基于單片機的直流電動機轉速控制系統(tǒng)設計.doc

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河南機電高等?？茖W校 畢業(yè)設計（論文） 基于單片機的直流電動機轉速控制系統(tǒng)設計 系 部: 自動控制系 專 業(yè):電氣自動化技術 班 級: 自111班 姓 名: 學 號: 指導老師: 田效伍 二零一四年四月 摘要 近年來由于微型機的快速發(fā)展，國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達到實用階段。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響，且單片機具有功能強、體積小、可靠性好和價格便宜等優(yōu)點，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱之一。其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機數(shù)字控制系統(tǒng)在各個方面的性能都遠遠優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應用越來越廣泛。 本設計以AT89S52單片機為控制核心，按照控制要求，自動地對直流電機的轉速進行控制。特點是用單片機取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設備。最后進行軟件編程、調(diào)試。本數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了電機轉速的調(diào)節(jié)，并具有結構簡單，控制精度高等特點，而且各項性能指標優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠實際的應用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。 關鍵詞：單片機控制；速度檢測；速度控制 ABSTRACT As the fast development of microcomputer, AC/DC speed control system for digitization has reached the applied stage overseas. Since the hardware circuit of digital control system centered by microprocessor possesses the advantages that it has higher standardization and lower cost, and it doesn’t be influenced by temperature drift of devices. Single chip computer has been becoming theocrat of factory automatic and all kinds of controlling field because of its good function, small volume ,and good reliability . Furthermore, the control software of digital control system can carry through logical judgment and sophisticated operation, and it has the control laws of optimality, adaptive trait, nonlinear and intelligence, which are different from the ordinary linear adjustability. In every aspects the function of digital control system has exceeded analog control system and is being used widely. This design is based withAT89S52single chip computer and controls automatically the rotational speed of the direct current electric machinery.which has the characteristic that the analog trigger, current regulator, rotation regulator, logical handoff and other devices were replaced by single-chip computer; and finally put through the software programmer, testing and computer simulation. The result of real time control indicates that the digital DC speed control system realized the constant speed adjustability of the double closed-loop of electric current and rotate speed. This system also has the specialties such as simple structure, high control accuracy, low cost and easiness to be spread. In addition, its entire performance index is better than analog DC speed control system. As a result, the digital DC speed control system could be applied into production and ordinary life to satisfy the needs of modern manufacture. Keywords:Singlechip microcomputer control