电位器控制小型直流电机的pwm调速电位器控制小型直流电机的pwm调速 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电位器控制小型直流电机的pwm调速 摘 要 随时代的发展，数字电子技术已普及到我们生活、工作、科研所有的领域。并且在各类机电系统中，由于直流电机拥有非常良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已大范围的应用于工业、航天领域的每个方面，最常用的直流技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术，...
电位器控制小型直流电机的pwm调速 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电位器控制小型直流电机的pwm调速 摘 要 随时代的发展，数字电子技术已普及到我们生活、工作、科研所有的领域。并且在各类机电系统中，由于直流电机拥有非常良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已大范围的应用于工业、航天领域的每个方面，最常用的直流技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术，具有调速精度高，响应速度快，调速范围宽和损耗低的特点。本设计主要介绍了使用微控制器AT89S51的直流电机调速系统。
主要介绍了直流电机调速系统的意义、基于单片机控制的PWM直流电机调速方法和PWM基本工作原理以及实现方法，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。主电路主要是采用电位器的调节，经过ADC0809转换成数字信号进而控制AT89S51单片机，将数据传输给单片机并产生脉宽调制信号，然后通过电机驱动芯片L298对小型直流电机来控制。本设计还附加了由霍尔开关CS3020、AT89S51单片机、74LS47七段数码管译码芯片和四位LED构成转速检测显示电路。 关键词:单片机AT89S51;直流电机;脉宽调制;转速检测 目 录 第一章 绪 论 ................................................................................................................ 1 1.1 课题研究的背 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 景 .................................................................................................... 1 1.2 课题研究的目的与意 义 ........................................................................................ 1 1.3 PWM变频调速发展前途与简 介 ............................................................................. 2 1.4 课题研究内容及目 标 ............................................................................................ 2 第二章 直流电机调速系统设 计 .................................................................................. 4 2.1 系统总体
设 计 ................................................................................................ 4 2.1.1 设计思 路 ............................................................................................................ 4 2.1.2总体方案比较与选 择 ......................................................................................... 4 2.1.3 电机调速控制模块方案比较与选 择 ................................................................ 5 2.2 基本原理分 析 ........................................................................................................ 5 2.2.1 直流电机的调速原 理 ........................................................................................ 5 2.2.2 直流电机PWM调速原 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 理 .................................................................................... 6 2.2.3 霍尔效应和原理简 介 ........................................................................................ 7 2.3 系统各模块方案的比较与选 择 ............................................................................ 7 2.3.1 电机驱动芯片的选 择 ........................................................................................ 7 2.3.2 测速传感器的选 择 ............................................................................................ 