毕业论文-直流电机调速系统的软硬件设计

重庆理工大学毕业论文 目录 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 国内外直流电机调速系统的研究11.1.1直流电机调速发展概况11.1.2 直流电机调速应用分析21.2 本文研究的意义和主要内容21.2.1 本文研究的意义21.2.2 本文研究的主要内容32 电机控制基本原理42.1 直流电机调速原理42.2 PWM控制技术原理42.3 LCD触摸屏介绍及原理52.3 电机转速检测原理72.4 本章小结93 设计方案及论证103.1 系统结构方案及论证103.2 直流电机驱动方案及论证103.3 转速测量方案论证113.4 系统控制显示方案及论证113.5 PWM软件实现方案论证11 3.6 本章小结124 电机控制系统硬件电路设计134.1 系统硬件组成134.1.1 KY系列LCD触摸屏简介134.1.2 L298芯片164.1.3 红外光电传感器174.1.4 555芯片184.2 功能模块电路设计194.2.1系统电源电路的设计194.2.2 直流电机驱动电路的设计204.2.3 直流电机速度检测电路的设计214.2.3.1 直流电机转速/频率转换电路的设计214.2.3.2 脉冲滤波整形电路的设计214.2.4 LCD触摸屏与单片机接口电路设计224.3 本章小结235 系统电路的软件仿真调试245.1 直流电机驱动仿真245.2 直流电机转速检测显示仿真285.3 本章小结296 系统软件设计306.1 系统软件总体设计306.2 系统功能模块实现306.2.1 直流电机驱动程序设计306.2.2 电机转速检测程序设计336.2.3 LCD触摸屏控制界面程序设计336.2.4 单片机与LCD触摸屏串口通讯程序设计346.3 本章小结357 系统测试367.1 直流电机调速系统调试367.2 单片机与LCD触摸屏串口通讯调试367.3 系统联调377.4 本章小结378 总结388.1 本次设计所做工作388.2 直流电机调系统的展望38致谢39参考文献40附录1：直流电机驱动仿真主程序42附录2：555施密特触发器与数码管的转速仿真主程序44附录3：触摸屏与电机调速联合主程序48附录4：触摸屏主要控制命令字47文献综述61重庆理工大学毕业论文 摘要 摘 要 随着对直流电机调速系统的调速速度和精度的要求越来越高，传统的模拟控制系统已经无法满足很多应用场合的需要，数字控制系统开始得到普遍的关注。同时，以单片机为核心的微控制器的发展也使得数字控制系统的实现成为可能。 本课题介绍了一种基于AT89C52单片机的直流电机调速系统,并在系统中引入LCD触摸屏作为人机交 互平台，以实现对电机的转速控制；并结合光电传感器（红外发射对管）实时监测电机的转速和转向。本系统以小型直流电机为对象，提出了一种新的直流电机控制方式，可以被广泛应用于工业现场中。关键词 ：直流电机 AT89C52 LCD触摸屏 控制系统重庆理工大学毕业论文 Abstract Abstract With demanding of variable speed DC motor control system ,which speed and accuracy have become increasingly, the traditional analog control system has been unable to meet the needs of many applications, now that digital control system has been paid more attention. At the same time, single-chip microcomputer as the core of the development of micro-controller, digital control system also makes it possible to achieve. This topic describes a new DC motor speed control system ,which based on the AT89C52 micro-controller and introduction of the LCD touch-screen as a human-computer interaction platform to achieve the right of motor speed control; and integrated photoelectric conversion real-time monitoring of motor speed and turn. The system with small DC motor for the object, put forward a new DC motor control, can be widely used in industrial field.Key words：DC Motor AT89C52 LCD Touch screen Control system 重庆理工大学毕业论文 绪论 重庆理工大学毕业论文 绪论 II1 绪论1.1 国内外直流电机调速系统的研究1.1.1直流电机调速发展概况 直流电机以其速度控制容易，启制动性能良好，能在宽范围内平滑调速等特点，在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。而随着生产力的发展，对直流电机不仅在诸如性能良好、运行可靠方面要求更高，同时对电机的控制系统要求也越来越高，然而传统的直流电机控制系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。