system；check the rotational speed；control the rotational speed 目 錄 1緒論 1.1選題背景 1.2選題的科學依據(jù)、意義 1.3選題的研究內(nèi)容2 2直流調(diào)速控制電路設計5 2.1控制電路總體設計5 2.2控制器電路設計 2.2.1時鐘電路設計7 2.2.2 A/D轉換電路設計 2.2.3 D/A轉換電路設計 2.2.4人機界面電路設計 2.2.5觸發(fā)電路設計 2.2.6報警電路設計25 2.2.7電源電路設計26 3直流調(diào)速控制主回路設計27 3.1三相橋式全控整流電路設計27 3.2反饋傳輸電路設計29 3.3保護電路設計30 4系統(tǒng)的軟件設計33 4.1系統(tǒng)軟件程序設計33 4.2 PID的控制算法設計34 5系統(tǒng)的抗干擾措施39 5.1系統(tǒng)中系統(tǒng)的抗干擾設計39 5.2系統(tǒng)的抗干擾措施主要方面39 5.2.1供電系統(tǒng)的抗干擾措施39 5.2.2過程通道的抗干擾措施39 參考文獻40 致謝41 附錄42 第1章緒論 1.1 選題背景 在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設備中，還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有90%以上的動力源來自于電動機。我國生產(chǎn)的電能大約有60%用于電動機?？梢?，電動機與人們的生活息息相關、密不可分。 我們知道，動力和運動是可以相互轉換的。從這個意義上講，電動機是最常用的運動源。對運動控制的最有效方式是對運動源的控制。因此，常常通過對電動機的控制來實現(xiàn)運動控制。實際上，現(xiàn)在國外已將電動機控制改名為運動控制。 對電動機的控制一般可分為簡單控制和復雜控制兩種:簡單控制是指對電動機進行啟動、制動和順序控制，這類控制可通過繼電器、可編程控制器和開關元件來實現(xiàn)；復雜控制是指對電動機的轉速、轉角、轉矩、電壓和電流等物理量進行控制，而且有時往往需要非常精確。以前對電動機簡單控制的應用比較多，但是現(xiàn)在人們對電動機控制的水平要求越來越高，使電動機的復雜控制逐漸成為應用主流，其應用領域極為廣泛。例如；事和宇航方面的雷達天線、火炮瞄準、慣性導航、衛(wèi)星姿態(tài)的控制等；業(yè)生產(chǎn)中的各種加工中心、專用加工設備、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、塑料機械、印刷機械、紡織機械、新型制衣機械、泵和壓縮機、工業(yè)軋機等設備的控制；公和商務設備中的磁帶機、繪圖儀、掃描儀、打印機、傳真機、復印機等設備的控制;家用電器中的DVD、 DC、 DV、音響、洗衣機、冰箱、空調(diào)、電動自行車、家用汽車等設備的控制。這些設備中絕大多數(shù)采用的是直流電動機，所以本課題在這里將研究采用單片機對直流電動機進行復雜控制。 1.2 選題的科學依據(jù)、意義 以前電動機大多使用由模擬電路組成的控制柜進行控制，現(xiàn)在單片機已經(jīng)開始取代模擬電路作為電機控制器。它有如下特點： （1）使電路更簡單:在模擬電路中，為了實現(xiàn)控制邏輯需要采用許多電子元件，電路比較復雜。采用單片機后，絕大多數(shù)控制邏輯可以通過軟件實現(xiàn)。 （2）可以實現(xiàn)比較復雜的控制:單片機有更強的邏輯運算功能，運算速度快、精度高，一般都有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復雜的控制等。 （3）靈活性和適應性:單片機的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不需要改變系統(tǒng)的硬件電路，只需要修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級的時候，可以不斷嘗試選擇不同的參數(shù)，非常方便。 （4）無零點漂移，控制精度高:數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點漂移問題。無論被控量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。 （5）多機聯(lián)網(wǎng)工作，提供人機界面:新型單片機內(nèi)多嵌有各種總線，可以方便地進行聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)工作；能夠和上位機進行通信，提供可視化人機界面，方便進行控制和調(diào)節(jié)。 本課題主要設計和研究采用單片機作為晶閘管觸發(fā)器和電機控制器，最初的電機控制器都是采用分立元件的模擬電路，后來隨著電子技術的進步，集成電路甚至專用電機控制集成電路被大量在中應用。這些技術大大提高了電機控制器的靈活性、可靠性和抗干擾能力，又縮短了新型電機控制器的產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了研發(fā)費用，因而近年來發(fā)展很快。但專用成電路之間并無統(tǒng)一標準，因而產(chǎn)品極其分散，且不斷有新產(chǎn)品出現(xiàn)。為滿足一次設計的需要，往往要花很大的力氣和時間去收集整理資料。當前電機控制器的發(fā)展方向越來越趨于多樣化和復雜化，現(xiàn)有的專用集成電路未必能滿足苛刻的新產(chǎn)品開發(fā)要求，為此可考慮開發(fā)電機的新型單片機控制器。 現(xiàn)在市場上通用的電機控制器大多采用單片機和DSP。但是以前單片機的處理能力有限，對采用復雜的反饋控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實時性和精度要求高，往往不能滿足設計要求。近年來出現(xiàn)了各種單片機，其性能得到了很大提高，價格卻比DSP低很多。其相關的軟件和開發(fā)工具越來越多，功能也越來越強，但價格卻在不斷降低?，F(xiàn)在，越來越多的廠家開始采用單片機來提高產(chǎn)品性價比。 1.3 選題的研究內(nèi)容 本設計采用AT89S52單片機對直流電動機反饋控制系統(tǒng)進行設計和研究。主要分為兩部分：控制回路設計部分和主回路設計部分?？