單片機(jī)電動(dòng)自行車控制的硬件系統(tǒng)和軟件調(diào)試分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21517單片機(jī)電動(dòng)自行車控制的硬件系統(tǒng)和軟件調(diào)試分析案例 1138841硬件模塊設(shè)計(jì) 131031.1AT89C52單片特性及管腳說(shuō)明 191071.2PWM信號(hào)的發(fā)生 398691.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 3172881.4電機(jī)控制鍵盤 5135811.5時(shí)鐘和復(fù)位電路 662871.6顯示電路 7208761.7測(cè)速模塊 863961.7.1測(cè)速過(guò)程 8216672軟件模塊設(shè)計(jì) 9287322.1系統(tǒng)總體框架 9257212.2各子程序流程框圖 10231902.2.1LCD顯示模塊程序設(shè)計(jì) 10184192.2.2按鍵模塊程序設(shè)計(jì) 11307712.2.3PWM模塊程序設(shè)計(jì) 1320792.2.4電機(jī)測(cè)速模塊程序設(shè)計(jì) 131硬件模塊設(shè)計(jì)本課題是基于51單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，本章將對(duì)PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)小塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的同時(shí)，把各個(gè)模塊的硬件連接電路做出展示。1.1AT89C52單片特性及管腳說(shuō)明圖1.1AT89C52引腳圖對(duì)本論文用到的引腳進(jìn)行簡(jiǎn)單描述：VCC(40)：接電源端GND(20)：接地端P0口：PO口是一個(gè)漏極開(kāi)路的雙向IO口。P0口最常用的是作為輸出口，可以通過(guò)上拉電阻來(lái)外接負(fù)載和電源。P1口：Pl口與P0口幾乎一樣，只不過(guò)Pl端口內(nèi)部直接具有上拉電阻。當(dāng)Pl口被用作輸入端口時(shí)，必須首先對(duì)它輸入高電平。P2口：P2口功能和用法與P1口一樣，本設(shè)計(jì)只用它的基本的輸出功能。P3口：P3口基本功能及使用和P2口一樣。下面的表介紹它的復(fù)用功能：表1.1P3端口各引腳復(fù)用功能P3端口引腳序號(hào)引腳的復(fù)用P1.0RXD-用作串口的輸入端P1.1TXD-用作串口的輸出端P1.2INT0-作為單片機(jī)的外部中斷0輸入P1.3INT1-作為單片機(jī)的外部中斷1輸入P1.4定時(shí)器T0的輸入端P1.5T1定時(shí)器的輸入端P1.6單片機(jī)寫使能端P1.7單片機(jī)讀使能端RST(9)：作為單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)輸入端。只有它檢測(cè)到大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，單片機(jī)才會(huì)復(fù)位。XTAL1(19引腳)：是單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器，晶振的輸入端口。XTAL2(18引腳)：?jiǎn)纹瑱C(jī)時(shí)鐘振蕩器的反相輸入端，與XTAL1和晶振連接一起作為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖輸入。1.2PWM信號(hào)的發(fā)生PWM信號(hào)是通過(guò)單片機(jī)的程序來(lái)產(chǎn)生的。在本課題中用到的PWM調(diào)速方法是定頻調(diào)寬法：PWM脈沖信號(hào)的頻率是不變的，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM脈沖的寬度，改變電壓為高電平的時(shí)間來(lái)改變PWM脈沖信號(hào)的占空比，從而改變電樞兩端的平均電壓，來(lái)達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。經(jīng)過(guò)上面的介紹，可以知道單片機(jī)PWM信號(hào)的產(chǎn)生是很簡(jiǎn)單的，也很容易對(duì)其進(jìn)行程序的更改和設(shè)計(jì)，也不容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，這也是PWM調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一。1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)是很微弱的，它無(wú)法直接使電機(jī)工作，所以需要驅(qū)動(dòng)芯片和一些邏輯器件來(lái)放大PWM的信號(hào)電壓值。本論文選用L298作為驅(qū)動(dòng)芯片，下面是其引腳圖和各引腳的功能圖1.2L298引腳圖表1.2L298各引腳功能圖引腳符號(hào)功能1SENSEA該引腳通過(guò)檢測(cè)電阻連接到地，對(duì)L298的電壓值進(jìn)行檢測(cè)，如果超出設(shè)定值，則該引腳將ENA端拉低15SENSEB2OUT1該兩引腳是1298的電壓輸出端，用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載3OUT24VS直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端口5IN1L298的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，當(dāng)小1=l，IN2=0時(shí)，OUTl為輸出電壓正極，0UT2為負(fù)極7IN26ENAL298的驅(qū)動(dòng)使能端。