单片机控制的PWM直流电机调速系统 .doc

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1、装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸序号（学号）： 021241220长 春 大 学毕 业 设 计（论 文）单片机控制的PWM直流电机调速系统姓 名王虹泽学 院电子信息工程学院专 业自动化班 级12412 指导教师孙颖（副教授）2016年5月25日单片机控制的PWM直流电机调速系统随着时代的发展，数字电子技术已经蔓延到我们的生活，工作和研究的各个领域。及各种电器和机械系统中，由于直流电动机具有一个良好的启动，制动和调速性能，直流电动机速度控制系统已广泛地应用于各行各业，直流技术是最常用的脉冲宽度调制（PWM）DC转换技术，具有许多优良的特点，数字控制系统的硬件电路有着高度标准化，控制软件可

2、以执行复杂的计算，可以从一般的线性稳压器优化。设计引入了AT89S51单片机的直流电动机调速系统。本文介绍了直流电机调速系统的意义，基于PWM直流电机调速的方法和单片机控制的基本工作原理，占空比的计算，实现的精确速度控制。主电路使用四个主键盘控制的AT89S51单片机将数据传输到微控制器，并产生一个脉宽调制信号，然后由L298传输至小型直流电动机。通过调试键就可以控制直流电机的启动，停止，方向和速度。整个系统的设计中，用大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的可靠性和稳定性。关键词 单片机AT89S51；直流电机；脉宽调制；The Design of PWM Controlled

3、DC Motor Speed Control System Based On Single ChipWith the development of the times, digital electronic technology has spread to all areas of our life, work and study. And various electrical and mechanical systems, since the DC motor has a good start, braking and speed performance, DC motor speed co

4、ntrol system has been widely used in various industries, DC technology is the most commonly used pulse width modulation (PWM ) DC conversion technology, has many excellent features, hardware circuit digital control system with a high degree of standardization, control software can perform complex ca

5、lculations, can be optimized from the general linear regulator.Design introduces AT89S51 MCU DC motor speed control system. This article describes the significance of DC motor speed control system, based on PWM DC motor speed control method and SCM basic working principle, the exact speed of the dut

6、y ratio is calculated to achieve control. The main circuit uses four main keyboard control AT89S51 microcontroller to transfer data to the microcontroller and generates a pulse width modulated signal is then transmitted to the L298 small DC motor. Through debugging keys can control the DC motor star

7、t, stop, direction and speed. Design of the entire system, with a large number of integrated circuit module, greatly simplifying the hardware circuit to improve the reliability and stability of the system.Keywords SCM AT89S51, DC motor, PWM, 目录第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外电机控制的发展及研究现状21.

8、4 课题研究内容及目标3第2章 系统总体方案设计52.1 基本原理分析52.1.1 直流电机的调速原理52.1.2 直流电机PWM调速原理62.1.3 霍尔效应和原理简介62.2 设计思路82.3 总体方案比较与选择82.4 电机调速控制模块方案比较与选择102.5 系统各模块方案的比较与选择102.5.1 键盘的选择102.5.2 显示方式的选择112.5.3 电机驱动芯片的选择122.5.4 测速传感器的选择132.6 系统方框图14第3章 系统硬件设计153.1 直流电源部分153.2电机驱动电路163.3 键盘部分183.4 LED显示部分193.5 测速部分203.6 复位电路和时钟

9、电路21第4章 系统软件设计224.1 主程序224.2 键盘扫描子程序234.3 PWM信号发生程序254.4 测速子程序264.5 显示子程序27结 论2致 谢3参 考 文 献4附录57第1章 绪论1.1 课题研究的背景直流电动机是电动机最常见的一种形式，在运输、机械、化工、航空航天等领域有普遍的应用。初期的直流电动机控制是基于利用运算放大器，集成电路和非线性数字电路等硬件控制系统繁杂，功能简单的少数的模拟电路，而且该系统是特别不灵活的，很难调试，影响了直流电动机控制技术的发展。PWM控制技术是利用半导体装置的导通和封闭，直流电压转换成一个电压脉冲串，控制电压脉冲周期和宽度，以实现变压的目

