3 直流调速系统设计
3.1 单片机最小系统电路设计
本次设计中主要应用了89S51单片机，由最小单片机系统组成，并将单片机的P2.0、P2.1口作为输出口，输出占空比不同的矩形波，供给后续驱动电路部分，速度控制方面在单片机的外围扩展了两个按键，key1作为加速按键，key2作为减速按键，进行调速控制。
图4为89S51单片机控制系统的控制部分。
图4 单片机最小控制系统
3.2 驱动电路部分
由于单片机I/O口输出的电流太小，因此将电机直接接在单片机上无法起动，需要加以驱动电路提供电源，驱动电路有以下三种方案：
方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单，添加稳压器可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。
方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
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方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。电路工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
本文设计是针对小型电机进行直流调速，所以采用方案一的集成芯片，能够使电路简单，且工作稳定，本设计采用的是L298驱动芯片。L298的逻辑功能如表1所示。
表1 L298逻辑功能表
ENA(B) H H H L
L298芯片是目前市场上较容易买到的直流电机驱动芯片，是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的TTL电平控制。L298支持50V以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达2A的电流，因此它满足了一般小型电机的控制要求。其驱动电路图如图5，二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。PWM控制信号由in1、in2输入。如果in1为高电平，in2为低电平时电机为正向转速，反之in1为低电平，in2为高电平时，电机为反向转速。ENA引脚为芯片使能端，若为高电平，芯片工作，为低电平，芯片停止工作。本文使能端悬空，默认高电平。
IN1(IN3) H L 同IN2(IN4) X
IN2(IN4) L H 同IN1(IN3） X
电机运行状况 正转 反转 快速停止 停止
图5 电机驱动电路
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3.3 78XX系列集成稳压器
78XX系列集成稳压器的典型应用电路如图6所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，R为负载电阻。其中5V电压是由220V交流电压经过降压至36V，再经过一个桥式电路整流，接到7812集成稳压器，变成12V直流电压，最后经过7805变成5V直流电压。
图6 稳压电路
3.4 电源部分
电源部分采用的是三端稳压器7812和7805，输入由变压器和桥式电路整流提供+12V直流电，经7805稳压，由电容滤波，输出+5V电压，为单片机、霍尔传感器和LED数码管提供工作电源。L298驱动电路需要12V和5V直流电压同时供电。图7为电路中电源部分。
图7 电源电路
3.5 测速电路设计
霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH，放大后经信号变换器、驱动器进行整行、放大后输出复制相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此
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可求出单位时间内的速度V=NT。
系统中按照要求加入了测速电路，目的是为了监控电机是否运转正常。测速电路采用了霍尔传感器，其外形图如图8（a）、8（c）所示，其测速示意图如图8(b)所示。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，传感器便输出一个脉冲，让其和单片机的INT0口相连，每一个脉冲触发一次中断，记一次数，在规定的时间内读出脉冲数，计算出电机转速。脉冲电路不需要再加滤波电路，因为芯片内部已集成了，当没信号产生时，可以换一下磁钢的方向，其对磁钢的方向是有要求的，磁钢和传感器的距离要小于5mm，一个码盘上磁钢数量以3～6个为好。
本设计中电机转速信号的采集元件选用开关集成霍尔传感器，由于它是OC门，故输出端与电源之间必须接一个电阻。霍尔元件输出的脉冲信号经过三极管放大，再送到单片机P3.2脚。此芯片只是本设计的一小部分，在此不做具体介绍。霍尔元器件用三个引脚的方框代替，仿真时用方波代替。 其外形和电路原理图如下图所示。
图8（a） 图8（b） 图8（c）
图9 霍尔传感器接线图
3.6 MAX7219和LED显示转速
闭环速度控制中传感器选用霍尔传感器，转轴每转一周输出一个脉冲信号。转速脉冲信号整形后，输入到89S51单片机的INTO中断口P3．2端口上。软件设置INTO为下降沿中断，
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+5V霍尔 元件 R=+5V 10K out
进入中断服务程序后开启定时/计数器O进行定时，测出每转的周期，输出PWM波占空比的控制数。由八位驱码驱动器带动LED数码管进行显示。
MAX7219芯片为MAXIM公司推出的串行输入／输出共阴极显示驱动器，是用一个芯片实现以往用软件完成的动态显示电路扫描工作的器件。每片可控制显示8个七段LED数码管，控制字简单，可与各种微机接口。前四位显示当前运行速度，后四位显示预置速度，本文中使用四位。MAX7219串行口工作频率最高10MHz，八位LED显示，通过对译码模式寄存编程，可控制各位显示方式(BCD码或非译码)，显示是片内动态扫描模式，通过一个电阻和编程可控制亮度。MAX7219的数据输入端DIN、时钟端CLK、数据锁定端L分别与89S51单片机的P1.6、P1.5、P1.7端口相接。改变电阻R的阻值可调整显示亮度，R取值在3.9～10k?之间。使用MAX7219不仅可减少硬件电路，由于是片内动态扫描显示，并可降低功耗和简化软件设计。
引脚功能和工作原理
MAX7219采用24脚双列直插式封装，其引脚如图10所示。SEGA～SEGG和DP分别为LED七段驱动器线和小数点线，供给显示器源电流；DIG0～DIG7为8位数字驱动线，输出位选信号，从每位LED共阴极吸入电流。
图10 MAX7219引脚图
其中D15～D12位不用，D11～D8位为内部5个控制寄存器和8个LED显示数据寄存器的地址，D7～D0位为5个控制寄存器和8个LED数码管待显示的数据，因为控制寄存器与显示数据寄存器独立编址，所以可以通过程序对每个寄存器进行操作。一般情况下，程序先送控制命令，后向显示寄存器送数据，每16位为一组，从高位地址字节最高位开始送，直到低位数据字节最后一位。MAX7219内部有14个可寻址的控制字寄存器，各寄存器的功能及地址如表2所示。
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