直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、畢 業(yè) 論 文 題 目 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計英文題目 DC Motor Speed Control System摘 要本文主要是設(shè)計一個以單片機為主控芯片，通過按鍵改變直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，并能實時顯示轉(zhuǎn)速和脈沖數(shù)。本文首先初步確定了總體設(shè)計方案，根據(jù)設(shè)計的要求分模塊進行設(shè)計。首先對設(shè)計用到的主要芯片如AT89C52單片機、霍爾元件、LCD1602液晶顯示進行了參數(shù)和性能的介紹。根據(jù)所要達到的設(shè)計目的分模塊進行了設(shè)計。在單片機模塊主要設(shè)計了單片機最小系統(tǒng)。在驅(qū)動模塊主要設(shè)計了H橋驅(qū)動電路。在測量模塊運用霍爾元件對電機進行測速并輸出信號給單片機中斷端口。在顯示模塊采用LCD1602液晶顯示，

2、單片機通過輸出電壓信號給液晶實現(xiàn)實時顯示。在按鍵模塊由于按鍵數(shù)量比I/O口數(shù)量少，為了接線方便決定采用獨立按鍵的連接方式。最后將各模塊與單片機相連接，通過軟件進行編程從而實現(xiàn)設(shè)計功能。 關(guān)鍵詞： 直流電機； 單片機； 分模塊ABSTRACTIn this paper, the design of a microcontroller based control chip, through the button to change the motor speed and rotation direction, and can display real-time speed and the numb

3、er of pulses. In this paper, the overall design scheme is preliminarily determined, and the modules are designed according to the requirements of the design. First, the design of the main chip used in such as AT89C52 microcontroller, Holzer components, LCD1602 liquid crystal display parameters and t

4、he performance of the introduction. According to the design goal to achieve the design of modules were designed. The single chip microcomputer module is designed. In the drive module, the main design of the H bridge driver circuit. In the measurement module using Holzer components of the motor speed

5、 and output signal to the microcontroller interrupt port. In the display module using LCD1602 liquid crystal display, microcontroller through the output voltage signal to the liquid crystal display in real time. In the key module because the number of keys is less than the number of I/O port, in ord

6、er to facilitate the connection to determine the use of independent key connection mode. In the end, each module is connected with the single chip microcomputer, and the software is programmed to realize the function of the design.Keywords: continuous current dynamo; singlechip; Sub module目 錄摘 要IABS

7、TRACTII1.緒 論11.1 設(shè)計的背景11.2 直流電機的發(fā)展11.3 單片機以及微處理器控制系統(tǒng)的發(fā)展11.4 本選題的理由及意義22. 系統(tǒng)總體設(shè)計方案32.1 本論文研究的主要內(nèi)容32.2 直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)分析32.3 系統(tǒng)設(shè)計目標42.4 直流電機調(diào)速43. 硬件電路的設(shè)計63.1 單片機電路設(shè)計63.1.1 STC89C52單片機介紹63.1.2 單片機最小系統(tǒng)73.2.2.2 晶振電路83.2.2.3 復位電路93.2 電源電路設(shè)計93.2.1 電源接口電路設(shè)計93.2.2 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計103.3 測速電路設(shè)計113.3.1 霍爾傳感器簡介113.3.2 霍爾測速電路

8、設(shè)計113.4 液晶顯示電路設(shè)計123.4.1 LCD1603液晶簡介123.4.2 顯示電路設(shè)計133.5 按鍵電路設(shè)計143.6 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計153.6.1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析163.6.2 H橋驅(qū)動電路174. 軟件系統(tǒng)的設(shè)計184.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計184.2 主程序184.3 鍵盤掃描程序184.4 初始化程序204.5 LCD1602設(shè)置和顯示程序設(shè)計214.6 各中斷程序設(shè)計224.6.2 定時器中斷0程序224.6.1 定時中斷1程序234.6.2 外部中斷1程序設(shè)計23結(jié)論24致 謝25參考文獻26附錄127附錄2281.緒 論1.1 設(shè)計的背景：隨著科學技

9、術(shù)的發(fā)展，人們對產(chǎn)品越來越追求精細化。這得益于自動化生產(chǎn)技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)中占有越來越重要的地位。要加工精細的元器件，只有高性能的電機才能為加工提供所需要的動力。直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)方便靈活等良好特性，廣泛運用在生產(chǎn)加工、智能機器人等領(lǐng)域。隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，中國制造業(yè)從勞動密集型向自動化、智能化轉(zhuǎn)型升級，對電機的轉(zhuǎn)速精度，啟動、正反轉(zhuǎn)反應速度等性能提出了更高要求。為此設(shè)計更高要求的直流電機調(diào)速系統(tǒng)，對于中國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有不可估量的作用。1.2 直流電機的發(fā)展   直流電機比交流電機更早被發(fā)明，但早期的直流電機技術(shù)還很不成熟，安全性、經(jīng)濟性、制造運行遠遠達

