直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展，直流電機(jī)的要求量與日俱增，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有集成度高、處理功能強(qiáng)、可靠性好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，所以論文采用51系列單片機(jī)進(jìn)展控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩局部組成。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤(pán)控制模塊、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、復(fù)位電路模塊、晶振電路模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及各個(gè)模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性及可靠性的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速控制；方向控制目錄摘要2Abstract31緒論41.1研究背景41.2研究?jī)r(jià)值41.3研究?jī)?nèi)容42直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介52.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理及其構(gòu)造52.2直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)壓調(diào)速原理63控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)63.1設(shè)計(jì)方案分析與比擬63.2系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)93.3單片機(jī)89C51簡(jiǎn)介93.4L298N電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介104硬件設(shè)計(jì)114.1單片機(jī)系統(tǒng)電路114.2復(fù)位電路124.3時(shí)鐘電路134.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路144.5鍵盤(pán)電路155軟件設(shè)計(jì)165.1單極性可逆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)控制165.2系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)176仿真調(diào)試196.1KeilC51軟件簡(jiǎn)介196.2Proteus仿真軟件簡(jiǎn)介196.3調(diào)試20總結(jié)23參考文獻(xiàn)24附錄26謝辭281緒論1.1研究背景直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。近十幾年來(lái)，單片機(jī)作為微計(jì)算機(jī)一個(gè)很重要的分支，應(yīng)用廣泛，開(kāi)展迅速，已經(jīng)對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。單片機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程控制、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集及處理、科技計(jì)算、商業(yè)管理及辦公室自動(dòng)化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗能省、價(jià)格低可靠性和通用靈活性等特點(diǎn)，尤其是美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)，由于其具有集成度高、處理功能強(qiáng)、可靠性好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。1.2研究?jī)r(jià)值以前電動(dòng)機(jī)大多使用由模擬電路組成的控制柜進(jìn)展控制，現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)開(kāi)場(chǎng)取代模擬電路作為電機(jī)控制器。當(dāng)前電機(jī)控制器的開(kāi)展方向越來(lái)越趨于多樣化和復(fù)雜化，現(xiàn)有的專(zhuān)用集成電路未必能滿足苛刻的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求，為此可考慮開(kāi)發(fā)電機(jī)的新型單片機(jī)控制器，因此研究電機(jī)的調(diào)速控制有著非常重要的意義。1.3研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是用單片機(jī)來(lái)控制直流電機(jī)，其中通過(guò)4位按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。調(diào)速系統(tǒng)主要是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。2直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介2.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理及其構(gòu)造電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈兩個(gè)端線通有相反方向的電流，使整個(gè)線圈產(chǎn)生繞軸的扭力，使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)。為使電樞受到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，將流過(guò)線圈中的電流方向及時(shí)地加以變換，即進(jìn)展所謂“換向〞。為此必須增添一個(gè)叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個(gè)極下線圈邊中電流始終是一個(gè)方向，就可以使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。極，電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等?！?〕定子定子就是發(fā)動(dòng)機(jī)中固定不動(dòng)的局部，它主要由機(jī)座、主磁極、換向級(jí)和電刷裝置組成。