寫，整個(gè)程序的清單見附錄3。本章將對該直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的程序做具體分析。首先分析主程序的流程，其程序流程圖如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 主程序流程圖</p><p>　　如上圖顯示，本設(shè)計(jì)的主程序設(shè)計(jì)比較簡單。程序首先是對P1口送初值，即給AT89C2051送

89、取一個(gè)占空比為50%的數(shù)據(jù)。（當(dāng)然可送其它占空比數(shù)據(jù)，這里是為了跟好的展示，根據(jù)不同系統(tǒng)的需要，其值可變）。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，直到按下啟動鍵后再啟動，啟動后的轉(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。接著就按順序循環(huán)調(diào)用顯示子程序、測速子程序和鍵盤掃描子程序

90、。</p><p><b>　　鍵盤掃描子程序</b></p><p>　　在第二章的方案選擇中，我們已經(jīng)確定了使用獨(dú)立式鍵盤。其獨(dú)立式鍵盤由四個(gè)按鍵組成，分別控制電機(jī)的啟動、制動，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，加速和減速。其程序流程圖如圖5.2。</p><p>　　圖5.2 鍵盤子程序的流程圖</p><p>　　組成鍵盤的按鍵有觸

91、點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的。在下圖中，當(dāng)開關(guān)S未被按下時(shí)，P3.x輸入為高電平，S閉合后，P3.x輸入為低電平。由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，會有抖動動，P3.x輸入端的波形如圖5.3所示。這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對計(jì)算機(jī)來說，則是完全可以感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級，而機(jī)械抖動的時(shí)間至少是毫秒級，對計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)“漫長”的時(shí)間了。前面我們講到中斷時(shí)曾有個(gè)問題，就

92、是說按鍵有時(shí)靈，有時(shí)不靈，其實(shí)就是這個(gè)原因，你只按了一次按鍵，可是計(jì)算機(jī)卻已執(zhí)行了多次中斷的過程，如果執(zhí)行的次數(shù)正好是奇數(shù)次，那么結(jié)果正如你所料，如果執(zhí)行的次數(shù)是偶數(shù)次，那就不對了。</p><p>　　圖5.3 鍵盤按下時(shí)的抖動現(xiàn)象</p><p>　　所以在鍵盤的應(yīng)用中，一定要解決抖動問題。通常去抖動的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。單片機(jī)中常用軟件法，我們在本設(shè)計(jì)中也是應(yīng)用軟件法。

93、軟件法其實(shí)很簡單，就是在單片機(jī)獲得P3.x口為低的信息后，不是立即認(rèn)定S1已被按下，而是延時(shí)10毫秒或更長一些時(shí)間后再次檢測P3.x口，如果仍為低，說明S的確按下了，這實(shí)際上是避開了按鍵按下時(shí)的抖動時(shí)間。而在檢測到按鍵釋放后（P3.x為高）再延時(shí)5-10個(gè)毫秒，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。不過一般情況下，我們通常不對按鍵釋放的后沿進(jìn)行處理，在實(shí)驗(yàn)中證明了，不對按鍵釋放的后沿進(jìn)行處理也可以滿足我們設(shè)計(jì)的要求。</p>

94、<p><b>　　PWM信號發(fā)生程序</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中，直接應(yīng)用AT89C2051用軟件的方法模擬輸出PWM信號，其程序流程圖如圖5.4。</p><p>　　圖5.4 產(chǎn)生PWM信號的流程圖</p><p>　　相對應(yīng)用硬件實(shí)現(xiàn)PWM信號，用軟件實(shí)現(xiàn)具有成本低，限制少，實(shí)現(xiàn)便捷等優(yōu)點(diǎn)。但是實(shí)現(xiàn)高性能的軟件PW

