基于單片機電機調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文） 含程序 PCB 原理圖等下載

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XXXXXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)原創(chuàng)性聲明

本人鄭重聲明：所呈交的論文，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。

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                                  年    月    日

目  錄

摘  要.............................................................................................................3

ABSTRACT...................................................................................................4

1 緒論....................................................................................................9

1.1  直流電機調(diào)速的背景及意義............................................................................9

6總結(jié)....................................................................................................31

致  謝.......................................................................32

參考文獻(xiàn)....................................................................33

附  錄              34

附錄1 電機調(diào)速系統(tǒng)原理圖              35

附錄2電機調(diào)速系統(tǒng)PCB圖              35

附錄3 程序              37

附錄5 實物照片

    在生產(chǎn)生活中,特別是設(shè)備、儀器的調(diào)速控制中廣泛采用直流電機。以往的調(diào)速多通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源、調(diào)節(jié)可控硅等來實現(xiàn),這樣的調(diào)速方式常常存在有調(diào)速不均勻、線路可靠性差、功耗大、調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)試?yán)щy等諸多問題。本文采用基于單片機的PWM控制技術(shù)對直流電機進(jìn)行控制,取得了高精度、調(diào)速范圍寬、功耗小等優(yōu)良性能。所采用的AT89S52是ATMEL公司推出的一款8051增強型單片機,具有優(yōu)良的控制性能。文中給出了以單片機ATAT89S52為核心的直流電機控制系統(tǒng)和控制策略。1.PWM技術(shù)原理PWM(Pulse-Width Modulation,脈寬調(diào)制)控制是對脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)制的技術(shù),以往調(diào)節(jié)占空比的方式大致有三種:固定脈沖寬度而調(diào)節(jié)頻率、同時調(diào)節(jié)脈沖寬度與頻率、固定脈沖頻率而調(diào)節(jié)脈沖寬度。三種方式中的前兩種在調(diào)速過程中都需要改變脈沖的周期,這往往會導(dǎo)致整個系統(tǒng)出現(xiàn)共振的錯誤。因此常采用固定脈沖頻率而調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法來獲得所需要的驅(qū)動電壓。并且脈沖由于脈沖不僅幅值相同、寬度也相同,所需要改變的只是脈沖的占空比,這樣最大限度的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

• 緒論
  

  1.1  直流電機調(diào)速的背景及意義

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術(shù)。直流電機，大體上可分為四類：幾相繞組的步進(jìn)電機、永磁式換流器直流電機、伺服電機、 兩相低電壓交流電機　　直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，它的特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護(hù)工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術(shù)的成熟，使得矢量控制變頻技術(shù)獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。適用范圍：直流調(diào)速器在數(shù)控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設(shè)備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設(shè)備、印制電路板設(shè)備、實驗設(shè)備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設(shè)備、機車車輛、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應(yīng)用。高性能的交流傳動應(yīng)用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用可調(diào)速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。

1.2直流電機調(diào)速的方案論證及實現(xiàn)目標(biāo)功能

本設(shè)計采用AT89S52單片機為主控制器設(shè)計出一種基于PWM波控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)，通過微機和驅(qū)動電路可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)調(diào)速，為清晰的了解電機的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計在基本功能的基礎(chǔ)之上增加了測速的功能，并通過數(shù)碼管顯示，采用先進(jìn)的霍爾傳感器檢測電機的轉(zhuǎn)速，既精確價位又低廉，具有良好的效益和市場潛力，

2.系統(tǒng)方案設(shè)計與論證

   控制器主要用于各模塊控制顯示、搶答、音樂等�？刂破鞯倪x擇有以下兩鐘方案。

方案1：采用FPGA（現(xiàn)場可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上， 減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可以應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴展。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。

方案2：采用ATMEL公司的AT89S52作為系統(tǒng)控制器的CPU方案。單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

基于以上分析擬訂方案二。

   系統(tǒng)需要多個電源，AT89S52使用5V穩(wěn)壓電源，四聯(lián)數(shù)碼管供電電壓為5V。給出以下兩個方案。

方案1：采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片MC34063芯片分別將3V的電池電壓進(jìn)行直流嶄波調(diào)壓，得到5V穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小系統(tǒng)體積重量但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系統(tǒng)穩(wěn)定運作。

