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XXXXXX學院畢業設計(論文)原創性聲明

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                                  年    月    日

目  錄

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

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

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

1.1  直流電機調速的背景及意義............................................................................9

6總結....................................................................................................31

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

參考文獻....................................................................33

附  錄              34

附錄1 電機調速系統原理圖              35

附錄2電機調速系統PCB圖              35

附錄3 程序              37

附錄5 實物照片

    在生產生活中,特別是設備、儀器的調速控制中廣泛采用直流電機。以往的調速多通過調節穩壓電源、調節可控硅等來實現,這樣的調速方式常常存在有調速不均勻、線路可靠性差、功耗大、調節范圍小、調試困難等諸多問題。本文采用基于單片機的PWM控制技術對直流電機進行控制,取得了高精度、調速范圍寬、功耗小等優良性能。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和控制策略。1.PWM技術原理PWM(Pulse-Width Modulation,脈寬調制)控制是對脈沖的占空比進行調制的技術,以往調節占空比的方式大致有三種:固定脈沖寬度而調節頻率、同時調節脈沖寬度與頻率、固定脈沖頻率而調節脈沖寬度。三種方式中的前兩種在調速過程中都需要改變脈沖的周期,這往往會導致整個系統出現共振的錯誤。因此常采用固定脈沖頻率而調節脈沖寬度的方法來獲得所需要的驅動電壓。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的穩定性。

• 緒論
  

  1.1  直流電機調速的背景及意義

在現代電子產品中，自動控制系統，電子儀器設備、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。直流電機，大體上可分為四類：幾相繞組的步進電機、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速特性，它的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，轉速控制容易，調速后效率很高。與交流調速相比，直流電機結構復雜，生產成本高，維護工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術的成熟，使得矢量控制變頻技術獲得迅猛發展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調速裝置，并在工業上得到廣泛應用。適用范圍：直流調速器在數控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設備、印制電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設備、機車車輛、醫療設備、通訊設備、雷達設備、衛星地面接受系統等行業廣泛應用。高性能的交流傳動應用比重逐年上升，在工業部門中，用可調速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。

1.2直流電機調速的方案論證及實現目標功能

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

2.系統方案設計與論證

   控制器主要用于各模塊控制顯示、搶答、音樂等。控制器的選擇有以下兩鐘方案。

方案1：采用FPGA（現場可編程門列陣）作為系統的控制器。FPGA可以實現各種復雜的邏輯功能，規模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上， 減小了體積，提高了穩定性，并且可以應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。但由于本設計對數據處理的速度要求不高，FPGA的高速處理的優勢得不到充分體現，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雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。

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

基于以上分析擬訂方案二。

   系統需要多個電源，AT89S52使用5V穩壓電源，四聯數碼管供電電壓為5V。給出以下兩個方案。

方案1：采用升壓型穩壓電路。用兩片MC34063芯片分別將3V的電池電壓進行直流嶄波調壓，得到5V穩壓輸出。只需使用兩節電池，既節省了電池，又減小系統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穩定運作。

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

綜上所述，選擇方案二。

鍵盤是單片機不可缺少的輸入設備，是實現人機對話的紐帶。鍵盤按結構形式可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤，前者用軟件方法產生鍵碼，而后者則用硬件方法來產生鍵碼。在單片機中使用的都是非編碼鍵盤，因為非編碼鍵盤結構簡單，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I/O輸入口所直接反映的相應按鍵，按下的狀態進行編碼，稱按鍵直接狀態碼，對于這樣編碼的獨立式鍵盤，CPU可以通過直接讀取I/O口的狀態來獲取按鍵的直接狀態編碼值，根據這個值直接進行按鍵識別，這樣形式的鍵盤結構簡單，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，當單片機應用系統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，設置一個按鍵中按鍵的個數是M*N個。這種形式的鍵盤結構，能夠有效的提高單片機系統中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，響應操作人員的鍵盤輸入，但CPU在執行應用程序的過程中，不能響應鍵盤輸入，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總是定時的關心鍵盤狀態。

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

根據以上的論述，采用方案一，在本系統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數碼管是一種半導體發光器件，其基本單元是發光二極管，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發亮，從而顯示出數字。可以顯示：時間、日期、溫度等可以用數字代替的參數。