10、不到人們的要求。與交流電機相比直流電機很晚才轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。傳統(tǒng)的直流控制調(diào)速以模擬器件控制為主，控制精度不高，具有很大的局限性。隨著計算機時代的到來，特別是微處理器的發(fā)明運用，這一局面很快被打破。PWM控制技術(shù)很早就成熟，一直苦于沒有很好的產(chǎn)生PWM脈沖的器件。單片機與PWM技術(shù)的結(jié)合，改變了過去依靠模擬器件對直流電機進行控制的時代。 直流電機在礦產(chǎn)開發(fā)冶煉、工業(yè)生產(chǎn)、自動化、智能化等行業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的運用。傳統(tǒng)的直流電機只能進行最基本的控制，控制精度遠遠不能滿足時代的發(fā)展需要，更不能與計算機技術(shù)相結(jié)合，阻礙了智能化的實現(xiàn)?，F(xiàn)在，單片機已經(jīng)深刻的影響著直流電機控制技術(shù)的發(fā)展，伴隨著單片機技術(shù)

11、的不斷完善與發(fā)展，自動化技術(shù)也獲得了新的發(fā)展機遇，使自動化技術(shù)深入到生產(chǎn)生活的方方面面。單片機技術(shù)不是一孤立的存在，它與許多學科有著千絲萬縷的聯(lián)系，引起了新技術(shù)的產(chǎn)生與新事物的發(fā)展。單片機應用在許多科學領(lǐng)域，帶動了一批產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與新學科的誕生，促進了單片機技術(shù)的不斷發(fā)展。由于體積小、重量輕、功能強大、抗干擾能力強、控制靈活、應用方便、價格低廉等特點，對計算機的性能有了不斷改進，在許多行業(yè)領(lǐng)域中越來越多的出現(xiàn)單片機的身影。 由于直流電機的速度控制很容易起動和制動性能良好的特點，并且可以范圍廣泛的改變速度和功率，在冶金，機械制造等工業(yè)部門的已被廣泛使用。勵磁控制與電樞電壓控制是直流電機調(diào)速常見的兩

12、種方法。1.3 單片機以及微處理器控制系統(tǒng)的發(fā)展 在計算機的發(fā)展過程中微處理器的出現(xiàn)具有劃時代的意義，隨著科技的發(fā)展特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)的出現(xiàn)，微處理器也由當初的價格昂貴性能單一，到如今的性能強大價格卻便宜，這其中電力電子技術(shù)的發(fā)展功不可沒。電力電子技術(shù)的不斷推陳出新，出現(xiàn)了許多新的元器件與更為簡便的新型電路，增強了大功率元器件的功能，便于使更多功能集成在一起，使微處理器控制電機變得可能。微處理器以弱電控制強電具有簡單、方便、安全的特點，便于通過編程實現(xiàn)復雜的電機控制，使電機的性能優(yōu)點發(fā)揮到最大，更符合當今智能控制的發(fā)展趨勢，還讓傳統(tǒng)的各種電機控制系統(tǒng)煥發(fā)新的生機獲得更大的發(fā)展。 最初的微

13、處理器功能簡單，只能通過控制觸電開關(guān)對電機速度進行控制。如今微處理器往往自帶可編程器，微處理器的功能獲得了大大的提高。現(xiàn)在遠程控制在工業(yè)控制中得到廣泛應用。通過對可編程器的編程，由現(xiàn)場總線將電機的運行狀態(tài)實時傳送到遠程終端，實現(xiàn)了信息的交互，為少人控制乃至無人控制的工廠的實現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。也可以通過編程同時控制多臺電機工作，實現(xiàn)電機之間運行數(shù)據(jù)的交換，使電機調(diào)速系統(tǒng)真正做到了自動化、智能化。直流電機的調(diào)速性能相比交流電機優(yōu)良。但直流電機換向采用機械換向器，換向磨損大，容易出現(xiàn)換向火花。相比交流電機直流電機結(jié)構(gòu)復雜易出現(xiàn)故障，維修難度大，可靠性也遠不如交流電機。隨著高性能微處理器如DSP的出現(xiàn)，直

14、流電機性能得到很好的發(fā)揮。為直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方式的創(chuàng)新與發(fā)展提供了可能。DSP等高性能微處理器每秒運算速度可達百億兆以上且可進行矩陣運算，在先進的數(shù)控機床中得到廣泛的采用。1.4 本選題的理由及意義現(xiàn)代科技日新月異，電氣傳動也早由傳統(tǒng)的模擬控制轉(zhuǎn)為采用數(shù)字化的微處理器控制。近年來工業(yè)自動化、智能機器人等高新產(chǎn)業(yè)的興起，直流電機具有調(diào)速性能好，無級調(diào)速，適用于需要頻繁啟動、對過載要求高的場合的由于性能優(yōu)良而被大規(guī)模采用。以往的直流調(diào)速系統(tǒng)都是模擬控制只能控制電機的某一方面的性能，往往顧此失彼不能綜合控制系統(tǒng)參數(shù)，不便于編程實現(xiàn)精確控制，已大大落后于時代的要求，不能滿足工業(yè)系統(tǒng)對動力傳動的加工需