95、M，也不是容易的事情。軟件PWM的最大難題是死區(qū)的大小，就是PWM的最少分辨時(shí)間；其次是程序的效率問題。用軟件實(shí)現(xiàn)PWM信號，常用兩種方法：一種是用定時(shí)器控制PWM輸出，此種方法死區(qū)時(shí)間最少占5個(gè)指令周期，分辨率比較低。第二種是應(yīng)用指令延時(shí)實(shí)現(xiàn)PWM的輸出，此種方法的分辨率可以達(dá)到一個(gè)指令周期，但是程序較為復(fù)雜，而且占用機(jī)時(shí)比較多。理論上，把這兩種方法結(jié)合起來，根據(jù)不同的占空比，采用相應(yīng)合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問題。在設(shè)計(jì)

96、實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)閭€(gè)人能力問題沒有成功的把這兩種方法有效地結(jié)合在一起，所以最后應(yīng)用了定時(shí)的方法。雖然說沒有結(jié)合的方法那么好，但是可以適用于某些領(lǐng)域。</p><p>　　圖5.4就的用延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出的流程圖。在本設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)用單片機(jī)每50個(gè)機(jī)器周期為PWM波形的基本周期（AT89C2051采用12MHz的晶體，即PWM波形的周期為100uS，其頻率為10KHz），采用定頻調(diào)寬的方法。定時(shí)器T0確定PWM

97、波的頻率，T1確定高電平的時(shí)間，這樣改變T1的初值就可以改變占空比。詳細(xì)程序請看附錄。</p><p><b>　　測速子程序</b></p><p>　　測速是本系統(tǒng)的附加的功能，通過對速度的測量并顯示出數(shù)值來，能讓人直觀地看出調(diào)速的結(jié)果和性能。實(shí)現(xiàn)測速功能的程序流程圖如圖5.5。</p><p>　　圖5.5 測速功能的程序流程圖<

98、/p><p>　　對于小型電動機(jī)速度的測量，比較常用的采用脈沖發(fā)生器來檢測速度。通?？梢允褂靡韵聝煞N方法：1.M法，在一定時(shí)間間隔T內(nèi)，對脈沖發(fā)生器的輸出脈沖計(jì)數(shù)，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖測量值m。2.T法，通過測量脈沖發(fā)生器的脈沖周期來計(jì)算電動機(jī)轉(zhuǎn)速的一種測量方法，脈沖周期的測量是借助頻率已經(jīng)確定的始終脈沖計(jì)數(shù)間接獲得。一般情況下，M法適用于中高速的檢測，速度越高誤差就越小，測量的數(shù)據(jù)就越精確，相反速度越低，誤差

99、就越大；T法適用于低速的檢測。在實(shí)際應(yīng)用中，還有一種集以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)與一體的測速方法M/T法，程序相對復(fù)雜些，詳細(xì)請參閱其它相關(guān)資料。在本設(shè)計(jì)中，對轉(zhuǎn)速的測量精度沒有很高的要求，而且轉(zhuǎn)速較多的工作于中高速部分，所以選用M法測速。</p><p>　　在圖5.5測速功能的程序流程圖中可以看到，利用單片機(jī)進(jìn)行速度的轉(zhuǎn)速測量比較簡單。轉(zhuǎn)速的檢測，實(shí)際上是應(yīng)用了兩個(gè)中斷服務(wù)子程序，T0中斷和INT0中斷。在圖5.5中

100、可見，INT0中斷執(zhí)行的功能十分簡單，就是外部每輸入一個(gè)脈沖，R0寄存器就加1。T0中斷的作用就是給定一個(gè)時(shí)間間隔T，在T內(nèi)應(yīng)用INT0中斷對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，時(shí)間到就送出R0的數(shù)值，并對其清零。由圖4.5可知，我們應(yīng)用了兩塊小磁鋼，所以電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，就會產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，因此我們只需要定時(shí)0.5S就可以得到電機(jī)1S的轉(zhuǎn)速了。程序中的測速子程序，就是對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換并且送顯。</p><p><b&

101、gt;　　顯示子程序</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)用了四位共陽數(shù)碼管和七段譯碼器作為顯示電路外圍器件，其詳細(xì)的硬件論述請看第四章的LED顯示的硬件電路部分。這樣要與硬件電路匹配就要求軟件的輸出必須要是BCD碼，并且要采用動態(tài)顯示方式。圖5.6是顯示子程序的流程圖。</p><p>　　在LED的硬件圖中可以看到，單片機(jī)的P2口作為顯示部分的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。其中P2