方案2：由于所做的設(shè)計不需要很高的精度要求，結(jié)合這個電源分析只要給系統(tǒng)5V的電壓基本能輸出顯示和運用搶答，故只需利用一節(jié)5V的手機充電器便可使整個電路工作。該方法方便簡單，節(jié)省材料。

綜上所述，選擇方案二。

鍵盤是單片機不可缺少的輸入設(shè)備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶。鍵盤按結(jié)構(gòu)形式可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤，前者用軟件方法產(chǎn)生鍵碼，而后者則用硬件方法來產(chǎn)生鍵碼。在單片機中使用的都是非編碼鍵盤，因為非編碼鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，非編碼鍵盤的類型很多，常用的有獨立式鍵盤，行列式鍵盤等。

方案1：獨立式鍵盤

鍵盤接口中使用多少根I/O線，鍵盤中就有幾個按鍵，鍵盤接口使用了8根I/O口線，該鍵盤就有8個按鍵，這種類型的鍵盤，其按鍵比較少，且鍵盤 中各按鍵的工作互不干擾。因此可以根據(jù)實際需要對鍵盤中的按鍵靈活的編碼。如圖2-1。

最簡單的編碼方式就是根據(jù)I/O輸入口所直接反映的相應(yīng)按鍵，按下的狀態(tài)進(jìn)行編碼，稱按鍵直接狀態(tài)碼，對于這樣編碼的獨立式鍵盤，CPU可以通過直接讀取I/O口的狀態(tài)來獲取按鍵的直接狀態(tài)編碼值，根據(jù)這個值直接進(jìn)行按鍵識別，這樣形式的鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，按鍵識別容易。

獨立式鍵盤的缺點是需要占用比較多的I/O口線，當(dāng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤中需要的按鍵比較少或I/O口線比較富余時，可以采用這樣類型的鍵盤。

方案2：行列式鍵盤

行列式鍵盤是用N條I/O線作為行線，M條I/O線作為列線組成的鍵盤，在行線和列線的每個交叉點上，設(shè)置一個按鍵中按鍵的個數(shù)是M*N個。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機系統(tǒng)中I/O的利用率，列線接P1.0~P1.3行線接P1.4~P1.7，行列適用于按鍵輸入多的情況。

CPU對鍵盤的掃描可以采用取程序控制的隨機方式，即只有在CPU空閑是時才去掃描鍵盤，響應(yīng)操作人員的鍵盤輸入，但CPU在執(zhí)行應(yīng)用程序的過程中，不能響應(yīng)鍵盤輸入，對鍵盤的掃描可以采用定時方式，即利用單片機內(nèi)部定時器每隔一定時間對鍵盤掃描一次，這樣控制方式，不管鍵盤上有無鍵閉合，CPU總是定時的關(guān)心鍵盤狀態(tài)。

在大多數(shù)情況下，CPU對鍵盤可能進(jìn)行空掃描。為了提高CPU的效率而又能及時響應(yīng)鍵盤輸入，可以采用中斷方式，既CPU平時不必掃描鍵盤，只要當(dāng)鍵盤上有鍵盤閉合時就產(chǎn)生中斷請求，向CPU申請中斷后，立即對鍵盤上有鍵盤進(jìn)性掃描，識別閉合鍵，并做相應(yīng)的處理。如圖2-2所示。

根據(jù)以上的論述，采用方案一，在本系統(tǒng)中采用了獨立式鍵盤，其按鍵比較少，且鍵盤中各個按鍵的工作互不干擾。

LED數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字�？梢燥@示：時間、日期、溫度等可以用數(shù)字代替的參數(shù)。

數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽極數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。

動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，通過由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機的P0口輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對P2.0-P2.3位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。

在本設(shè)計中采用了四位八段數(shù)碼管，用動態(tài)驅(qū)動來顯示溫度的值，如圖2-3所示。

圖2-3顯示電路圖

2.4.2 顯示器LCD1602特點與簡介

一、液晶顯示器的有以下特點：

1.液晶顯示屏是以若干個5X8或5X11點陣塊組成的顯示字符群。每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點的寬度。

