【《单片机电动自行车控制的硬件系统和软件调试分析案例》3600字】

单片机电动自行车控制的硬件系统和软件调试分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21517单片机电动自行车控制的硬件系统和软件调试分析案例 1138841硬件模块设计 131031.1AT89C52单片特性及管脚说明 191071.2PWM信号的发生 398691.3电机驱动模块 3172881.4电机控制键盘 5135811.5时钟和复位电路 662871.6显示电路 7208761.7测速模块 863961.7.1测速过程 8216672软件模块设计 9287322.1系统总体框架 9257212.2各子程序流程框图 10231902.2.1LCD显示模块程序设计 10184192.2.2按键模块程序设计 11307712.2.3PWM模块程序设计 1320792.2.4电机测速模块程序设计 131硬件模块设计本课题是基于51单片机控制的PWM直流电机调速系统，本章将对PWM直流电机调速系统的各个小块进行分析设计的同时，把各个模块的硬件连接电路做出展示。1.1AT89C52单片特性及管脚说明图1.1AT89C52引脚图对本论文用到的引脚进行简单描述：VCC(40)：接电源端GND(20)：接地端P0口：PO口是一个漏极开路的双向IO口。P0口最常用的是作为输出口，可以通过上拉电阻来外接负载和电源。P1口：Pl口与P0口几乎一样，只不过Pl端口内部直接具有上拉电阻。当Pl口被用作输入端口时，必须首先对它输入高电平。P2口：P2口功能和用法与P1口一样，本设计只用它的基本的输出功能。P3口：P3口基本功能及使用和P2口一样。下面的表介绍它的复用功能：表1.1P3端口各引脚复用功能P3端口引脚序号引脚的复用P1.0RXD-用作串口的输入端P1.1TXD-用作串口的输出端P1.2INT0-作为单片机的外部中断0输入P1.3INT1-作为单片机的外部中断1输入P1.4定时器T0的输入端P1.5T1定时器的输入端P1.6单片机写使能端P1.7单片机读使能端RST(9)：作为单片机的复位信号输入端。只有它检测到大于两个机器周期的高电平时，单片机才会复位。XTAL1(19引脚)：是单片机时钟振荡器，晶振的输入端口。XTAL2(18引脚)：单片机时钟振荡器的反相输入端，与XTAL1和晶振连接一起作为单片机的时钟脉冲输入。1.2PWM信号的发生PWM信号是通过单片机的程序来产生的。在本课题中用到的PWM调速方法是定频调宽法：PWM脉冲信号的频率是不变的，通过调节PWM脉冲的宽度，改变电压为高电平的时间来改变PWM脉冲信号的占空比，从而改变电枢两端的平均电压，来达到直流电机调速的目的。经过上面的介绍，可以知道单片机PWM信号的产生是很简单的，也很容易对其进行程序的更改和设计，也不容易出现错误，这也是PWM调速技术的优势之一。1.3电机驱动模块由单片机产生的PWM信号是很微弱的，它无法直接使电机工作，所以需要驱动芯片和一些逻辑器件来放大PWM的信号电压值。本论文选用L298作为驱动芯片，下面是其引脚图和各引脚的功能图1.2L298引脚图表1.2L298各引脚功能图引脚符号功能1SENSEA该引脚通过检测电阻连接到地，对L298的电压值进行检测，如果超出设定值，则该引脚将ENA端拉低15SENSEB2OUT1该两引脚是1298的电压输出端，用来驱动负载3OUT24VS直流电动机驱动电源输入端口5IN1L298的内部驱动电路的输入端，当小1=l，IN2=0时，OUTl为输出电压正极，0UT2为负极7IN26ENAL298的驱动使能端。当该引脚为高电平时，L298为使能状态，正常输出工作电压；当该引脚为低电平时，L298为禁止状态，无输出工作电压。11ENB8GND该引脚与地连接，同时起到散热作心9VSSL298逻辑控制电路的电源接入端，一般接+12V直流电压10IN3L298的内部驱动电路的输入端，当IN3=l，IN4=0时，OUT3为输出电压正极，OUT4为负极12IN413OUT3该两引脚是L298的电压输出端，用来驱动负载14OUT4L298具有两种截然不同的工作模式：单极性模式和双极性模式。单极性工作模式是指在一个PWM周期中，电机两端的电压为同极性电压。双极性工作模式是指在一个PWM周期中，电机两端的电压极性不一样的。在此次设计中采用的是单极性工作模式。本设计中是通过改变IN1和IN2两个引脚的高低电平就可以实现对电机运转方向的控制。下表为L298的真值表：表1.3L298真值表输入输出V=HIN1=H;IN2=L运转状态下，正转V=HIN1=L;IN2=H运转状态下，正转V=LIN1=X;IN2=X运转状态下，电机制动V=LIN1=X;IN2=X停止状态下，电机不动作PWM信号无输出V=X;IN1=X;IN2=X运转状态下，电机制动；停止状态下，电机不动作1.4电机控制键盘在大部分的调速系统中，都会采用按键来对系统进行一些操作。