第三章规格非郭德纲

第3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

峰值堵转

电流A 4.2

电压V 27

连续堵转

转矩N?m 0.14

电流A 1.4

电压V 9

最大空载转速r/min

2000

55LCX-1 转矩N?m

0.42

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：

●低功耗的闲置和掉电模式 ●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； 。

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（enable address/voltage pulse of programming）。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RAM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。PSEN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。

●P1口：P1.0~P1.7。P1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[5]：

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 直流电源部分

在直流电机调速系统中逻辑元件需要+5V直流电源，而小型直流电动机的额定电压为12V，由此可见在本设计中需要两个直流电源，所以可以选用双路稳压电源。直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多是成熟集成元件可选择，电路十分简单。所以本设计中采用双路输出的线性直流稳压电源，如图3-2所示：

由图3-2可见，这个双路输出的线形直流稳压电源只用了一个220V变12V的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路（7812和7805）和四个电容。图中C4是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。由于C4本身的电解比大，对高频交流成分的滤波效果比较差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在C4旁边并联一个高频滤波性能良好的小电容C5。而直流稳压电路输出端的电容C6和C7是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。

图3-2 双路输出的线性直流稳压电源

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。

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

符号 SENSEA SENSEB OUT1 OUT2 Vs IN1 IN2 ENA ENB

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

8 9 10 12 13 14

GND Vss IN3 IN4 OUT3 OUT4

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

C=H；D=L C=L；D=H C=※；D=※ C=※；D=※ Ven=※；C=※；

D=※

输出

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 键盘部分

在第二章已经选用了独立式键盘作为该系统的输入设备，S1、S2、S3和S4分别控制电机的启停、方向、加速和减速，其与单片机的接口电路如图3-5所示。

图3-5 独立键盘电路硬件图

本设计采用的是查询工作法，按键产生的抖动采用软件延时方法消去，具体

方法在第4章有详细介绍。直接在主程序中插入键盘子程序，主程序每执行一次，键盘子程序就执行一次。如果没有键按下就跳过键识别，直接执行主程序；如果有键按下，则执行键盘子程序，得到按键编码值，然后根据编码值进行处理。处理完以后再回到主程序执行[5]。

3.6 LED显示部分

这里直流电机调速系统所使用的是四位共阳极数码管显示直流电机的转速，为了节省I/O口我们使用译码器74LS47来把四位的BCD码转换成七段LED显示，在下章软件部分讲述单片机输出转速数值用BCD表示。下面给出LED与单片机的接口电路图，如图3-6所示：

由图3-6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P2.4、P2.5、P2.6和P2.7分别作为四位LED的由低位到高位的选通脚。设计中我采用了通过控制三极管来选通LED的方法。这里选用了一个NPN三极管，当给其高电平时就导通，给其低电平时就截止。由于LED正常的工作电压为3.5V左右，如果直接给LED选通端接5V电压，LED可能会烧毁，所以先接两个压降为0.7V的普通二极管进行降压后再送到三极管的集电极。这样做可以保证LED能正常地工作。

图3-6 LED与单片机接口图

3.7 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3-7 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由低电平反向，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）

VO VOH

VOL

BOP B BRP （b）

图3-8 （a）CS3020功能图和（b）CS3020输出特性

3.8 复位电路和时钟电路

图3-9 复位电路

图3-10 时钟电路

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。

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