毕业设计（论文）基于PWM调速的直流电机控制系统设计.doc

本科毕业设计（论文）基于PWM调速的直流电机控制系统设计 摘 要在现实生活中，自动化控制系统已在各行各业取得广泛的应用和发展，其中直流电机调速控制系统起着尤为重要的作用。本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法，即采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成大小可变的直流电压，用以实现直流电机电枢两端电压的平滑调节构成直流脉宽调速系统。相对于现今的其他方法，如用硬件或者硬件与软件相结合的方法对电机转速进行调节，采用PWM软件方法来实现调速过程的优点是拥有更大灵活性和更低成本。本文介绍了直流电机调速系统的硬件、软件设计方案。硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。单片机系统采用了基于总线的模块式单片机通用开发设计方案，配置灵活，可根据需要组合成各种应用系统。通过单片机的I/O口输出PWM信号来控制电机驱动芯片，对直流电机的速度进行调节。采用单片机编写程序组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。软件编制采用模块化的设计方式，主要包括主程序设计、T0中断服务(采样定时控制)程序及数字控制算法程序的设计。通过合理的设备选型、参数设置和软件设计从而实现了对电机速度的控制。关键词：PWM调速系统；直流电机；单片机AbatractIn real life, the automated control system has achieved a wide range of applications and development in all walks of life, including DC motor speed control system plays a particularly important role. This paper studies the use of MCS-51 series single-chip PWM control signal in order to achieve a method for controlling the rotational speed of a DC motor, which uses pulse width modulation technology, directly to the constant DC voltage modulated into a variable DC voltage magnitude to achieve DC smooth adjustment armature voltage across the DC PWM speed control system configuration. Relative to today's other methods, such as hardware and software, hardware or a combination of methods to adjust motor speed using PWM software methods to achieve the advantages of speed the process is to have greater flexibility and lower cost.This article describes the DC motor speed control system hardware and software design solutions. Hardware design include: overall design, MCU application system design, drive circuit design and measurement circuit design. SCM system uses a single-chip common development based on modular design of the bus, configuration flexibility, based on a need to combine a variety of applications. Through the microcontroller I / O port output PWM signal to control the motor driver chip, DC motor speed can be adjusted. Using SCM programming constitute the PWM signal generation system, and the principle of