模拟控制系统价格便宜，使用方使，在很长一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主要手段，甚至到目前为止，许多实际使用中的电动机控制系统仍采用模拟器件设计。然而，模拟元器件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件会随着使用时间的推移而老化，元器件的特征参数受温度变化影响；另外，现代电子系统的一个设计原则就是要便于维护、为将来的产品升级留有余地，而模拟控制系统由于采用硬接线方式构成，一经投用，基本上没有升级的可能性123。由于模拟控制系统的本质缺陷，使它很难满足现代电子系统的设计要求。自20世纪70年代以来，以单片机为核心的数字控制系统开始在电机控制系统中广泛使用。在单片机控制系统中，单片机作为系统的硬件核心，主要用来完成一些控制算法，同时还要处理一些输入输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。由于数字控制系统的主要功能由软件来实现，从而使得这些电子产品很容易通过修改软件来实现升级。另外，随着单片机处理能力的不断提高，在一个系统中实现多种功能变得更容易、更方便，使直流电机调速进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。 1然而，受单片机本身结构的限制，以之为核心所组成的单片机控制系统仍然需要较多的元器件，例如：需要外部扩展存储器以保存用户程序、需要外接模拟/数字(A/D)转换器来实现模拟信号输入等。系统中元器件的增加使得系统的可靠性、可维护性降低，增加了印制电路板的尺寸，同时也增加了系统的成本；单片机的处理速度都比较慢(指令周期为毫秒或微秒级)受单片机本身结构的限制和处理运算速度的影响，现在更为复杂的电机控制系统现在采用了基于ARM或DSP的处理芯片，以获取更高的控制速度和精度。1.1.2 直流电机调速应用分析 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。因此，无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量应用着电机调速装置，特别是数字调速系统的应用更为普便。目前电机的数字控制系统正朝着集成化、模块化、智能化发展，国外主要电气公司，如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、 日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，而国内受控制芯片和快速晶体管的限制，拥有自主知识产权的厂商比较少，同时也成为很多科研院校重点研究的课题之一。在很多工业控制领域中，以单片机为核心电机控制系统，一方面它具有控制精度高、功能强大、准确而可靠等特点，但它也有自身的一些缺点：数据的计算和管理功能较弱,不能给用户提供良好的界面,无法显示各种实时控制图表、曲线和运行中的参数,不便于监控。而计算机恰好能弥补这些不足,它不仅有很强的数据处理能力,而且能根据用户需要提供美观易于操作的界面,可满足用户监控的需要。将单片机机电控制的电机控制系统与带液晶触摸屏的工业平板电脑进行通讯连接,可使系统既能及时地采集处理数据,又可使用户实时了解系统的运行情况,实时显示各种图表、参数等等。因此，电机控制系统与上位机的数据通信，以及实现控制操作界面的科技化、美观化，也是电机控制系统发展的方向。1.2 本文研究的意义和主要内容1.2.1 本文研究的意义 2目前国内许多关于直流电机的测速与控制类文献中，虽然能实现直流电机的无级调速，但还存在一些问题，如无法与计算机直接接口，许多较为复杂的控制算法无法在不增加硬件成本的情况下实现，控制器的人机界面不理想。总的来讲，控制器的智能化程度不高，可移植性差。虽然采用PWM芯片来实现电机无级调速的方案成本较低，但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时，其灵活性不够，而且反而增加硬件的成本。还有一些使用PLC控制器或高档处理器芯片（如DSP器件）的文献，它们虽然具有较高的控制性能，但由于这些高档处理器价格过高，需要更多的外围器件，因此也不具备在通常情况下大规模使用的条件。从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更高的调速方案，以及在考虑成本要求的前提下选择合适的核心控制器，同时结合学校设备的实际情况，提出一种替代传统模拟控制器和显示器的方案，以具有触摸和显示的器件作为人机交互平台，为以后的全数字电机控制系统的研究打下基础。1.2.2 本文研究的主要内容对当前国内外关于直流电机调速的研究成果和发展方向调研，结合课题任务书，在此基础上，对课题的设计方案进行论证，确定本系统的设计方案。掌握直流电机控制基本原理，重点掌握了LCD触摸屏的技术特点和工作原理，然后在理解AT89C52、L298N芯片和光电传感器的基础上，对系统的转速控制模块、 LCD触摸屏模块 、转速检测模块进行详尽的分析。接着对系统的电路实现，包括系统电源电路、直流电机驱动电路 、直流电机速度检测电路和触摸屏与单片机接口电路进行设计，最后完成相关软件的编写及其系统的调试与电路板的制作。重庆理工大学毕业论文 电机控制基本原理 32 电机控制基本原理2.1 直流电机调速原理 直流电动机根据励磁方式不同,分为自励和他励2种类型。