刂苹芈吩O計部分主要包括：信號采集部分，模擬量與數(shù)字量互相轉換部分，速度顯示部分，同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路部分。主回路設計部分包括三相橋式全控整流電路部分和直流電動機部分。通過控制回路和主回路的有機組合達到對電機轉速的自動有效的控制要求。 第2章直流調(diào)速控制電路設計 2.1 控制電路總體設計 控制電路原理圖如圖2-1所示 圖2-1控制電路原理圖 控制電路以AT89S52為基礎實現(xiàn)對速度的控制、檢測、顯示。 DAC0832實現(xiàn)了把數(shù)據(jù)量轉化為模擬量，本身是電流輸入型，輸出的電流信號需要經(jīng)過運算放大器轉化為電壓信號，此電壓為觸發(fā)電路提供控制電壓Uoc,觸發(fā)電路有三個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大，鋸齒波的形成、脈沖的移相，同步環(huán)節(jié)，觸發(fā)電路為主回路提供電壓和電流。8279是一種可編程、顯示器接口芯片，能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。 2.2 控制器電路設計 （1）AT89S52單片機管腳及片外總線結構 圖2-2 AT89S52 外部管腳結構 按其引腳功能可分為三部分 1）I/O口線：P0、P1、P2、P3共4個8位口 2）控制口線：PSEN（片外取指令控制）ALE（地址鎖存控制）EA（片外存儲器選擇）RESET（盤位控制） 3）電源及時鐘：VCC　VSS；XTAL1　XTAL2 （2）AT89S52單片機管腳及片外總線結構 1）管 腳 I/O口線不能都用作用戶I/O口線，P0口可驅動8個TTL門電路：P1、P2、P3則只能驅動4個TTL門電路；P3口是雙重功能口中。 2）總線擴展 圖2-3 總線結構圖 地址總線（AB）地址總線寬度為16位，因此起其外部存儲器直接地址范圍為64K字節(jié)。 16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（A0—A7）；P2口直接提供高八位地址（A8—A15）。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0供給。 控制總線（CB）：由部分P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線 RESET EA ACE PSEN 組成。 2.2.1時鐘電路設計 AT89S52單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖2-5所示。 圖2-5中，電容器C0l，C02起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在5-30pF。晶振頻率的典型值為12MHz采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。 外部振蕩方式是把外部已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。外部振蕩方式的外部電路如圖2-6所示。 圖2-5 內(nèi)部振蕩方式 圖2-6 外部振蕩方式 由圖2-6可見，外部振蕩信號由XTAL1引入，XTAL2接地。為了提高輸入電路的驅動能力，通常使外部信號經(jīng)過一個帶有上拉電阻的TTL反相門后接入XTAL1。 2.2.2 A/D轉換電路設計 1.A/D轉換的一般步驟 （1）采樣-保持 為了能不失真的恢復原模擬信號，采樣頻率應不小于輸入模擬信號的頻譜中最高頻率的兩倍，這就是采樣定理，即 ｆs≥fmax (2-1) 由于A/D轉換需要一定的時間，所以在每次采樣結束后，應保持采樣電壓在一段時間內(nèi)不變，直到下一次采樣的開始。實際中采樣-保持是做成一個電路。 （2）量化與編碼 模擬信號經(jīng)采樣-保持電路后，得到了連續(xù)模擬信號的樣值脈沖，他們是連續(xù)模擬信號在給定時刻上的瞬時值，并不是數(shù)字信號。還要把每個樣值脈沖轉換成與它幅值成正比的數(shù)字量。 以上為A/D轉換的一般步驟，在本電路中由ADC0809芯片完成。 2.ADC0809內(nèi)部功能與引腳介紹 分辨率和精度在第一章中已作了相應的計算和分析。 ADC0809八位逐次逼近式A／D轉換器是一種單片CMOS器件，包括8位模擬轉換器、8通道轉換開關和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉換開關能直接連通8個單端模擬信號中的任何一個。 1）ADC0809主要性能： （1）逐次比較型 （2）CMOS工藝制造 （3）單電源供電 （4）無需零點和滿刻度調(diào)整 （5）具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容 （6）易與各種微控制器接口 （7）具有鎖存控制的8路模擬開關 （8）分辨率：8位 （9）功耗：15mW （10）最大不可調(diào)誤差小于1LSB（最低有效位） （11）轉換時間（?CLK=500KHz）128us （12）轉換精度：0.4％ 2）引腳排列及各引腳的功能，引腳排列如圖2-10所示。 圖2-10 ADC0809引腳 各引腳的功能如下： IN0～IN7：8個通道的模擬量輸入端。可輸入0～5V待轉換的模擬電壓。 D0～D7：8位轉換結果輸出端。三態(tài)輸出，D7是最高位，D0是最低位。 A、B、C：通道選擇端。當CBA=000時，IN0輸入；當CBA=111時，IN7輸入。 ALE：地址鎖存信號輸入端。該信號在上升沿處把A、B、C的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開關的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號中的某一路。 START：啟動轉換信號輸入端。從START端輸入一個正脈沖，其下降沿啟動ADC0809開始轉換。脈沖寬度應不小于100～200ns。 EOC：轉換結束信號輸出端。啟動A/D轉換時它自動變?yōu)榈碗娖健? OE：輸出允許端。 CLK：時鐘輸入端。ADC0809的典型時鐘頻率為640kHz，轉換時間約為100μs。 REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為＋5V。 