10、的。近年来，功率驱动的脉宽调制控制技术已变成电力拖动自动控制技术之一。由于当代电力电子技术和计算机技术还有现代控制理论的飞速发展，单片机已经成为直流电动机调速的一个重要组成部分。单片机的特点有体积小，重量轻，抗干扰优势明显，易于控制，使用简单，价格亲民等，被普遍使用于直流电动机调速系统。在实际应用中，电机在将电能改变为机械能的过程当中起到巨大的作用，所以电机需要有良好的能量转换效率，并且可以根据生产过程的速度要求来调整。电机调速的性能，对提高产品质量，提高生产效率，节约能源有着举足轻重的影响。因此，电机调速的研究一直是热点。1.2 课题研究的目的和意义 良好的起动和调速性能使直流电机在自动控制

11、系统、电子仪器设备的使用中远超于其他各类电机。直流电机运行速度快，速度范围宽，过载能力强，有较强的冲击负荷能力，可实现快速起动、制动、加速、减速、正反转等。现代生产过程中，自动化系统多种多样。为了符合各种特殊的需求，电枢回路电阻调速、电压调速等技术已经难以满足现代科技的需要，直流电机调速系统不得不做出更大的改进与提高，因此，PWM直流电机调速的方法应运而生。面冲宽度调制直流电机调速系统有着能与给定的数字速度信号直接接口等优点，从而在工厂和各企业中得到广泛的使用，并且能加速国家工业化的发展。学习本次课题，对于我们将来的工作和发展会有非常重要的影响。1.3 国内外电机控制的发展及研究现状控制直流电

12、机调速的几种方法如下：第一，使用恒定的直流电压供电，通过改变电阻来实现调速，这是早期的调速系统。这种方法简单易操作，设备制造简单，价格低廉合理。但缺点是效率不高、机械特性软、平滑调速范围较窄，所以现在很少采用。第二，1930s出现了发电机电动机，与其他控制器件相配合，调速性能获得较大提高，有转速范围宽，变速率低，转速平稳等优势，特别是当电机速度减慢时，发电机可以很容易地反馈电机轴上的飞轮的惯性力给电网，这样，不仅能够得到稳定的制动特性，还会削减能量的消耗，功能性大大提升。但发电机电动机调速体系也有弊端，该系统需要增添两台与调速电动机相配的扭转电机和少量辅助励磁配置，于是出现体积过大，难以修理等

13、问题。第三，采取汞弧变流器取代上述发电机电动机系统，使调速性能进一步提升。相比于发电机电动机系统，它的系统迅速反应性是发电机电动机系统无法相比的。然而汞弧变流器仍有少许缺陷：修理不太方便，尤其是水银蒸气会危害工作人员的身体健康。第四，1957年世界上第一只晶闸管在被发明出来，和其他变流元件相比，晶闸管具有许多特殊的优点。因此，晶闸管直流调速系统具有很强的生命力。它具备体积小、响应速度快、寿命长、易维修等一系列优势。使用晶闸管供电，不单提高了直流调速系统经济指标和可靠性，还在技术性能上也显示出很大的优越性。随着电力电子技术、自动控制理论、计算机控制技术的深入发展，以及超大规模集成电路、微型计算机

14、、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，直流电动机控制装置开始了飞速的发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，以微机为控制核心的直流电气传动装置被一些先进国家陆续推出并大量使用，如ABB公司的PAD/PSD、西门子公司的SIMOREG K6RA24等等。随着现代化的发展和人民生活水平的提高步伐的不断加快，对自动化的需求也在不断增加，从而使直流电机应用领域不断扩大。例如，军用雷达天线，火炮瞄准，航空航天，卫星姿态的惯性导航方面，飞船的太阳能光电跟踪控制；各种加工中心产业方面，特殊的加工设备，塑料机械，印刷机械，卷绕控制，纺织机械，工业缝纫

15、机，数控机床，工业机器人，泵和压缩机等设备；控制扫描仪和其他设备电脑外设和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，打印机，传真机，复印机，绘图仪控制视听设备和家电数码相机，洗衣机，电冰箱，录音机，录像机，风扇等。数字直流转换器，有高的技术指标，它可以成功地从给定的信号完成调整参数的设定，直到触发脉冲，并通过使用共同的硬件平台和额外的软件程序控制直流电动机，同一个控制器甚至可以使用不同的软件版本和不同类型的控制对象来改变参数设置，因为它有强大的通信功能，所以很容易和PLC和其它通信装置组合形成一套完整的工业过程控制系统。操作简单，抗干扰性强能力强等优点。尤其是完善的保护性能，灵活方便的调试方