機(jī)座不僅起到導(dǎo)磁的作用，而且會(huì)起到機(jī)械支撐的作用。主磁極的作用是在電樞外表外的氣隙空間里產(chǎn)生一定形狀分布的氣隙磁密，也稱(chēng)主極。一般大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極都是由直流電流來(lái)勵(lì)磁，因此主磁極上還應(yīng)該裝有勵(lì)磁線圈。換向級(jí)一般用整塊鋼板構(gòu)成，且外面套有換向級(jí)繞組。換向級(jí)繞組導(dǎo)線的截面積比擬大，而匝數(shù)比擬少，是因?yàn)閾Q向級(jí)繞組里有電樞電流流過(guò)。電刷裝置的作用是把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)局部的電流引出到靜止的電路里。電刷一般情況下與換向器配合使用?！?〕轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)局部，主要由電樞和換向器組成。電樞是電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的局部，主要包括電樞鐵芯和點(diǎn)數(shù)繞組。電樞鐵芯成圓柱形，由硅鋼片疊成，外表沖有槽，槽中放電樞繞組。通有電流的電樞繞組在磁場(chǎng)中受到電磁力矩的作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起了能量轉(zhuǎn)換的樞紐作用，故稱(chēng)“電樞〞。換向器又叫做整流子，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是一種特殊裝置。它是由楔形銅片疊成，片間用云母墊片絕緣。換向片嵌放在套筒上，用壓圈固定后成為換向器再壓裝，在轉(zhuǎn)軸上電樞繞組的導(dǎo)線按一定的規(guī)則焊接在換向片突出的叉口中。固定的電刷被換向器用彈簧壓在外表，進(jìn)而讓轉(zhuǎn)動(dòng)著的電樞繞組同外電路連接到一起，與此同時(shí)可以將外部的直流電流轉(zhuǎn)成電樞繞組內(nèi)的交流電流。2.2直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)壓調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：n=(U-IR)/KΦ〔2-1〕n=(U-IR)/K式中：U——電樞端電壓；I——電樞電流；R——電樞電路總電阻；Φ——每極磁通量；K——電動(dòng)機(jī)構(gòu)造參數(shù)。由式2-1可以看出，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)展控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)展控制的電樞控制法。本設(shè)計(jì)使用的是勵(lì)磁恒定不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)使用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。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)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。此時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端電壓的平均值U0為：U0=(t1US+0)/(t1+t2)=t1US/T=αUs(2-2)式中Us為電源電壓，T為一個(gè)脈沖周期，t1表示在一個(gè)周期T內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間，α為占空比，表示一個(gè)周期T內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與周期的比值，變化范圍為0≤α≤1。當(dāng)電源電壓Us不變，改變?chǔ)良纯筛淖兌穗妷旱钠骄?，從而到達(dá)調(diào)速的目的。3控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)方案分析與比擬1、電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制模塊方案一：電動(dòng)機(jī)的分壓是采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速度的控制。但是采用電阻網(wǎng)絡(luò)僅能實(shí)現(xiàn)的是有級(jí)調(diào)速，采用數(shù)字電阻元器件的價(jià)格較為昂貴。最重要的是一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小電流很大，尤其是在分壓的時(shí)候不僅會(huì)大大的降低效率，而且在實(shí)現(xiàn)時(shí)也很復(fù)雜。方案二：假設(shè)使用繼電器來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)〔關(guān)〕進(jìn)展控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的加減速。該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，存在的缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)械構(gòu)造容易損壞、可靠性不高。方案三：假設(shè)使用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路，單片機(jī)可控制達(dá)林頓管工作在可調(diào)節(jié)占空比的狀態(tài)，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的速度。由于這種電路工作在管子飽和和截止?fàn)顟B(tài)下，效率很高；H型電路可以實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單的方向和速度的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度快、穩(wěn)定性好，是一種極為廣泛的PWM調(diào)速技術(shù)。綜上所述，分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用方案三。2、PWM調(diào)速工作方式方案一：雙極性工作方式，是在設(shè)定的一個(gè)脈沖信號(hào)周期內(nèi)，單片機(jī)有兩個(gè)控制端口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，通過(guò)兩信號(hào)的上下電平差值來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的方向和速度。