VCC、GND：供電電源端。ADC0809使用＋5V單一電源供電。 當ALE為高電平時，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在START上升沿時，所有的內(nèi)部寄存器清零，在下降沿時，開始進行A/D轉換，此期間START應保持低電平。在START下降沿后10us左右，轉換結束信號變?yōu)榈碗娖?，EOC為低電平時，表示正在轉換，為高電平時，表示轉換結束。OE為低電平時，D0～D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時，允許轉換結果輸出。 3.ADC0809與AT89S52單片機的接口方法 ADC0809與AT89S52單片機的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式，本題中選用中斷接口方式。 由于ADC0809無片內(nèi)時鐘，時鐘信號可由單片機的ALE信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳的脈沖頻率是AT89S52時鐘頻率的1/6。該題目中單片機時鐘頻率采用6MHz,則ALE輸出的頻率是1MHz，二分頻后為500KHz,符合ADC0809對頻率的要求。 由于ADC0809內(nèi)部設有地址鎖存器，所以通道地址由P0口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。通道基本地址為0000H～0007H。其對應關系如表2-1所示。 表2-1 0809輸入通道地址 地址碼 輸入 通道 C B A 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 控制信號：將P2.0作為片選信號，在啟動A/D轉換時，由單片機的寫信號和P2.0控制ADC的地址鎖存和啟動轉換。由于ALE和START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉換。 在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號RD和P2.0引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為OE信號，用來打開三態(tài)輸出鎖存器。 其接口電路如圖2-11所示。 圖 2-11ADC0809與AT89S52的接口 START信號和OE信號的邏輯表達式為 　　　　　　　　　　　　　　(2-2) 當AT89S52通過對0000H～0007H（基本地址）中的某個口地址進行一次寫操作，即可啟動相應通道的A／D轉換；當轉換結束后,ADC0809的EOC端向AT89S52發(fā)出中斷申請信號；AT89S52通過對0000H～0007H中的某個口地址進行一次讀操作，即可得到轉換結果。 注：ADC0809的基準電壓可通過基準電壓芯片供給，如MAX875,可供給5V基準電壓。 圖2-12 ADC0809時序圖 2.2.3 D/A轉換電路設計 由于構成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權重”，因此為了將數(shù)字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權重”轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構成D/A變換器的基本思想。 DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，它能直接與AT89S52單片機相連接，其主要特性如下： （1） 分辨率8位； （2） 電流輸出，穩(wěn)定時間為1微秒； （3） 可緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入； （4） 單一電源供電； （5） 只需在滿量程下調(diào)整其線性度； （6） 低功耗，20mW。 1）DAC0832引腳結構及邏輯結構 DAC0832的引腳圖如圖2-13所示。 　　　　　　　　　 圖2-13 DAC0832引腳圖 各引腳的功能定義如下： CS：片選端，當CS為低電平時，本芯片被選中。 ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許端，高電平有效。 WR1：第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。 XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制，低電平有效。 WR2；DAC寄存器寫選通控制，低電平有效。 DI7～DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。 IOUT1：模擬電流輸出端1，當DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大，當 DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，輸出電流為0。 IOUT2：模擬電流輸出端2， IOUT2與IOUT1的和為一個常數(shù)，即IOUT1＋IOUT2＝常數(shù)。 RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。 VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+10～-10)V。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡相連。 Vcc ：芯片供電電壓，范圍為(+5~ 15)V。 AGND ：模擬量地，即模擬電路接地端。 DGND ：數(shù)字量地。 2）DAC8032與AT89S52的接口電路如圖2-14所示。 圖2-14 DAC8032與AT89S52的接口電路 2.2.4 人機界面電路設計 8279可編程鍵盤/顯示器接口芯片。 Intel8279是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口器件，單片器件就能夠完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。 