the PWM signal generated by software programming methods and how to adjust the duty cycle of the PWM signal to control a detailed exposition of the input signal waveform etc. The software uses the modular design approach includes the main program design, T0 interrupt service (sampling timing control) program design and digital control algorithm program. Reasonable equipment selection, parameter settings and software design in order to achieve the control of motor speed.Keywords: Position servo system;Dc motor; microcontroller目 录摘 要IAbatractII第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2选题的目的和意义11.3研究现状11.4 课题的主要内容3第二章 直流电机的工作原理42.1直流电机的结构42.2 直流电机的基本工作原理42.3直流电机的调速原理5第三章 系统方案论证73.1 系统设计方案73.2 控制器模块设计方案73.3 电机驱动模块设计方案93.4 显示模块设计方案103.5 键盘模块设计方案103.6 电源模块设计方案113.7存储模块设计方案11第四章 系统硬件电路设计124.1系统硬件电路设计124.2单片机最小系统电路124.3键盘电路设计134.4电机驱动电路144.5 存储电路设计154.6 LED显示电路设计164.6.1四位一体数码管显示164.6.2数码管显示电路17第五章 系统软件设计195.1 主程序流程图195.2 PWM脉宽调速子程序流程图195.3 按键处理子程序流程图21第六章 系统调试236.1 本系统的编译器236.2 综合调试246.3 仿真演示24结论28参考文献29附录一30致谢37第一章 绪论1.1课题研究的背景在当代的工业生产中，电动机是很重要的驱动设备，特别是直流电机，因为其平滑调速性以及简单的结构，使其成为许多电器，如洗衣机，升降梯等的驱动 。直流电机拥有很好的调速特点，其调速平滑、简单，调速范围大，可以抵抗多次冲击，能够完成快速起动以及反转；可以完成生活中生产的要求，在很多领域内得到使用1。而对于直流电机的控制方式，最常用的莫过于用可控硅设备向电动机供电，即KZD拖动系统。刚开始的控制系统为发电机电动机系统，十分的笨重。由单片机以及电力电子技术广泛应用，让直流电机调速系统从以前模拟化向现在的数字化改变。脉宽调制，也成为当今应用最常用的方式。它源于电力电子的桥式电路，通过单片机可进行单一的模拟，而将它们联合起来，进行方向的控制是通过电力电子元件组桥，而由单片机发出PWM波掌管晶闸管的门极。调节占空比就能够控制电机的平均电压，从而控制电机的转速。PWM控制即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）2。伴随着科学的快速发展，模拟以及数字电路现在已经被大规模集成电路替代，而因为这就让数字调制技术得到发展。现在，非常多采用数字脉宽调制技术。而电动机调节速度系统采用微机完成数字化操控，这也是电气发展的重要方向之一。其采用微机控制后，让调速系统完成全数字化运作，而且其结构不复杂、安全性高、操作不难,其每个指标都可以很好完成现实生产中高性能电气传动的要求3。1.2选题的目的和意义直流电动机调速应用于实际中很多地方，家电，工业等，因为它能够在一个非常大的范围内平滑调速。但是早起用模拟元件作为操控装置的系统，因其模拟元件自身的缺陷，让其功能简单，硬件复杂，误差大，不灵活，不能进行精准的调速4。传统的控制系统，即使能完成生产，但其器械操作时很容易被其他因素干扰，其线路结构也相对不简单，操控效果也能被湿度，环境等条件影响。所以其安全性不高。单片机的使用解决了这个问题的一部分，误差大的问题可以让许多完善的算法来搞定，还能降低硬件的复杂性。让直流调速慢慢从模拟化到数字化改变，让直流调速步入一个更加智能和可靠的新阶段。1.3研究现状电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。在单向电机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制的市场。到70和80年代才先后出现全控型功率器件GTO晶闸管和GTR晶闸管等4。