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