STC89C52單片機(jī)直流電機(jī)的設(shè)計(jì)電氣工程專(zhuān)業(yè)

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1、 摘 要 近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性：調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求。本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，控制LN298大功率H橋路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)已達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)數(shù)碼管將速度等級(jí)顯示出來(lái)，此外分別從主控制芯片的選擇、顯示電路的比較與選擇、 電機(jī)調(diào)速控制模塊、電源電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路四個(gè)方面進(jìn)一步確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)數(shù)碼管LED顯示程序設(shè)計(jì)以及電機(jī)控制子程序完成實(shí)驗(yàn)步驟，并

2、在結(jié)論部分對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的常見(jiàn)的故障分析和注意事項(xiàng)做出了摘要說(shuō)明，具有一定的理論和實(shí)際意義。。 關(guān)鍵詞：STC89C52； 雙向可逆控制系統(tǒng)； PWM調(diào)速； 目錄 緒論 1 1系統(tǒng)總體方案 3 1.1 主控制芯片的選擇 3 1.2 顯示電路的比較與選擇 4 1.3 電機(jī)調(diào)速控制模塊 4 1.4 電源電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 4 2系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì) 5 2.1 系統(tǒng)總電路框圖設(shè)計(jì) 5 3.2 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)及原理 5 3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 3.2.2直流電機(jī)

3、的調(diào)速設(shè)計(jì) 8 3.2.3 測(cè)速發(fā)電機(jī) 9 3.2.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 9 3.2.5 L298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 11 3.2.6 按鍵電路電路設(shè)計(jì) 13 3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 15 3.1 系統(tǒng)的整體程序流程圖 15 4.2 數(shù)碼管LED顯示程序設(shè)計(jì) 15 4.3 電機(jī)控制子程序 16 5系統(tǒng)調(diào)試 18 5.1 常見(jiàn)的故障分析 18 5.2 系統(tǒng)調(diào)試注意事項(xiàng) 18 結(jié)論 18 參考文獻(xiàn) 19 附錄一 硬件原理圖 21 附錄二 程序源代碼 22 致 謝 24 1 宿州學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)

4、 緒論 （1）課題研究的背景 近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性：調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速提出了更高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代科技的要求，這時(shí)通過(guò)PWM方式控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法應(yīng)運(yùn)而生。 采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間推移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等

5、。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可獲很寬的頻帶；開(kāi)關(guān)元件只需工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點(diǎn)。 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，目前在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動(dòng)機(jī)供電的KZ—D拖動(dòng)系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機(jī)的F—D系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使

6、直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。直流電機(jī)調(diào)速基本原理是比較簡(jiǎn)單的（相對(duì)于交流電機(jī)），只要改變電機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見(jiàn)的一種PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線(xiàn)性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前

7、的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。 （2） 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線(xiàn)性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能

8、。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 (3)本設(shè)計(jì)的任務(wù) 本系統(tǒng)已STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，將其在數(shù)碼管將速度等級(jí)呈現(xiàn)出來(lái)，本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)主要包括： （1）直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)控制； （2）直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)控制； （3）直流電機(jī)的加速控制； （4）直流電機(jī)的減速控制； （5）數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； （6）單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)； （7）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 19 1系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的步驟為先選擇主控制芯片，然后通過(guò)顯示電路的比較與選擇、電機(jī)調(diào)速控制模塊、電源電路與電機(jī)驅(qū)

9、動(dòng)電路三個(gè)方面逐步確定系統(tǒng)的軟硬件指標(biāo)，最終將設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩個(gè)部分分別詳細(xì)概括，本文的設(shè)計(jì)原理是主要以單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，控制LN298大功率H橋路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，并且將結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管將速度等級(jí)顯示出來(lái)作為具體分析概述。系統(tǒng)總體方案如下所示： 1.1 主控制芯片的選擇 本次設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制元器件，該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來(lái)隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中

10、。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門(mén)的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。51成本低廉，使用方便，適合與本系統(tǒng)的檢測(cè)與控制。 1.2 顯示電路的比較與選擇 數(shù)碼管顯示具有亮度高、顯示簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔、成本低廉，可靠性高、響應(yīng)速度快等有點(diǎn)。在實(shí)際工程中，人即便站在很遠(yuǎn)的位置也能看清楚數(shù)碼管顯示的信息。而且數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，采用硬件驅(qū)動(dòng)即不需要程序控制，完全不占用CPU的資源。因此我們這里采用LED數(shù)碼管顯示信息 1.3 電機(jī)調(diào)速控制模塊 采用由三極管組成的H型PWM電路。用