15、求。隨著中國工業(yè)化的進一步升級，市場對直流電機的需求大大增加，迫切需要高性能的直流電機。因而生產(chǎn)符合市場要求的直流電機迫在眉睫，而一臺直流電機性能的發(fā)揮，一個好的調(diào)速系統(tǒng)是必不可少。為此，設(shè)計一種通過編程實時可以高精度的控制電機，在當下微處理器廣泛應用在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域的背景下，具有提升直流控制電機控制精度的重要意義。 基于以上理由設(shè)計了基于以上理由設(shè)計了運用單片機為主控模塊，控制電機速度的2. 系統(tǒng)總體設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計包括系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容、系統(tǒng)最終設(shè)計的目標、和可行性方案的提出；下面幾個小節(jié)都分別有詳細的闡述。2.1 本論文研究的主要內(nèi)容 總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。單片機圖2-1系統(tǒng)硬件基本

16、框圖該系統(tǒng)能夠通過按鍵對直流電機進行速度加減、轉(zhuǎn)向控制、實時顯示等功能。單片機收到按鍵給的控制信號由IO口輸出PWM脈沖，驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動，測速模塊將檢測到的速度信息傳回單片機進行處理并計算出轉(zhuǎn)速，輸出給顯示模塊顯示速度大小，從而通過按鍵改變速度大小和轉(zhuǎn)向，根據(jù)顯示數(shù)值調(diào)整達到減少誤差的效果。2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)分析直流調(diào)速系統(tǒng)是綜合計算機技術(shù)、測速技術(shù)和SPW控制技術(shù)將與直流電機有關(guān)的系統(tǒng)有機的綜合起來。本直流調(diào)速系統(tǒng)要求實現(xiàn)的基本功能有對直流電機進行正反轉(zhuǎn)控制、對直流電機進行速度控制等倆大功能。1. 直流電機正反轉(zhuǎn)控制用戶通過按鈕發(fā)送一個信號給單片機由單片機輸出脈寬調(diào)制信號，送到直

17、流電機，通過改變輸出端口控制電子轉(zhuǎn)向。2. 直流電機速度控制用戶通過按鍵發(fā)信號給單片機由單片機IO口輸出脈寬調(diào)制信號驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動，檢測電路將電機轉(zhuǎn)速信息傳回單片機，并進行轉(zhuǎn)速顯示。用戶通過按鍵時間長短改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間長短，即改變占空比來控制電機轉(zhuǎn)速。2.3 系統(tǒng)設(shè)計目標設(shè)計使用單片機STC89C52可通過編程方便的產(chǎn)生所需要的脈寬調(diào)制信號，在功能、經(jīng)濟性上更符合設(shè)計的要求。系統(tǒng)可通過對單片機編程使該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電機進行正反轉(zhuǎn)控制、對直流電機進行速度控制并能實時顯示電機轉(zhuǎn)速和脈沖數(shù)。2.4 直流電機調(diào)速2.4.1 直流電機的調(diào)速方式的優(yōu)缺點。(1) PWM直流調(diào)整系

18、統(tǒng)。其原理是產(chǎn)生一系列不同脈寬的脈沖信號，由功率放大器驅(qū)動，然后由直流控制信號和三角波調(diào)制電路驅(qū)動功率放大器。直流電機的電樞通入PWM電壓，可進行精確的控制。調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬，效率高，響應速度快，電流紋波小，對電網(wǎng)的污染小等優(yōu)點。(2)電樞串電阻調(diào)速。電樞回路串接電阻后,電動機的機械特性的斜率隨電阻的改變而改變,在恒負載下使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。串電阻調(diào)速的控制裝置結(jié)構(gòu)連接相對容易;負載容易改變轉(zhuǎn)速的大小,調(diào)速對于空載時不起作用,在重載條件下運行功耗太大速度變化不明顯。(3) 改變電樞電壓調(diào)速。電動機的機械特性隨電樞電壓的變化而變化，因此調(diào)速范圍很寬。晶閘管整流裝置調(diào)節(jié)電樞電壓，但在低速運行時功