不同励磁方式的直流电动机,其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速,总满足下式： （2-1)式2-1中：U电压；R内励磁绕组本身的电阻；每极磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法,也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通,其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法4。电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压、脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗少、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更为广泛56。2.2 PWM控制技术原理PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制）的缩写，它是按照一定规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的调制方式。在控制系统 4中最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波的占空比，也就是根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短78。因此, PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2.1所示,在脉冲作用下,当电机通电时，速度增加；电机断电时,速度逐渐减少。只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。 图2.1 PWM控制原理图设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t/T,由等效面积法9可得，电机的平均速度为: （2-2）式2-2中:Vd表示电机的平均速度；Vmax表示电机全通电时的速度(最大)；D=t/T表示占空比。由公式可见,当改变占空比D时,就可以到不同的电机平均速度从而达到调速的目的。2.3 LCD触摸屏介绍及原理 随着信息技术的不断发展，人性化设计的重要性越来越凸现出来。由于触摸屏可以使操作简单直观，因此越来越多的手持产品，公共服务类设备采用触摸屏。触摸屏有电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波式触摸屏、红外线触摸屏等多种。电阻式触摸屏是目前应用比较广泛的一种，有4线、5线、7线等几种10。 5 典型触摸屏的工作部分一般由3部分组成11，如图2.2所示，这一个电阻式触摸屏的横截面，两层透明的电阻性导体层（玻璃）、两层导体之间的隔离层（隔离玻璃珠）、以及电阻性涂层。电阻性导体层必须选用阻性材料，如铟锡氧化物（ITO）涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成，其导电性能大约为ITO的1000倍12。 图2.2 电阻性触摸屏横截面 6电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点（X,Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。当触摸屏表面受到的压力（如通过笔尖或手指进行按压）足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理产生代表X坐标和Y坐标的电压。如图3所示，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻（R1）连接正参考电压（VREF），下面的电阻（R2）接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比13。 图2.3 分压示意图2.3 电机转速检测原理 （1）霍尔传感器14 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图2.4所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。 图2.4 CS3020外形图 7 使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近 7磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 （2）光电传感器14 光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图2.5所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图2.6所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。光电传感器以其响应时间短、分辨率高、可实现非接触的检测等优点被广泛使用与工业检测中，但其光电发接收头易受灰尘、油污等现场环境的影响，需定时对其维护和保养。 图2.5 光电传感器的原理图 图2.6 遮光叶片 （3）光电编码器14 8 9光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。如图2.7所示，是某光电编码器的外形。 图2.7 成品光电编码器2.4 本章小结 本章了解了直流电机调速原理、PWM控制技术原理、LCD触摸屏介绍及原理和电机转速检测原理，为下一步的方案设计论证以及硬件电路设计作理论支撑。