鍵盤部分提供一種掃描的工作方式，可以和具有64個按鍵的矩陣鍵盤相連接，能對鍵盤不斷掃描，自動消抖，自動識別按下的鍵并給出編碼，能對雙鍵或n鍵同時按下實行保護。 顯示部分為發(fā)光二極管、熒光管及其它顯示器提供了按掃描方式工作的顯示接口，它為顯示器提供多路復用信號，可以顯示多達16位的字符或數(shù)字。 1）8279的組成和基本工作原理 （1）輸入/輸出控制及數(shù)據(jù)緩沖器 數(shù)據(jù)緩沖器是雙向緩沖器，用于傳送CPU和8279之間的命令或數(shù)據(jù)。 A0用于區(qū)別信息的狀態(tài) A0=1，輸入：指令 輸出：狀態(tài)字 A0=0，輸入：數(shù)據(jù) 輸出：數(shù)據(jù) （2）控制與定時寄存器及定時控制 控制與定時寄存器用于寄存鍵盤及顯示的工作方式，以及由CPU編程的其它操作方式。定時控制包括基本的計數(shù)鏈。首級計數(shù)器是一個可編程的N級計數(shù)器，N可在2-31之間由軟件控制，以便從外部時鐘CLK得到內(nèi)部所需要的100KHz時鐘信號。然后經(jīng)過分頻為鍵盤提供適當?shù)闹鹦袙呙桀l率和顯示的掃描時間。 （3）掃描計數(shù)器 掃描計數(shù)器有兩種工作方式。按編碼方式工作時，計數(shù)器作二進制計數(shù)。四位計數(shù)狀態(tài)從掃描線SL0-SL3輸出，經(jīng)外部譯碼器譯碼后，為鍵盤和顯示器提供掃描線。按譯碼方式工作時，掃描計數(shù)器的最低二位被譯碼后，從SL0-SL3輸出。 （4）回復緩沖器、鍵盤消抖及控制 來自RL0-RL78根回復線的回復信號，由回復緩沖器緩沖并儲存。在鍵盤工作方式中，這些線被接到鍵盤矩陣的列線。在逐行掃描時，回復線用來搜索一行中閉合的鍵。當某一鍵閉合時，消振電路就被置位，延時等待100mS之后，再檢驗該鍵是否是連續(xù)保持閉合。若閉合，則該鍵的地址和附加的位移、控制狀態(tài)一起形成鍵盤數(shù)據(jù)被送入8279內(nèi)部的FIFO存儲器。鍵盤的數(shù)據(jù)格式如表2-2： 表2-2 D7 D6 D5D4D3 D2D1D0 控制 移位 掃描 回復 控制和位移（D7和D6）的狀態(tài)由兩個獨立的附加開關決定，而掃描（D5、D4、D3）和回復（D2、D1、D0）則是被按鍵的位置數(shù)據(jù)。D5、D4、D3三位來自掃描計數(shù)器，是按鍵的行編碼，而D2、D1、D0三位則是來自列計數(shù)器，它們是根據(jù)回復信號而確定的列編碼。在傳感器矩陣方式中，回復線的內(nèi)容直接被送往相應的傳感器RAM（即FIFO存儲器）。在選通輸入方式時，回復線的內(nèi)容在CNTL/STB線的脈沖上升沿時，被送入FIFO存儲器。 （5）FIFO/傳感器RAM及其狀態(tài) FIFO/傳感器RAM是一個雙重功能的8X8RAM。在鍵盤或選通工作方式時，它是FIFO存儲器。每次新的輸入都順序寫入到RAM單元，而每次讀出時，總是按輸入的順序，將最先輸入的數(shù)據(jù)讀出。FIFO狀態(tài)寄存器用來存放FIFORAM的工作狀態(tài)。例如：RAM是滿還是空；其中存有多少字符；是否操作出錯等等。當FIFO存儲器不空時，狀態(tài)邏輯將產(chǎn)生IRQ=1信號，向CPU申請中斷。 在傳感器矩陣方式時，這個存儲器又是傳感器RAM。它存放著傳感器矩陣中每一個傳感器的狀態(tài)。在此方式中，若檢索出傳感器的變化，IRQ信號便變?yōu)楦唠娖?，向CPU請求中斷。 （6）顯示RAM和顯示地址寄存器 顯示RAM用來存儲顯示數(shù)據(jù)。該區(qū)具有16個字節(jié)，也就是最多可以存儲16個字節(jié)的顯示信息。顯示地址寄存器用來積存由CPU進行讀/寫的顯示RAM的地址，它可以由命令設定，也可以設置成每次讀出或寫入之后自動遞增。 2）8279與AT89S52的接口電路如圖2-15所示 圖2-158279與AT89S52的接口電路 3）8279各引腳功能如下： D7-D0（數(shù)據(jù)總線）：雙向、三態(tài)總線； CLK（系統(tǒng)時鐘）：輸入； RESET（復位）：輸入，高電平有效； 復位時默認狀態(tài) （1）16個字符顯示------左入； （2）編碼掃描鍵盤------雙鍵鎖定； （3）程序時鐘編程設定為31。 CS（片選）：輸入，低有效。 A0（緩沖器地址）：輸入。 RD（讀信號）和WR（寫信號）：輸入，低有效。 IRQ（中斷請求）：輸出，高有效。 在鍵盤工作方式中，當FIFO/傳感器RAM存有數(shù)據(jù)時，IRQ為高電平。CPU每次從RAM讀出數(shù)據(jù)時。IRQ就變?yōu)榈碗娖?。若RAM中仍有數(shù)據(jù)，則IRQ再次恢復為高電平。 在傳感器工作方式中，每逢檢出傳感器狀態(tài)變化時，IRQ就出現(xiàn)高電平。 SL0—SL3（掃描線）：輸出。 RL0—RL7（回復線）：輸入。它們是鍵盤矩陣或傳感器矩陣的列信號輸入線。 SHIFT（換檔信號）：輸入，高有效。該信號線用來擴充鍵開關的功能，可以用作鍵盤的上、下檔功能鍵。在傳感器方式和選通方式中，SHIFT無效。 CNTL/STB（控制/選通）：輸入，高電平有效。 在鍵盤工作方式時，作為控制功能鍵使用。 在選通方式時，該信號的上升沿可以將來自RL0-RL7的數(shù)據(jù)存入FIFO存儲器。在傳感器方式，無效。 OUTA0—OUTA3（A組顯示信號）：輸出。 OUTB0—OUTB3（B組顯示信號）：輸出。 BD（消隱顯示）：輸出，低有效。該輸出信號在數(shù)字切換顯示或使用顯示消隱命令時，將顯示消隱。 4）8279的命令和狀態(tài)字 8279共有八條命令 （1）鍵盤/顯示方式設置命令 命令特征位：D7D6D5=000 0 0 0 D D K K K DD兩位用來設定顯示方式： 00　　　8個字符顯示----左入 01　　　16個字符顯示----左入 10　　　8個字符顯示----右入 11　　　16個字符顯示----右入 所謂的左入就是在顯示時，顯示字符是從左面向右面逐個排列。右入就是顯示字符從右面向左面移動。 所對應的SL編碼最小的為顯示的最高位KKK三位用來設定鍵盤工作方式： K000編碼掃描鍵盤----雙鍵鎖定 K001譯碼掃描鍵盤----雙鍵鎖定 K010編碼掃描鍵盤----N鍵輪回 K011譯碼掃描鍵盤----N鍵輪回 K100編碼掃描傳感器矩陣 K101譯碼掃描傳感器矩陣 K110選通輸入，編碼顯示掃描 K111選通輸入，譯碼顯示掃描 第一位K沒有任何意義。