2.主控制驅(qū)動電路為HD44780(HITACHI)及其他公司全兼容電路，如SED1278(SEIKOEPSON),KS0066(SAMSUNG),NJU6408(NERJAPANRADIO)。

3.具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符（160個5X7點陣字符和32個5X10點陣字符，見附錄3。

4.具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8個5X8點陣字符或4個5X11點陣字符。

5.具有80個字節(jié)的RAM。

7.模塊結(jié)構(gòu)緊湊，輕巧，裝配容易。

8.單+5V 電源供電（寬溫型需要一個-7V的電源供電）。

9.低功耗，長壽命，高可靠性。

LCD1602的引腳功能說明如表2-8。

二、 顯示電路與單片機的連接

就時鐘而言，通常采用LCD或LED顯示，對LED來說AT89C52本身設(shè)有專門的液晶驅(qū)動電路，LED結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，壽命長，可靠性也高，等優(yōu)點，而且亮度也高，價格也便宜，但是本時鐘設(shè)計要一個很直觀的顯示效果，LED就會除了8段的顯示，位選也要占用大量的資源，不易控制。如果選用LCD的 話，顯示就比較直觀，占用的硬件資源就相對少些。而且對我們研究學(xué)習(xí)，不在于便宜，是我們要學(xué)到更多的知識，若采用1602顯示，其與單片機的連接如圖2-4。

圖2-4單片機與LCD1602的連接圖

表2-5 LCD1602的引腳功能說明

2.4.3  顯示電路的設(shè)計

顯示電路的主要部分就是顯示器件，所以顯示電路的設(shè)計第一步就是顯示器件的選擇，對我們一般的設(shè)計，首選當(dāng)然是數(shù)碼管，它具有顯示亮度高，編程易的特點，雖然它的單獨顯示使得每一位都要有自己的為選端，也就是說每一位就要占用一個I/O口，本設(shè)計要求最多4位的數(shù)字顯示，再加上8段的8位，也就就占用12個I/O口，所以我們選用更節(jié)省資源的四位共陽作為理想的顯示器件。

2.5.1 H型橋式驅(qū)動電路
    直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。它的基本原理圖如圖1所示。

    全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時，S3、S4關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時，S1、S2關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。
    在小車動作的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷，到S1、S2關(guān)斷且S3、S4導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關(guān)器件都存在
開通和關(guān)斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。這個過程可用圖2說明。因此，為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作之間的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實際上卻必
須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可以通過軟件實現(xiàn)（具體方法參看后文）。

    驅(qū)動電流不僅可以通過主開關(guān)管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通。當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時，電機便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴(yán)重時燒毀。
    開關(guān)管的選擇對驅(qū)動電路的影響很大，開關(guān)管的選擇宜遵循以下原則：
(1)由于驅(qū)動電路是功率輸出，要求開關(guān)管輸出功率較大；
(2)開關(guān)管的開通和關(guān)斷時間應(yīng)盡可能��；
(3)小車使用的電源電壓不高，因此，開關(guān)管的飽和壓降應(yīng)該盡量低。
    在實際制作中，我們選用大功率達(dá)林頓管TIP122或場效應(yīng)管IRF530，效果都還不錯，為了使電路簡化，建議使用集成有橋式電路的電機專用驅(qū)動芯片，如L298、LMD18200，性能比較穩(wěn)定可靠。
    由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，如果只用一組電源時會影響單片機的正常工作，所以我們選用雙電源供電。一組5V給單片機和控制電路供電，另外一組9V給電機供電。在控制部分和電機驅(qū)動部分之間用光耦隔開，以免影響控制部分電源的品質(zhì)，并在達(dá)林頓管的基極加三極管驅(qū)動，可以給達(dá)林頓管提供足夠大的基極電流。圖3所示為采用TIP122的驅(qū)動電機電路，IOB8口為“0”，IOB9口輸入PWM波時，電機正轉(zhuǎn)，通過改變PWM 的占空比可以調(diào)節(jié)電機的速度。而當(dāng)IOB9口為“0”，IOB8口輸入PWM波時，電機反轉(zhuǎn)，同樣通過改變PWM的
占空比來調(diào)節(jié)電機的速度。