重庆理工大学毕业论文 设计方案及论证 9 103 设计方案及论证3.1 系统结构方案及论证 方案一：采用一片单片机（AT89C52）完成系统所有测量、控制运算、输出PWM控制信号以及完成于触摸屏的数据通信。方案二：采用两片单片机（AT89C52）,其中一片为系统主芯片，输出PWM波形，完成对电机的驱动控制，同时与触摸屏进行数据通信；另一片则完成电机速度测量，为控制器提供设定值和测量值。 方案一的优点是系统硬件较少，结构紧凑。但是其造成CPU资源紧张，程序的多任务处理难度增大，不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。方案二则与方案一相反，虽然硬件增加，但在程序设计上有充分的自由去改善速度测量精度，缩短测量周期，优化程序结构、显示及扩展其它功能。因此通过比较，选择方案二。3.2 直流电机驱动方案及论证 方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。方案二：采用继电器对电动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、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；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。 通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案一。 103.3 转速测量方案论证 方案一：采用记数的方法。具体是通过单片机记单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速：M=N/S60。方案二：采用定时的方法。是通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：M=60/T。比较两个方案，方案一的误差主要是1误差（量化误差），设电机的最低设计转速为120转/分，则记数时间S=1s，所以其误差的绝对值|=|(N1)/S60-N/S60|=60（转/分），误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度。而方案二所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差=60/（T1）-60/T，设电机速度在1206000转/分之间，那么0.01sT0.5s，代入公式得：0.00024|0.6（转/分）。考虑到转速测量程序设计与系统程序的有效兼容，所以本设计采用方案一。3.4 系统控制显示方案及论证 在进行软件仿真测试中，需模拟触摸屏的控制和显示功能，对以下两种方案进行论证：方案一：采用按键，进行逐位设置。显示部分使用4位数码管，优点是显示亮度大，缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。方案二：使用44键盘，可直接输入设定值。显示部分是使用支持中文显示的LCD，优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展；缺点是成本高，抗干扰能力较差。由于只是进行仿真模拟，考虑程序的易读性，本设计采用方案一。3.5 PWM软件实现方案论证 脉宽调制的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本设计采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。对于实现方式则有两种方案。 11方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。由于本设计中T1和T0定时器需作为定时中断扫描按键，因此选择方案一。3.6 本章小结 本章对系统的系统结构方案、直流电机驱动方案、直流电机转速检测方案 、 系统控制显示仿真方案和PWM软件实现方案进行了论证，充分考虑了硬件设计以及软件设计复杂性，结合实际情况，得出了各功能模块的实现方案，为硬件电路设计打下基础。重庆理工大学毕业论文 电机控制系统硬件电路设计 重庆理工大学毕业论文 电机控制系统硬件电路设计 124 电机控制系统硬件电路设计4.1 系统硬件组成4.1.1 KY系列LCD触摸屏简介 在电子设备的输入装置中，触摸屏是最具方便性、简单化、兼具亲和性的人机操作介面。KY系列LCD触摸屏是北京金创业科技发展中心采用了日本液晶显示模块，开发出的一种智能液晶终端。终端提供全汉字功能和长寿命触摸屏系统，触摸分辨率达到10241024，并且无需安装LCD触摸屏的驱动器；终端在5V直流电源供电下，用户只需要将单片机系统TTL电平串行接口或单片机系统中任两根I/O线与智能液晶终端相连，既可以实现触摸屏与单片机之间的数据通信，有效地节约了单片机的端口资源，降低了单片机的负荷，也就提高了单片机的运算能力。KY系列智能液晶终端全部产品均可配置触摸屏和KY-P2 型触摸屏控制器。 一、技术指标15：（1)强化玻璃底材，耐撞力强。（2）电阻压力式，使用介质不限。（3）操作压力：15g 150g。（4）分辨率：1024 1024 。（5）透光率：80% - 90% （6）操作寿命：任意一点500万次以上。（7）操作环境：温度： 0 65， 湿度：0% 95%RH。 二、输出数据：TTL 电平串行数据（含 X,Y,Z三方向数据），输出数据波特率：38400Hz ,19200Hz ,9600Hz, 2400Hz。 三、供电电源：直流DC5V, 20mA。 