11、單片機(jī)控制三極管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)[7]。 1.4 電源電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)電源選擇直流穩(wěn)壓電源模塊。將插線(xiàn)板電源經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出。為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。雖說(shuō)會(huì)有一些不穩(wěn)定因素但攜帶方便，所以選擇鋰電池來(lái)負(fù)責(zé)電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)我采用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片。L298內(nèi)部繼承大功率H橋路。具有穩(wěn)定性高、使用簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)。能夠驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)和控制電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)于電

12、機(jī)調(diào)速也是非常理想的選擇。因此采用此種方法。 宿州學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總電路框圖設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，控制LN298大功率H橋路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)已達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)數(shù)碼管將速度等級(jí)顯示出來(lái)，此外可以通過(guò)按鍵控制電機(jī)的正傳反轉(zhuǎn)、以及電機(jī)速度加和減。 圖1 系統(tǒng)總體框圖 3.2 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)及原理 3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，以STC89C5

13、2單片機(jī)為核心，配以外圍電路：時(shí)鐘電路、上點(diǎn)復(fù)位電路構(gòu)成。主要完成數(shù)據(jù)的采集處理和轉(zhuǎn)換。 MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司在1980年繼MCS-48系列8位單片機(jī)之后推出的高檔8位單片機(jī)，此單片機(jī)憑其穩(wěn)定的性能、高性?xún)r(jià)比以及良好的兼容，在各個(gè)領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用，也是我國(guó)目前應(yīng)用最廣的單片機(jī)系列。在性能和功能方面，MCS-51單片機(jī)大大優(yōu)于MCS-48單片機(jī)。MCS-51系列有多種機(jī)型可供用戶(hù)選擇[8]。 （1）單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) MCS--51系列單片機(jī)最早的典型代表為8051,87581,8031，由于其型號(hào)和生產(chǎn)廠(chǎng)商的不同，在片內(nèi)存儲(chǔ)器容量、中斷系統(tǒng)、外圍功能模塊、最高時(shí)

14、鐘頻率以及處理器速度等方面有很大的不同，但它們的指令系統(tǒng)完全兼容，硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)也相同，其主要的性能特點(diǎn)如下 1) 8位CPU. 2) 片內(nèi)128B RAM(MCS--52子系列有256B RAM) 。 3) 片內(nèi)4KB ROM/EPROM(8051/8751). 4) 特殊功能寄存器區(qū)。 5) 兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的5個(gè)中斷源結(jié)構(gòu)。 6) 4個(gè)8位并行I/O口（P0，P1，P2，P3）。 7) 兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（MCS--52子系列有3個(gè)）. 8) 全雙工串行口。 9) 布爾處理器。 MCS-51的典型產(chǎn)品有8031,8051,8751.8051內(nèi)部有4KB ROM，80

15、71內(nèi)部有4KB EPROM，8031片內(nèi)無(wú)ROM；除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。在單片機(jī)芯片的內(nèi)部，其基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)成是通用CPU加上外圍芯片的模式，內(nèi)部主要由9個(gè)部件通過(guò)單一總線(xiàn)連接而成。這9個(gè)主要部件是：1個(gè)8位的中央處理器（包括ALU,ACC,TMP1,TMP2，B寄存器，PSW及相應(yīng)的定時(shí)和控制邏輯），4KB/8KB程序寄存器（ROM/EPROM），128B/256B的數(shù)據(jù)寄存器（RAM），32條I/O接口線(xiàn)（圖中P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7），中斷控制邏輯（具有5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)），定時(shí)器控制邏輯（具有2個(gè)可編程定時(shí)

16、器/計(jì)數(shù)器），串行接口控制邏輯（具有可工作于多處理機(jī)通信，I/O接口擴(kuò)展或全雙工通用異步接收發(fā)送器的串行接口），21個(gè)專(zhuān)用寄存器（包括程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指針寄存器SP、程序狀態(tài)字存器PSW、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR等）以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路（由OSC及相關(guān)電路組成）[9]。 （2）復(fù)位電路邏輯圖 RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即兩個(gè)機(jī)器周期)以上。若使用頻率位6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)4us才能完成復(fù)位操作。 整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每一個(gè)機(jī)