雙鍵鎖定和N鍵輪回是兩種不同的多鍵同時按下保護方式。雙鍵鎖定為兩鍵同時按下提供保護，在消振周期內(nèi)，如果有兩鍵同時被按下，則只有其中的一鍵彈起，而另一鍵在按下位置時，才能被認可。N鍵輪回為N鍵同時按下提供保護，當有若干個鍵同時按下時，鍵盤掃描能根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的次序，依次將它們的狀態(tài)送入FIFO RAM。 （2）時鐘編程命令 命令特征位：D7D6D5=001 0 0 1 P P P P P 將來自CLK的外部時鐘進行PPPPP分頻（2-31）。 （3）讀FIFO/傳感器RAM命令 命令特征位：D7D6D5=010 0 1 0 AI X A A A 該命令字只在傳感器方式時使用，在CPU讀傳感器RAM之前，必須用這條命令來設定將要讀出的傳感器RAM地址。由于傳感器RAM的容量是8X8bit，因此需要用命令字中的三位二進制代碼AAA來選址。命令字中的AI為自動增量特征位。若AI=1，則每次讀出傳感器RAM后，地址將自動增量（加1），使地址指針指向順序的下一個存儲單元。這樣，下一次讀數(shù)便從下一個地址讀出，而不必重新設置讀FIFO/傳感器RAM命令。 在鍵盤工作方式中，由于讀出操作嚴格按照先入先出的順序，因此不必使用這條命令。 （4）讀顯示RAM命令 命令特征位：D7D6D5=011 0 1 1 AI A A A A 在CPU讀顯示RAM之前，該命令字用來設定將要讀出的顯示RAM的地址，四位二進制代碼AAAA用來尋址顯示RAM中的一個存儲單元。如果自動增量特征位AI=1，則每次讀出后，地址自動加1，使下一次讀出順序指向下一個地址。 （5）寫顯示RAM命令 命令特征位：D7D6D5=100。 1 0 0 AI A A A A 與前面命令字位相同。 （6）顯示禁止寫入/消隱命令 命令特征位：D7D6D5=101。 1 0 1 X IW IW BL BL IW用來掩蔽A組和B組（D3對應A組，D2對應B組）。例如，當A組的掩蔽位D3=1時，A組的顯示RAM禁止寫入。因此從CPU寫入顯示器RAM的數(shù)據(jù)不會影響A的顯示。這種情況通常在采用雙四位顯示時使用。因為兩個四位顯示器是相互獨立的，為了給其中一個四位顯示器輸入數(shù)據(jù)，而又不影響另一個四位顯示器，因此必須對另一組的輸入實行掩蔽。 BL位是消隱特征，要消隱兩組顯示輸出，必須設置兩個BL位。若BL=1。則執(zhí)行此命令后，對應組的顯示輸出被消隱。若BL=0，則恢復顯示。 （7）清除命令 命令特征位：D7D6D5=110。 1 1 0 CD CD CD CF CA 該命令字用來清除FIFO RAM和顯示RAM。D4D3D2三位（CD）用來設定清除顯示RAM的方式。其意義如表2-3： 表2-3 D4 D3 D2 清除方式 1 0 X 將顯示RAM全部清“0” 1 1 0 將顯示RAM置20H（即A組=0010 B組=0000） 1 1 1 將顯示RAM全部置“1” 0 不清除（若CA=1，則D3、D2仍有效） D1（CF）位用來清空FIFO存儲器。D1=1時，執(zhí)行清除命令后，F(xiàn)IFO RAM被清空，使中斷IRQ復位。同時，傳感器RAM的讀出地址也被清0。 D0（CA）位是總清的特征位，它兼有CD和CF的聯(lián)合有效。在CA=1時，對顯示RAM的清除方式由D3D2的編碼決定。 清除顯示RAM大約需要100uS的時間。在此期間，F(xiàn)IFO狀態(tài)字的最高位Du=1，表示顯示無效。CPU不能向顯示RAM寫入數(shù)據(jù)。 （8）結束中斷/錯誤方式設置命令 命令特征位D7D6D5=111E 1 1 1 E X X X X 這個命令有兩個不同的應用： 作為結束中斷命令。在傳感器工作方式中，每當傳感器狀態(tài)出現(xiàn)變化時，掃描檢測電路接將其狀態(tài)寫入傳感器RAM，并啟動中斷邏輯，使IRQ變高，向CPU請求中斷。并且禁止寫入傳感器RAM。此時，如傳感器RAM讀出地址的自動遞增特征沒有置位（AI=0），則中斷請求IRQ在CPU第一次從傳感器RAM讀出數(shù)據(jù)時就被清除。若自動遞增特征已置位（AI=1），則CPU對傳感器RAM的讀出并不能清除IRQ，而必須通過給8279寫入結束中斷/錯誤方式設置命令才能使IRQ變低。因此，在傳感器工作方式中，此命令用來結束傳感器RAM的中斷請求。 作為特定錯誤方式的設置命令。在8279已被設定為鍵盤掃描N鍵輪回方式以后，如果CPU給8279又寫入結束中斷/錯誤方式設置命令（E=1）。則8279的消振周期內(nèi)，如果發(fā)現(xiàn)有多個鍵被同時按下，則FIFO狀態(tài)字中的錯誤特征位S/E將置位。并產(chǎn)生中斷請求信號和阻止寫入FIFO RAM。 錯誤特征位S/E在讀出FIFO狀態(tài)字時被讀出。而在執(zhí)行CF=1的清除命令時被復位。 8279的FIFO狀態(tài)字，主要用于鍵盤和選通工作方式，以指示FIFO RAM中的字符數(shù)和是否有錯誤發(fā)生，其字位意義如下： Du S/E O U F N N N Du：Du=1顯示無效 S/E：傳感器信號結束/錯誤特征碼 O：O=1出現(xiàn)溢出錯誤 U：U=1出現(xiàn)不足錯誤 F：F=1表示FIFO RAM已滿 NNN：為FIFO RAM中的字符數(shù) 對FIFO RAM的操作可能出現(xiàn)兩種錯誤：溢出和不足。當FIFO RAM已滿時，若其它的鍵盤數(shù)據(jù)企圖寫入FIFO RAM，則出現(xiàn)溢出錯誤，狀態(tài)字位“O”被置位。當FIFO RAM已被清空時，若CPU還企圖讀出，則將會出現(xiàn)“不足”的錯誤，狀態(tài)字位“U”被置位。 對于狀態(tài)字的S/E位，當8279工作在傳感器工作方式時，若S/E=1，表示傳感器的最后一個傳感信號一進入傳感器RAM。當8279工作在特殊錯誤方式時，若S/E=1，表示出現(xiàn)了多鍵同時下按的錯誤。 當顯示RAM由于“各處顯示“或”全清”命令尚未完成時，狀態(tài)字的最高位Du被置位。 2.2.5 觸發(fā)電路設計 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路： 圖2-17是同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。