16、法，整个控制器有长期的高可靠性，体积小，弥补了模拟DC频调速系统调试不方便，体积过大等方面的不足。数字控制系统展示了一些其他优点，如高精度调试，维护方便，快捷查找故障，它具有广阔的发展前景。中国从20世纪60年代初，PWM直流调速系统得到了迅猛发展和广泛应用。成功试制的首个硅晶闸管。目前，大功率晶闸管直流调速系统在我国国民经济中有不可或缺的重要性。我们的主要有补偿PID控制，PID算法优化，集成优化控制。随着脉冲宽度调制的广泛应用，PWM也向着主流方向发展。目前，我国大部分采用数字控制的DC变换器还是进口的，因为进口装置价格昂贵，所以国内数字控制DC转换器，具有很棒的发展前景，科研院所贡献巨大

17、，国内那么多的大学，厂家都在完全规模化的发展DC转换器。国外主要电力公司如德国的西门子，AEG公司，日本三菱公司，东芝公司，瑞典ABB，GE等美国公司，已经开发了多种数字直流调速，成熟的系列化，标准化，模板化的应用。1.4 课题研究内容及目标该系统提供可以实现PWM信号的功能是由软件生成的，并通过L298微控制器的信号传输，实现对电机的启动和停止，加速和减速，正向和反向控制；直流电机转速上的显示屏能显示正确的实时数据。输入设备、单片机、显示器、电机驱动模块和测速元件是该系统的重要组成部分。具体描述如下：1. 输入设备的选择：与矩阵键盘相比独立键盘结构简单，所以本设计采用独立键盘给单片机输入信号

18、；2. 单片机的选择：MCS-51系列单片机有多种型号，其中AT89S51不仅有ISP编程和看门狗功能，还兼容8051，这里选用AT89S51型微控制器作为控制核心；3. 显示部分的设计：在单片机系统中，发光二极管是一种可靠、常用的输出设备，因此脉宽调制实现了对脉冲宽度调制的实时显示；4. 电机驱动模块的选择：使用H桥式启动电路可实现电机的正/反转，制动的功能，L298是桥式电路的电机专用芯片,它在应用范围被频繁使用，而且其性能比较稳定，所以选用L298作为电机的驱动芯片。5. 测速元件的选用：测速元件的种类有很多，本次设计选用的是霍尔元件测速，在电机中安装霍尔开关传感器，把速度传送给单片机。

19、第2章 系统总体方案设计2.1 基本原理分析2.1.1 直流电机的调速原理直流电机有着多种多样的结构，但不论什么样的直流电机都是由定子和转子组成。其中定子由主磁极、换向磁极、机座等几部分组成；转子主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。常见直流电机外形和内部结构如图2-1所示。直流电机按励磁方法的差别可分为：他励、并励、串励和复励电机四种。不一样的励磁形式，直流电机的机械特性图也不同。特性方程式为： （2-1） (式中：是电动机的理想空载转速，其值为 是转速差；是电枢供电电压（V）；是电枢回路总电阻（）；是励磁磁通（Wb）；是电势系数；转矩系数。由式（2-1）可以看出，改变电枢电阻、电枢电压和

20、励磁磁通中的任何一个都可以使转速发生变化，所以直流电机调速方法有以上三种：改变电枢电阻、改变电枢电压和改变励磁磁通。但使用调节电枢电压调速能够完成顺畅的无级调速，调速可靠，调速局限性小。所以本次设计选取调节电枢电压来进行调速。图2-1直流电机外形和结构示意图2.1.2 直流电机PWM调速原理脉宽调制控制技术是使用半导体开关器件，将直流电压转换为电压脉冲串、控制电压脉冲宽度或周期，以达到变压吸附、控制电压脉冲宽度和周期的目的。接下来简述一下PWM调速系统的基本工作原理。图2-2所示为PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形图。（a） （b）图2-2 PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形假设V