8 2.4 系统硬件组 成 ........................................................................................................ 9 第三章 硬件系统设 计 ................................................................................................ 10 3.1 AT89S51单片机特性及管脚说 明 ....................................................................... 10 3.2 ADC0809特性及管脚说 明 ................................................................................... 11 3.3 PWM波形发生原 理 ............................................................................................... 12 3.4 电机驱动电 路 ...................................................................................................... 13 3.5 测速部 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 分 .............................................................................................................. 15 3.6 复位电路和时钟电 路 .......................................................................................... 16 总 结 ............................................................................................................... ............... 19 参考文 献 ............................................................................................................... ....... 20 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景 直流电机是最常见的一种电机，它已经广泛应用于交通、机械、 化工、航空等领域中。早期的直流电机控制均以模拟电路为基础，采 用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统 的硬件复杂，功能单一，而且系统非常不灵活，调试困难，阻碍了直 流电机控制技术的发展和应用范围的推广。 A/D转换是为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了 数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量,要使计 算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转 换成数字信号。而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将 其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。 PWM控制技术是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压目的，或控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。近年来，电气传动的PWM 控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。 随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，单片机成为了直流电机调速不可或缺的部分之一。单片机具有体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，而被广泛应用于直流电机调速系统。在实际应用中，电机是把电能转化为机械能的主要设备，因此要求其具有较好的能量转换效率和能够根据生产工艺的要求调整转速。电机调速性能对提高产品质量，提高劳动生产率和节省电能有着决定性的影响。所以，电机调速一直是研究的热点。 1.2 课题研究的目的与意义 直流电机具有良好的启动性能和调速特性，虽然各种类型的电机层出不穷，然而在自动控制系统、电子仪器设备等方面，直流电机的应用还是占有突出地位。直流电机调速平滑，调速范围广，过载能力强，抗冲击负载能力强，可实现频繁的无极快速起动、制动、加/减速和正/反转。为了满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，通过PWM方式控制—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 直流电机调速的方法就应运而生。 PWM 直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽、控制方式多样化、能与数字速度给定信号直接接口等优点，在工厂企业得到广泛的应用，有利于国家工业化的发展。通过学习并熟练掌握这个调速系统，对我们今后的工作有十分重要的意义。 1 1.3 PWM变频调速发展前景与简介 PWM变频调速作为一项新的调速技术，在西方发达国家已得到广泛应用。目前，不论在同步电机调速方面，还是异步电机调速方面，PWM变频调速是众多交流调速方式的佼佼者。本节主要通过PWM变频调速技术与其他传统调速技术的优缺点对比，进而介绍变频调速技术的特性。 对于PWM变频调速，以上缺点均被一一克服。