利用这种有关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必须的换相电路，简化了电路结构，提高了工作频率，降低了噪音，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来逐渐由PWM变流器所替代，明显的扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了效率5。常用的控制直流电机调速有以下几种方法：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉，但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，30年代末，出现了发电机-电动机，配合采用电磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围、较小的转速变化率和调速平滑等优点，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易的将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的止动特性，另一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。但发电机-电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难。第三，自出现汞弧变流器代替上述发电机-电动机系统，是调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机-电动机所不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点：维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其他变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简单等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标和可靠性有所提高，而且在技术上也能显示出很大的优越性6。从20实际80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了遗忘的直流电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本7。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电机的应用领域也不断扩大。例如，军事和航空方面的雷达天线，火炮瞄准，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，加工设备，数控机床，工业机器人，印刷机械，纺织机械和压缩机；计算机外围设备和办公设备中的驱动器，绘图仪，打印机，传真机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机等8。数字直流调速装置，从技术上它能成功的做到从给定信号、调节参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能是它易于和其他各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简单、抗干扰能力强等优点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、维护简单，使其具备了广阔的应用前景9。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管电流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要由：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化10。随着PWM技术的发展，我国直流电机调速也正向着脉宽调制方向发展。目前我国大部分数字化控制直流调速设备还是依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间，所以国内许多院校，科研单位和厂家都在开发全数字直流调速装置。1.4 课题的主要内容根据直流电机调速的控制要求确认整体的设计方案，完成单片机控制的PWM直流电机调速系统设计11。该系统能实现用软件产生PWM信号，并且通过单片机对L298驱动芯片的信号传输达到对电机的启动和停止，加速和减速。本次设计的单片机的直流电机调速控制系统完成的主要内容如下：1、设计单片机最小系统电路；2、设计电机驱动电路； 3、设计LED显示电路显示转速的等级；4、设计键盘控制电路。实现对直流电机的转速的控制。