19、率因數(shù)較低，在交流側(cè)出現(xiàn)較多的諧波分量，對電網(wǎng)不利。(4) 改變電動機主磁通。通過減弱磁通可對電機進行無極調(diào)速，所謂恒功率調(diào)速就是速度從額定轉(zhuǎn)速開始增加。電樞電流變化所需的時間長，所以速度變化較慢，可小電源驅(qū)動。(5)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)器接收反饋電流，速度調(diào)節(jié)器接收轉(zhuǎn)速信號。調(diào)節(jié)器采用P-I算法進行控制。 2.4.2 PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點:1、 脈寬調(diào)制系統(tǒng)，電路的開關(guān)可以頻繁通斷，因此可以快速響應，干擾對系統(tǒng)的影響小。2、 由于開關(guān)頻率高，通過電機自身的電感可方便獲得小脈沖直流電具有濾波的作用，系統(tǒng)的低速性能好，速度穩(wěn)定性好，速度調(diào)節(jié)范圍寬，電樞電流連續(xù)性好，電機不容易出現(xiàn)故障

20、，消耗能源少。3、脈寬調(diào)制系統(tǒng)中，電路中的電力電子器件相比晶閘管整流器消除了電網(wǎng)污染，開關(guān)損耗小，設(shè)備利用率高，效率和功率因素大大提高。4、主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。3. 硬件電路的設(shè)計3.1 單片機電路設(shè)計3.1.1 STC89C52單片機介紹STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。主要特性如下：·1.增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.·2.工作電壓：5.5V3

21、.3V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V單片機）·3.工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051的080MHz，實際工作頻率可達48MHz·4.用戶應用程序空間為8K字節(jié)·5.片上集成512字節(jié)RAM·6.通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。·7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片&#

22、183;8.具有EEPROM功能·9.具有看門狗功能·10.共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2·11.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒·12.通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART·13.工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）·14.PDIP封裝STC89C52RC單片機的工作模式·掉電模式：典型功耗<0.1A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序·空閑模式：典型功耗2mA

23、83;正常工作模式：典型功耗4Ma7mA·掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備 圖3-1 STC89C52RC引腳圖STC89C52RC引腳功能說明VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)

24、。驗證時，要求外接上拉電阻。P1端口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。3.1.2 單片機最小系統(tǒng)光有單片機還不能立馬開始工作，單片機要起作用需要外接一些輔助電路，單片機才能運行起來。這些輔助電路構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，其主要包括時鐘電路與復位電路如圖 2-1 所示。30pFC330pFJ2圖3-2單片機最小系統(tǒng)圖單片機的最小系統(tǒng)由晶體振蕩器、電容C

25、22、C23組成的時鐘電路，R27、C1、KS組成的電復位電路及AT89C52單片機構(gòu)成。CPU的時鐘信號由12MHZ的無源晶體振蕩器和單片機自帶的放大器一起組成的振蕩器生成。電容C22、C23可起頻率微調(diào)作用，電容值在5pF30pF之間選擇，本電路選30pF。電容C1和電阻R27構(gòu)成上電復位電路。電源開啟時，電源對電容C1 充電，在CPU的復位端產(chǎn)生一高脈沖。CPU復位的條件是復位端的高電平的持續(xù)時間大于兩個機器周期。電容C1可濾除高頻干擾，防止單片機誤復位。按鍵ks和電阻R27構(gòu)成按鍵復位電路。3.2.2.2 晶振電路圖3-3 晶振電路它扮演的角色是提供一個參考時鐘信號給單片機系統(tǒng)，所有的

26、工作都是基于單片機的工作時鐘信號的工作的速度。我們把一個 11.0592M 的晶振（它每秒鐘振蕩 11,059,200 次）接在STC89C52 單片機的 18 腳和 19 腳的晶振引腳上，外加兩個 30pF 的電容，電容的作用是幫助晶振起振，并維持振蕩信號的穩(wěn)定。3.2.2.3 復位電路復位電路由按鍵復位和上電復位兩部分組成，如圖3-4圖3-4 復位電路圖 (1)上電復位：RC充放電回路，由復位引腳RST接一10uF的電容到電源，再接一10K的電阻到地構(gòu)成。當上電時，使RST引腳上至少保持兩個周期的機器時間，使單片機復位。隨著RC放電，單片機開始正常工作。 (2)按鍵復位：在復位電容上并聯(lián)一

27、個按鍵，通過按鍵控制電容充放電。當按鍵按下時，電容開始充電使RST得到一個高電平，而且由于電容充滿電需要一定的時間，這段時間的高電平足夠使單片機復位。3.2 電源電路設(shè)計3.2.1 電源接口電路設(shè)計圖3-5 電源電路圖我們所選用的 STC89C52，它需要 5V 的供電系統(tǒng)，P1是電源接口2、3腳接地，1腳實際是VCC，S1是自鎖開關(guān),由自鎖開關(guān)控制電源在電路中接通關(guān)斷的，其中3腳接P1電源插口電源的1腳，5腳接電路的VCC。整個設(shè)計所需要的電源經(jīng)過電源接口由自鎖開關(guān)控制輸入。3.2.2 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計設(shè)計原理變壓整流濾波穩(wěn)壓AC220VDC5V圖3-6 設(shè)計原理圖首先通過變壓將220V高壓

