單片機(jī)控制的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、 課題 單片機(jī)控制的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)：S=0,D=10。功 能：對直流電機(jī)調(diào)速；單片機(jī)控制，小鍵盤輸入轉(zhuǎn)速，實(shí)時LED顯示轉(zhuǎn)速。要 求： 直流電機(jī)：Z2-93型，60KW/220V/305A/1000rpm，V-M，R=0.18，CE=0.2Vmp,單閉環(huán)控制； 硬件設(shè)計（主電路，控制電路）、軟件設(shè)計； 仿真。 目 錄摘要3關(guān)鍵詞3第一部分 直流單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方案分析31.1 VM調(diào)速系統(tǒng)方案分析31.2 PWM調(diào)速系統(tǒng)方案分析41.3 兩種方案的比較4第二部分PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計52.1 系統(tǒng)組成52.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖52.1.2 系統(tǒng)功能說明（描述）52.2 P

2、ID參數(shù)的確定52.3 單元電路設(shè)計62.3.1 鍵盤輸入單元72.3.2 顯示單元72.3.3 串行接口單元92.2.4 測速單元10 2.3 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路及工作過程說明112.4 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計112.4.1 接口定義112.4.2 RAM/ROM配置說明122.4.3 系統(tǒng)工作過程流程圖132.4.4 程序流程圖14第三部分 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)測試報告14 3.1 測試儀器14 3.2 測試內(nèi)容14 3.3 測試步驟14 3.4 測試分析15第四部分 設(shè)計總結(jié)15參考文獻(xiàn)附錄1 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路圖16附錄2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)元器件明細(xì)表17附錄3 P

3、WM直流調(diào)速系統(tǒng)程序清單18摘 要 本系統(tǒng)由微處理器模塊、鍵盤模塊、LED顯示模塊、測數(shù)模塊、PWM波形生成模塊、驅(qū)動緩沖模塊以及主電路模塊組成。微處理器模塊以兩片AT89C51為核心，外擴(kuò)I/O接口所構(gòu)造，其中第一片AT89C51實(shí)現(xiàn)著PID運(yùn)算和轉(zhuǎn)速的測量，同時完成鍵盤的中斷處理以及LED模塊的顯示。第二片AT89C51專用產(chǎn)生PWM波形。測速單元采用光電傳感器的非接觸式轉(zhuǎn)速計，利用單片機(jī)的門空信號求出脈沖的周期，在求其倒數(shù)，其測量范圍從109999轉(zhuǎn)分鐘。驅(qū)動電路是西安電力電子技術(shù)研究所研制的GTR(大功率三極管)專用厚膜驅(qū)動電路HL201A，相比于UAA4002、M57125等驅(qū)動器，

4、具有性能優(yōu)良及價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。整個系統(tǒng)形成一個單閉環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)﹄妱訖C(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到無靜差控制。關(guān)鍵詞 微處理器；ADC；DAC；LED；傳感器 第一部分 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方案分析與比較直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，適宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。它的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系可用式表示：n=U-IR/KE。由該式可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。（2） 減弱勵磁磁通。（3） 改變電樞回路電阻R對于要求在一定反內(nèi)無極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有極調(diào)速，減弱磁通雖然能平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速以上做小范圍的升

5、速。因此，自動控制的直流調(diào)素系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控支流電源有三種：（1） 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2） 靜止可控整流器用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。（3） 直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器用恒定支流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制器產(chǎn)生可變的平均電壓。 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組我們此次設(shè)計顯然不能采用，因?yàn)樗恼{(diào)速性能不高，設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，維護(hù)不方便。我們只要考慮靜止可控整流器和脈寬調(diào)制變換器。1.1 VM調(diào)速系統(tǒng)