102、口的低四位作為BCD碼的輸出口，P2口的高四位分別控制四位LED（LED1、LED2、LED3和LED4）。在流程圖中可見，程序先把個(gè)位數(shù)據(jù)存儲單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對P2.4置1選通LED1，這樣LED1就顯示個(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS；接著再把十位數(shù)據(jù)存儲單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對P2.5置1選通LED2，這樣LED2就顯示個(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS；然后把百位數(shù)據(jù)存儲單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對

103、P2.6置1選通LED3，這樣LED3就顯示個(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS；最后把千位數(shù)據(jù)存儲單元的BCD碼送到P2口的低四位，在對P2.7置1選通LED3，這樣LED4就顯示個(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí)1mS后返回。其中，軟件不可能顯示到轉(zhuǎn)速的千位數(shù)，因?yàn)槲覀冎灰砸粋€(gè)寄存器儲存轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，所以本軟件最大的檢測轉(zhuǎn)速值是255轉(zhuǎn)每秒。LED的千位是正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志位，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候不顯示（BCD碼為1111），當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候顯示為“三”型（BCD碼為1

104、101）。</p><p>　　圖5.6 顯示子程序的流程圖</p><p><b>　　系統(tǒng)功能擴(kuò)展設(shè)想</b></p><p><b>　　6.1 閉環(huán)調(diào)速</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)中，使用了實(shí)驗(yàn)用的小型直流電動機(jī)。作為顯示實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)，任務(wù)書中并沒有提出直流電動機(jī)的

105、靜態(tài)和動態(tài)的性能要求。所以在本設(shè)計(jì)中并沒有考慮到在電機(jī)調(diào)速過程中的靜態(tài)和動態(tài)性能，采用了開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。但在實(shí)際生活生產(chǎn)的應(yīng)用中，往往會對電機(jī)靜態(tài)和動態(tài)的性能提出要求，這樣就要使用到閉環(huán)調(diào)速了。</p><p>　　在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的是電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和無靜差調(diào)速，并且限制了啟動時(shí)的最大電流，它的性能基本上能滿足一般生產(chǎn)生活的要求。對于電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原

106、理及其動靜態(tài)性能的分析這里不做具體說明，如有需要可以參閱相關(guān)資料。在這里只對用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)作簡單分析。其系統(tǒng)框圖如圖6.1。</p><p>　　圖6.1 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　　這是一個(gè)電流、速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)。直流電機(jī)接在由四個(gè)開關(guān)半導(dǎo)體器件組成H型占波電路中。電機(jī)速度經(jīng)過光電編碼起進(jìn)行編碼后送單片機(jī)，而電機(jī)主電路的電流經(jīng)過一個(gè)

107、霍爾電流傳感器和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)。在單片機(jī)的控制算法應(yīng)用PI控制算法，經(jīng)過兩個(gè)PI法后得到的值用來控制占空比，從而改變PWM信號進(jìn)行調(diào)速。使用中注意電流環(huán)的采樣周期應(yīng)該小于單片機(jī)定時(shí)測頻的時(shí)間T。</p><p><b>　　紅外遙控</b></p><p>　　紅外線遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。由于紅外線遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低

108、等特點(diǎn)，因而，繼彩電、錄像機(jī)之后，在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空凋機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。本設(shè)計(jì)附帶了紅外線遙控?cái)U(kuò)展功能。</p><p>　　通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光

109、、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。在本設(shè)計(jì)中，編碼專用集成電路芯片使用了HT6221，在接收器及解碼部分可使用一體化紅外線接收器并用單片機(jī)解碼。下面介紹一下HT6221和紅外解碼。</p><p>　　6.2.1 HT6221芯片的介紹</p><p>　　HT6221 是Holtek 公司生產(chǎn)的多功能編碼芯片，采用PPM（Pulse Position Modulation）進(jìn)行編碼。HT