与交-交变频电路的变频过程比较，似乎只多了一个直流的转换过程。而正是这个直流转换过程使PWM变频电路更具灵活性。 现代的变频器采用了通信技术领域中的脉宽调制技术，具体一点就是应用了采样控制理论中的一个重要理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。 变频器就是应用这一理论，用一系列不等宽的脉冲代替一个正弦波，只要缩短这一系列脉冲的总宽度，就可达到调频的效果，而改变—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 这一系列中各脉冲的宽度则可达到调压的目的(有效值等效，但峰值不等效)，因此这一技术使恒磁通调速成为可能。 在设计电机时，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处，因此，调速时希望保持每极磁通?m为额定值，即?m??mN。因为磁通增加，将引起铁芯过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因素降低;而磁通减少，将使电动机输出转矩下降，如果负载转矩仍维持不变，势必导致定子、转子过电流，也要产生过热，故希望保持磁通恒定。 由上所知恒磁通调速，其实是要达到恒力矩输出的效果。而异步电动机定子每相感应电动势为 E1?4.44f1N1KN1?m 式中:N1——定子绕组每相串联匝数; KN1——基波绕组系数; ?m——每极气隙磁通。 ?m的值是由E1和f1共同决定的。对E1和f1进行适当的控制，就可以 ?m保持额定值不变。 由式(1-2)可以知道，使气隙磁通 总的来说PWM变频调速技术频调速灵活。调速的范围宽，在一定范围内可实现恒力矩输出，是一种相当适合电梯使用的调速方式，而且其本身的技术也在不断的革新中。随着PWM技术的不断改进，它的应用的范围也将不断的扩展。 1.4 课题研究内容及目标 根据直流电机调速的控制要求确定整体的
，完成电位器—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 控制小型直流电机的PWM直流调速系统模块设计。该系统需能实现将电位器改变的电压信号经过A/D转换成数字信号，产生PWM信号，并且通过单片机对L298的信号传输达到对电机的启动和停止，加速和减速，正传和反转的控制;直流电机的转速在LED显示器上正确实时显示。该系统主要由输入设备、单片机、显示器、电机驱动模块和测速元件等部分组成。主要内容具体描述如下: 1. 输入设备的选择:将电位器的电压改变信号传递给A/D转换，再将数字信号给单片机输入 2 信号; 2. 单片机的选型:MCS-51系列单片机有多种型号，其中AT89S51不仅兼容8051，还具有ISP编程和看门狗功能，这里选用单片机AT89S51作为控制核心; 3. 显示部分的设计:LED是单片机应用系统中最常用的输出器件，用LED实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示; 4. 电机驱动模块的设计:利用H桥式驱动电路可实现电机的正转，反转，制动的功能，作为集成有桥式电路的电机专用芯片L298在应用领域被广泛使用，而且其性能比较稳定可靠，所以用L298作为电机的驱动芯片。 5. 测速元件的选用:测速元件有很多，本设计选用霍尔元件测速，在电机中安装霍尔开关传感器，把速度传送给单片机。 3 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第二章 直流电机调速系统模块设计 2.1 系统总体方案设计 2.1.1 设计思路 单片机控制的PWM直流电机调速系统的主要功能包括:实现对直流电机的加速、减速和正转、反转以及启动、停止的控制，能够很方便地实现电机智能控制。 系统的主体电路是直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89S51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等来控制直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以方便地实现直流电机的智能控制。该系统是通过AT89S51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机的工作。该单片机控制的PWM直流电机调速系统主要是由以下几个电路模块组成: 输入模块:这一部分主要是利用电位器的阻值改变，通过A/D转换，生成数字信号来实现对直流电机的测速。 控制模块:主要由AT89S51单片机的外部扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298驱动芯片组成。 测速显示模块:通过霍尔传感器CS3020和LED数码显示，实现对直流电机转速的实时显示。 2.1.2总体方案比较与选择 方案一:直接加直流电源来控制电机的转动速度:根据电机在其—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 额定电压时，电机有一定的额定转速。那么如果其输入电压减小，其转动速度也相应地减小。在传统的改变电机的转速中，就是利用所给电机的电压的不同，从而达到人们所需的转速。 方案二:以单片机AT89S51为中心，通过D/A转换器，将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需的速度值，同时输到数码显示部分和D/A转换部分以实现电机的调速。电路组成框图如图2-1所示: 图2-1 电路组成框图 方案三:采用AT89S51单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需完成霍尔元件采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89S51进行控制比较简单、易控制、可靠 4 性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度由单片机传送给LED进行实时显示。AT89S51是ATMEL在2003年推出的新型单片机品种。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，片内含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公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容
MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，所以ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器。 方案分析:方案一只能以减小所给电压值而能使电机的转速有相—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 应地减小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及时地从电机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序那儿调用相应的数值给数码管显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都结合了本设计的特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用所学知识的特点。所以，本设计采用方案三。 2.1.3 电机调速控制模块方案比较与选择 方案一:采用电阻网路或数字电位器调整电机分压，从而达到调速的目的。但是电阻网路只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵，更主要的问题是一般电机的电阻很少，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现困难。 方案二:采用继电器对电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易坏、寿命短、可靠性不高。 方案三:采用由复合三极管组成的H型PWM电路。用单片机控制复合三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机的转速。H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。 兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。 2.2 基本原理分析 2.2.1 直流电机的调速原理 直流电机结构多样，但不论什么样的直流电机都由定子和转子。—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 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2-2所示。 直流电机按励磁方式的不同可分为:他励、并励、串励和复励电机四种。不同励磁方式，直流电机的机械特性曲线也不同。对于直流电机来说人为机械特性方程式为: n?UaRa?T?n0??n CE?CECT?2 (2-1) 式中:n0是电动机的理想空载转速，其值为n0?Ua;?n是转速差;Ua压是电枢供电电CE? 5 (V);Ra是电枢回路总电阻(Ω);?是励磁磁通(Wb);CE是电势系数;CT转矩系数。 由式(2-1)可以看出，改变电枢电阻Ra、电枢电压Ua和励磁磁通?中的任何一个都可以使转速n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Ra、改变电枢电压Ua和改变励磁磁通?。但是利用改变电枢电压调速可以实现平滑的无级调速，且调速稳定，调速范围大等优点。故本设计采用改变电枢电压来进行调速。 图2-2 直流电机外形和结构示意图 2.2.2 直流电机PWM调速原理 PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。下—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 面简述一下PWM调速系统的工作原理。图2-3给出PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。 (a) (b) 图2-3 PWM调速系统的工作原理电路及其波形 假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图2-3(b)的波形图，可以得到电机电枢端的平均电压Ua? T1TUd。如果??1，?可定义为占空比。假定输入电压U d不TT6 变，?越大，则电机电压Ua就越大，反之也成立。所以改变?就可以达到调压的目的。 改变?有三种方法:第一种就是T1保持不变，使T2在0到?之间变化，这叫定宽调频法;第二种就是T2不变，使T1在0到?之间变化，这叫调宽调频法;第三种就是T保持一定，使T1在0到T间变化，这叫定频调宽法。本设计采用的是定频调宽法，电动机在运转时比较稳定，并且在产生PWM脉冲实现上更方便。 2.2.3 霍尔效应和原理简介 本设计采用的霍尔传感器CS3020进行测速的，所以本节主要介绍一下霍尔效应及其原理。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall，1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔效应原理图见图2-4。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 图2-4 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UH见
(2-2): UH?RHIB (2-2) d 式(2-2)中:RH——材料的霍尔常数(M3C?1); I——控制电流(A); B——磁感应强度(T); d——元件的厚度(m); R令:KH?H，则得到:UH?KHIB，有此式可以看出霍尔电势的大小取决于控制电流I和磁d 感应强度B，KH叫做霍尔灵敏度，与元件材料性质和几何尺寸有关。 2.3 系统各模块方案的比较与选择 2.3.1 电机驱动芯片的选择 本设计核心部分就是对小型直流电动机进行可逆的PWM 调速控制。要实现以上的功能，应用比 7 较广泛的是由四个开关管构成的H型桥式驱动电路。而在设计中可以使用集成有桥式电路的电机专用芯片，可以简化电路。 目前常用的电机驱动芯片有LMD18200、L298、ML33886、MC4428等。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。 L298是ST公司生产的内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 芯片，它的工作电压可高达46V。