28、降為電路能承受的低壓。此時的電流還沒變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)過對電流進行整流，才變?yōu)橹芷谧兓闹绷髅}沖。對電流進行濾波處理，消除脈沖得到更好的直流電。最后為保證輸出穩(wěn)定的直流電壓，對電流進行穩(wěn)壓操作，提高直流電壓的穩(wěn)定性。硬件電路設(shè)計 3-7直流穩(wěn)壓電源如圖3-7所示電路輸入220V的交流電最后輸出5V的直流電。我們用電源變壓器將220V的交流電降到8V，再經(jīng)過橋式整流橋電路（由四個1N4007晶體管構(gòu)成）將8V的交流電變成7.2V的直流電。由電容C5、C6進行濾波，C6的作用是防止自激。最后采用78H05三端穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓輸出5V直流電。3.3 測速電路設(shè)計3.3.1 霍爾傳感器簡介 A3144E

29、霍爾元件44E OH44E 霍爾傳感器霍爾開關(guān)集成電路應用霍爾效應原理，采用半導體集成技術(shù)制造的磁敏電路，它是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器，溫度補償電路和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數(shù)字電壓訊號。產(chǎn)品特點體積小、靈敏度高、響應速度快、溫度性能好、精確度高、可靠性高典型應用無觸點開關(guān)、汽車點火器、剎車電路、位置、轉(zhuǎn)速檢測與控制、安全報警裝置、紡織控制系統(tǒng) 極限參數(shù)（25）電源電壓VCC···········

30、83;·············· 24V輸出反向擊穿電壓Vce···················50V輸出低電平電流IOL············

31、;·······50mA工作環(huán)境溫度TA··············E檔: -2085，L檔: -40150貯存溫度范圍TS ········-651503.3.2 霍爾測速電路設(shè)計3-8測速部分電路圖這是霍爾測速模塊，霍爾元件1腳接電源、2腳接地、3腳信號輸出腳接單片機的外部中斷上，還接了一個電阻接電源上，

32、是一個上拉電阻起到信號穩(wěn)定的作用。3.3.2 霍爾元件測速原理由霍爾效應原理可知:由公式V=KBI可知。當通過霍爾元件的電流大小確定不變時，只要改變霍爾元件周圍的磁場的大小就可改變霍爾元件輸出電壓的大小。在直流電機轉(zhuǎn)軸上粘貼一長條，并在長條兩端分別安裝上1個磁鋼，磁鐵和霍爾元件最近距離在2mm左右，太近可能會在電機轉(zhuǎn)動時碰到霍爾元件，太遠霍爾元件可能會檢測不到磁鐵。在磁鋼的附近固定安裝一個霍爾傳感器，通過間接方式對電機轉(zhuǎn)速進行測量。當長條旋轉(zhuǎn)到霍爾元件附近時，磁鋼通過改變磁場的大小使霍爾傳感器輸出低電平。當電機旋轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器將輸出的脈沖信號傳送回單片機，通過計算測出轉(zhuǎn)盤的運轉(zhuǎn)速度.此電路簡

33、單可靠，便于測量電機轉(zhuǎn)速。電路具體連接方式如下圖所示。 圖3-9霍爾測速原理圖 圖3-10霍爾傳感器接線圖3.4 顯示電路設(shè)計3.4.1 LCD1603液晶簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，1602字符型液晶顯示器1602LCD主要技術(shù)參數(shù)顯示字符容量:16×2個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm引腳功能說明1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3-1所示: 表3-1引腳功能編號符號引腳

34、說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極1602LCD的指令說明1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，所示如表3-2 表3-2指令說明序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF

35、*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 3.4.2 液晶顯示電路設(shè)計液晶屏第一行輸出每分鐘電機轉(zhuǎn)速。第二行顯示占空比，顯示當前的pwm占空比0100%。占空比數(shù)值越大，電機轉(zhuǎn)速越快。液晶部分的電路圖如下圖3-11所示：圖3-11 液晶部分電路圖液晶顯示都是和單片機的IO口相連。主要注意的是3腳，3腳接的是串接的兩個電阻。串聯(lián)的兩個電阻分壓，節(jié)點這里會輸出一個電壓值，3腳其實就是采集一個電壓值，這個電壓值是零

36、點幾伏。3腳是調(diào)節(jié)灰度的，就是這兩個電阻。R6值10K，R7一般是選取200歐到1.5K具體依據(jù)廠家不同電阻的選取是有一定差異的，如果選取不當液晶就會顯示的比較暗或都根本看不清，如果出現(xiàn)液晶看不清的狀況就要看是不是這兩個電阻接錯了，選取合適灰度，顯示效果最好的狀態(tài)。在本設(shè)計中，我們將LCD的D0-D7分別與單片機的P0.1-P0.7相連。單片機的P0 口接8×10k歐姆的排阻作為上拉電阻，分別接1602 的第7 到14引腳，通過602 的3 腳接在串聯(lián)電阻R6和R7的的中間獲得分壓來調(diào)節(jié)液晶的灰度。液晶顯示原理對單片機編程輸出相應的電壓點亮顯示模塊相應字符。液晶顯示器相比傳統(tǒng)數(shù)碼管顯