5、设计掉电存储电路，当系统掉电后可以把当前的信息存储在存储器中。6、编写单片机软件程序，绘制电路原理图。 第二章 直流电机的工作原理2.1直流电机的结构模型中，不可以转动的装置有磁铁、电刷，磁铁装置也叫做主磁极。可以转动的装置有环形铁心以及环形铁心上的绕组。(这里的2个小圆圈是为了简明的示意该位置上的导体电势或电流的方向)图2-1展现的是两极直流电机模型，其在不可以转动装置（定子）上安装了两个具有直流励磁的静止不动的主磁极S以及N，在其可以转动装置（转子）上安装电枢铁心。级直流电机模型中，转子以及定子中间存有空隙。向电枢铁心上安放了A以及X两条导体连结成的电枢线圈，线圈开头以及末尾各自连结到两个铜片上，这铜片叫做换向片。两个换向片必须要彼此绝缘，由换向片组成的装置叫做换向器。安放装置时，换向器一定要固定安放在转轴上面。在其上安置着两个固定电刷B1和B2，每次电枢旋转时，电枢线圈就可以经电刷和换向片来与外电路进行接通12。图2-1直流电机物理模型图2.2 直流电机的基本工作原理在上段话描述的直流电机中，假如删去原动机，再让两个电刷接通直流电源，像图2-2（a）展现一样，就会有直流电流由电刷A流进去，途经线圈abcd，最后在电刷B 流出来，再依照电磁力定律，载流导体ab以及cd被电磁力所干扰，可由左手定则来判断其方向，两段导体所受到的力构成了一个转矩，从而让转子逆时针旋转。当直流电机转子旋转到图（b）所表达的地方时，电刷B与换向片1碰触，电刷A与换向片2碰触，从电刷A流进来直流电流，电流在线圈中的流动方向是dcba，最后从电刷B流出13。 此时可以由著名的左手定则来判断导体ab以及cd遭受到电磁力影响方向，电磁力产生的力依旧使得转子做逆时针转动。上述可以说是直流电动机的基本工作原理。即使外面加进来的是直流电源，但因为换向片以及换电刷的功能影响，最后从线圈中流过来的电流还是交流的，所以其最终作用的转矩的方向也是不会改变的。 实际应用中的直流电机转子上的绕组不是由一个线圈组成，而是由多个线圈连接组成，用来减少电动机电磁转矩的波动，以绕组形式同发电机。 图2-2直流电机的基本运行原理图2.3直流电机的调速原理众所周知，对直流电机转速n的表达式是 (2-1)式中：U-电枢端电压 I-电枢电流 R-电枢电路总电阻 -每极磁通量 K-与电机结构有关的常数从上述关系可得，可以调节直流电机转速n的办法有：(1)控制电枢端平均电压可以控制其直流电机转动速度，这种方式属恒转矩调速，因其灵敏度高，可以应用于要求范围广无级平滑调速系统；(2)因改变电机主磁通只可减弱磁通，让电动机的转速从额定转速向上变速，属于恒功率调速方法，其动态响应较慢，虽能在无级平滑调速，但其调速范围小；(3)调节电枢电路电阻R大小在电动机电枢外串联电阻进行调速，只能在有级调速，还有其平滑性差、效率低、机械特性偏软14。但是改变电枢电路电阻大小的方式其缺点不少，所以现在不常使用这个方式来控制转速；因为弱磁调速范围小，需要与调压调速配合使用，这反而多此一举；于是，自动调速系统主要以调压调速为主，所以本次选用第一种方法。 本文便是操纵这类操控方法改变电压占空比来达成对直流电机速度的操纵。改变电枢电压占空比目前所普遍应用的也是主要的有旋转变流机组、静止变流装置以及脉宽调制（PWM）变换器三种办法15。（l）可调直流电压可由旋转变流机组用直流电动机和交流发电机组成机组获得，简称G-M，这是最开始使用的调压调速系统。G-M具有良好的调速性能，但其所占空间大、系统运行麻烦、运行的时候有杂音、而且其运行效率低、维护起来也不方便。（2）20世纪40年代，起先是用汞弧整流器以及闸流管构成的静止变流设备替代旋转变流机组，但是在后期马上被更加低成本以及安全的晶闸管变流装置所替代。选用晶闸管变流设备供电的直流调速系统简称为V-M系统，通过调节电压来改变晶闸管触发控制角。来调节整流电压数值，最后能调节直流电动机转速的目的。V-M在安全性、经济性、调速性能都有很大优势，让它成为了直流调速系统的主要方式。（3)）脉宽调制 (PWM)变换器也称为直流斩波器，其的作用是使用功率开关器件关闭和断开实现操控，控制通断时间比例，将稳定的直流电源电压转换成平均值可控制的直流电压，也可叫做DC-DC变换器。大部分直流电动机是使用开关驱动方法启动。开关驱动方式是能使半导体功率器件工作在开关状态时，通过用脉宽调制PWM来操控电动机电枢电压，最终实现调速。而本文最核心是研究使用MCS-51系列单片机，用PWM方法操控直流电机调速方式。现在因为科学技术的飞速发展消除了学科之间的界线，综合当下控制技术，PWM操控电机调速能力将越来越重要16。文章中采用单片机编程技术设计PWM信号的发生程序，接着用电机驱动电路。实现直流电机的调速控制。从图2-3可以知道，当电机接电源时，最大的转动速度值为，占空比用表示。电机的平均速度：，从这个公式中可以知道，调节占空比就能获得任意的电机速度。图2-3第三章 系统方案论证3.1 系统设计方案按照论文系统设计的任务和要求，设计了图3-1系统方框图。