输出电流也很大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流可达2A。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载;采用标准TTL逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端口，分别控制两个电机的启动和制动;有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作;它可以外接电阻，把变化量反馈给控制电路。此外，L298的两个桥式电路还可以并联起来驱动一个直流电动机，直流电流可达到4A。L298的运行参数如表2-1所示: 表2-1 L298运行参数 参数 驱动电源电压 逻辑电源电压 输入低电平电压 输入高电平电压 使能端低电平电压 使能端高电平电压 全桥式驱动器总的电压降(每一路) 检测电压1,15脚 符号 Vs Vss ViL ViH Ven=L Ven=H VcE (sat) Vsen 测试环境 持续工作时 IL=1A IL=2A 最小值 2.5 4.5 -0.3 2.3 -0.3 2.3 1.8 -1 典型值 5 最大值 46 7 1.5 Vss 1.5 Vss 3.2 4.9 2 单位 V V V V V V V V V —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2.3.2 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系列的霍尔传感器常用的一种，它是由电压调整器，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磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为电压。其外形图见图2-8。 CS3020工作频率宽(100KHz)，开关速度快，没瞬间抖动，电源电压范围宽，能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口，并且还有寿命长，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: 图 2-8 CS3020 8 表2-2 CS3020的电特性 参数 电源电压 输出高电平电流 输出低电平电压 电源电流 输出上升时间 输出下降时间 参数 工作点 释放点 回差 符号 Vcc Voh Vol Icc tr tf 符号 BOP BRP Btrys 测试条件 最小值 4.5 典型值 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 最大值 24 10 400 8 单位 V uA mV mA uS uS 单位 mT mT mT IOUT=20mA,BBOP VOUT=24V,BBPR Vcc=输出开路 RL=820? CL=20pF 最小值 0.1 200 典型值 22 16.5 0.12 0.18 最大值 35 表2-3 CS3020的磁特性 5 2 2.4 系统硬件组成 本设计的调速系统主要是由:单片机、驱动电路、直流电机、测速元件、接口电路、显示器、电位器、A/D转换器等部分组成。硬件电路组成框图如图 2-9所示: 图2-9 直流电机调速系统硬件 本设计由电位器的阻值变化通过A/D转化将信号传递给单片机AT89S51并通过计算占空比产生出对应的PWM信号输出和控制信号输出，其中一路信号控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直流电机的速度。在直流电机中安装霍尔开关传感器，把速度信—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 号传送到AT89S51，AT89S51进行定时计数，计算出直流电机每分钟的转速，并送LED显示。 9 第三章 硬件系统设计 本设计是基于单片机控制的PWM直流电机调速系统设计。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。本系统控制对象是55LCX-1永磁式直流力矩电动机，主要技术指标如表3-1。针对要求分别对电源、PWM波形产生部分、电机驱动部分、键盘输入部分及测速显示部分进行设计。 表3-1 55LCX-1主要技术指标 55LCX-1 转矩N?m 0.42 峰值堵转 电流A 4.2 电压V 27 转矩N?m 0.14 连续堵转 电流A 1.4 电压V 9 最大空载转速r/min 2000 3.1 AT89S51单片机特性及管脚说明 上一章在系统总体方案设计中已经对微控制器AT89S51简单介绍了，本节将在上一章的基础上对微控制器作详细地阐述。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1)ATMEL公司的AT89S51芯片具有以下特性: ?指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容; ?4KB片内在系统可编程Flash程序存储器; ?时钟频率为0,33MHz; ?128字节片内随机读写存储器(RAM); ?32个可编程I/O引脚; ?2个16位定时/计数器; ?6个中断源，2级优先级; ?全双工串行通信接口; ?监视定时器; ?低功耗的闲置和掉电模式。 图3-1 AT89S51引脚图 2)AT89SS51引脚功能介绍，AT89S51引脚如图3-1所示: ?Vcc:AT89S51电源正端输入，接+5V; ?Vss:电源接地端; ?XTAL1:单芯片系统时钟的反相放大器输入端; ?XTAL2:系统时钟的反相放大器输出端; ?RST/VPD:RST是复位信号，高电平有效，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。RST的第二功能是备用电源VPD的输入端。 ?EA/Vpp:外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA端保持高电平时，单片机复位后访问片内存储器ROM。当程序计数器PC的值超过4KB时，将自动转 10 去执行片外存储器ROM内的程序。当EA端接地保持低电平时，则只访问片外程序存储器，而不管内部是否有程序存储器。 ?