方案二：?jiǎn)螛O性工作方式，是單片機(jī)的控制端口接地，另一端輸出PWM信號(hào)，切換兩口的輸出來(lái)調(diào)節(jié)PWM的占空比，進(jìn)而可控制電動(dòng)機(jī)的方向和速度。因?yàn)殡p極性工作制電壓波中的交流成分比單極性工作制的大，電流波動(dòng)也較大，所以本設(shè)計(jì)采用了單極性工作制。3、PWM調(diào)速方法PWM調(diào)速原理如圖3.1所示圖3.1PWM調(diào)速原理圖T1圖3.1PWM調(diào)速原理圖T1TT2T：周期T1：高電平持續(xù)時(shí)間T2：低電平持續(xù)時(shí)間tU根據(jù)改變占空比方法的不同，PWM調(diào)速可分為以下三種：〔1〕定寬調(diào)頻保持T1不變，改變T2，周期T隨之改變。〔2〕調(diào)寬調(diào)頻保持T2不變，改變T1，周期T隨之改變。〔3〕定頻調(diào)寬保持周期T不變，同時(shí)改變T1和T2。前兩種發(fā)法在改變占空比的同時(shí)改變了脈沖頻率，當(dāng)控制脈沖頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，所以，本設(shè)計(jì)采用第三種方法來(lái)調(diào)速。4、PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式方案一：使用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，此方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其準(zhǔn)確，誤差只有幾個(gè)微秒。方案二：使用軟件延時(shí)方式，此方式不如方案一準(zhǔn)確，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是由于方案二不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍，因此本設(shè)計(jì)采用方案二。3.2系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如以下列圖3.2所示，主要包括4位鍵盤(pán)電路、電源電路、89C51單片機(jī)芯片、直流電動(dòng)機(jī)、PWM驅(qū)動(dòng)電路、晶振電路以及復(fù)位電路七大局部。4位鍵盤(pán)和單片機(jī)相連，主要用來(lái)控制直流電機(jī)，其中一位控制直流電機(jī)的啟動(dòng)和停頓；一位控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；一位可以使直流電機(jī)加速；還有一位可以使電機(jī)減速。電源主要為單片機(jī)提供電源。晶振電路是為單片機(jī)提供振蕩脈沖。復(fù)位電路是將單片機(jī)的硬件做初始化操作。而電機(jī)的加減速則需要調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)〔具體見(jiàn)第一章〕。復(fù)位復(fù)位電路89C51單片機(jī)4位鍵盤(pán)電源電路PWM驅(qū)動(dòng)電路直流電動(dòng)機(jī)時(shí)鐘電路圖3.2系統(tǒng)的構(gòu)造框圖本設(shè)計(jì)選用LM629直流電機(jī)，而單片機(jī)則采用51系列中的89C51單片機(jī)。3.3單片機(jī)89C51簡(jiǎn)介之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)80C51芯片，在本設(shè)計(jì)中采用89C51單片機(jī)芯片。他們之間芯片各腳的定義是完全兼容的，唯一的區(qū)別是89C51內(nèi)部集成了4K的FLASH-ROM,而80C51內(nèi)部是廠家做好的掩膜式ROM,除了在燒寫(xiě)ROM的時(shí)候方式不同，在電路中的功能是一樣的。因此在電路上沒(méi)有區(qū)別。89C51單片機(jī)的主要特性：4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；128*8位內(nèi)部RAM；有五個(gè)中斷源；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和32位可編程輸入/輸出線；具有時(shí)鐘電路和片內(nèi)振蕩器；有可編程的串行通道；低功耗的閑置和掉電模式。圖3.480C51管腳圖3.4L298N電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介使用L298N可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)展驅(qū)動(dòng),此芯片中含有兩個(gè)橋式電路，可以對(duì)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)展驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中只需要驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，所以選擇L298N進(jìn)展驅(qū)動(dòng)是可行的方案。其管腳如圖3.5所示，IN1、IN2、IN3、IN4為四個(gè)輸入；ENA和ENB為兩個(gè)使能輸入；SENSA和SENSA為電機(jī)電流(或叫橋驅(qū)動(dòng)電流)檢測(cè)引腳，一般不用直接接地；OUT1、OUT2、OUT3、OUT4為四個(gè)輸出。圖3.5L298N管腳圖4硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)系統(tǒng)電路整個(gè)89C51單片機(jī)的系統(tǒng)電路就是將晶振電路模塊、復(fù)位電路模塊、鍵盤(pán)電路模塊、直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路同89C51單片機(jī)連接在一起，再有就是單片機(jī)的Vcc接+5V電源，Vss接地，如圖4.1所示。本設(shè)計(jì)通過(guò)四個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，按鍵與P2口相連，按下按鍵改變電平，將改變的電平通過(guò)單片機(jī)送給P0.0和P0.1口，在送到L298N的輸入端口，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟停和方向進(jìn)展控制；還將其產(chǎn)生在PWM脈沖送到L298N的使能端，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)展控制。圖4.1系統(tǒng)電路圖4.2復(fù)位電路復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，通過(guò)RST〔高電平有效〕引腳送入單片機(jī)，進(jìn)展復(fù)位操作。