17、器周期的S5P2時(shí)刻對(duì)觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。 復(fù)位操作有上電復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。我們采用按鍵手動(dòng)復(fù)位的電平方式，如圖2。通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)。 圖2 按鍵手動(dòng)復(fù)位原理圖 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除此之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。AT89S52是第9腳復(fù)位，當(dāng)有鍵按下去時(shí)，復(fù)位端成高電平，單片機(jī)復(fù)位[10]。 （3）振蕩電路 晶體振蕩電路屬于反饋振蕩器。從能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，一般的功

18、率放大器是在是在輸入信號(hào)的控制下，把直流電源提供的直流能量轉(zhuǎn)換為按信號(hào)規(guī)律變化的交變能量的電路。而反饋振蕩器是不需要輸入信號(hào)的控制就能自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的交變能量的電路。AT89S52芯片內(nèi)部都有一個(gè)高增益反相放大器用于構(gòu)成振蕩器晶體振蕩電路其屬于反饋振蕩器。振蕩又分外部振蕩和內(nèi)部振蕩[11]，如下圖所示： 圖3 晶振時(shí)鐘原理圖 設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況選擇了內(nèi)部振蕩這種方式對(duì)單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。反相放大器的輸入端為XATAL1，輸出端為XATAL2。分別是89S52的19腳和18腳，在XATAL1和XATAL2兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。電容一般都取

19、33P，單片機(jī)接11.0592MHz的晶振。振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)送到CPU，作為CPU的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)CPU產(chǎn)生執(zhí)行指令功能的機(jī)器周期。 3.2.2直流電機(jī)的調(diào)速設(shè)計(jì) 根據(jù)直流電機(jī)的基本原理，由感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械特性方程式可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。Ia變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 （2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)

20、速（簡(jiǎn)稱(chēng)弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。If變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同Ia變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 （3）改變電樞回路電阻R。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 直流斬波器又稱(chēng)直流調(diào)壓器，是利用開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷時(shí)間的變化來(lái)改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱(chēng)直流－直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低

21、等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)以及電瓶搬運(yùn)車(chē)等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中。 圖5為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中VT代表開(kāi)關(guān)器件。當(dāng)開(kāi)關(guān)VT接通時(shí)，電源電壓U。加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT斷開(kāi)時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖5（b）所示。 圖5 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （a）原理圖　?。╞）電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端

22、電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱(chēng)PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。 與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 （2）同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 （3）由于電力電子器件只

23、工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器。脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。目前，受到器件容量的限制，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)[14] 3.2.3 測(cè)速發(fā)電機(jī) 當(dāng)被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸連接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，即可以獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，所以測(cè)速發(fā)電機(jī)又稱(chēng)速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)速度的元件，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者通過(guò)反饋來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。 3.2.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) （1）共陰數(shù)碼管管腳說(shuō)明與原理圖 七

24、段LED顯示器內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管的接線(xiàn)形式，可分成共陰極型和共陽(yáng)極型。 實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)扳上使用的是四位一體的共陰數(shù)碼管[15]。LED數(shù)碼管的封裝如圖6所示。 圖6 數(shù)碼管的封裝形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu) (2）數(shù)碼管碼值的推算 LED數(shù)碼管的A—DP七個(gè)發(fā)光二極管因以不同亮滅的組合就能形成不同的字形，這種組合稱(chēng)之為字形碼，下面列出共陰極的字形碼，“數(shù)字”是要數(shù)碼管要顯示的數(shù)字，“字形碼”是單片機(jī)P0口要輸出的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如數(shù)字“0”和數(shù)字“7”的字形碼推算方法如圖7所示： 圖7 數(shù)碼管碼值