2.5.2 驅(qū)動芯片L298N

    采用電機驅(qū)動芯片L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動，可直接的對電機進(jìn)行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時在依照上表，用程序輸入對應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動作。

2.6  PWM 控制
    PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動電路實現(xiàn)直流電機調(diào)速，非常簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。
    由于電機的轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比α＝1時，電機轉(zhuǎn)速最大。PWM控制波形的實現(xiàn)可以通過模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)，例如用555搭成的觸發(fā)電路，但是，這種電路的占空比不能自動調(diào)節(jié)，不能用于自動控制小車的調(diào)速。而目前使用的大多數(shù)單片機都可以直接輸出這種PWM波形，或通過時序模擬輸出，最適合小車的調(diào)速。我們使用的是AT89S52 單片機，它是8位單片機，頻率最高達(dá)到24Hz，可提供2 路PWM 直接輸出，頻率可調(diào)，占空比8級可調(diào)，控制電機的調(diào)速范圍大，使用方便。AT89S52單片機有32個I/O口，內(nèi)部設(shè)有2個獨立的計數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的PWM信號輸出，用以控制電機調(diào)速。在實際制作過程中，我們認(rèn)為控制信號的頻率不需要太高，一般在400Hz以下為宜，占空比8級調(diào)節(jié)也完全可以滿足調(diào)速要求，并且在小車行進(jìn)的過程中，占空比不應(yīng)該太高，在直線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎的時候應(yīng)該區(qū)別對待。若車速太快，則在轉(zhuǎn)彎的時候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費時間。這時可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。所以本設(shè)計采用PWM波調(diào)整電機的速度。

主控制器模塊：采用AT89S52單片機控制。

顯示模塊：數(shù)碼管顯示。

電源方案的選擇：采用5V手機充電器供電。

鍵盤模塊：獨立式鍵盤。

驅(qū)動模塊：采用H橋式驅(qū)動

速度調(diào)節(jié)：PWM波調(diào)速

AT89S52單片機是一款低功耗、低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8KB（可經(jīng)受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM），器件采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度，非易失性存儲器（NURAM）技術(shù)制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容，片內(nèi)的FLASH存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲編程器來編程。因此，AT89C52是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應(yīng)用在各個控制領(lǐng)域。

AT89S52具有以下主要性能：

1.8KB可改編程序FLASH存儲器；

2.全表態(tài)工作 ：0～24HZ；

3.256X8字節(jié)內(nèi)部RAM；

4.32個外部雙向輸入，輸出（I、O）口；

如圖3-1。

    圖3-1 單片機芯片管腳圖

引腳功能說明如下：

VCC：電源電壓。

GND：地。

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用口。作為輸出口時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端。

在訪問外部數(shù)據(jù)儲存器或程序儲存器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。FLASH編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。FLASH編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。

P2口：P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序儲存器或16位地址的外部數(shù)據(jù)儲存器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)儲存器（例如執(zhí)行MOVX@RI指令）時，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。FLASH編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其他控制信號。

P3口：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。

P3除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，具體功能說明如表2-1。

P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲器編程和程序校的控制信號。

RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。

   表3-2 P3口的第二功能表

即使不訪問外部存儲器，ALE仍以是時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此他可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。

如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。

PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT80C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。

EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序儲存器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序儲存器中的指令。

FLASH儲存器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12v編程電壓。

XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。

MCS-51的復(fù)位輸入引腳RST為MCS-51提供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執(zhí)行，在MCS-51的時鐘電路工作后，只要RST引腳上出現(xiàn)超過兩個機器周期以上的高電平時，即可產(chǎn)生復(fù)位的操作，只要RST保持高電平，則MCS-51循環(huán)復(fù)位，只有單RET由高電平變成低電平以后，MCS-51才從0000H地址開始執(zhí)行程序，本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式的復(fù)位電路。