图中核心部件为控制器模块，键盘以及显示器是拿作完成人机交互功能，把必须设置的参数以及状态输入到单片机中是由键盘完成，最后用控制器投射到显示器上。正常运行进程中控制器发生PWM脉冲输送给电机驱动电路，然后经过放大后控制直流电机转动速度，最后用按键来改变PWM脉冲占空比，最后实现电机转速实时改变的要求17。图3-1 系统方案框图本系统控制对象是55LCX永磁式直流电机，主要技术指标如表3.1。针对要求分别对电源，电机驱动部分，键盘部分以及测速显示部分进行设计。表3.1 55LCX主要技术指标 55LCX-1 峰值堵转 连续堵转最大空转转速转矩N*m电流A电压V转矩N*m电流A电压V0.424.2270.141.4920003.2 控制器模块设计方案依照设计要求，控制器先作用于发出占空操控的PWM脉冲，然后要求直流电机进行调速，按照算法得到此刻所需输出占空比脉冲。以下为控制器的三种选择。方案一：首先系统控制器选用FPGA，其中文名为现场可编辑门列阵，FPGA能够完成很多繁杂的逻辑功能，密度非常高，其把全部器件集成在一块很细小芯片上，大大缩小了体积，稳定性也得到很大提高，还能使用EDA软件仿真、调试，便于实现功能控制。FPGA选用并列运行的输入和输出方式，系统操作速度缩短，能用于大规模实时系统的控制核心。将输入模块经过参数输入给FPGA，FPGA用程序设计来操控PWM脉冲的占空比，然而现在对数据处理所需要时间要求低，FPGA的飞速完成的优点不能完美表现出来，还因为集成度较高，让经济负担加重，又因为有大量芯片的引脚，导致实物硬件电路板布线加大难度，大大增加了电路设计以及焊接的时间。方案二：系统控制器采用AT89S51的方案。其自由度大、算术运算功能比一般的强，能用多种语言所以软件编程变通，还能够用软件编程完成全部算法以及逻辑控制。相比FPGA，因为其芯片引脚不多，能在硬件很简单完成。而且它还拥有技术全面、功率损耗不高、所用本钱不高以及体积小等好处，在许多领域中应用广泛18。对比两个方法，选用AT89S51比较容易，而且可以达到目标。因此本次设计选用方案二。在选用51单片机时，还考虑了以下因素，Atmel 公司的51单片机要求配备专门的编程器，这样就提高了系统成本，但是Atmel公司单片机不但能够同时完成ISP和IAP等大部分下载程序的方式，而且其工作也在宽电压承载范围内，产生的电压波动对系统影响并不大，可以提高系统的稳定性。除此而外，Atmel单片机的加密性能比其他单片机要优越很多，并且Atmel的单片机是增强型的51单片机。综上所述，本次选用AT89S51单片机。本次设计使用51系列单片机进行设计，这种型号的单片机的优势包括：功耗较低，低电压环境工作，属于性能较高的CMOS 八位类型。这种单片机型的内部具有一个8KB的只读程序的FLASH存储器。它可以承受一千次的擦写，而且可以反复。它的制造技术采取了CMOS工艺，同时采用了来自ATMEI公司所制造的密度、防易失性都较好的存储器（NURAM）。这种技术的输出引脚与指令系统都是相互兼容的。综上所述，AT89S51型单片机的功能较强，灵活性比较好，而且成本较低，能够用于多种方面19。AT89S51具有以下的主要性能：18KB能改编程序的Flash存储器；2全静态工作：0-24Hz；3256×8字节内部RAM；432个外部双向输入/输出（I/O）口；58个中断优先级；63个16位计数器；7可编程的串行通道；8以及片内的时钟振荡器。除此之外，AT89S51型单片机在设计中采取了静态逻辑，而且它的工作频率能够低至0Hz，对于省电方式的选择有两种不同的软件，即空闲方式（Idle Mode）或掉电方式（Power Down Mode）19。在前一种方式里，RAM、串行口以及中断系统和定时器等都不会因为CPU工作的停止而中断。但是在后一种方式里，如果片内振荡器不再运转，那么整个时钟就被停止了运作，其他功能也会停止运转。同时，它储存了RAM的信息，当硬件复位之后才会继续工作。单片机是温度调节系统的重要部分，所有的程序都在里面运行。单片机的最小系统通常包括了时钟电路以及复位电路，同时这些非常小的系统能够保证单片机的平常运行，是其运行所不可或缺构成部分。以下是对最小系统的说明。AT89S51单片机是一款具备高性能，低电压的8位单片机，由美国的ATMEL公司研发和生产。其内部含有可以反复擦写的8K的程序存储器，同时还有256 bytes的（RAM）随机存储器。本型号的单片机的具体的管脚图如图3-2所示： 图3-2 单片机引脚图3.3 电机驱动模块设计方案本文中最重要的是控制电机的转动速度，所以电机驱动模块不可或缺，考虑以下方法。一：选用大功率晶体管组合电路组成驱动电路，这方式所用资金少、结构简易，很容易就能达成，但因为驱动电路中使用了许多晶体管彼此连接，从而让电路安全性降低、电路变得复杂很多、抵御干扰能力不强，但在现今的生产操作流程中最基本的方面就是安全性。因此此种方案不宜采用。