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，L298為使能狀態(tài)，正常輸出工作電壓；當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，L298為禁止?fàn)顟B(tài)，無(wú)輸出工作電壓。11ENB8GND該引腳與地連接，同時(shí)起到散熱作心9VSSL298邏輯控制電路的電源接入端，一般接+12V直流電壓10IN3L298的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，當(dāng)IN3=l，IN4=0時(shí)，OUT3為輸出電壓正極，OUT4為負(fù)極12IN413OUT3該兩引腳是L298的電壓輸出端，用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載14OUT4L298具有兩種截然不同的工作模式：?jiǎn)螛O性模式和雙極性模式。單極性工作模式是指在一個(gè)PWM周期中，電機(jī)兩端的電壓為同極性電壓。雙極性工作模式是指在一個(gè)PWM周期中，電機(jī)兩端的電壓極性不一樣的。在此次設(shè)計(jì)中采用的是單極性工作模式。本設(shè)計(jì)中是通過(guò)改變IN1和IN2兩個(gè)引腳的高低電平就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制。下表為L(zhǎng)298的真值表：表1.3L298真值表輸入輸出V=HIN1=H;IN2=L運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，正轉(zhuǎn)V=HIN1=L;IN2=H運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，正轉(zhuǎn)V=LIN1=X;IN2=X運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)制動(dòng)V=LIN1=X;IN2=X停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)不動(dòng)作PWM信號(hào)無(wú)輸出V=X;IN1=X;IN2=X運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)制動(dòng)；停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)不動(dòng)作1.4電機(jī)控制鍵盤在大部分的調(diào)速系統(tǒng)中，都會(huì)采用按鍵來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一些操作。在本系統(tǒng)中選用的是4x4矩陣鍵盤，但由于設(shè)計(jì)的要求我們只用到其中的五個(gè)按鍵（在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到按鍵數(shù)目大于功能數(shù)目，所以將獨(dú)立按鍵改成了4x4的矩陣鍵盤，多出的按鍵也可方便與于后續(xù)其余功能的添加），分別為BTN1，BTN2，BTN3，BTN4，BTN5，這五個(gè)個(gè)按鍵的作用分別是使電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止，增大PWM調(diào)制，減小PWM調(diào)制。4X4矩陣鍵盤與單片機(jī)具體連接方式為：在第一行中，每一個(gè)鍵的一端連在一起形成一條線，每一個(gè)鍵的另一端連在一起形成第一列中的一條線。這樣，共4行4列，一共就是八根線。我們將這8條線連到單片機(jī)P1端口的8個(gè)IO端口，通過(guò)單片機(jī)掃描就能檢測(cè)到16個(gè)按鍵。它們的兩端分別并聯(lián)在一起，每一列（共4列）并聯(lián)在一起接高位管腳上（7~4），每一行（共4行）并聯(lián)在一起接到低位管腳上（3~0）。5個(gè)具有功能的按鍵與單片機(jī)的連接見(jiàn)圖下所示（無(wú)功能按鍵未畫出）圖1.3按鍵電路1.5時(shí)鐘和復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位方式：當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，電源端將對(duì)電容C3充電，電容存滿電荷后會(huì)處于電池狀態(tài)，于是單片機(jī)復(fù)位腳被輸入高電平1，于是單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位；手動(dòng)復(fù)位：在系統(tǒng)上電狀態(tài)下，按下復(fù)位按鍵時(shí)，電源接到復(fù)位端，直接對(duì)單片機(jī)復(fù)位端輸入高電平1，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。一般情況下，這兩種復(fù)位方式會(huì)被結(jié)合起來(lái)使用。圖1.4復(fù)位電路圖1.5時(shí)鐘電路我們采用的晶振是12MHZ的。晶振X1的兩端與單片機(jī)XTALl和XTAL2兩個(gè)引腳連接，來(lái)對(duì)單片機(jī)提供振蕩源。同時(shí)我們?cè)诰д馲l的兩端連接了兩個(gè)電容C1和C2，是起到濾波和濾尖峰的作用，從而保護(hù)晶振正常工作。1.6顯示電路在本設(shè)計(jì)中，我們采用LM016L液晶顯示器作為顯示器，來(lái)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向狀態(tài)以及PWM調(diào)速的數(shù)值，從而構(gòu)成我們的顯示電路。