21、1先导通T1秒，然后关闭T2秒，如此反复，可得到图2-2（b）的波形图，可以得到电机的电枢电压的平均值。如果，可以被定义为占空比。假定输入电压是恒定的，越大，就会得到更大的电机电压，反之亦然。所以改变就可以达到调压的目的。改变有三种方法：第一种是T1保持不变，在0到之间，使T2改变，这被称为定宽频率的方法；二是使T1、T2一样，在0到之间变化，这就是所谓的调宽调频方法；第三是T保持一定，在0位置的T1到T位置的变化，称为恒定频率调制方法。本次采纳的是恒定频率调制方法，在这种调制方法下，电动机运转稳定，并在脉宽调制的实现上更方便。2.1.3 霍尔效应和原理简介此次设计利用霍尔传感器CS3020速

22、度传感器的设计，这部分主要介绍了霍尔效应及其原理。霍尔效应，这种现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的，是磁电效应的一种。当电流经过导体并垂直于外磁场时，会产生电势差，这是因为导体于磁场和电流方向的两个端面之间垂直，此时的电势差被叫做霍尔电势差，即是霍尔效应。霍尔效应原理图见图2-3。图2-3 霍尔效应原理图因为运动中的电荷收到磁场中洛伦磁力的作用而产生霍尔效应。霍尔电势见公式（2-2）： （2-2）式（2-2）中：材料的霍尔常数（）； 控制电流（A）； 磁感应强度（T）； 元件的厚度（m）；令：，则得到：，有此式可以看出控制电流I

23、和磁感应强度B可以决定霍尔电势的大小，叫做霍尔灵敏度，与元件材质和几何尺寸相关。2.2 设计思路单片机控制的脉冲宽度调制系统的主要功能是控制直流电机的加速、减速和正转、反转以及启动、停止，并且帮助电机控制实现智能化。该系统的主电路为直流电动机的脉宽调制控制模块。这部分电路主要由能控制控制直流电机的加/减速和电机的正/反转的单片机I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等部分构成，对于实现直流电机的智能控制有着深远的影响。该系统是通过L298驱动芯片接收到AT89S51单片机产生脉宽可调的脉冲信号，并对电机产生作用，控制直流电机工作。该单片机控制的脉宽调速系统由如下几个电路模块构成：输入模块：这部分

24、是通过使用独立式键盘的中断来控制直流电机/减速机和电机正向/反向启动，停止。控制模块：主要由AT89S51单片机的外部扩展电路组成；二极管、电机和L298启动芯片组成脉宽调制部分。测速显示模块：通过霍尔元件CS3020和LED数码管显示，实现对转速的实时显示。2.3 总体方案比较与选择方案一：通过直接加直流电源来控制电机的转速，电机在固定电压时有固定的转速，如果减小其输入的电压，其转速也会相应地减小。在传统的改变电机的转速中，就是利用改变输入电压的方式来达到人们所需的转速。方案二：以微控制器AT89S51为核心器件，通过D/A转换器，将单片机数字量转换为模拟量，起到改变电机转速的功效。在控制器

25、控制部分，通过从程序调出密钥值输入到数字显示部分和D/A转换部分以实现电机的调速。电路组成框图如图2-4所示：显示器键盘AT89S51单片机D/A转换器电机 图2-4电路组成框图方案三：使用微控制器AT89S51控制。软件资源本设计要求使用相对简单，只需完成霍尔元件，键盘和显示输出控制部分的抽样。输出速度由单片机实时传输，实时显示。ATMEL在2003年推出的新型单片机品种：AT89S51。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机芯片，包含4K Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公

26、司的高密度，非易失性存储技术，与标准MCS-51指令集和80C51引脚结构相适应，该芯片集成了CPU和通用8 位ISP功能的Flash存储单元，所以ATMEL AT89S51是一种高效微控制器。方案分析：方案一只能通过减小电压值而改变电机转速，此方案操作繁琐且危险性高。方案二时间精度差，不能准时得到相应的转动速度，而是直接从程序中调用相应的值，在数码管上显示。因此，电路在此时的速度失去了它的真实性。从控制理论和控制技术方面，方案三在实时的设计特征和组合操作中，充分应用了所学知识的应用特点。所以，本设计采用方案三。2.4 电机调速控制模块方案比较与选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电机分压