此電路輸出可為單窄脈沖，也可為雙窄脈沖，以適用于有兩個晶閘管同時導通的電路。電路可分為三個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，電路中還有強觸發(fā)和雙窄脈沖的形成環(huán)節(jié)。這里重點講述脈沖的形成、脈沖移相、同步等環(huán)節(jié)。 （1）脈沖形成的環(huán)節(jié) 脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用?？刂齐妷簎co加在V4基極上，電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。當控制電壓uco=0時，V4截止。+E1（+15V）電源通過R11供給V5一個足夠大的基極電流，使V5飽和導通，所以V5的集電極電壓Uc5接近于-E1（-15V）。V7、V8處于截止狀態(tài)，無脈沖輸出。另外，電源的+E1（15V）經(jīng)R9、V5發(fā)射結到-E1(-15V),對電容C3充電，充滿之電容兩端電壓接近2E1(30V),極性如圖2-17。 圖2-17 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路 當控制電壓uco≈0.7V時，V4導通，Ａ點電位由＋E1(+15V)迅速降低至1.0V左右，由于電容C3兩端電壓不能突變，所以V5基極電位迅速降至約-2E1（-30V），由于V5發(fā)射結反偏置，V5立即截止。它的集電極電壓由-E1（-15V）迅速上升到鉗位電壓+2.1V（VD6、V7、V8三個PN結正向壓降之和），于是V7、V8導通，輸出觸發(fā)脈沖。同時，電容C3經(jīng)電源+ E1、R11、VD4、V4放電和反向充電，使V5基極電位又逐漸上升，直到ub5>- E1(-15V) ，V5又重新導通。這時uc5又立即降到- E1，使V7 \V8截止，輸出脈沖截止?？梢姡}沖前沿由V4導通時刻確定，V5（V6）截止持續(xù)時間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R11C3有關。 （2）鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié) 鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等。圖所示為恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路。 當V2截止時，恒流源電流I1C對電容C2充電，所以C2兩端電壓uc為 (2-3) uc按線性增長，即V3的基極電位ub3按線性增長。調(diào)節(jié)電位器RP2,即改變C2的恒定充電電流I1c,可見RP2是用來調(diào)節(jié)鋸齒波斜率的。 當V2導通時,由于R4阻值很小，所以C2迅速放電，使ub3電位迅速降到零伏附近。當V2周期性地導通和關斷時，ub3便形成一鋸齒波，同樣，ue3也是一個鋸齒波電壓，如圖所示。射極跟隨器V3的作用是減小控制回路的電流對鋸齒波電壓ub3的影響。 V4管的基極電位由鋸齒波電壓、直流控制電壓uco、直流偏移電壓up三個電壓作用的疊加值所確定,它們分別通過電阻R6、R7和R8與基極相接。 設uh為鋸齒波電壓ue3單獨作用在V4基極b4時的電壓，其值為 (2-4) 可見uh仍為一鋸齒波，但斜率比ue3低。同理偏移電壓up單獨作用時b4的電壓u’p （2-5） 可見u’p仍為一條與up平行的直線,但絕對值比up小。 直流控制電壓uco單獨作用時b4的電壓u’co為 （2-6） 可見u’co仍為與uco平行的一條直線，但絕對值比uco小。 如果uco=0，up為負值時，b4點的波形由uh+u’p確定，如圖所示。當uco為正值時，b4點的波形由uh+u’p+u’co確定。由于V4的存在，上述電壓波形與實際波形有出入。當b4點電壓等于0.7V后，V4導通。之后ub4一直被鉗位在0.7V。所以實際波形如圖所示。圖中M點是V4由截止到導通的轉折點。由前面分析可知V4經(jīng)過M點時使電路輸出脈沖。因此當up為某固定值時，改變uco便可改變M點的時間坐標，即改變了脈沖產(chǎn)生的時刻，脈沖被移相?？梢?，加up的目的是為了確定控制電壓uco=0時脈沖的初始相位。當接阻感負載電流連續(xù)時，三相全控橋的脈沖初始相位應定在α=90o；如果是可逆系統(tǒng)，需要在整流和逆變狀態(tài)下工作，這時要求脈沖的移相范圍理論上為180o（ 由于考慮αmin和βmin,實際一般為120o），由于鋸齒波波形兩端的非線性，因而要求鋸齒波的寬度大于180o，例如240o，此時，令uco=0，調(diào)節(jié)up的大小使產(chǎn)生脈沖的M點移至鋸齒波240o的中央（120o處），對應于α=90o的位置。這時，如uco為正值，M點就向前移，控制角α<90o，晶閘管電路處于整流工作狀態(tài)；如uco為負值，M點就向后移，控制角 α>90o，晶閘管電路處于逆變狀態(tài)。 （3）同步環(huán)節(jié) 在鋸齒波同步的觸發(fā)電路中，觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。從圖可知，鋸齒波是由開關V2管來控制的。V2由導通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度，V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率。要使觸發(fā)脈沖與主電路電源同步，使V2開關的頻率與主電路電源的頻率同步就可達到。圖中的同步環(huán)節(jié)，是由同步變壓器TS和作同步開關用的晶體管V2組成的。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次電壓來控制V2的通斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主電路電源同步. 同步變壓器TS二次電壓uTS經(jīng)二極管VD1間接加在V2的基極上。當二次電壓波形在負半周的下降段時，VD1導通，電容C1被迅速充電。因O點接地為零電位，R點為負電位，Q點電位與R點相近，故在這一階段V2基極為反向偏置，V2截止。