一種電機(jī)調(diào)速器主控板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周穆潔， 唐萌萌

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱150040；2.長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北荊州434023）

一種電機(jī)調(diào)速器主控板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周穆潔1， 唐萌萌2

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱150040；2.長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北荊州434023）

轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)主要由AT89C51單片機(jī)、LCD顯示器、光電傳感器、L298(驅(qū)動(dòng)芯片)、鍵盤接口和直流電動(dòng)機(jī)等組成。該設(shè)計(jì)是以AT89C51單片機(jī)作為核心的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，采用光電傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，鍵盤輸入電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速。

單片機(jī)；光電傳感器；鍵盤接口；主控板；直流電動(dòng)機(jī)

1 單片機(jī)芯片選擇

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，目前普遍使用的是80C51系列，而美國Atmel公司暢銷多年的AT89系列單片機(jī)［1］的優(yōu)點(diǎn)使它很快脫穎而出，并占有較大的市場份額。89系列單片機(jī)對一般用戶來說，有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲器，和80C51插座兼容，靜態(tài)時(shí)鐘方式，錯(cuò)誤編程亦無廢品產(chǎn)生，可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn)。

鑒于以上89系列單片機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，且能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。故直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主控板采用AT89系列單片機(jī)，型號為ATC89C51。

2 基于AT89C51的主控板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)

基于AT89C51單片機(jī)的主要外圍功能電路描述如下：檢測電路(光電傳感器)完成電機(jī)被控信號的檢測與傳輸；驅(qū)動(dòng)電路（L298）與直流電機(jī)相連，帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；LCD電路用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示；鍵盤電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于AT89C51的主控板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電路結(jié)構(gòu)

3.1 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路通常由石英晶體和2個(gè)微調(diào)電容來產(chǎn)生單片機(jī)的內(nèi)部振蕩電路，是單片機(jī)工作的必要條件。此外單片機(jī)還可以采用外部時(shí)鐘，即從外部輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，對CMOS芯片可將外部時(shí)鐘直接連到XTAL1;對NMOS則連到XTAL2,XTAL1接地，電路如圖2。

圖2 單片機(jī)時(shí)鐘電路

單片機(jī)CPU工作頻率的計(jì)算：通常1個(gè)機(jī)器周期=12個(gè)時(shí)鐘周期，比如若晶振頻率為12 MHz，則1個(gè)機(jī)器周期=12×1/（12M）s=1 μs，即單片機(jī)每1 μs執(zhí)行1條指令。

3.2 復(fù)位電路

圖3 單片機(jī)復(fù)位電路

單片機(jī)和其他微處理器一樣，啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使CPU和系統(tǒng)的各個(gè)部件都處于一種確定的初始狀態(tài)。復(fù)位信號是從單片機(jī)的RST引腳輸入的，高電平有效，其有效電平應(yīng)維持至少2個(gè)機(jī)器周期，圖3是按鍵手動(dòng)復(fù)位電路。

3.3 鍵盤電路

根據(jù)系統(tǒng)要求，在單片機(jī)的外圍功能模塊中設(shè)置了4×4個(gè)按鍵。實(shí)現(xiàn)的功能如下：電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值設(shè)定及微加微減，正反轉(zhuǎn)控制和報(bào)警電路控制。其電路原理如圖4所示。在本系統(tǒng)中，用P1.0～P1.3連接鍵盤的行信號；用P1.4～P1.7連接鍵盤的列信號。

圖4 鍵盤模塊

鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，128×64LCD將顯示開機(jī)界面，按下設(shè)置鍵顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時(shí)按1、2、3、4進(jìn)入相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置狀態(tài)，輸入相應(yīng)的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置，待所有量設(shè)置完成后按正/反控制鍵設(shè)置正反轉(zhuǎn)，最后按開始啟動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中可按下相應(yīng)鍵對電機(jī)進(jìn)行停止運(yùn)行、微加、微減、正反轉(zhuǎn)及報(bào)警/取消報(bào)警的控制。

3.4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

理論上，是先將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為某一種電量來測量，如電壓、電流等。設(shè)計(jì)中將轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)換成電脈沖頻率的測量。基于這一思想，可以采用光電傳感器，使輸出信號的一只在轉(zhuǎn)輪一側(cè)固定，另一只則粘在對應(yīng)位置的轉(zhuǎn)輪上，這樣，電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈，傳感器將會(huì)輸出1個(gè)脈沖。如圖5所示，這樣，就完成了轉(zhuǎn)速/頻率的轉(zhuǎn)換。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.5 轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

如圖6所示，此電路為簡單的紅外線光電傳感器，它由一對紅外發(fā)射管及接收管組成，紅外發(fā)射管及接收管分別固定在電機(jī)葉片的兩側(cè)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片因?yàn)榭梢該豕舛辜t外接收管在葉片旋轉(zhuǎn)1周內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，脈沖個(gè)數(shù)取決于葉片的數(shù)量。該脈沖信號（也可以先將它整形）被送入單片機(jī) P3.2口或（即中斷0）進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理。

3.6 脈沖濾波整形電路的設(shè)計(jì)

由于電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中有很大的晃動(dòng)，因此所獲得的脈沖信號難免摻雜有高頻噪聲或誤動(dòng)脈沖。為了提高測量的準(zhǔn)確，且盡可能地減少錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)的脈沖整形電路如圖7所示，在OUT輸出端加以電容接地。為了既能抑制噪聲又不影響測量，電容C的選擇很重要。根據(jù)實(shí)際測量，若設(shè)計(jì)中使用的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，其所產(chǎn)生的脈沖周期T＝1/（6 000/60）＝0.01 s，一個(gè)周期內(nèi)，脈沖持續(xù)時(shí)間約為T/8＝0.001 25 s，低電平時(shí)間約為7T/8＝0.008 75 s，由于導(dǎo)通電阻很小，所以電容迅速充電，當(dāng)?shù)碗娖降絹頃r(shí)開始放電，為保證下一個(gè)脈沖的檢測，放電時(shí)間T應(yīng)小于低電平持續(xù)時(shí)間7T/8，根據(jù)電路，T＝R2·C＜0.008 75，代入R2值解不等式可得：C＜0.000 017 F，單位換算得C＜0.017 μF，為了整形方便，實(shí)際設(shè)計(jì)中可選C＝0.001 μF。由于單片機(jī)中斷I/O口需要輸入的信號是正規(guī)的矩形脈沖，所以電路的脈沖整形電路采用74LS06反相器進(jìn)行兩次反相后輸入單片機(jī)。

4 結(jié) 論

控制模塊電路是硬件系統(tǒng)的核心，它控制著其它各模塊的工作，電路主要由以單片機(jī)為核心的外圍接口電路、L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、光電傳感器組成的轉(zhuǎn)速檢測電路和液晶顯示電路，能較好地能滿足主控板系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6 轉(zhuǎn)速/脈沖轉(zhuǎn)換電路

圖7 脈沖濾波整形電路

［1］ 國兵.單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2012.

（編輯昊 天）

TP 272

A

1002－2333（2014）05－0192－02

周穆潔（1981—），女，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、科研項(xiàng)目管理等工作。

2014-03-05