四、指示灯：上电时闪亮3 次后常亮，当有数据输出时快速闪烁 。五、J4(唯一的用户接口):KY系列智能终端用户接口为6芯单排插座，标号为J4，注释说明为表4-1所示。 13 表4-1 J4用户接口管脚注释引脚信号方向说 明1Va输入当终端用户不使用电位器方式调整液晶显示对比度时，由此输入液晶对比度调节电压BUSY TTL电平输出高电平表示终端正在处理数据,不能接收用户数据,用户只能在BUSY0时通过DATA端发送数据DC+5V输入直流5V电源输入端DATA TTL电平输入串行数据输入端，与用户单片机串行数据输出端相连,当BUSY=0时，终端以设定的波特率接收数据GNDGNDVn输入当终端用户需要对液晶背光亮度进行控制时，由此输入0至7V的可调直流电源即可 六、触摸屏控制器接口为双排24脚插针,其间距与标准24脚双列直插IC相同，管脚注释为表4-2所示15。 14 15表4-2 触摸屏控制器管脚注释引脚信号方向 说明1Y-(下) 输入四线电阻压力式触摸屏下方引出线2X-(右) 输入四线电阻压力式触摸屏右方引出线3Y+(上) 输入四线电阻压力式触摸屏上方引出线4X+(左) 输入四线电阻压力式触摸屏左方引出线6RET 输出 上电时输出高电平复位信号。10DC+5V 输入直流+5V电源输入端11DATA(TTL电平) 输出 串行数据输出端，与用户单片机的串行数据输入端相连。当检测到某点有压力时，该点 的X,Y,Z坐标由此端输出。12GND GND13,14K01输入K1=ON时,两引脚短路,K1=OFF时,两引脚开路15.16K02输入K2=ON时,两引脚短路,K2=OFF时,两引脚开路17,18K03输入K3=ON时,两引脚短路,K3=OFF时,两引脚开路23(-)24(+)LED灯输出 当需要观察控制器状态时,外接LED指示灯 4.1.2 L298芯片 16 L298N是SGS公司的产品,其内部包含4通道逻辑驱动电路,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式,2个H桥的下侧桥晶体管发射极连在一起,其引脚排列如图4.1所示,1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流传号。L298可驱动2个电机,OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA、ENB接控制使能端,控制电机的停转。这些特性使得L298N很适合用作小型直流电机控制芯片16。 图4.1 L298N外部引脚4.1.3 红外光电传感器 如图4.2所示，为透射式式红外光电传感器DB1S640,内部置有砷化镓发光管和硅光敏三极管，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，砷化镓发光管发出的光直接照在硅光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面17。 17 图4.2 透射式红外光电传感器实物图4.1.4 555芯片 555 芯片是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555芯片的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 芯片成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路18。如图4.3，为555芯片引脚图。 图4.3 555芯片外部管脚图如图所示：1脚是地端；2脚是触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Q)，它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；4脚是复位端(R)，加低电平时可以使输出为低电平；5脚是控制电压端(CV)，可以用它改变上下触发电平值；6脚是阀值端(TH)，是上比较器的输入；7脚是放电端(DC)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态所决定的；8脚是电源端。4.2 功能模块电路设计4.2.1系统电源电路的设计 18 本系统需要两种电压等级的电源来为系统供电，单片机和LCD触摸屏需+5V供电，而电机驱动芯片L298则需要+5V的逻辑电路供电和+12V的驱动电路供电。系统采用三端固定式集成稳压模块，分别为LM7805和LM7812。三端固定式集成稳压模块有三个端子：输入端Ui，输出端Uo和公共端COM。输入端接整流滤波电路，输出端接负载，公共端接输入、输出的公共连接点。其内部由采样、基准、 放大、调整和保护等电路组成。保护电路具有过流、过热及短路保护功能。 如图4.4、4.5所示，为三端集成稳压器LM7805和LM7812作为固定输出电压的应用。正常工作时，由交流220V电源经变压器后输出，作为稳压电路的输入，输入、输出电压差一般为23V。C1为输入稳定电容，其作用是减小纹波、消振 、抑制高频和脉冲干扰，值为0.33UF；C2为输出稳定电容，其作用是改善负载的瞬态响应，值为1UF19。图4.4 +5V稳压电压示意图 图4.5 +12V稳压电压示意图 194.2.2 直流电机驱动电路的设计 本设计采用目前市场上较容易买到的L298直流或步进电机驱动芯片，它采用单片集成塑装,是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的TTL电平控制。L298N支持50V以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达2A的电流，因此它满足了一般小型电机的控制要求。