圖3-2復(fù)位電路

AT89S52的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另外一種為外部方式，本論文根據(jù)實際需要和簡便，采用內(nèi)部振蕩方式，MCS-51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器。

AT89S52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，所以實際構(gòu)成的振蕩時鐘電路，外接晶振以及電容C1和C2構(gòu)成了并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回路中，對接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶振的頻率可在1.2MHZ~12MHZ之間任選，電容C1和C2的典型值在20pf~100pf之間選擇，由于本系統(tǒng)用到定時器，為了方便計算，采用了12MHZ的晶振，采用電容選擇30pf。

               圖3-3 晶振電路的設(shè)計

3.4 霍爾傳感器原理介]。

A44E 屬于開關(guān)型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（4.5～18V），其輸出的信號符合TTL 電平標(biāo)準(zhǔn)，可以直接接到單片機的IO 端口上，而且其最高檢測頻率可達(dá)到1MHZ。

3.4.1  霍耳傳感器簡介

霍爾效應(yīng)指的是：

在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。其原理圖如圖3-4所示。

當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就被稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達(dá)式為

                         U=K•I•B/d                             (3-1)                        

其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場（洛倫慈力Lorrentz）的磁感應(yīng)強度，d是薄片的厚度。

由此可見，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場的磁感應(yīng)強度成正比的關(guān)系。

霍爾開關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。

霍爾開關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強度B 來表征的，當(dāng)B 值達(dá)到一定的程度（如B1）時，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開關(guān)類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型（雙極性）、雙信號輸出之分。

作為一種新型的電器配件，具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作�；魻栭_關(guān)可應(yīng)用于接近開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表等[8]。

3.4.2 集成開關(guān)型霍耳傳感器原理

如圖4-7，A44E 集成霍耳開關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍耳電勢發(fā)生器(即硅霍耳片)B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個基本部分組成。在輸入端輸入電壓CC V，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍耳電勢發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍耳效應(yīng)原理，當(dāng)霍耳片處在磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產(chǎn)生霍耳電勢差H V輸出，該H V信號經(jīng)放大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場達(dá)到.工作點.(即OPB)時，觸發(fā)器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時OC 門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為.開。當(dāng)施加的磁場達(dá)到.釋放點(即rP B)時，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態(tài)為.關(guān).。這樣兩次電壓變換，使霍耳開關(guān)完成了一次

開關(guān)動作。其原理圖如圖3-5所示。

3.4.3 霍耳開關(guān)外形及接線圖

其集成霍耳開關(guān)外形及接線如圖3-6 所示。

（a）霍爾開關(guān)外形                   (b)  霍爾開關(guān)接線圖

圖3-6 集成霍耳開關(guān)外形及接線圖

在此選擇P3.2口作為信號的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷0（這樣可以減少程序設(shè)計的麻煩），車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾開關(guān)就檢測并輸出信號，引起單片機的中斷，對脈計數(shù)，當(dāng)計數(shù)達(dá)到1000次時，得出計數(shù)達(dá)到1000次時是所用的時間，通過公式：

速度=距離/時間

得到速度，然后通過微機控制數(shù)碼管顯示速度。

4 電機調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 電機調(diào)速系統(tǒng)流程圖

    該系統(tǒng)軟件采用C語言編制，模塊化設(shè)計，分為主程序，轉(zhuǎn)速計算程序，鍵盤程序，時鐘中斷程序，顯示程序。在速度計數(shù)中斷程序中完成計量工作；時鐘程序每秒鐘向AT89S52發(fā)出中斷請求，在中斷程序中完成計時工作或者時鐘顯示工作。鍵盤中斷程序用于完成各次營運數(shù)據(jù)的查尋工作；顯示程序完成顯示工作。軟件設(shè)計框圖如下圖4-1所示。

4.2 系統(tǒng)主程序

在主程序模塊中，需要完成對各參量和接口的初始化、速度計算初始化以及中斷、計算、循環(huán)等工作。另外，在主程序模塊中還需要設(shè)置啟動/清除標(biāo)志寄存器，并對它們進(jìn)行初始化。然后，主程序?qū)⒏鶕?jù)各標(biāo)志寄存器的內(nèi)容，分別完成啟動、清除、計算和顯示等不同的操作。