27、，从而达到调速的目的。但电阻网络才能实现步骤调节，而数字电阻组件价格昂贵，更主要的问题是电动机的总电阻小，而电流是非常大的，分压不仅会降低效率，而且也难以实现。方案二：对电机采用继电器的开关切换控制，以调整电动机的速度。这种方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器机械结构容易变质，寿命短，可靠性低，响应时间慢。方案三：采用由复合晶体管构成的脉宽调制型电路。用复合晶体管的微处理器控制，使其在可变占空比开关工作状态下精确调节电动机的转速。由于管的饱和，电路的效率是非常高的；H型电路可以方便地实现，保证了速度和方向控制；电子开关速度快，稳定性好。它是一种应用广泛的脉宽调制调速技术。鉴于方案三完善的设计

28、，因此本设计采用方案三。2.5 系统各模块方案的比较与选择2.5.1 键盘的选择键盘是电脑输入设备不可缺少的一个，是人机对话的桥梁，用键盘输入计算机系统程序，设置该号码，发送命令，来控制程序的执行。在本设计中，用户可以启动和制动，向前和反向，通过键盘实现加速和减速控制。在电机调速控制系统中，独立式键盘和矩阵键盘是比较常用的两种。独立键盘是输入输出接口的单按键电路。每个单独的按键都被一个输入/输出接口占用，并且每个输入/输出接口的工作状态不会影响到其它输入/输出接口线的工作状态。独立键盘如图2-5所示。独立键盘电路配置灵活性，有着简单的软件配置，但是都单独占用一个输入/输出接口，在按键数量较多时

29、会不必要的占据输入/输出接口，所以其只适用在按键少的电路中。 接口部分为行线，另一部分为列矩阵式键盘，该键盘设置行和列的交叉口，构成行列式键盘，也称矩阵式键盘。矩阵式键盘中按键的总数为行数a乘以列数b，行列式键盘的按键数为abab个。这样我们可以看到键盘按键的行列式比较多的时候，就可以省下输入/输出的端口线。一个44列式键盘的电路原理图如图2-6所示。 图2-5独立键盘图图2-6 4*4矩阵式键盘本设计只需用到四个按键，独立式键盘不至于造成键盘浪费，所以采用独立式键盘。2.5.2 显示方式的选择LED显示器是单片机应用系统中最常用的输出设备之一。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时

30、，相应的一个点或一部分发亮。控制二极管的不同组合，可以显示各种字符。LED基本分为两种：七段和米段，本设计中使用的是七段LED数码管。这种显示器有共阴极和共阳极之分。共阴极LED显示器阴极连接在一块，公共阴极接地。共阳LED显示器阳极连接在一块，共阳极接正电压。如图2-7所示。显示有静态显示和动态显示的2种方式。静态显示界面，因为每一个数字数据都有数字显示，亮度较高，编程很简单。但当数量多，芯片多，电路复杂的时候，成本也会变高，所以只有少量的显示器适用；动态显示界面作为每一个数码管的结果共享一块代码输出端口，打开电源，从而简化了硬件电路，降低了成本。相比之下，动态显示有更多的硬件资源和输入/输

31、出端口，它被认为是最合适的选择。图2-7 LED的共阳极、共阴极接法2.5.3 电机驱动芯片的选择对直流电动机进行可逆的脉冲宽度调速控制是本设计的主旨。为了实现上述功能，四个开关构成的H桥驱动电路被广泛使用。在电动机基本电路的设计中使用集成电桥电路则可以起到简化的作用。LMD18200、L298、ML33886、MC4428为目前常用的电机驱动芯片。不过在应用领域，L298使用比较广泛，所以本设计采用L298作为电机的驱动芯片。ST公司生产的L298是内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用芯片，它的工作电压可达46V。可承受的最大电流值为3A，额定电流为2A。包含可用于驱动直流电动机和步进电动机

32、，继电器，线圈等电感负载的两个H桥高电压和高电流全桥驱动器;选用标准TTL逻辑电平信号控制；拥有两个使能掌控端口，分别掌管两个电机的启动和制动；内部逻辑电路部分在低电压下工作，由一个逻辑电源供电；它可以是外部电阻，变化量由外部电阻反馈给控制电路。L298运行参数如表2-1所示： 表2-1 L298运行参数参数符号测试环境最小值典型值最大值单位驱动电源电压Vs持续工作时46V逻辑电源电压Vss2.557V输入低电平电压ViL4.51.5V输入高电平电压ViH-0.3VssV使能端低电平电压Ven=L2.31.5V使能端高电平电压Ven=H-0.3VssV全桥式驱动器总的电压降（每一路）VcEIL