电路接法见图4.6，图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适；芯片逻辑电源端VCC和驱动电源端VS都接有470UF和0.01UF的电容而后接地，其作用是减小纹波和抑制干扰。PWM控制信号由IN1、IN2输入，如果IN1为高电平，IN2为低电平时电机为正向转速，反之IN1为低电平，IN2为高电平时，电机为反向转速。因此，本设计采用了一片7404反相器，当连接在单片机同一I/O口时，控制电平高低变换，即可实现电机正反转，同时也为电机的正反向启动作为硬件支撑。芯片的使能管脚ENA接单片机的某一I/O接口，而SENSA和SENSB则直接接地。 20 图4.6 直流电机驱动电路原理图 4.2.3 直流电机速度检测电路的设计4.2.3.1 直流电机转速/频率转换电路的设计 理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压，电流等。设计中将转速测量转化为电脉冲频率的测量。基于这一思想，可以采用光电传感器作为检测转速的元件，而光电传感器位于电机转轴上固定的遮光叶片之间，当遮光叶片挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开，这样就产生与转速相关的脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 这里我们用带有4个孔的遮光叶片，当在一分钟的时间内，假如产生了4000脉冲，则电机的转速就为1000r/min。采用这种穿透的方式，即完成了转速频率的转换。4.2.3.2 脉冲滤波整形电路的设计 21 由于电机在转动的过程中有很大的晃动，所获得的脉冲信号参杂有高频噪声或误动脉冲。为了提高测量的准确，且尽可能地减少错误，设计中如图4.7所示OUT输出端加一电容接地。为了既能抑制噪声又不影响测量，电容值C的选择很重要19。根据实际测量，设计中所使用的直流电机转速可达600转/分。其所产生的脉冲周期T=1/（(600/60)4）S=0.025S，一个周期内，脉冲持续时间约为1/8T=0.003125S，低电平时间约为7/8T=0.021875S，由于接收头感光导通电阻很小，所以电容迅速充电，当低电平到来时开始放电，为保证下一个脉冲的检测，放电时间t应小于低电平持续时间7/8T，根据电路，t=R2C0.021875S，代入R2值解不等式可得：C0.000021875F。单位换算得C0.21875F ，为了方便整形，实际设计中C=0.1F 。由于单片机中断I/O口的需要输入信号是正规的矩形脉冲，所以电路的脉冲整形电路采用74系列反向器7404进行两次反向后输入单片机。 图4.7 脉冲整形电路原理图4.2.4 LCD触摸屏与单片机接口电路设计 JK232E3型RS232C转换板是双向的TTL与RS232C电平转换器，可以将KY系列终端及触摸屏控制器与一个标准的DB9的RS232C串行接口连接起来，使普通微机或具有RS232C接口的设备可以通过串行接口对终端进行控制并接收于终端配套的触摸屏输出的串行数据。具体功能如下：(1)将RS232C发出的串行数据(PC-TXD)转换为TTL电平，与终端控制板的ZD_DATA端相连。(2)由终端发出的ZD_BUSY(TTL电平)状态信号转换为RS232C电平(PC-CTS)。(3)由触摸屏控制器发出的TTL电平串行数据CMP_DATA转换为RS232C电平(PC-RXD)。 22 在LCD触摸屏与单片机接口电路中，如图4.8所示的KY-P2型触摸屏控制器，14管脚接触摸屏上的X、Y数据接口，+5V和GND分别与RS232C转换板上的J3接口中的+5V和GND端口相连，而DATA管脚则与用户单片机的串行数据输入端相连,当检测到某点有压力时，该点的X,Y坐标由此端输出。图4.9为RS232C转换板的原理图，J1端口与触摸屏上J4端口相连，同时管脚3和5分别接外部+5V电源和接地，管脚2和4分别与单片机的串行数据输入端相连，分别实现对触摸屏“忙”状态的管理和接收单片机发出的数据。图4.8 KY-P2型触摸屏控制器管脚图 图4.9 RS232C转换板的原理图4.3 本章小结本章在对系统主体硬件认识的基础上，设计了系统电源电路、直流电机驱动电路、直流电机速度检测电路和LCD触摸屏与单片机接口电路，是系统电路软件仿真设计以及程序设计的基础。重庆理工大学毕业论文 系统电路的软件仿真调试 23 22 245 系统电路的软件仿真调试5.1 直流电机驱动仿真为了验证直流电机驱动电路设计方案的可行性，并为以后的硬件调试工作作准备，我们使用了专业的硬件仿真软件PROTEUS对系统中的电机驱动电路进行了软件仿真。软件仿真在电机驱动电路的基础上，使用AT89C52作为主控芯片。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复出擦写的只读程序存储器（PEROM)和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM),同时片内置有通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元20。AT89C52通过定时中断的方式产生PWM波，经L298功率放大之后，达到直流电机的额定功率，进而驱动直流电机转动。基于软件仿真中实现触摸屏的控制功能的困难性，我们使用按键开关替代触摸屏的控制，在驱动程序的基础上（附录1），实现对电机的正转启动、反转启动、步长加速、步长减速、正转、反转和停止七大功能的操作。 24 图5.1 AT89C52与L298驱动直流电机仿真图 如图5.1所示，七个控制按键