25、的推算方法 同理，按照上述的推倒方法和原則我們得出數(shù)字0——9的編碼。 （3）數(shù)字的顯示規(guī)律——查表法 由于顯示的數(shù)字0－9的字形碼沒(méi)有規(guī)律可循，只能采用查表的方式來(lái)完成我們所需的要求了。這樣我們按著數(shù)字0－9的順序，把每個(gè)數(shù)字的筆段代碼按順序排好，建立的表格如下所示：TABLE DB[]={3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH}，當(dāng)我們要顯示一個(gè)數(shù)字，比如‘4’的時(shí)候，我們就可以查表TABLE DB[4]找到66H，送P0口就可以了[16]。 （4）數(shù)碼管顯示電路圖 圖8 數(shù)碼管顯示電路 設(shè)計(jì)中，用到了四位七段共陰數(shù)碼管。L

26、ED是一類(lèi)可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動(dòng)，性能穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性。 數(shù)碼管的顯示電路連接分為串行接法和并行接法，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，并行接法會(huì)占用過(guò)多的I/O口，由于考慮到操作的熟練與實(shí)際的資源，本設(shè)計(jì)采用了后者并行接法。 3.2.5 L298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) L298是SGS公司的產(chǎn)品，L298N為15個(gè)管角的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用L298N來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比如繼電器，直流和步進(jìn)馬達(dá))和開(kāi)關(guān)電

27、源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，其額定工作電流為 1 A，最大可達(dá) 1.5 A，Vss 電壓最小 4.5 V，最大可達(dá) 36 V；Vs 電壓最大值也是 36 V。L298N可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路，可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)[17]。 圖9 L298N內(nèi)部電路 表1 L298N引腳符號(hào)及功能 引 腳 功 能 SENSA、SENSB 分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地 ENA 、ENB 使能端，輸入PWM信號(hào) IN1、IN2、IN3、IN4 輸入端，TTL邏輯電平信號(hào) OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯 VCC 邏輯控

28、制電源 VSS 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最小值需比輸入的低電平電壓高 GND 接地 表2 L298N的邏輯功能 IN1 IN2 ENA 電機(jī)狀態(tài) X X 0 停止 1 0 1 順時(shí)針 0 1 1 逆時(shí)針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWM信號(hào),IN2為低電平信號(hào)時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為PWM信號(hào)時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn);;IN1與IN2相 同時(shí),電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí),電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，半導(dǎo)體功率器件(L298)在使用上可以分為兩種方式：線(xiàn)性放大

29、驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式在線(xiàn)性放大驅(qū)動(dòng)方式。 半導(dǎo)體功率器件工作在線(xiàn)性區(qū)優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線(xiàn)性好，對(duì)鄰近電路干擾小，缺點(diǎn)為功率器件工作在線(xiàn)性區(qū)，功率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈調(diào)制（PWM）來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[18]。 圖10 L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 3.2.6 按鍵電路電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用三個(gè)按鍵作為參數(shù)設(shè)置輸入方式，K1用于用于速度等級(jí)手動(dòng)往上加；K2用于速度等級(jí)手動(dòng)往下減；K3用于控制電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)；K4用于速度重置。 按鍵電路的工作原理：I/O口默認(rèn)狀態(tài)為高電平，當(dāng)有按鍵按下是會(huì)將I/O口電平

30、拉低，及按下為低電平，不按為高電平。單片機(jī)就是通過(guò)檢測(cè)高低電平變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。電路圖如下所示。 圖11 鍵盤(pán)電路原理圖 圖12 鍵盤(pán)與單片機(jī)連接電路 宿州學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第四章 3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用的可編程器件是單片機(jī)STC89C52，使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言。在余下的篇幅中，將主要討論系統(tǒng)中軟件的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)包括幾個(gè)個(gè)方面：按鍵檢測(cè)、數(shù)碼管顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序。 3.1 系統(tǒng)的整體程序流程圖 圖13 主程序流

31、程圖 4.2 數(shù)碼管LED顯示程序設(shè)計(jì) 要讓數(shù)碼管顯示數(shù)字需要軟件的控制，則要求二進(jìn)制代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管發(fā)光段的控制。TAB：DB 0C0H，090H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H，90H數(shù)碼管顯示利用的是動(dòng)態(tài)掃描：動(dòng)態(tài)掃描是利用人眼的視覺(jué)暫留原理，只要掃描頻率不小于24Hz，人眼就感覺(jué)不到顯示器的閃爍。本系統(tǒng)24Hz的掃描脈沖由相應(yīng)的外圍電路提供。動(dòng)態(tài)掃描電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于位選信號(hào)要與顯示的數(shù)據(jù)在時(shí)序上一一對(duì)應(yīng)，因此電路中必須提供同步脈沖信號(hào)[19]。 圖14 數(shù)碼管與單片機(jī)連接原理圖 圖15 數(shù)碼管與單片機(jī)連接電路圖 4.3 電機(jī)控制子程