—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ALE/PROG:地址锁存允许信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许ALE(address latch enable)信号的输出用于锁存低8位地址的控制信号，此信号频率为振荡器的1/6。当不访问片外存储器时，ALE信号可用作对外输出时钟或定时信号。ALE端可驱动8个LS型TTL负载。 ?PSEN:程序存储器允许输出信号端(program store enable)。此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的 PSENRAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。 端同样可驱动8个LS型TTL负载。 ?P0口:P0.0~P0.7。P0口第一功能是作为通用的I/O口，CPU在传送输入/输出数据时，输出数据可以锁存，输入数据可以缓存;P0口第二功能是当CPU访问片外存储器时，分时提供低8位地址和8位数据的复位总线口第一功能是作为通用I/O口;P1口第二功能是在对片内EPROM编程或校验时输入片内EPROM的低8位地址。 ?P2口:P2.0~P2.7。P2口第一功能是当不带片外存储器时，作为通用I/O口;P2口第二功能是当带片外存储器时，与P0口配合 ，传送片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元。 ?P3口:P3.0~P3.7。P3口除了做通用的I/O口外，作为控制用的第二功能如表3-2所示: 表3-2:P3口各位的第二功能 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ P3口的位 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第2功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 注释 串行数据接收口 串行数据发送口 外部中断0输入 外部中断1输入 定时器/计数器0外部输入 定时器/计数器0外部输入 外部RAM写选通信号 外部RAM读选通信号 3.2 ADC0809特性及管脚说明 1)美国国家半导体公司的ADC0809芯片具有以下特性: ?8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 ?具有转换起停控制端。 ?转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs(时钟为500kHz时) 11 ?单个+5V电源供电 ?模拟输入电压范围0,+5V，不需零点和满刻度校准。 ?工—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 作温度范围为-40,+85摄氏度 ?低功耗，约15mW。 2)ADC0809引脚功能介绍 图3-2 ADC0809引脚图 ?IN0,IN7:8路模拟量输入端。 ?2-1,2-8:8位数字量输出端。 ?ADDA、ADDB、ADDC:3位地址输入线路模拟输入中的一路 ?ALE:地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 ?START: A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换)。 ?EOC: A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。 ?OE:数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 ?CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 ?REF(+)、REF(-):基准电压。 ?Vcc:电源，单一+5V。 ?GND:地。 3.3 PWM波形发生原理 本设计中PWM波形是用AT89S51单片机编程实现的，这部分硬件比较少，主要保证AT89S51正常工作的最少模式就行了，AT89S51的P3.7引脚作为PWM波的输出口。 12 3.4 电机驱动电路 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在上一章已经选定了使用L298作为电机的驱动芯片，表3-3是L298的引脚功能介绍，图3-3是电机驱动的硬件电路图。 表3-3 L298的引脚功能 引脚 1 15 2 3 4 5 7 6 11 8 9 10 12 13 14 符号 SENSEA SENSEB OUT1 OUT2 Vs IN1 IN2 ENA ENB GND Vss IN3 IN4 OUT3 OUT4 功能 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 此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端， 用来连接负载 电机驱动电源输入端 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 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 接地端，芯片本身的散热片与8脚相通 逻辑控制部分的电源输人端口 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 此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端， 用来连接负载 图3-3 L298驱动芯片硬件电路 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 单片机AT89S51输出的脉宽调制(PWM)信号需经过功率放大才能驱动电机，本调速控制管理系统采用的是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。单极性工作方式指的是在一个PWM周期内，电机的电枢只承受单极性的电压;双极性工作方式是指在一个PWM周期内电机电枢两端的电压呈正负变化。调速控制系统采用的是单极性工作方式。单片机的PWM输出引脚P3.7接L298的EnA和EnB引脚,它控制着电机转 13 速大小;单片机的P3.2经过一定的逻辑电路接到L298的IN1，IN2，IN3，IN4输入引脚上，它控制电机的转动方向。比较器LM393主要起到了限制过流和保护L298的作用。