如圖所示為接線后的設(shè)計(jì)圖，具體的接線原理陳述如下：一般而言，1602字符型LCD顯示器有十四條引腳線或十六條，相差的是背光光源的兩根電源線。圖1.6顯示電路表1.4LM016L引腳功能表引腳符號(hào)功能說(shuō)明1VSS一般接地2VDD接電源（+5v）3VEELCD顯示器對(duì)比度調(diào)整的端口，接高電平時(shí)對(duì)比度最低，接低電平時(shí)對(duì)比度最高4RSRS為選擇寄存器端口，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平0時(shí)選擇指令寄存器。5RWRW為讀寫信號(hào)線，高電平1進(jìn)行讀操作，低電平0是進(jìn)行寫操作。6EE端為使能端，下降沿使能。7D0底4位三態(tài)，分別為雙向數(shù)據(jù)總線0,1,2,3位8D19D210D311D4高4位三態(tài)，分別為雙向數(shù)據(jù)總線4,5,6,7（最高位）位12D513D614D71.7測(cè)速模塊在第二章的測(cè)速模塊設(shè)計(jì)中，我們選擇使用霍爾傳感器來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速?，F(xiàn)將原理及電路設(shè)計(jì)陳述如下。1.7.1測(cè)速過(guò)程在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，我們要把霍爾傳感器固定在被測(cè)速電機(jī)的底部，在傳感器探頭相對(duì)的電機(jī)的軸上固定一片磁鋼,電機(jī)每轉(zhuǎn)一周,霍爾傳感器就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，將它接到單片機(jī)的P1.2端口上，設(shè)定TO定時(shí)，這樣下來(lái)每分鐘所計(jì)的進(jìn)入P1.2的脈沖個(gè)數(shù)就是被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在proteus仿真軟件中，沒(méi)有找到霍爾傳感器這個(gè)元件，所以我們就用一個(gè)脈沖來(lái)假設(shè)為霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行仿真，在脈沖信號(hào)輸入前我們使用了兩個(gè)74LS14（反相施密特觸發(fā)器）和一個(gè)光耦，主要的目的就是為了將霍爾傳感器輸出的信號(hào)先進(jìn)行整形隔離，從而減少計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的干擾：使仿真結(jié)果進(jìn)一步精確。電路圖如圖所示。圖1.7霍爾測(cè)速電路原理圖2軟件模塊設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體框架系統(tǒng)總體流程圖所示，主要的原理框圖包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，LCD顯示電路，按鍵電路，PWM調(diào)速電路和電機(jī)測(cè)速五大部分。2.2各子程序流程框圖2.2.1LCD顯示模塊程序設(shè)計(jì)等待等待開(kāi)始顯式初始化寫檢測(cè)顯示位置設(shè)置顯示內(nèi)容讀取顯示數(shù)據(jù)結(jié)束忙允許LM016L的主要功能就是顯示電機(jī)的速度以及pwm調(diào)制的占比，以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)的情況。首先初始化，延時(shí)再將需要的指令寫入程序中，設(shè)置顯示位置、檢查忙函數(shù)再進(jìn)行循環(huán)即可。2.2.2按鍵模塊程序設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作后，從單片機(jī)開(kāi)始初始化，首先，單片機(jī)檢測(cè)是否有按鍵被按下，執(zhí)行按鍵的子程序，有的話讀取鍵值并調(diào)用中斷。單片機(jī)將傳感器輸入的信號(hào)通過(guò)程序進(jìn)行計(jì)算，來(lái)控制PWM的輸出，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按此循環(huán)往復(fù)來(lái)讓電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。主程序框圖如下圖： 2.2.3PWM模塊程序設(shè)計(jì)該模塊的程序由主程序和PWM的輸出程序構(gòu)成。（1）主程序：利用單片機(jī)的中斷功能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)輸出，然后霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)速，再將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送入單片機(jī)，接下來(lái)數(shù)碼管顯示電機(jī)速度，還可以利用5個(gè)調(diào)速開(kāi)關(guān)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。（2）PWM輸出：第一個(gè)是使用單片機(jī)的中斷功能，當(dāng)計(jì)時(shí)器記滿溢出時(shí)，相應(yīng)標(biāo)志位打開(kāi)中斷，然后P1.7口就輸出PWM方波。把對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位清零，然后定時(shí)器初始化，打開(kāi)中斷，通過(guò)賦值調(diào)整PWM輸出的高、低電壓的時(shí)間比，從P1.7口輸出。第二個(gè)利用的是測(cè)速控制裝置，當(dāng)P1.1至P1.7口開(kāi)關(guān)處于閉合時(shí)，我們就可以通過(guò)調(diào)整