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

動態驅動是將所有數碼管的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，當單片機的P0口輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，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碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。

在本設計中采用了四位八段數碼管，用動態驅動來顯示溫度的值，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個字節的RAM。

7.模塊結構緊湊，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本身設有專門的液晶驅動電路，LED結構簡單，體積小，功耗低，響應速度快，壽命長，可靠性也高，等優點，而且亮度也高，價格也便宜，但是本時鐘設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。而且對我們研究學習，不在于便宜，是我們要學到更多的知識，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  顯示電路的設計

顯示電路的主要部分就是顯示器件，所以顯示電路的設計第一步就是顯示器件的選擇，對我們一般的設計，首選當然是數碼管，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，本設計要求最多4位的數字顯示，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型橋式驅動電路
    直流電機驅動電路使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。它的基本原理圖如圖1所示。

    全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態，S1、S2為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態互補，一組導通則另一組必須關斷。當S1、S2導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當S3、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。
    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，即在正轉和反轉之間切換，也就是在S1、S2導通且S3、S4關斷，到S1、S2關斷且S3、S4導通，這兩種狀態之間轉換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關器件都存在
開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了。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管動作之間的協同性和同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關系，而實際上卻必
須相差一個足夠的死區時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現，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（具體方法參看后文）。

    驅動電流不僅可以通過主開關管流通，而且還可以通過續流二極管流通。當電機處于制動狀態時，電機便工作在發電狀態，轉子電流必須通過續流二極管流通，否則電機就會發熱，嚴重時燒毀。
    開關管的選擇對驅動電路的影響很大，開關管的選擇宜遵循以下原則：
(1)由于驅動電路是功率輸出，要求開關管輸出功率較大；
(2)開關管的開通和關斷時間應盡可能小；
(3)小車使用的電源電壓不高，因此，開關管的飽和壓降應該盡量低。
    在實際制作中，我們選用大功率達林頓管TIP122或場效應管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動芯片，如L298、LMD18200，性能比較穩定可靠。
    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動部分之間用光耦隔開，以免影響控制部分電源的品質，并在達林頓管的基極加三極管驅動，可以給達林頓管提供足夠大的基極電流。圖3所示為采用TIP122的驅動電機電路，IOB8口為“0”，IOB9口輸入PWM波時，電機正轉，通過改變PWM 的占空比可以調節電機的速度。而當IOB9口為“0”，IOB8口輸入PWM波時，電機反轉，同樣通過改變PWM的
占空比來調節電機的速度。

2.5.2 驅動芯片L298N

    采用電機驅動芯片L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅動，可直接的對電機進行控制，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，即可以對電機進行正反轉，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。調試時在依照上表，用程序輸入對應的碼值，能夠實現對應的動作。

2.6  PWM 控制
    PWM（脈沖寬度調制）控制，通常配合橋式驅動電路實現直流電機調速，非常簡單，且調速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。
    由于電機的轉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，電機轉得越快，當占空比α＝1時，電機轉速最大。PWM控制波形的實現可以通過模擬電路或數字電路實現，例如用555搭成的觸發電路，但是，這種電路的占空比不能自動調節，不能用于自動控制小車的調速。而目前使用的大多數單片機都可以直接輸出這種PWM波形，或通過時序模擬輸出，最適合小車的調速。我們使用的是AT89S52 單片機，它是8位單片機，頻率最高達到24Hz，可提供2 路PWM 直接輸出，頻率可調，占空比8級可調，控制電機的調速范圍大，使用方便。AT89S52單片機有32個I/O口，內部設有2個獨立的計數器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調節的PWM信號輸出，用以控制電機調速。在實際制作過程中，我們認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級調節也完全可以滿足調速要求，并且在小車行進的過程中，占空比不應該太高，在直線前進和轉彎的時候應該區別對待。若車速太快，則在轉彎的時候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費時間。這時可以根據具體情況慢慢調節。所以本設計采用PWM波調整電機的速度。

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。

驅動模塊：采用H橋式驅動

速度調節：PWM波調速

AT89S52單片機是一款低功耗、低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內含8KB（可經受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可反復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）技術制造，其輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容，片內的FLASH存儲器允許在系統內可改編程序或用常規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，可方便的應用在各個控制領域。