6、方案分析 該方案，以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制。目標(biāo)轉(zhuǎn)速從鍵盤輸入，電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速通過單片機(jī)測得，并由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示，同時，由輸入的轉(zhuǎn)速與測得的實(shí)際轉(zhuǎn)速得到轉(zhuǎn)速差，由單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，得到的結(jié)果進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，于是將數(shù)字信號變成模擬信號，并用此模擬信號去控制可移觸發(fā)裝置，進(jìn)而控制晶閘管的導(dǎo)通角，最終控制電動機(jī)的電樞電壓，達(dá)到對電動的調(diào)速和穩(wěn)速。整個系統(tǒng)形成一個單閉環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)﹄妱訖C(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到比較精確的控制，是現(xiàn)在比較流行的一種調(diào)速系統(tǒng)。1.2 PWM調(diào)速系統(tǒng)方案分析 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示。單片機(jī)單片機(jī)鍵 盤輸 入脈沖輸入顯示驅(qū)動緩沖電路電力晶體 管電源電路 圖1.1

7、 PWM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 該方案，同上一方案一樣，也是一個單閉環(huán)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)不是通過控制晶閘管的觸發(fā)脈沖來控制電壓，而是通過控制大功率晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間比來控制電動機(jī)電樞電壓。該系統(tǒng)中運(yùn)用了兩片單片機(jī)。其中一片單片機(jī)用來控制鍵盤輸入，轉(zhuǎn)速測量，轉(zhuǎn)速顯示，以及數(shù)字PID的運(yùn)算。另一片單片機(jī)用來控制輸出占空比可調(diào)可脈沖，從而控制晶體管的導(dǎo)通時間，達(dá)到調(diào)速和穩(wěn)速要求。1.3 兩種方案的比較 第一種方案采用了晶閘管進(jìn)行調(diào)速， 但晶閘管也有它的缺點(diǎn)，首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。它的另一個缺點(diǎn)是，元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分

8、敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短的時間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件的時候還應(yīng)留有足夠的余量。最后，但系統(tǒng)處于深調(diào)速的狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，似的系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變。會造成所謂的“電力公害”。在這種情況下，必須增設(shè)無功率補(bǔ)償和諧波濾波裝置。第二種方案采用的是大功率晶體管，屬于PWM調(diào)速，它與VM系統(tǒng)相比，有下列優(yōu)點(diǎn)： （1） 由于PWM的開關(guān)頻率教高，僅靠電樞電感的濾波作用就足以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬。又由于電流波形比VM系統(tǒng)好，在

9、相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都小。（2） 同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（3） 由于電力電子期間只工作在開關(guān)狀態(tài)，住電路損耗較小，系統(tǒng)裝置可以獲得更高的效率。 綜上所述，第二種方案比第一種方案有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，是直流調(diào)速的趨勢，因此，我們采用了方案二。 第二部分 PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計2.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由顯示模塊，鍵盤輸入模塊，測速模塊，晶體管驅(qū)動緩沖模塊，電源模塊以及單片機(jī)的通訊模塊組成。 2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)單片機(jī)鍵 盤輸 入脈沖輸入顯示驅(qū)動緩沖電路電力晶體 管電源電路 圖

10、2.1 PWM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2系統(tǒng)功能說明（描述） 系統(tǒng)的功能主要有：（1） 電動機(jī)的無靜差調(diào)速轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍100rpm1000rpm（2） 實(shí)時顯示轉(zhuǎn)速2.2 PID參數(shù)的確定 PID 控制是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最早、最廣泛、技術(shù)最成熟的一種控制規(guī)律，對于大多數(shù)工業(yè)對象都能夠得到比較滿意的控制效果。模擬PID控制器采用硬件來實(shí)現(xiàn)PID的控制規(guī)律。用軟件來實(shí)現(xiàn)PID的控制算法比模擬PID控制器有更大的靈活性和可靠性。本設(shè)計再用了PID控制算法中的位置式PID控制算法。1.1圖是典型的PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在PID調(diào)節(jié)器作用下，對誤差信號分別進(jìn)行比例、積分、微分控制。調(diào)節(jié)器的輸出作為