二：选用特定电机驱动芯片，如L298电机驱动芯片，这是由于其本身已经想到了电路的可靠性，抗干扰能力，安全，所以本次设计在使用时只要考虑到芯片的驱动能力、硬件连接等问题就行了，所以此方案的电路抗干扰能力强、设计简单、可靠性好。本次设计不需要在硬件电路设计花很多时间，就能将重心用在完成算法以及软件设计构思中，工作效果也能得到保证，能在最短的时间中完成工作。对两种方法进行分析以及考虑现实状况，选用第二种方法。3.4 显示模块设计方案在电机转速控制系统中，该系统必须对工作方式、参数以及电机当前运行状态的显示，因此在整个系统中就需要设计一个显示模块，有以下三种考虑方案： 方案一：使用七段数码管（LED）显示。数码管具有工作电压低、亮度高、驱动简单、功耗小、易于集成、耐冲击和性能稳定等特点，并且它还可采用BCD编码显示数字，容易编程，硬件电路调试简单。在本次论文设计中数码管完全可以完成本次目标。方案二：使用1602LCD液晶显示器，其硬件电路较简单、控制方法容易、所用功率不高、硬件电路不复杂、可显示字符，但考虑到该液晶显示器的屏幕小，不能显示汉字，因此对于必须显示大量参数的系统来讲不宜采用。方案三：使用128×64LCD液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法以及硬件连接电路跟上面两种方案较复杂，显示屏幕大、可进行显示汉字和字符。但其成本比较高，因此本次不适用。根据本次设计的设计要求，显示模块选用方案一。3.5 键盘模块设计方案 在电机转速的控制系统中，系统需要对按键进行参数的输入、工作方式的设置以及电机起停的控制，所以键盘在整个系统中是不可或缺的一部分，有二种考虑方案：方案一：选取独立式键盘，它的硬件连接与软件完成简单，并且任意按键各不相关，任意一个按键都有一端接地，另一端连接到输入线上。按键的工作情况不影响其他按键上的输入状态。但是因为独立式键盘任意一个按键必须用到一根输入口线，所以在按键数目较多时，浪费大量I/O口，但本次设计的基于单片机的直流电机调速系统中使用的键盘较少，因为独立按键可以实现本次设计的要求。方案二：选用行列式键盘，它的特征是行线、列线一一对应连输入线、输出线。又因为把按键设置安放在行、列线的交叉点上，根据这种矩阵结构只需m根行线以及n根列线就可构成个按键的键盘，所以矩阵式键盘适用于按键数目较多的场合。但此种键盘的软件结构比较复杂。本次设计不适用。按照两个方案的理解，且对照论文的要求，最后决定选用第二种。3.6 电源模块设计方案电源是任何系统可否运转的能量来源，无论什么样的电力系统电源模块都是不能缺少的，对于该模块有以下两种考虑方案。方案一：通过电阻分压方式依次把整流后的电压降为控制芯片以及电机运行所需电压，此方案原理和硬件电路连接都较为简单，但其对能量损耗较大，在实际应用系统中一般不采用。方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理，此方案安全性、可靠性高，对能源的利用率较高，且电路简单容易实现。根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。3.7存储模块设计方案一般的功能强大的系统都需要存储电路的支出，在系统断电后可以把断电时的数据存储在存储其中，在下次上电后重新读取数据，这样可以保护本次设计我所设置的数据不被破坏。本次采用AT24C01A芯片。通过上述的分析和论证，系统各模块采用如下方案： （1）控制模块： 选用AT89S51单片机； （2）电机驱动模块：选用直流电机驱动芯片H型电机驱动电路实现； （3）显示模块： 选用LED数码管显示模块； （4）键盘模块：  选用独立式式键盘进行控制； （5）电源模块：  选用7812芯片实现； （6）存储模块：  选用AT24C01A芯片实现。第四章 系统硬件电路设计4.1系统硬件电路设计如下图4-1所示为硬件电路设计框图，硬件电路结构初步假想由以下6部分组成：复位电路、时钟电路、输入电路、单片机、驱动电路和直流电机。驱动电路选用了以H桥电路为功率放大电路和GTR可控开关元件所组成的电路结构。控制部分选用C语言编程控制，AT89S51芯片定时器产生PWM脉冲波形，由通过改变波形的宽度来操控H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。按照硬件系统电路设计图，对每个部分模块的原理进行剖析，编写各自模块程序，最终将其组合。图4-1硬件系统电路设计框图4.2单片机最小系统电路单片机最小系统一般包括晶振、复位电路和电源电路。电路图如图4-2。图4-2 单片机最小系统 复位是单片机初始化操作，不仅可以正常工作时初始化，也可以在发生故障时初始化，以摆脱困境，复位电路如图4-3所示。图4-3 复位电路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的稳定性，时钟电路如图4-4所示。本设计采用12MHZ晶振，外接电容C1和C2。