37、示更利于與單片機結(jié)合具有編程簡單線路連接方便的特點，目前已經(jīng)被廣泛應用在計算機、數(shù)碼產(chǎn)品、移動通信等眾多領(lǐng)域。3.5 按鍵電路設(shè)計stopfanzhenggdecadd圖3-12 按鍵部分電路系統(tǒng)一共有6個按鍵，單片機附近的獨立按鍵是系統(tǒng)的復位按鍵，按下單片機會復位。下面一排是控制按鍵：1鍵：加速鍵，可以短按，占空比加1，也可長按，占空比連續(xù)加；2鍵：減速鍵，可以短按，占空比減1，也可長按，占空比連續(xù)減；3鍵：正轉(zhuǎn)切換鍵，按下后電機正轉(zhuǎn)；4鍵：反轉(zhuǎn)切換鍵，按下后電機反轉(zhuǎn)；5鍵：開始暫停鍵，按一下開始，再按一下暫停。本設(shè)計低電平有效的方式來讀取按鍵，按鍵沒按下時，單片機I/O口為高電平，當有鍵按

38、下的時候，單片機I/O口為低電平，程序執(zhí)行相應操作。這里按鍵模塊每個按鍵都接了地比如K3他的3腳和4腳是相通的，1腳和2腳是相通的；3腳和4腳相通利用按鍵的導通規(guī)律所以每個按鍵都接到了地，那么只要相應的按鍵按下去，單片機IO口就會檢測到低電平實現(xiàn)相應的控制程序。單片機鍵盤有獨立和矩陣式兩種鍵盤連接方式：獨立鍵盤連接方法是將每個按鍵連接到不同的I/O口上，這種接法程序設(shè)計比較簡單且系統(tǒng)更不容易混亂出錯，但浪費了寶貴的I/O口資源，當按鍵數(shù)量少于I/O口數(shù)量時適用；而矩陣式鍵盤式占用的I/O少，I/O口利用率高，但是接法程序比較復雜，適用于需要大量按鍵的電路。由于按鍵數(shù)量遠遠少于I/O口的數(shù)量，綜

39、合考慮獨立式鍵盤能最大限度的發(fā)揮優(yōu)勢。通過程序檢測單片機I/O口高低電平狀態(tài)，來獲取相應按鍵閉合狀態(tài)。獨立式按鍵的每個鍵占用一條I/O口，所有的按鍵都接了地。當按下鍵時，此I/O 口與地連接短路I/O 口即為低電平狀態(tài)。 按鍵釋放后，單片機對應的I/O接口由于內(nèi)部有上拉電阻連接電源，其輸入即為高電平狀態(tài)。那么無論哪個鍵按下，程序通過判斷單片機I/O口電平的高低狀態(tài)，便可了解相應按鍵的閉合狀態(tài)。3.6 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計調(diào)速采用PWM脈寬調(diào)制，工作原理：用許多幅值不變寬度改變的波形無限接近所需波形的形狀。通過改變矩形波的占空比，可以調(diào)整脈沖寬的寬度。PWM的定義:通過對單片機編程控制，利用單

40、片機對模擬信號進行采樣數(shù)字化來驅(qū)動電路的一種技術(shù)。在測量、通信、功率控制與變換等領(lǐng)域有顯著運用。對連續(xù)變化的模擬信號其幅度和時間的大小沒有硬性要求。3.6.1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析 3-13電機驅(qū)動電路電動機PWM驅(qū)動模塊的電路采用H橋驅(qū)動，設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見上圖。本驅(qū)動電路采用PWM脈寬調(diào)制原理設(shè)計而成。PWM電路由三極管組成，如圖所示Q1、Q3、Q5是NPN型的三極管基極高電平有效，Q2、Q4、Q6是PNP型的三極管基極低電平有效。P34、P37兩個輸入端高低電平控制三極管是否導通或截止。當P34、P37分別輸入高電平和低電平時，Q1導通下面的地拉低電壓使Q3截止、Q4導通；Q2截止