4.3 中斷子程序

4.3.1 中斷計數(shù)程序

當(dāng)計數(shù)器對脈沖計滿一定數(shù)值時，就由計數(shù)中斷電路向微機發(fā)出中斷請求，使微機進(jìn)入計數(shù)中斷服務(wù)程序中。每當(dāng)霍爾傳感器輸出一個低電平信號就使單片機中斷一次，當(dāng)計數(shù)器對脈沖計滿1000次時，進(jìn)入計數(shù)中斷服務(wù)程序中，變量加一。主函數(shù)中總金額也相應(yīng)地變化。

。

4.3.2 顯示程序

程序利用定時器每1ms產(chǎn)生一次中斷，相應(yīng)變量置位，點亮一個數(shù)碼管，顯示一位數(shù)據(jù)，利用主函數(shù)內(nèi)的循環(huán)，實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示，同時根據(jù)數(shù)碼管余輝和人眼暫留現(xiàn)象，即可實現(xiàn)顯示。

4.3.3 鍵盤程序

鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當(dāng)沒有按鍵按下的時候，單片機循環(huán)主程序，一旦有按鍵按下，便轉(zhuǎn)向相應(yīng)的子程序處理，處理結(jié)束再返回。

4.4 程序設(shè)計

本設(shè)計的程序采用C語言編寫。詳見附錄3。

5 實物制作

5.1 PCB板的制作

  用轉(zhuǎn)印紙打印出附錄所示的PCB圖，截取大小適中的印刷電路板。把打印出來的PCB圖附著在電路板上，經(jīng)過高溫壓制（150°左右），再經(jīng)腐蝕后晾干即可。需要注意的是實物焊接制作的硬件電路圖和理論硬件電路圖的設(shè)計存在著差異。兩者在原理上是一致的，由于理論硬件電路圖是在軟件中設(shè)計完成，硬件的排版、布線不需要考慮在實物焊接時布線產(chǎn)生的信號干擾、寄生耦合、焊接方便等問題。而在實物電路板電路的設(shè)計中，要考慮這些問題。

5.2 鉆孔和焊接

在鉆孔時，根據(jù)電子元件引腳和布線，鉆取大小適中的孔，以利于方便焊接。目前電子元器件的焊接主要采用焊錫技術(shù)。要做到良好的焊接，在焊接過程中每一個環(huán)節(jié)都要重視錫良好的焊接的條件是：焊件表面應(yīng)該是清潔的，油垢和銹斑都會影響到焊接；能被錫焊料浸潤的材料才具有可焊性，對于黃銅等表面易于生成氧化膜的材料，可以借助于助焊劑，可以先對焊件表面進(jìn)行鍍錫浸潤后在進(jìn)行焊接；要有適當(dāng)?shù)募訜釡囟�，使焊錫料具有一定的流動性，才可以焊接牢固，溫度過高容易形成氧化膜，影響焊接質(zhì)量。

5.3 焊接電路的檢測

由于計價器的設(shè)計相對電路復(fù)雜，采用芯片多，焊接的工作量也大，因此，在焊接過程中可能會出現(xiàn)各種問題導(dǎo)致線路不通，各個功能單元不能正常工作。所以在每個功能單元焊接完成之后都要對其進(jìn)行檢測，出現(xiàn)問題要及時調(diào)試，以保證各個單元正常工作。

檢測時首先在不加電源進(jìn)行檢查，主要是對照電路圖和實際線路檢查連線是否正確，包括錯接、少接、多接等；用萬用表電阻檔檢查焊接和接插是否導(dǎo)通良好；元器件引腳之間有無短路，連接處有無接觸不良，二極管、三極管、集成電路和電解電容的極性是否正確；電源供電包括極性、信號源連線是否正確；電源端對地是否存在短路（用萬用表測量電阻）。