32、序 電機(jī)控制子程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，利用初始值與調(diào)速系統(tǒng)送來(lái)的值，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖所示。軟件由1個(gè)主程序、1個(gè)中斷子程序和1個(gè)PI控制算法子程序組成。主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是由單片機(jī)P1口生數(shù)據(jù)送到PWM信號(hào)發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[20]。 圖16 PWM脈寬調(diào)制流程圖 宿州學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

33、 第五章 5系統(tǒng)調(diào)試 5.1 常見(jiàn)的故障分析 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開(kāi)的．許多硬件故障只有通過(guò)軟、硬件聯(lián)調(diào)才能發(fā)現(xiàn),但一般是先排除系統(tǒng)中比較明顯的硬件故障后才和軟件一起聯(lián)調(diào)。 (1)邏輯錯(cuò)誤 樣機(jī)硬件的邏輯錯(cuò)誤是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過(guò)程中的工藝錯(cuò)誤而造成的,包括錯(cuò)線(xiàn)、開(kāi)路、短路、相位錯(cuò)誤、時(shí)序錯(cuò)誤等,其中最常見(jiàn)的是短路故障。 (2)元器件錯(cuò)誤 元器件錯(cuò)誤的原因有器件損壞或性能不符合要求,電解電容、二極管的極性接反或集成塊裝反等。 (3)可靠性差 應(yīng)用系統(tǒng)可靠性差的原因很多,如金屬化孔、接插件接觸不良、內(nèi)部和外部的干擾、電壓紋波系數(shù)過(guò)大、器件負(fù)載

34、過(guò)重等均會(huì)造成系統(tǒng)的可靠性差。另外,走線(xiàn)和布置的不合理也會(huì)造成系統(tǒng)可靠性差。 (4)電源故障 電源故障包括：電壓值不符合設(shè)計(jì)要求、電源功率不足、負(fù)載能力差、紋波太重等。 5.2 系統(tǒng)調(diào)試注意事項(xiàng) 在加電前,先用萬(wàn)用表等工具,按圖紙仔細(xì)核對(duì)樣機(jī)線(xiàn)路是否正確,并對(duì)元器件的安裝、型號(hào)、規(guī)格等進(jìn)行仔細(xì)檢查,特別注意印制板加工和焊接時(shí)有無(wú)走線(xiàn)之間相互短路等。 在程序編寫(xiě)的過(guò)程中，需要認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)環(huán)節(jié)，包括鍵盤(pán)掃描處理、PWM信號(hào)發(fā)生電路的控制、以及單片機(jī)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等問(wèn)題，一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)試，最后可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 結(jié)論 PWM技術(shù)是直流電機(jī)調(diào)速中最為有效的方法。本文在硬件

35、上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路，解決了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率問(wèn)題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機(jī)的使用效率，且具有一定的防飛能力。 本文所述的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的單片微機(jī)STC89C52為核心的，而通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對(duì)于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過(guò)程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡(jiǎn)易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。 宿州學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)

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40、link[J ]1 IEEE PESC ,1988 :210-320. [18] Green A W Boys JTGrates GF 3-Phase Voltage SourcedReversible Rectifier IEEE Proceedings,1988.6(135):362~370 [19] V. Yu. Teplov,A. V. Anisimov. Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect[

41、J] ,2002 [20] 馬忠梅 等編著.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（第4版）[M]，北京航天航空大學(xué)出版社.2007. 4 附錄一 硬件原理圖 附錄二 程序源代碼 #include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit en1=P1^0; /* L298的Enable A */ sbit en2=P1^1; /* L298的Enable B */ sbit s1=P1^2; /