該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期〔即24個(gè)時(shí)鐘周期〕以上的高電平，便可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位電路對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)順利的工作有著至關(guān)重要的作用。它可以保證程序從指定處開(kāi)場(chǎng)執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器的0000H地址單元開(kāi)場(chǎng)執(zhí)行程序。另外，當(dāng)程序進(jìn)展出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于“死機(jī)〞狀態(tài)時(shí)，需復(fù)位以重新啟動(dòng)。復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電實(shí)現(xiàn)的。通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于短路，于是RET引腳上為高電平，然后電源通過(guò)電阻對(duì)電容進(jìn)展充電，RET端電壓慢慢降下來(lái)，降到一定程度時(shí)變成低電平，單片機(jī)開(kāi)場(chǎng)正常工作。對(duì)干擾抵抗能力差。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路是通過(guò)電阻接高電平實(shí)現(xiàn)的。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，根據(jù)實(shí)際需要，一般采用兼有上電外部復(fù)位與按鍵復(fù)位的電路，這樣復(fù)位電路能輸出兩種電平的復(fù)位控制信號(hào)，以適應(yīng)外圍I/O接口芯片所需要的不同復(fù)位電平信號(hào)。而在本設(shè)計(jì)中采用的是按鍵手動(dòng)復(fù)位,如圖4.2所示。RSTRST圖4.2復(fù)位電路圖4.3時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是單片機(jī)系統(tǒng)的心臟，它控制者單片機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)雖然內(nèi)部有振蕩電路，但是要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。微型計(jì)算機(jī)的CPU實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，所有工作都是在時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)展的。每執(zhí)行一條指令，CPU的控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號(hào)。AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常由兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部振蕩方式，二是外部時(shí)鐘振蕩方式。內(nèi)部時(shí)鐘電路，在AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接定時(shí)反響回路，振蕩器OSC就能自激振蕩，并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生矩形時(shí)鐘脈沖信號(hào)。定時(shí)反響回路常由石英晶振和微調(diào)電容組成，其中石英晶振的頻率是單片機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)控制器的控制節(jié)拍就越快，運(yùn)算速度也就越快。一般情況下，石英晶振的頻率選為典型值12MHz，這樣有利于得到?jīng)]有誤差的波特率。內(nèi)部時(shí)鐘電路對(duì)外接電容C1、C2并沒(méi)有嚴(yán)格要求，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容C1和C2典型值在60～70pF之間振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。選擇30pF左右時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率為難12MHz，外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容值通常選擇為47pF。外部時(shí)鐘電路是利用外部振蕩信號(hào)直接作為時(shí)鐘源直接接入XTAL1和XTAL2。通常XTAL2端直接接至內(nèi)部時(shí)鐘電路，輸入端XTAL1接地。由于XTAL2的邏輯電平不是TTL的，所以建議接一個(gè)4.7～10K的上拉電阻。時(shí)鐘電路則是由振蕩電路產(chǎn)生震蕩脈沖，從而得到晶振頻率的電路。本設(shè)計(jì)中選取內(nèi)部時(shí)鐘電路，如以下列圖4.3所示。圖4.3內(nèi)部時(shí)鐘電路4.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要由L298N驅(qū)動(dòng)芯片和TLP521-4光電隔離芯片組成，如圖4.4所示。電動(dòng)機(jī)停頓時(shí)，單片機(jī)P0.0和P0.1口輸出低電平；電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P0.0和P0.1口輸出高電平；電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P0.0口輸出低電平,P0.1口輸出高電平；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P0.0口輸出高電平，P0.1口輸出低電平；PWM脈沖調(diào)速采用定頻調(diào)寬法，單片機(jī)P2.0口輸出固定頻率為1kHz的PWM脈沖，脈沖頻率通過(guò)定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)。圖4.4直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.5鍵盤(pán)電路鍵盤(pán)是由假設(shè)干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，平時(shí)按鍵開(kāi)關(guān)總是處于斷開(kāi)的狀態(tài)，當(dāng)按下時(shí)閉合。用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)可向CPU輸入數(shù)據(jù)信息、地址信息和各種命令。鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別是由專(zhuān)用硬件實(shí)現(xiàn)的稱(chēng)為編碼鍵盤(pán)，而由軟件實(shí)現(xiàn)的稱(chēng)為非編碼程序。鍵盤(pán)根據(jù)連接方式的不同分為獨(dú)立連接式和矩陣式。獨(dú)立式按鍵是指用一根I/O接口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立按鍵單獨(dú)占用一根I/O接口線，彼此之間相互獨(dú)立。一般當(dāng)按鍵數(shù)目較少的時(shí)候選用獨(dú)立式鍵盤(pán)。矩陣式鍵盤(pán)是指由假設(shè)干按鍵組成的矩陣樣式的輸入設(shè)備，包括鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)矩陣、輸出鎖存、輸入緩沖器。矩陣鍵盤(pán)識(shí)別按鍵是否按下最常用的方法是行掃描法。即由行線逐行發(fā)出低電平信號(hào)，判斷與其對(duì)應(yīng)的列線的電平信號(hào)，如果電平信號(hào)為高電平則說(shuō)明沒(méi)有按鍵按下，反之。如果該電平信號(hào)為低電平則說(shuō)明有按鍵按下〔即低電平有效〕。當(dāng)按鍵較多的時(shí)候通常選用矩陣式鍵盤(pán)，節(jié)省I/O接口。常見(jiàn)的鍵盤(pán)掃描方式有程控掃描方式、定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式。由于鍵盤(pán)按鍵為機(jī)械開(kāi)關(guān)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用。按鍵的時(shí)候，不管是按下鍵位還是放開(kāi)按鍵都會(huì)產(chǎn)生一定程度的鍵抖動(dòng)，據(jù)此將按鍵分為前沿抖動(dòng)〔按下〕和后沿抖動(dòng)〔放開(kāi)〕。如果對(duì)按鍵抖動(dòng)不進(jìn)展處理的話，必然會(huì)導(dǎo)致按鍵一次而輸入屢次信號(hào)，為了確保功能順利實(shí)現(xiàn)和按鍵準(zhǔn)確，必須消除按鍵抖動(dòng)，通常用硬件和軟件兩種方式來(lái)消除按鍵抖動(dòng)。硬件法指在輸出線路上添加硬件線路來(lái)消除，一般采用R-S觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。而軟件法則指在判斷是否有按鍵按下程序之后，添加一個(gè)延時(shí)程序〔5～10s〕當(dāng)消除按鍵抖動(dòng)后再次進(jìn)展檢測(cè)按鍵狀態(tài)，如果前后的檢測(cè)結(jié)果都是有按鍵按下，說(shuō)明確實(shí)有按鍵按下。同理，當(dāng)按鍵釋放時(shí)也進(jìn)展相應(yīng)的處理。本設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路如圖4.5所示，由四位按鍵組成，其中K1控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停頓，K2控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，K3控制電動(dòng)機(jī)的加速，K4控制電動(dòng)機(jī)的減速。K1K2K4K3K1K2K4K3圖4.5鍵盤(pán)電路5軟件設(shè)計(jì)5.1單極性可逆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)控制1.系統(tǒng)框圖如圖5.1所示，控制系統(tǒng)由單片機(jī)、鍵盤(pán)模塊、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電動(dòng)機(jī)組成。單片機(jī)P2.4采集電動(dòng)機(jī)啟停控制按鍵信號(hào)，P2.5采集電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鍵信號(hào)，P2.6采集電動(dòng)機(jī)加速控制按鍵信號(hào)，P2.7采集電動(dòng)機(jī)減速控制按鍵信號(hào)，P2.0輸出PWM脈沖，P0.0和P0.1輸出電動(dòng)機(jī)啟?？刂坪托D(zhuǎn)方向控制電平。P2.4P2.4P0.0P2.5單片機(jī)P0.1AT89C51P2.0P2.6P2.7電動(dòng)機(jī)啟?？刂瓢存I電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鍵直流電動(dòng)機(jī)單極性可逆驅(qū)動(dòng)器直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組電動(dòng)機(jī)加速控制按鍵電動(dòng)機(jī)減速控制按鍵圖5.1控制系統(tǒng)總圖2.軟件程序設(shè)計(jì)軟件程序包括鍵盤(pán)信號(hào)采集、PWM脈沖輸出、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向電平輸出幾個(gè)局部。鍵盤(pán)信號(hào)采集電動(dòng)機(jī)啟?？刂瓢存I信號(hào)由單片機(jī)P2.4口采集，當(dāng)采集到第一次按鍵信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)采集到第二次按鍵信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停頓。電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鍵信號(hào)由單片機(jī)P2.5口采集，當(dāng)采集到第一次按鍵信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)采集到第二次按鍵信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)加速控制按鍵信號(hào)由單片機(jī)P2.6口采集，每采集到一次加速按鍵信號(hào)，PWM脈沖占空比加1%。電動(dòng)機(jī)減速控制按鍵信號(hào)由單片機(jī)P2.7口采集，每采集到一次減速按鍵信號(hào)，PWM脈沖占空比減1%。電動(dòng)機(jī)啟停方向電平輸出電動(dòng)機(jī)停頓時(shí)，單片機(jī)P0.0和P0.1口輸出低電平；電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P0.0和P0.1口輸出高電平。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向電平輸出電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P0.0口輸出低電平,P0.1口輸出高電平；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P0.0口輸出高電平，P0.1口輸出低電平。