11、被控對象的輸入控制量。圖2.2 典型PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PID控制器的傳遞函數(shù)為: G(S)=0.945/0.0042S2+0.038S+1利用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)最終得到的PID參數(shù)為：Kp=0.01、Ki =0.01、Kd=0.1、T=0.01S。但為了計算的方便，在編寫程序時，先將各參數(shù)擴(kuò)大128倍 ，最后將得到的結(jié)果右移7位，將結(jié)果還原，這樣可以避免復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算。2.2 單元電路設(shè)計2.2.1 鍵盤輸入單元1. 矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)與工作原理： 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通

12、，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有

13、鍵按下了。具體的識別及編程方法如下所述。2. 矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，如上圖所示鍵盤，介紹過程如下。1. 判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。2. 判斷閉合鍵所在的位置 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確

14、定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。下面給出一個具體的例子： 圖仍如上所示。8031單片機(jī)的P1口用作鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P1口的低4位，鍵盤的行線接到P1口的高4位。列線P1.0-P1.3分別接有4個上拉電阻到正電源+5V，并把列線P1.0-P1.3設(shè)置為輸入線，行線P1.4-P.17設(shè)置為輸出線。4根行線和4根列線形成16個相交點(diǎn)。1. 檢測當(dāng)前是否有鍵被按下。檢測的方法是P1.4-P1.7輸出全“0”，讀取P1.0-P1.3的狀態(tài)，若P1.0-P1.3為全“1”，則無鍵閉合，否則有鍵閉合。 2.

15、去除鍵抖動。當(dāng)檢測到有鍵按下后，延時一段時間再做下一步的檢測判斷。 3. 若有鍵被按下，應(yīng)識別出是哪一個鍵閉合。方法是對鍵盤的行線進(jìn)行掃描。P1.4-P1.7按下述4種組合依次輸出： P1.7 1 1 1 0P1.6 1 1 0 1P1.5 1 0 1 1P1.4 0 1 1 1在每組行輸出時讀取P1.0-P1.3，若全為“1”，則表示為“0”這一行沒有鍵閉合，否則有鍵閉合。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值2.2.2 顯示單元1. LED數(shù)碼顯示器的連接在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼顯示器來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度

16、高、使用電壓低、壽命長的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。八段LED顯示器 引入：還記得我們小時候玩的“火柴棒游戲”嗎，幾根火柴棒組合起來，可以拼成各種各樣的圖形，LED顯示器實(shí)際上也是這么一個東西。八段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個賀點(diǎn)形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。如下圖所示。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通

17、時，相應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段hgfedcba對應(yīng)于一個字節(jié)（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二進(jìn)制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰LED顯示器，當(dāng)公共陰極接地（為零電平），而陽極hgfedcba各段為時，顯示器顯示P字符，即對于共陰極LED顯示器，“P”字符的字形碼是73H。如果是共陽LED顯示器，公共陽極接高電平，顯示“P”字符的字形代碼應(yīng)為（8CH）。動態(tài)掃描顯示接口 動態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公

18、共極COM是各自獨(dú)立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點(diǎn)亮。 在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。由89C51的P0口能灌入較大的電流，所以我們采用共陽的數(shù)碼管，并且不用限流電阻

19、，而只是用兩只1N4004進(jìn)行降壓后給數(shù)碼管供電，這里僅用了兩只，實(shí)際上還可以擴(kuò)充。它們的公共端則由PNP型三極管8550控制，顯然，如果8550導(dǎo)通，則相應(yīng)的數(shù)碼管就可以亮，而如果8550截止，則對應(yīng)的數(shù)碼管就不可能亮，8550是由P2.7，P2.6控制的。這樣我們就可以通過控制P27、P26達(dá)到控制某個數(shù)碼管亮或滅的目的。2.2.3串行接口單元串行接口的一般概念 單片機(jī)與外界進(jìn)行信息交換稱之為通訊。 8051單片機(jī)的通訊方式有兩種：并行通訊:數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收。串行通訊:數(shù)據(jù)一位一位順序發(fā)送或接收。串行通訊的方式：1. 異步通訊：它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束。