LM393的同相端直接连到了一个可变电位计上，电位计的参考电压是可调的。调节电位计的参考电压能调节L298的限流电压。LM393的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB两检测端。当检测电阻两端的电压大于限流电压时，比较器的反相端的电压大于同相端的电压，输出端输出低电平，从而把L298的EnA和EnB使能端拉低，L298停止工作。这就起到了限制过流和保护L298的作用。为了增强L298的驱动能力，本调速控制系统对L298的两路驱动进行了并联使用，最大驱动能力可以达到3A。现在我们可以通过L298的内部结构图，分析L298实现的功能，如图3-4: 图3-4 L298内部结构图 L298的逻辑控制见表3-4。其中C为IN1、IN3，D为IN2、IN4;L为低电平，H为高电平，※为无论是低电平还是高电平。Ven为电—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 压比较器输出端信号。 对于L298的应用，还需要对采样电阻R10进行选择。对R10进行选择，以下几个因素是必须考虑的。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，L298允许的电流和功率的限制。第三，电阻自身可能达到的功耗。在本设计中，选用了阻值1.5Ω额定功率5W的电阻保证电机可正常工作。 表3-4 L298对直流电机的逻辑真值表 输入 Ven=H Ven=H Ven=L Ven=L PWM无输 出 输出 C=H;D=L C=L;D=H C=※;D=※ C=※;D=※ Ven=※;C=※; D=※ 14 运转状态下，正转 运转状态下，反转 运转状态下，电机制动 停止状态下，电机不工作 运转状态下，电机制动; 停止状态下，电机不工作 3.5 测速部分 第二章已经对测速传感器进行了选择，由图2-8可知CS3020有三个引脚，其中1脚接电源，2脚接地，3脚接输出，安装简单方便易用。在电机的转叶上贴上两片小磁钢，那么电机每转一圈，霍尔传感器输出两个脉冲，这样可测出被测对象的实际转速。其硬件原理图—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 如图3-7所示: 图3-5测速硬件原理图 CS3020工作原理是将磁信号转换为电信号。因其内部含稳压电路、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级，故能实现以上功能。图3-8(a)和图3-8(b)分别是CS3020的功能图和输出特性图。对于开关型传感器的正值规定是:用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。由输出特性图可以看出:当B=0时，VO为高电平;当外磁场增至BOP时，输出VO由高电平转为低电平。外磁场由BOP降BRP时输出VO由低电向，BRP被为释放点。对于CS3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80~150mV，VOH=4V，工作电压为4.5V,24V。 (a) 15 VOH VOL 图3-6(a)CS3020功能图和(b)CS3020输出特性 (b) 3.6 图 3-8 时钟电路 16 复位是单片机初始化操作，不仅可以正常工作时初始化，也可在发生故障时初始化，以摆脱困境，复位电路如图3-9所示。单片机的—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 复位电路刚通电时，开始电容内没有电，通电后5V电压给电解电容充电，电容两端电压逐渐升至4V左右，复位由低电平变为高电平。当S5按下时，C11开始发电，则电容两端电压又恢复至0V，这就是进行了一次手动复位。 单片机的每个功能部件都是以时钟控制信号为基准的，不仅时钟频率影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，时钟电路如图3-10所示。本设计采用12MHZ晶振，外接电容C12和C13选用30pF。外接电容会影响振荡器的频率高低、稳定性和起振的快速性，晶振频率越高即系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也越快。当单片机芯片和时钟系统正常工作时，用外用表可测出晶振脚XTAL1和XTAL2的电压分别为 2.24V和2.09V。 本设计中时钟频率适用于12MHZ，C11取100uF，R13取10K，为保证可靠复位初始化程序中应有一段延迟时间。 17 图3-9 硬件电路总体电路图 18 总结 本设计电位器控制小型直流电机的PWM调速系统主要是由几块集成芯片组成，有:AT89C51单片机、霍尔传感器CS3020、电机驱动芯片L298、施密特反向器74LS14、与门74LS08以及LM393比较器等芯片。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在该设计中我选用了AT89S51单片机，基本实现了用软件产生PWM信号，并且通过电位器的阻值改变，通过A/D转换，生成数字信号传递给单片机，单片机将信号传输给电机驱动芯片，以实现对小型直流电机的启停、方向、加速和减速的控制。A/D转换采用的是ADC0809芯片。本设计采用的霍尔传感器CS3020来实现测速目的。与以往的模拟测速相比较，这种方法不仅精度高，而且安全稳定，维护方便。 19 参考文献 [1] 谭浩强(C语言程序设计(第二版)[M]，北京:清华大学出版社，1991. [2] 梅丽凤(单片机原理及接口技术[M](清华大学出版社，2007.8. [3] 胡辉(单片机应用系统模块设计与训练[M](中国水利水电出版社，2004.9. [4] 李叶紫(MCS-51单片机应用教程[M](清华大学出版社，2004,3. [5] 王福瑞(单片机微机测控系统设计大全[M](北京航空航天大学出版社，1999.3. [6] 李伯成(基于MCS-51单片机的嵌入式系统模块设计[M](电子工业出版社，2004.7. [7] 彭伟(单片机C语言程序设计实训100例——基于8051+Proteus仿真[M](电子工业出版社， —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2009.6. 20 ——————————————————————————————————————
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