41、由于R2上拉電阻接電源，使Q6導通、Q5截止，電源通過Q6到電機再到Q4回到地形成回路控制電機正轉(zhuǎn)；當P34輸入低電平、P37輸入高電平，Q1截止由于R2上拉電阻接電源，使Q3導通、Q4截止；Q2與地連接使Q6截止、Q5導通。電源通過Q3到電機再到Q6回到地形成回路控制電機反轉(zhuǎn)。如圖所示有四個4148二極管叫做續(xù)流二極管。當我們電機轉(zhuǎn)動或者斷開的一瞬間會產(chǎn)生一個反向的電動勢，而這個反向的電動勢會擾亂我們的電路（主要影響液晶顯示屏）。加上這個續(xù)流二極管起到一個保護作用：當有一個反向電動勢的時候通過二極管形成一個回路，把這個反向電動勢通過二極管和電機消耗掉。這就是二極管的保護作用。而這個104是一

42、個濾波電容起到信號穩(wěn)定的作用。3.6.2 H橋驅(qū)動電路H橋電機驅(qū)動電路，它由四個三極管和一個電機構(gòu)成。因為電路形狀類似于英文H，所以命名為H橋電路。對角線Q1和Q4三極管對和Q2和Q3三極管對，同一時刻只能有一對導通。據(jù)不同的三極管對的導通通電的情況，電流會從Q1至Q4或Q3到Q2流過電機，從而改變電機的轉(zhuǎn)動方向。 3-14 H橋驅(qū)動電路圖從電路不難看出，要控制電機正轉(zhuǎn)，必須使對角線上Q1、Q2兩個三極管導通。當Q1、Q2兩個三極管基極高電平，Q3、Q4兩個三極管基極低電平時，Q1、Q4兩個三極管導通，Q3、Q2兩個三極管截止。電源經(jīng)Q1到電機再到Q4回到地形成回路從而控制電機正轉(zhuǎn)。同理反轉(zhuǎn)只

43、要Q1、Q2兩個三極管基極低電平，Q3、Q4兩個三極管高電平。4. 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計本章將在硬件電路的基礎(chǔ)上對軟件編程進行設(shè)計?；贑語言，分別對主程序、鍵盤掃描子程序、初始化程序、中斷程序以及顯示子程序加以設(shè)計，通過流程圖可以更清晰的展現(xiàn)各部分的設(shè)計思路。4.2 主程序 如下圖所示，本設(shè)計的主程序設(shè)計主要是設(shè)定初值和確定初始狀態(tài)。程序首先是給STC89C52送取一個占空比為50%的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)速初值設(shè)置為0，初始化電機為正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鍵盤子程序的調(diào)用處理。設(shè)定占空比、轉(zhuǎn)速初值初始化標志位和電機狀態(tài)調(diào)用鍵盤掃描程序調(diào)用初始化程序開 始是否有按鍵按下？執(zhí)行相應程序YN 圖4-1 主

44、程序流程圖 4.3 鍵盤掃描程序獨立式鍵盤由五個按鍵組成，分別是控制電機的加速鍵、減速鍵、正轉(zhuǎn)切換鍵、反轉(zhuǎn)切換鍵、開始暫停鍵。人按鍵不可避免會發(fā)生抖動，抖動會使單片機多次讀取，延時就是為了確認有按鍵發(fā)生，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現(xiàn)法是先查尋按鍵，通過if語句來實現(xiàn)，如果判斷if(num1=0)檢測到按鍵按下，delay(5)立即延時5毫秒讓抖動消失后再進行一次按鍵狀態(tài)檢測再讀一次I/O 口的值，如果num1值為1 表示按鍵按下的時間不到5 毫秒，視為按鍵抖動干擾信號。當num1讀出的值是0時，則仍保持按鍵閉合狀態(tài)低電平，則確認為真正有鍵按下，調(diào)用相應的處理程序。其程

45、序流程圖如圖4-2。 圖4-2 鍵盤掃描流程圖4.4 初始化程序由于后面要用到中斷程序，所以先在這里對中斷要用到的定時器0、定時器1及外部中斷1等先進行初始值、觸發(fā)方式等的設(shè)置，以方便后面中斷程序的編寫。首先對LCD1602進行了顯示格式初始化，設(shè)置其初始顯示的字符狀態(tài)和預留出的空位，為后面編程提供方便。程序的流程圖如下圖4-3所示：1602初始化中斷初始化設(shè)置1602初始顯示狀態(tài)并顯示設(shè)置定時器初始狀態(tài)程序入口返 回 圖4-3 初始化流程圖 4.5 LCD1602設(shè)置和顯示程序設(shè)計4.5.1 LCD1602指令和數(shù)據(jù)讀寫程序設(shè)計LCD1602的使用需先向其發(fā)送指令，讀取之后執(zhí)行指令設(shè)置送進數(shù)