42、* L298的Input 1 */ sbit s2=P1^3; /* L298的Input 2 */ sbit s3=P1^4; /* L298的Input 3 */ sbit s4=P1^5; /* L298的Input 4 */ uchar t=0; /* 中斷計(jì)數(shù)器 */ uchar m1=0; /* 電機(jī)速度值 */ uchar tmp1,tmp2; /* 電機(jī)當(dāng)前速度值 */ /* 電機(jī)控制函數(shù) index-電機(jī)號(hào)(1,2); speed-電機(jī)速度(-100—100) */ void motor(uchar index, char speed)

43、 { if(speed>=-100 && speed<=100) { if(index==1) /* 電機(jī)的處理 */ { m1=abs(speed); /* 取速度的絕對(duì)值 */ if(speed<0) /* 速度值為負(fù)則反轉(zhuǎn) */ { s1=0; s2=1; } else /* 不為負(fù)數(shù)則正轉(zhuǎn) */ { s1=1; s2=0; } } void delay(uint j) /* 簡(jiǎn)易延時(shí)函數(shù) */ { for(j;j>0;j--); } void main

44、() { uchar i; TMOD=0x02; /* 設(shè)定T0的工作模式為2 */ TH0=0x9B; /* 裝入定時(shí)器的初值 */ TL0=0x9B; EA=1; /* 開(kāi)中斷 */ ET0=1; /* 定時(shí)器0允許中斷 */ TR0=1; /* 啟動(dòng)定時(shí)器0 */ while(1) /* 電機(jī)實(shí)際控制演示 */ { for(i=0;i<=100;i++) /* 正轉(zhuǎn)加速 */ { motor(1,i); motor(2,i); delay(5000); } for(i=100;i>0;i--) /* 正轉(zhuǎn)減速

45、 */ { motor(1,i); motor(2,i); delay(5000); } for(i=0;i<=100;i++) /* 反轉(zhuǎn)加速 */ { motor(1,-i); motor(2,-i); delay(5000); } for(i=100;i>0;i--) /* 反轉(zhuǎn)減速 */ { motor(1,-i); motor(2,-i); delay(5000); } } } void timer0() interrupt 1 /* T0中斷服務(wù)程序 */ { if(t==0)

46、/* 1個(gè)PWM周期完成后才會(huì)接受新數(shù)值 */ { tmp1=m1; tmp2=m2; } if(t<tmp1) en1=1; else en1=0; /* 產(chǎn)生電機(jī)1的PWM信號(hào) */ if(t<tmp2) en2=1; else en2=0; /* 產(chǎn)生電機(jī)2的PWM信號(hào) */ t++; if(t>=100) t=0; /* 1個(gè)PWM信號(hào)由100次中斷產(chǎn)生 */ } 致 謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我受到了很多人的幫助，在此我表示由

47、衷的感謝。沒(méi)有大家的幫助，我也是不能完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 首先，我要特別感謝曹老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間曹老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻(xiàn)資料，理清設(shè)計(jì)思路，完善操作方法，并對(duì)我所做的設(shè)計(jì)提出有效的改進(jìn)方案。老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、誨人不倦的態(tài)度和學(xué)術(shù)上精益求精的精神讓我受益終生。作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。因此，特別需要感謝曹老師給予的耐心細(xì)致的指導(dǎo)，在此，再一次向曹老師以及關(guān)心幫助我的教師同學(xué)表示最誠(chéng)摯的謝意！ 其次，學(xué)校在這方面也給我們提供了很大的支持和幫助，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)比較重視，每個(gè)設(shè)計(jì)小組配有專(zhuān)門(mén)的指導(dǎo)老師，幫助我們能順利完成整個(gè)設(shè)計(jì)。對(duì)于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！ 最后，還要感謝同學(xué)四年來(lái)對(duì)我的關(guān)心與支持，感謝各位老師在學(xué)習(xí)期間對(duì)我的嚴(yán)格要求。同時(shí)也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒(méi)有你們的關(guān)心與支持，我不可能順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)！這幾個(gè)月的歲月是我學(xué)生生涯中最有價(jià)值的一段時(shí)光，也將會(huì)成為我以后永遠(yuǎn)的美好的回憶，在這里有治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)而不失親切的老師，也有互相幫助情同骨肉的同學(xué)，更有和諧、融洽的學(xué)習(xí)生活氛圍，這里將是我永遠(yuǎn)向往的地方。借此論文之際，我想向所有人表達(dá)我的最誠(chéng)摯的謝意，愿我們將來(lái)都越來(lái)越好。 25