經(jīng)過上述檢查確認(rèn)無誤后，就進(jìn)行檢測。檢測是把經(jīng)過準(zhǔn)確測量的電源接入電路，用萬用表電壓檔監(jiān)測電源電壓，觀察有無異�，F(xiàn)象：如冒煙、異常氣味、手摸元器件發(fā)燙，電源短路等，如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即切斷電源，排除故障。

5.4 輸入程序并調(diào)試運行

當(dāng)各個模塊都焊接結(jié)束，檢測焊接良好后，就需要將各個模塊彼此連接起來，通過單片機的控制，完成計價器的功能。在向單片機輸入程序之前，必須確認(rèn)輸入的程序合理、正確，一旦程序出現(xiàn)問題，不容易檢測，計價器不能夠正常工作，就會前功盡棄。

在單片機中會有Flash存儲器，用于存儲用戶代碼。本設(shè)計采用的是可在系統(tǒng)編程的單片機。輸入程序一般利用單片機串行口，將PC機上的程序傳入單片機，再通過單片機內(nèi)部專門的固件程序?qū)⑤斎氲某绦驘龑懙絾纹瑱C內(nèi)部（或者外擴）的Flash存儲器中。在本設(shè)計中采用程序編程器將程序?qū)懭雴纹瑱CFlash存儲器中。

6  總結(jié)

經(jīng)過這些天對電機調(diào)速系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計，讓我對單片機的應(yīng)用有了更深入的了解，對所學(xué)的知識進(jìn)行了增強和鞏固。在畢業(yè)設(shè)計的過程中，碰到了許多的問題。比如，對于一些相關(guān)的應(yīng)用軟件沒能熟練掌握，在電機系統(tǒng)的硬件設(shè)計上，尤其是在顯示電路和信號采集模塊掌握的不好；對于程序的編寫和調(diào)試經(jīng)驗不足。經(jīng)過老師的精心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，以及參考相關(guān)的資料，最終還是把問題解決了。

通過這次畢業(yè)設(shè)計，我最大的收獲就是自己的動手能力和獨立解決問題的能力得到了很大的提高，明白了理論和實際存在差距，很多知識光靠書本上的學(xué)習(xí)是學(xué)不到其中的精髓的，必須親自去試著實踐，親自去經(jīng)歷、總結(jié)，才能對它們真正的掌握。遇到困難，永遠(yuǎn)不要沮喪氣餒，首先想到的是如何想辦法解決問題。在動手的過程中，不僅能增強實踐能力，而且在理論上可以有更深的認(rèn)識。這次設(shè)計給了我極大的鼓舞和信心，激勵我在以后的學(xué)習(xí)中可以通過不斷的摸索和實踐來提高其他方面的知識。

致  謝

時光荏苒，再回首，四年的大學(xué)生涯已悄然接近尾聲�；仡櫞髮W(xué)生活，往事歷歷在目，難以忘懷。在此，對所有關(guān)心、幫助和指導(dǎo)我的老師、同學(xué)和朋友們致以誠摯的感謝。

首先要感謝我的論文指導(dǎo)老師xxx和四年來為我的成長學(xué)習(xí)而默默無聞、無私奉獻(xiàn)的老師們。四年來，老師們時刻關(guān)心我的生活、學(xué)習(xí)，對我的生活和學(xué)習(xí)給予了終生受益的指導(dǎo)和建議，對畢業(yè)論文的構(gòu)思和完成給予了無微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)。同時，老師也以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識、敏銳的科學(xué)洞察力和忘我的工作精神為我樹立楷模，時刻熏陶著我。學(xué)為人知，行為世范，在這里得到最真、最完美的詮釋，對我將來的人生有著重大的指導(dǎo)意義。

還要感謝相處了四年的同學(xué)和朋友，他們對我的生活和學(xué)習(xí)給予了關(guān)心和幫助，在我的論文遇到問題時給我提供了許多幫助，在同學(xué)和朋友的幫助下，我的畢業(yè)設(shè)計得以順利完成。同時，我們一起度過的象牙塔里的生活給我留下了最真，最美好的回憶。

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附  錄

附錄1 電機調(diào)速系統(tǒng)的原理圖

附錄2 電機調(diào)速系統(tǒng)PCB圖