PWM脈沖輸出PWM脈沖調(diào)速采用定頻調(diào)寬法，單片機(jī)P2.0口輸出固定頻率為1kHz的PWM脈沖，脈沖頻率通過(guò)定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)。5.2系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如以下列圖5.2所示。按下K1鍵，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；按下K2鍵，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；按下K3鍵，電動(dòng)機(jī)加速；按下K4鍵，電動(dòng)機(jī)減速；再次按下K1鍵，電動(dòng)機(jī)停頓。開(kāi)場(chǎng)開(kāi)場(chǎng)系統(tǒng)初始化K1鍵按下K2鍵按下K3鍵按下K4鍵按下啟動(dòng)／停頓正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)加速減速NNNYYYYN圖5.2系統(tǒng)構(gòu)造流程圖6仿真調(diào)試6.1KeilC51軟件簡(jiǎn)介KeilC51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是目前開(kāi)發(fā)80C51內(nèi)核的微處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具，可以完成從工程建設(shè)、管理、程序編譯、鏈接、目標(biāo)代碼生成、軟硬件仿真等完整的開(kāi)發(fā)流程。尤其是C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面到達(dá)了較高水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開(kāi)發(fā)大型工程時(shí)非常理想。圖6.1keil界面圖6.2Proteus仿真軟件簡(jiǎn)介Proteus是來(lái)自英國(guó)LabcenterElectronics公司的利用現(xiàn)代EDA工具方便快捷開(kāi)發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的仿真軟件。英國(guó)LabcenterElectronics公司推出的Proteus，可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周?chē)娮悠骷黄鸱抡?，用?hù)甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如LED/LCD、鍵盤(pán)、RS-232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)展交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列、ARM7/LPC2000系列以及Z80等，集編輯、編譯、仿真調(diào)試與一體。它的界面〔圖6.2〕簡(jiǎn)潔友好，可利用該軟件提供的數(shù)千種數(shù)字/模擬仿真元器件以及豐富的仿真設(shè)備，使得在程序調(diào)試、系統(tǒng)仿真時(shí)，不僅能觀察到程序執(zhí)行過(guò)程中單片機(jī)存放器和存儲(chǔ)器等內(nèi)容變化，還可從工程的角度直觀地看到外圍電路工作情況，非常接近工程應(yīng)用。另外ProteusISIS還能與第三方集成開(kāi)發(fā)環(huán)境〔如KeilC51的μVision3〕進(jìn)展聯(lián)合仿真調(diào)試。圖6.2Protues界面圖6.3調(diào)試將KeilC51的μVision3軟件和Proteus軟件進(jìn)展聯(lián)合調(diào)試，將硬件和軟件聯(lián)合仿真，就可進(jìn)一步對(duì)改良硬件電路和軟件程序，從而最終實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。ProteusVSM支持第三方集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE,兩者聯(lián)調(diào)可以提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)本錢(qián)。按K1鍵，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)功能〔圖6.3〕；按K2鍵，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)功能〔圖6.4〕；按K3鍵，實(shí)現(xiàn)加速功能〔圖6.5〕；按K4鍵，實(shí)現(xiàn)減速功能〔圖6.6〕；再次按K1鍵，實(shí)現(xiàn)停頓功能〔圖6.7〕。圖6.3電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)圖6.4電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)圖6.5電動(dòng)機(jī)加速圖6.6電動(dòng)機(jī)減速圖6.7電動(dòng)機(jī)停頓總結(jié)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)按鍵可以使電動(dòng)機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)以及加減速。其中涉及到不僅僅是我們之前學(xué)到的理論知識(shí)，考察更多的是我們的實(shí)踐能力。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，讓我對(duì)51系列單片機(jī)的有了更加深刻的了解，特別是讓我自行學(xué)習(xí)了proteus仿真軟件，以及將其和keil軟件進(jìn)展聯(lián)調(diào)進(jìn)展仿真。由本次設(shè)計(jì)還可以引申更多有關(guān)用單片機(jī)控制直流電機(jī)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更多的功能，比方可以通過(guò)數(shù)碼管將電動(dòng)機(jī)的速度顯示出來(lái)；還可以參加速度限制，如果超出限制范圍，蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲來(lái)報(bào)警；還可以參加反響環(huán)節(jié)，做一個(gè)恒速的直流電機(jī)，如果輸入和預(yù)設(shè)值有出入，將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)值等等。這些在未