AT89S52具有以下主要性能：

1.8KB可改編程序FLASH存儲器；

2.全表態工作 ：0～24HZ；

3.256X8字節內部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/數據線復用口。作為輸出口時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端。

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

P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內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是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內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位地址的外部數據儲存器（例如執行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據儲存器（例如執行MOVX@RI指令）時，P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器（SFR）區中R2寄存器的內容），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是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內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:復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。

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

   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：每當訪問外部數據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ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置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AT80C51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現。

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，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（Vcc端），CPU則執行內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部時鐘發生器的輸入端。

MCS-51的復位輸入引腳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行，在MCS-51的時鐘電路工作后，只要RST引腳上出現超過兩個機器周期以上的高電平時，即可產生復位的操作，只要RST保持高電平，則MCS-51循環復位，只有單RET由高電平變成低電平以后，MCS-51才從0000H地址開始執行程序，本系統采用按鍵復位方式的復位電路。

圖3-2復位電路

AT89S52的時鐘可以由兩種方式產生，一種是內部方式，利用芯片內部的振蕩電路；另外一種為外部方式，本論文根據實際需要和簡便，采用內部振蕩方式，MCS-51內部有一個用于構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成了一個自激振蕩器。

AT89S52雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，所以實際構成的振蕩時鐘電路，外接晶振以及電容C1和C2構成了并聯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，振蕩器的穩定性，起振的快速性和溫度的穩定性。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 晶振電路的設計

3.4 霍爾傳感器原理介]。

A44E 屬于開關型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（4.5～18V），其輸出的信號符合TTL 電平標準，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到1MHZ。

3.4.1  霍耳傳感器簡介

霍爾效應指的是：

在半導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，將產生電勢差為UH的霍爾電壓。其原理圖如圖3-4所示。

當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產生電位差，這種現象就被稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達式為

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

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

由此可見，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度成正比的關系。

霍爾開關就屬于這種有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，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換成實際應用中的電信號，同時又具備工業場合實際應用易操作和可靠性的要求。

霍爾開關的輸入端是以磁感應強度B 來表征的，當B 值達到一定的程度（如B1）時，霍爾開關內部的觸發器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態也隨之翻轉。輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開關類似有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、響應頻率高等特點，內部采用環氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環境下可靠的工作。霍爾開關可應用于接近開關，壓力開關，里程表等[8]。

3.4.2 集成開關型霍耳傳感器原理

如圖4-7，A44E 集成霍耳開關由穩壓器A、霍耳電勢發生器(即硅霍耳片)B、差分放大器C、施密特觸發器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，經穩壓器穩壓后加在霍耳電勢發生器的兩端，根據霍耳效應原理，當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生霍耳電勢差H V輸出，該H V信號經放大器放大后送至施密特觸發器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當施加的磁場達到.工作點.(即OPB)時，觸發器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導通，此時OC 門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態為.開。當施加的磁場達到.釋放點(即rP B)時，觸發器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態為.關.。這樣兩次電壓變換，使霍耳開關完成了一次

開關動作。其原理圖如圖3-5所示。

3.4.3 霍耳開關外形及接線圖

其集成霍耳開關外形及接線如圖3-6 所示。

（a）霍爾開關外形                   (b)  霍爾開關接線圖

圖3-6 集成霍耳開關外形及接線圖

在此選擇P3.2口作為信號的輸入端，內部采用外部中斷0（這樣可以減少程序設計的麻煩），車輪每轉一圈，霍爾開關就檢測并輸出信號，引起單片機的中斷，對脈計數，當計數達到1000次時，得出計數達到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碼管顯示速度。

4 電機調速系統的軟件設計

4.1 電機調速系統流程圖

    該系統軟件采用C語言編制，模塊化設計，分為主程序，轉速計算程序，鍵盤程序，時鐘中斷程序，顯示程序。在速度計數中斷程序中完成計量工作；時鐘程序每秒鐘向AT89S52發出中斷請求，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據的查尋工作；顯示程序完成顯示工作。軟件設計框圖如下圖4-1所示。