在本系统中选用的是4x4矩阵键盘，但由于设计的要求我们只用到其中的五个按键（在开始设计时没有考虑到按键数目大于功能数目，所以将独立按键改成了4x4的矩阵键盘，多出的按键也可方便与于后续其余功能的添加），分别为BTN1，BTN2，BTN3，BTN4，BTN5，这五个个按键的作用分别是使电机正转，反转，停止，增大PWM调制，减小PWM调制。4X4矩阵键盘与单片机具体连接方式为：在第一行中，每一个键的一端连在一起形成一条线，每一个键的另一端连在一起形成第一列中的一条线。这样，共4行4列，一共就是八根线。我们将这8条线连到单片机P1端口的8个IO端口，通过单片机扫描就能检测到16个按键。它们的两端分别并联在一起，每一列（共4列）并联在一起接高位管脚上（7~4），每一行（共4行）并联在一起接到低位管脚上（3~0）。5个具有功能的按键与单片机的连接见图下所示（无功能按键未画出）图1.3按键电路1.5时钟和复位电路单片机的复位方式有上电复位和手动按键复位两种方式。上电复位方式：当系统上电时，电源端将对电容C3充电，电容存满电荷后会处于电池状态，于是单片机复位脚被输入高电平1，于是单片机就实现了上电复位；手动复位：在系统上电状态下，按下复位按键时，电源接到复位端，直接对单片机复位端输入高电平1，实现手动复位。一般情况下，这两种复位方式会被结合起来使用。图1.4复位电路图1.5时钟电路我们采用的晶振是12MHZ的。晶振X1的两端与单片机XTALl和XTAL2两个引脚连接，来对单片机提供振荡源。同时我们在晶振Xl的两端连接了两个电容C1和C2，是起到滤波和滤尖峰的作用，从而保护晶振正常工作。1.6显示电路在本设计中，我们采用LM016L液晶显示器作为显示器，来显示电机的转速，转向状态以及PWM调速的数值，从而构成我们的显示电路。如图所示为接线后的设计图，具体的接线原理陈述如下：一般而言，1602字符型LCD显示器有十四条引脚线或十六条，相差的是背光光源的两根电源线。图1.6显示电路表1.4LM016L引脚功能表引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5v）3VEELCD显示器对比度调整的端口，接高电平时对比度最低，接低电平时对比度最高4RSRS为选择寄存器端口，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器。5RWRW为读写信号线，高电平1进行读操作，低电平0是进行写操作。6EE端为使能端，下降沿使能。7D0底4位三态，分别为双向数据总线0,1,2,3位8D19D210D311D4高4位三态，分别为双向数据总线4,5,6,7（最高位）位12D513D614D71.7测速模块在第二章的测速模块设计中，我们选择使用霍尔传感器来对电机进行测速。现将原理及电路设计陈述如下。1.7.1测速过程在实际的测量过程中，我们要把霍尔传感器固定在被测速电机的底部，在传感器探头相对的电机的轴上固定一片磁钢,电机每转一周,霍尔传感器就会发出一个脉冲信号，将它接到单片机的P1.2端口上，设定TO定时，这样下来每分钟所计的进入P1.2的脉冲个数就是被测电机的转速。由于在proteus仿真软件中，没有找到霍尔传感器这个元件，所以我们就用一个脉冲来假设为霍尔传感器产生的脉冲进行仿真，在脉冲信号输入前我们使用了两个74LS14（反相施密特触发器）和一个光耦，主要的目的就是为了将霍尔传感器输出的信号先进行整形隔离，从而减少计数环节产生的干扰：使仿真结果进一步精确。电路图如图所示。图1.7霍尔测速电路原理图2软件模块设计2.1系统总体框架系统总体流程图所示，主要的原理框图包括：单片机最小系统，LCD显示电路，按键电路，PWM调速电路和电机测速五大部分。2.2各子程序流程框图2.2.1LCD显示模块程序设计等待等待开始显式初始化写检测显示位置设置显示内容读取显示数据结束忙允许LM016L的主要功能就是显示电机的速度以及pwm调制的占比，以及电机正反转的情况。首先初始化，延时再将需要的指令写入程序中，设置显示位置、检查忙函数再进行循环即可。2.2.2按键模块程序设计当系统开始工作后，从单片机开始初始化，首先，单片机检测是否有按键被按下，执行按键的子程序，有的话读取键值并调用中断。单片机将传感器输入的信号通过程序进行计算，来控制PWM的输出，从而控制电机的转速，按此循环往复来让电机转速趋于一个稳定的值。主程序框图如下图： 2.2.3PWM模块程序设计该模块的程序由主程序和PWM的输出程序构成。（1）主程序：利用单片机的中断功能将输入电压转换成PWM信号输出，然后霍尔传感器进行测速，再将模拟量转化为数字量，送入单片机，接下来数码管显示电机速度，还可以利用5个调速开关进行速度调节。（2）PWM输出：第一个是使用单片机的中断功能，当计时器记满溢出时，相应标志位打开中断，然后P1.7口就输出PWM方波。把对应的标志位清零，然后定时器初始化，打开中断，通过赋值调整PWM输出的高、低电压的时间比，从P1.7口输出。第二个利用的是测速控制装置，当P1.1至P1.7口开关处于闭合时，我们就可以通过调整