46、據(jù)時所用的地址位置，再讀取數(shù)據(jù)并執(zhí)行。其中寫入指令和數(shù)據(jù)的程序框圖如下圖4-4所示：設(shè)置1602狀態(tài)選擇控制對象執(zhí)行指令寫指令/數(shù)據(jù)程序入口返 回 圖4-4 LCD1602指令和數(shù)據(jù)讀寫程序流程圖4.5.2 LCD1602顯示轉(zhuǎn)速和占空比格式設(shè)置程序該程序設(shè)置轉(zhuǎn)速是從LCD1602的第一行第三位開始依次往后顯示執(zhí)行的結(jié)果是分別將每一位依次計算顯示，從萬位開始計算，顯示在萬位相應的位置；再計算千位顯示在千位的位置上；計算百位，計算十位，顯示在十位上；最后計算個位，顯示在個位上。該部分程序的程序流程圖如下圖4-5所示：設(shè)置1602顯示地址（在第幾行的第幾位顯示）計算轉(zhuǎn)速/占空比執(zhí)行顯示程序顯 示程

47、序入口返 回 圖4-5 LCD1602顯示轉(zhuǎn)速和占空比格式程序流程圖 4.6 各中斷程序設(shè)計4.6.2 定時器中斷0程序這部分程序的設(shè)計主要是通過定時器0的計時、預設(shè)的標志位與占空比的比較來控制單片機PWM的輸出占空比，從而實現(xiàn)用PWM技術(shù)控制電機轉(zhuǎn)速的目的。具體的程序流程圖如下圖4-6所示： 圖4-6 定時器中斷0程序流程圖 4.6.1 定時中斷1程序該部分程序的執(zhí)行是由初始化程序中的外部中斷指令控制的?；魻杺鞲衅鞯?腳信號輸出腳接單片機的外部中斷上，主要是用來中斷事件發(fā)生使霍爾元件進行轉(zhuǎn)速測量的。下圖4-7為該程序的流程圖：轉(zhuǎn)速、標志位置0Yflag=200？標志位flag自加調(diào)用顯示轉(zhuǎn)速

48、程序定時器1定時N中斷程序入口返 回 圖4-7 定時器中斷1程序流程圖4.6.2 外部中斷1程序設(shè)計該部分程序的執(zhí)行是由初始化程序中的外部中斷指令控制的。單片機外部中斷1引腳與霍爾元件相連，主要是用來配合硬件電路中的霍爾元件進行轉(zhuǎn)速測量的。下圖4-8為該程序的流程圖：轉(zhuǎn)速標志位自加中斷程序入口返 回 圖4-8 外部中斷1程序流程圖結(jié) 論經(jīng)過半個月的艱苦設(shè)計到今天終于完成了。本設(shè)計由本人和同學共同完成。本人主要設(shè)計硬件部分，同學負責軟件部分。本課題的主要內(nèi)容是要求采用單片機實現(xiàn)對直流電機的速度進行控制，通過輸入實現(xiàn)速度的控制和轉(zhuǎn)動方向的選擇。通過查閱資料和借鑒優(yōu)秀設(shè)計經(jīng)驗，綜合分析任務(wù)要求，我決

49、定采用從下到上的設(shè)計硬件電路。本人主要將硬件分成以下模塊進行設(shè)計。他們分別是單片機模塊、電機驅(qū)動模塊、速度測量模塊、顯示模塊、按鍵控制模塊。單片機模塊，本著經(jīng)濟實用兼容性好，我選擇STC89C52為系統(tǒng)的主控芯片，負責速度信號處理。但只有單片機芯片，仍不能獨立運行。為此本人設(shè)計了單片機最小系統(tǒng)電路主要包括電源電路、晶振電路、復位電路。在電機驅(qū)動模塊，由于采用PWM脈沖調(diào)寬，在考慮經(jīng)濟性基礎(chǔ)上，決定自己設(shè)計H橋驅(qū)動電路。根據(jù)三極管的導通情況控制電機的轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速測量模塊，主要選用霍爾傳感器芯片，采用非接觸式測量方式，測量電機轉(zhuǎn)速。在顯示模塊，采用LD160液晶顯示模塊，可以方便的顯示電機轉(zhuǎn)速和P

50、WM脈沖數(shù)。相比傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示，液晶顯示大大簡化了系統(tǒng)線路和設(shè)計難度。在按鍵模塊，由于本設(shè)計按鍵數(shù)量遠小于IO口數(shù)，且按鍵之間互不干擾，本設(shè)計采用獨立式按鍵連接方式。獨立式按鍵可簡化程序，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。在電源模塊，由于單片機和電機需要5V直流電壓供電，所以設(shè)計了直流穩(wěn)壓電源輸出5V直流電壓進行供電。綜合以上設(shè)計模塊設(shè)計的單片機調(diào)速系統(tǒng)，雖然還存在種種不足但基本滿足任務(wù)要求。不足之處在于由于能力所限，沒有加過載保護。加載程序后本設(shè)計可通過正、反按鍵控制轉(zhuǎn)向，加、減按鍵控制轉(zhuǎn)速。參考文獻1 何立民電子設(shè)計自動化J 電子技術(shù), 2008， (56) ：5-92 王曉明.電動機的單片機控制.北京航空

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