33、=1A2.33.2V(sat)IL=2A1.84.9V检测电压1,15脚Vsen-12V2.5.4 测速传感器的选择本设计主要是采用霍尔元件作为测速传感器。CS3020是CS系列的霍尔传感器经常使用的一种，它是一种磁敏传感电路。由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大电路，史密特触发器及集电极开路的输出级组成，其输入为磁感应强度，输出为电压。其外形图见图2-8。图2-8 CS3020 CS3020工作频率为100KHz，开关速度快，无瞬间抖动，较宽的电源电压范围，能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口，并且还有使用时间长，体积小，方便安装等优点。常用于无触点开关、位置控制、转速测量、隔离检

34、测、无刷电机等方面。CS3020的电特性和磁特性分别见表2-2和表2-3：表2-2 CS3020的电特性参数符号测试条件最小值典型值最大值单位电源电压Vcc4.524V输出高电平电流VohIOUT=20mA,BBOP0.110uA输出低电平电压VolVOUT=24V,BBPR200400mV电源电流IccVcc=输出开路8mA输出上升时间trRL=8200.12uS输出下降时间tfCL=20pF0.18uS表2-3 CS3020的磁特性参数符号最小值典型值最大值单位工作点BOP2235mT释放点BRP516.5mT回差Btrys2mT2.6 系统方框图本设计主要是由：单片机、驱动电路、直流电机

35、、测速元件、接口电路、显示器、键盘等部分组成。硬件电路组成框图如图2-9所示。 图2-9 直流电机调速系统本设计由微控制器AT89S51接受键盘的信号和反映占空比的PWM信号，以产生一个相应的输出信号，并控制输出。L298由一个信号控制启用和方向，一个信号控制直流电机的速度。安装在直流电动机的霍尔开关传感器，将速度信号传输到AT89S51，AT89S51定时计数，计算每分钟的直流电动机转数，并将其发送到LED显示。第3章 系统硬件设计本设计是基于微控制器控制的脉冲宽度调制直流电机控制系统设计。本章将基于上一章为基础对硬件系统各部分作进一步分析，并且对硬件各部分电路加以呈现和分析。控制对象是55

36、LCX-1永磁直流力矩电机，主要技术指标见表3-1。设计用于每个电源部分，PWM波形生成部分，电动机驱动部分，键盘输入部分和速度显示部分。表3-1 55LCX-1主要技术指标55LCX-1 峰值堵转 连续堵转最大空载转速r/min转矩Nm电流A电压V转矩Nm电流A电压V0.424.2270.141.4920003.1 直流电源部分在直流电机速度控制系统的逻辑元素中需要+5V直流电源，并用12V额定电压的直流小电机。因此在设计中需要两直流电源，所以你可以使用双稳压电源。直流电源分为线性直流电源和开关直流电源，前者电路成熟，稳定，高文波，干扰少，有多种成熟的集成组件可供选择。所以选取前者作为本设计

37、的电源，如图3-1所示：图3-1 双路输出的线性直流稳压电源图3-1显示了只使用220V-12V的可调变压器，整流桥，两个稳压器（7812和7805）和四个电容这种双输出线性直流电源。C4是一个起到低频过滤器功能的大容量的电解电容。由于C4本身的大型电解率的高频交流分量的滤波效果较差，为了提高滤波电路的高频抑制特性，在C4并联侧安置一个小电容C5以提高高频滤波性能。直流电路输出电容C6和C7是用于改善瞬变负荷响应的电源电路。3.2电机驱动电路上一章，我们一直在使用L298作为电机驱动芯片，表3-2是L298的引脚功能图，图3-2为电机驱动的硬件电路图。表3-2 L298的引脚功能引脚符号功能1

38、SENSEA此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号15SENSEB2OUT1此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载3OUT24Vs电机驱动电源输入端5IN1输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关7IN26ENA使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作11ENB8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通9Vss逻辑控制部分的电源输人端口10IN3输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关12IN4全桥式驱动器B的开关13OUT3此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载图3-2 L298驱动芯片硬件