4.2 系統主程序

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、循環等工作。另外，在主程序模塊中還需要設置啟動/清除標志寄存器，并對它們進行初始化。然后，主程序將根據各標志寄存器的內容，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 中斷計數程序

當計數器對脈沖計滿一定數值時，就由計數中斷電路向微機發出中斷請求，使微機進入計數中斷服務程序中。每當霍爾傳感器輸出一個低電平信號就使單片機中斷一次，當計數器對脈沖計滿1000次時，進入計數中斷服務程序中，變量加一。主函數中總金額也相應地變化。

。

4.3.2 顯示程序

程序利用定時器每1ms產生一次中斷，相應變量置位，點亮一個數碼管，顯示一位數據，利用主函數內的循環，實現動態掃描顯示，同時根據數碼管余輝和人眼暫留現象，即可實現顯示。

4.3.3 鍵盤程序

鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當沒有按鍵按下的時候，單片機循環主程序，一旦有按鍵按下，便轉向相應的子程序處理，處理結束再返回。

4.4 程序設計

本設計的程序采用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，經過高溫壓制（150°左右），再經腐蝕后晾干即可。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計完成，硬件的排版、布線不需要考慮在實物焊接時布線產生的信號干擾、寄生耦合、焊接方便等問題。而在實物電路板電路的設計中，要考慮這些問題。

5.2 鉆孔和焊接

在鉆孔時，根據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。要做到良好的焊接，在焊接過程中每一個環節都要重視錫良好的焊接的條件是：焊件表面應該是清潔的，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行鍍錫浸潤后在進行焊接；要有適當的加熱溫度，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，影響焊接質量。

5.3 焊接電路的檢測

由于計價器的設計相對電路復雜，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各種問題導致線路不通，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行檢測，出現問題要及時調試，以保證各個單元正常工作。

檢測時首先在不加電源進行檢查，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）。

經過上述檢查確認無誤后，就進行檢測。檢測是把經過準確測量的電源接入電路，用萬用表電壓檔監測電源電壓，觀察有無異常現象：如冒煙、異常氣味、手摸元器件發燙，電源短路等，如發現異常情況，立即切斷電源，排除故障。

5.4 輸入程序并調試運行

當各個模塊都焊接結束，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，必須確認輸入的程序合理、正確，一旦程序出現問題，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。本設計采用的是可在系統編程的單片機。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，再通過單片機內部專門的固件程序將輸入的程序燒寫到單片機內部（或者外擴）的Flash存儲器中。在本設計中采用程序編程器將程序寫入單片機Flash存儲器中。

6  總結

經過這些天對電機調速系統的畢業設計，讓我對單片機的應用有了更深入的了解，對所學的知識進行了增強和鞏固。在畢業設計的過程中，碰到了許多的問題。比如，對于一些相關的應用軟件沒能熟練掌握，在電機系統的硬件設計上，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試經驗不足。經過老師的精心指導和同學的幫助，以及參考相關的資料，最終還是把問題解決了。

通過這次畢業設計，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習是學不到其中的精髓的，必須親自去試著實踐，親自去經歷、總結，才能對它們真正的掌握。遇到困難，永遠不要沮喪氣餒，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識。這次設計給了我極大的鼓舞和信心，激勵我在以后的學習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，四年的大學生涯已悄然接近尾聲。回顧大學生活，往事歷歷在目，難以忘懷。在此，對所有關心、幫助和指導我的老師、同學和朋友們致以誠摯的感謝。

首先要感謝我的論文指導老師xxx和四年來為我的成長學習而默默無聞、無私奉獻的老師們。四年來，老師們時刻關心我的生活、學習，對我的生活和學習給予了終生受益的指導和建議，對畢業論文的構思和完成給予了無微不至的關懷和指導。同時，老師也以嚴謹的治學態度、淵博的知識、敏銳的科學洞察力和忘我的工作精神為我樹立楷模，時刻熏陶著我。學為人知，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意義。

還要感謝相處了四年的同學和朋友，他們對我的生活和學習給予了關心和幫助，在我的論文遇到問題時給我提供了許多幫助，在同學和朋友的幫助下，我的畢業設計得以順利完成。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 電機調速系統的原理圖

附錄2 電機調速系統PCB圖