在負半周的上升段，+E1電源通過R1給電容C1反向充電，uQ為電容反向充電波形，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止。如圖所示。當Q點電位達1.4V時，V2導通，Q點電位被鉗位在1.4V。直到TS二次電壓的下一個負半周到來時，VD1重新導通，C1迅速放電后又被充電，V2截止。如此周而復始。在一個正弦波周期內(nèi)，V2包括截止與導通兩個狀態(tài)，對應鋸齒波波形恰好是一個周期，與主電路電源頻率和相位完全同步，達到同步的目的?？梢钥闯?，Q點電位從同步電壓負半周上升段開始時刻到達1.4V的時間越長，V2截止時間就越長，鋸齒波就越寬?？芍忼X波的寬度是由充電時間常數(shù)R1C1決定的。 在三相橋式全控整流電路中，器件的導通次序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此間隔60。，相鄰器件成雙接通。因此，觸發(fā)電路中雙脈沖環(huán)節(jié)的接線方式為：以VT1器件觸發(fā)單元而言，圖中電路中的Y端應該接VT2器件觸發(fā)單元的X端，因為VT2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60。。所以當VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導通時，本身輸出一個脈沖，同時使VT1器件觸發(fā)單元的V6管截止，給VT1器件補送一個脈沖。同理，VT1器件觸發(fā)單元的X端應當接VT6器件觸發(fā)單元的Y端。依此類推，可以確定六個器件相應觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的相互接線。 2.2.6 報警電路設計 在本次設計中由于要對所測量的電壓、電流量的超限發(fā)報警，因此要在系統(tǒng)中加入報警電路。本系統(tǒng)中采用的是二極管的過電流與過電壓電笛報警電路，如圖2-18 所示： 圖2-18 報警電路圖 在圖2-18中，P1.4晶體管基極輸入端。當P1.4出高電平“1”時，晶體管導通，壓電蜂鳴器兩端獲得+5V電壓而鳴叫，二級管；當P1.4出低電平“0”時，二極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。 2.2.7電源電路設計 電源電路如圖2-19所示 圖2-19 電源電路圖 電源電路由降壓電路，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路組成。 7805、7815是提供正電源的穩(wěn)壓塊，7915是提供負電源的穩(wěn)壓塊。 第3章直流調(diào)速控制主回路設計 整個硬件系統(tǒng)包括單片機部分、觸發(fā)電路部分、整流電路部分、光耦隔離部分和直流電機部分。其中單片機部分重點講AT89S52的部分 3.1 三相橋式全控整流電路設計 可控整流電路基本可分為單相可控整流電路、三相可控整流電路以及由此發(fā)展來的大功率6相、12相整流電路等幾類。單相可控整流電路可分為單相半控整流電路和單相全控整流電路兩類，這種電路簡單、調(diào)整方便，但是只適用負載功率較小的場合。當負載功率較大時，考慮到三相負載的平衡，應采用三相可控整流電路。三相可控整流電路也分為三相半控整流電路和三相全控整流電路兩類。三相半控整流電路一般只采用三個晶閘管，只需要三套觸發(fā)電路，不需要寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)，因此在要求不高的場合中，可采用三相半控整流電路。本課題要求適應負載的范圍比較寬，所以采用三相橋式全控整流電路，三相橋式全控整流電路原理圖如圖3-2所示。 圖3-2三相橋式全控整流電路原理圖 輸出整流電壓Ud的波形是兩組半波整流電壓的波形疊加。通過改變晶閘管的控制角δ，可以獲得0 --2.34U2 cosδ的直流電壓?？刂平恰暗母淖兎秶鸀?～δ.直流電動機負載除了本身的感性阻抗外，還有一個反電動勢E。因此晶閘管在施加觸發(fā)脈沖后可導通的必要條件是，電動機的反電動勢E和電感中的感應電動勢e：的代數(shù)和應小于變壓器二次繞組的瞬時電壓。在整流情況下，電動機反電動勢E的極性與整流電壓Ud的極性相反。對于感應電動勢e：的極性，當電流在增加時，e：的極性與Ud的極性相反;當電流在減小時，e：的極性與Ud的極性相同，當電流達到極值時，e：為零。 由于整流電路輸出電壓的波形是脈動的，所以輸出電流的波形也是脈動的，可以看成一個恒定的直流分量和一個包含高頻成分的交流分量組合。因為負載只需要直流分量，為了消除負載電流中的交流分量，一般在電樞回路中串聯(lián)一個平波電抗器，保證整流電流的波形在較大范圍內(nèi)比較光滑。對于直流電動機負載，過大的交流分量會使電機的換相惡化和損耗增大，因此應該在直流側串聯(lián)平波電抗器，使輸出電流的波形比較光滑。 整流裝置輸出的電壓發(fā)生變化時，若輸出的負載電流不變，則變壓器原邊的電流基本不變。原邊的電壓也基本不變，表明整流裝置的視在功率基本不變。顯然，當輸出的直流電壓較低時，直流側的功率變低了，而整流裝置的視在功率不變，表明整個系統(tǒng)無功功率增大了。由此可以得出，電網(wǎng)電壓的波動可以近似地認為是無功功率的變化。電網(wǎng)電壓的波動無疑地會對電網(wǎng)中的其它負載產(chǎn)生不良影響?？梢栽谪撦d端并聯(lián)電容器抑制電壓波動，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少無功功率的沖擊。 各種晶閘管和其它電力電子器件的迅速發(fā)展與廣泛應用，對于各個工業(yè)部門提高生產(chǎn)技術水平、改善生產(chǎn)過程和提高經(jīng)濟效益都有很大的作用。但是必須同時看到，隨著各種電力電子設備應用數(shù)量的不斷增多和容量的不斷增大，對供電電網(wǎng)造成的影響和危害也與日俱增。電力電子設備的廣泛應用，使電網(wǎng)中諧波的含量大大增加，造成了電力系統(tǒng)的污染。 變流裝置實質(zhì)上是一個非線性系統(tǒng)，交流側電流是變流裝置對直流電流進行調(diào)制的結果，直流側電壓是變流裝置對交流電壓進行調(diào)制的結果。兩個結果相互作用，變流裝置兩端的高次諧波就是在這種情況下產(chǎn)生的。 實現(xiàn)的功能沒有區(qū)別，但是雙脈沖觸發(fā)可以減小觸發(fā)電路的輸出功率，所以本課題采用雙脈沖觸發(fā)。 3.2 反