39、电路 AT89S51单片机输出的脉冲宽度调制信号通过功率放大来驱动马达，这样的速度控制系统采用L298驱动芯片，驱动接口电路如图3-3所示。L298有单极性、双极性2种工作方式。单极式的工作方式是在一个脉宽调制周期中，电机的电枢只承担单极性电压；双极式的工作方式是在一个脉宽调制周期中，电机的电枢只承担双极性电压，速度控制系统采用单极操作。PWM输出引脚连接到单片机的P3.7 L298 ENA、ENB引脚，控制电机的转速；L298的输入引脚P3.2连接到单片机的IN1，IN2，IN3，IN4引脚来电机的转动方向。LM393作用在限定电流流以保护L298的安全性。LM393的同相端子直接连到电位参

40、考电压是可调的电位计上。参考电压调整电位器可以调整L298电流限制电压。连接到L298的SENSEA和SENSEB的LM393由反相端介入并检测。当检测电阻两端的电压比电流限制电压高时，电压比较器的反相输入电压低于非反相终端电压，输出端电平低，致使L298的两个使能端被拉低，L298停止工作。这就起到了限制过流和保护的作用。为了提高驱动L298的性能，L298的两个驱动的速度控制系统的电流徐高达3A，才能发挥出最大的驱动能力。现在我们可以通过L298的内部结构图分析L298实现的功能。图3-3 L298内部结构图L298的逻辑控制见表3-3。其中C为IN1、IN3，D为IN2、IN4；L为低电

41、平，H为高电平，为可以是低电平也可以是高电平。Ven为电压比较器的输出信号。对于L298应用，有必要选择取样电阻R10。R10的选择，必须考虑以下因素。第一，L298的允许采样电压值是2V，超过这一幅度，芯片会自动保护从而停止工作。第二，考虑L298限制性。第三，电阻自身的性能。在本设计中，5瓦特的1.5欧姆额定功率电阻确保电机能够正常工作。表3-3 L298对直流电机的逻辑真值表 输入输出Ven=HC=H；D=L运转状态下，正转Ven=HC=L；D=H运转状态下，反转Ven=LC=；D=运转状态下，电机制动Ven=LC=；D=停止状态下，电机不工作PWM无输出Ven=；C=；D=运转状态下，

42、电机制动；停止状态下，电机不工作3.3 键盘部分本设计采用独立式键盘作为该系统的输入设备，电机的启动停止、改变方向、加速和减速分别由S1、S2、S3和S4控制，接口电路如图3-5所示。本设计采用的是查询工作方法，按键抖动采用软件延时法消除，具体方法在第四章中有详细介绍。直接插入键盘子程序在主程序中，主程序每次执行时，键盘子程序执行一次。如果不按任何键跳过键标识，则主程序直接执行；如果有键按下，则执行键盘子程序，根据该编码值获得的键代码值进行识别。处理完以后再回到主程序执行。 图3-4 独立键盘电路硬件图3.4 LED显示部分在这里，直流电机由我们使用的四位共阳极LED数码管来显示转速，为了节省

43、I/O口，采用译码器74LS47的四位BCD码转换成七段LED显示，对BCD单片机输出速度的软件部分，下一章做详细介绍。图3-5为LED与单片机的接口电路图。由图3-5可以看出AT89S51单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3作为BCD码的输出口，分别与译码器的A、B、C、D引脚相连；单片机的P2.7、P2.6、P2.5和P2.4分别作为四位发光二极管的通道选择引脚，由高位到低位依次排列。设计，通过控制三极管来选通发光二极管。这里选用了一个NPN三极管，导通时为高电平，截止时为低电平。由于发光二极管正常的工作电压为3.5V左右，为了防止LED损坏，我们选用两个0.7V的普通二极管接入

44、电路，起到降压作用，然后再送到晶体管的集电极。这样做可以保证LED能正常地工作。图3-5 LED与单片机接口图3.5 测速部分在第二章中，我们选择了速度传感器，这可以从图2-8获得， CS3020已知有三个引脚，其中1个连接到电源，2引脚接地，3引脚连接到输出，安装简单方便。在电机旋转叶片上放上2块小的磁性钢，然后将电机旋转一圈，霍尔传感器输出两路脉冲，它可以测量物体的实际速度。其硬件原理图如图3-6所示：图3-6 测速硬件原理图CS3020通过将磁信号转化为电信号实现对整体系统的控制作用。图3-7（a） 图3-7（b） 分别是CS3020的功能图 输出特性图。 （a）VOVOHVOLBRPBOP（b）图3-7 （a）CS3020功能图和（b）CS3020输出特性3.6 复位电路和时钟电路