外接电容会影响振荡器的频率高低、稳定性，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。图4-4 时钟电路4.3键盘电路设计独立式按键就是任意按键各不相关，任意一个按键都有一端接地，另一端连接到输入线上。按键的工作情况不影响其他按键上的输入状态。所以，只要检验输入线的电平状态能够很简单知道其中哪个按键被启动了。独立式按键软件操作容易，电路配置能自由变通。任意单个按键必须使用一个输入口线，所以当按键数目大量时，必须要大量输入口线所以形成的电路结构复杂，故这类键盘应用于少量按键或者操作速度比较高的地方。消除键抖动。正常按键在启动的刹那会有抖动发生，就是簧片在被下压会有细小的反弹，必须要过一定的时间才能完全碰到。如果在簧片颤动时进行扫描便有很大机会得到错误的数据。所以，要在操作时有抖动的考虑。最好的解决方式是在检查簧片被下压时，过段时间再开始扫描，延迟时间最佳为1020ms。这个问题一般可通过调用子程序来解决，当系统中出现子程序时，调用几回显示子程序也能刚好达到消除抖动的目的。图4-5控制输入电路本文选用查询工作方式，即把键盘检测子程序直接插入在主程序中，主程序每当执行一次则键盘检测子程序就被执行一次，对键盘进行也检测一次，若是把没有键按下，则跳过键识别，直接执行主程序；若是有键按下，则经过键盘扫描子程序识别按键，从而得到按键的编码值，然后根据编码值来进行相应的处理，等处理完后再重新回到主程序执行。4.4电机驱动电路本次设计电路使用的是以H桥电路作为功率放大电路以及大功率三极管为开关元件组成的电路。具体见图4-6。图中，四只GTR三极管分成两组，和为一组，和为另外一组。同一组中的两只三极管一起导通，一起关断，且两组三极管之间能够交替的导通和关断。三极管是种双极性大功率高反压晶体管，它大多数用作于功率开关使用，而且三极管是一种拥有自关断特点的全控型电力半导体器件，这一特性可以使各种变流电路的控制更加简单和灵活，线路组成大为简化。图4-6 电机PWM驱动模块的电路在电动机驱动信号这方面，本设计应用了占空比可调的周期性矩形信号控制。脉冲频率能让电动机转速有一定影响，虽然脉冲频率高时其连续性好，但导致其带负载能力变差，在脉冲频率低的时候跟上述相反。根据结果可知，当脉冲频率超过40Hz的时候，电动机转动平稳，但是在加负载后，速度下降更明显，低速时甚至会停止转动；脉冲频率低于10Hz的时候，电动机转动有显著跳动现象。结果表明，脉冲频率在15Hz到30Hz时候为最佳。但是现场使用的频率大小可根据个别电动机性能在此范围内自由调节。通过从P2.0输入信号，P2.1输入低电平与从P2.0输入低电平，P2.1输入信号分别完成电动机的正转与反转功能。利用孤立元件搭建的H桥电路一个缺点就是击穿， 即Q8和Q9同时导通，或者Q7和Q10同时导通。选择使用芯片可减少这一状况发生。常用的电机H桥驱动芯片有：L298。4.5 存储电路设计为了能将系统所设定的参数在系统掉电之后还能够恢复，所以在设计时须考虑如何来存储这些特定的参数。由于AT89S52系列弹片机片内没有EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memo)，必须采用外部扩展方式。通常我们采用的掉电存储芯片是AT24C01A系列的存储芯片，为了方便以后扩展，在这里我们选用拥有有16K存储空间的AT24C01A芯片。AT24C01A接口技术采用的是I2C总线接口控制方式。I2C总线的数据传递速率在正常标准的工作方式下一般为100kbit/s而在快速方式下最高传递速率能达到400kbit/s。其能由串行时钟线SCL和串行数据线SDA两根线同时连在总线上的处理机进行通信，完成上一步后还能根据不一样的地址来辨别任意相应的器件。采用I2C总线标准技术的单片机内部不单单具有I2C接口电路，还能把内部的每个单元电路划分为单独的模块，运用软件寻址的方式完成片选。CPU通过特定的命令把某个具备一定功能的单元电路进行读或写的操作还可以对这一个单元电路的工作情况进行检测，从而实现对硬件系统简单而又灵活的扩展和控制。AT24C01A的管脚功能如表4.1所示。AT24C01A主要存储的内容是定时的数据和系统时间参数等，在系统恢复供电时取出定时时间与实时时钟数据进行对比，实现定时控制和时钟显示的功能。其应用电路如图4-7所示。表4.1 AT24C01A的管脚介绍管脚名称功能A0、A1、A2器件地址选择SDA串行数据/地址SCL串行时钟WP写保护VCC+1.8V6.0V工作电压GND地图4-7 AT24C01应用电路在上面的电路中，AT24C01A是一款简单的数据存储器，通过图中的典型电路的连接可以实现单片机对AT24C01A的数据的读写操作，对于本次系统中单片机可以先把采集到的速度信息和温度信息以及里程信息存入存储器中，当下次使用的时候还可以通过单片机把存储器中的信息读出来在次使用。4.6 LED显示电路设计4.6.1四位一体数码管显示要将数据传输到显示器中要经过透明锁存器的