20、其每幀的格式如下：在一幀格式中，先是一個起始位0，然后是8個數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來是奇偶校驗(yàn)位（可以省略），最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符可以一個接一個地傳送。在異步通訊中，CPU與外設(shè)之間必須有兩項規(guī)定，即字符格式和波特率。字符格式的規(guī)定是雙方能夠在對同一種0和1的串理解成同一種意義。原則上字符格式可以由通訊的雙方自由制定，但從通用、方便的角度出發(fā)，一般還是使用一些標(biāo)準(zhǔn)為好，如采用ASCII標(biāo)準(zhǔn)。波特率即數(shù)據(jù)傳送的速率，其定義是每秒鐘傳送的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。例如，數(shù)據(jù)傳送的速率是120字符/s，而每個字符如上述規(guī)定包含10數(shù)位，則傳送波特率為1200波特。2. 同步

21、通訊：在同步通訊中，每個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志，占用了時間；所以在數(shù)據(jù)塊傳遞時，為了提高速度，常去掉這些標(biāo)志，采用同步傳送。由于數(shù)據(jù)塊傳遞開始要用同步字符來指示，同時要求由時鐘來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，故硬件較復(fù)雜。3. 通訊方向：在串行通訊中，把通訊接口只能發(fā)送或接收的單向傳送方法叫單工傳送；而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機(jī)之間的雙向傳遞，稱之為雙工傳送。在雙工傳送方式中又分為半雙工傳送和全雙工傳送。半雙工傳送是兩機(jī)之間不能同時進(jìn)行發(fā)送和接收，任一時該，只能發(fā)或者只能收信息。28051單片機(jī)的串行接口結(jié)構(gòu)8051串行接口是一個可編程的全雙工串行通訊接口。它可用作異步通訊方式（

22、UART），與串行傳送信息的外部設(shè)備相連接，或用于通過標(biāo)準(zhǔn)異步通訊協(xié)議進(jìn)行全雙工的8051多機(jī)系統(tǒng)也可以通過同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來擴(kuò)充I/O口。8051單片機(jī)通過引腳RXD（P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端）和引腳TXD（P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界通訊。SBUF是串行口緩沖寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器。它們有相同名字和地址空間，但不會出現(xiàn)沖突，因?yàn)樗鼈儍蓚€一個只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個只能被CPU寫入數(shù)據(jù)。1. 串行口的控制與狀態(tài)寄存器1. 串行口控制寄存器SCON 它用于定義串行口的工作方式及實(shí)施接收和發(fā)送控制。字節(jié)地址為98H，其各位定義如下表：D7 D6 D5 D

23、4 D3 D2 D1 D0 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0、SM1：串行口工作方式選擇位，其定義如下：SM0、SM1 工作方式 功能描述 波特率 0 0 方式0 8位移位寄存器 Fosc/12 0 1 方式1 10位UART 可變 1 0 方式2 11位UART Fosc/64或fosc/32 1 1 方式3 11位UART 可變 其中fosc為晶振頻率2.2.4 測速單元 測量，一般采用的是接觸式轉(zhuǎn)速計，這種轉(zhuǎn)速計必須頂在轉(zhuǎn)軸中心才能進(jìn)行測量，使用起來不方便，而且局限性很大，安全性也不是很好。因此，我們設(shè)計了采用光電傳感器的非接觸式轉(zhuǎn)速計，測量范圍從109

24、999轉(zhuǎn)分鐘，該測量原理如下：在被測旋轉(zhuǎn)軸上貼一片鋁箔作為反光體，當(dāng)反光體轉(zhuǎn)到光電傳感器的正前方時，光電傳感器發(fā)出的紅外光束被反射回來，同時被光電傳感器上的紅外接收管接收，產(chǎn)生一個脈沖信號，我們利用這個信號的邊沿觸發(fā)單片機(jī)內(nèi)部的高精度定時器進(jìn)行計時，精度可達(dá)1s，當(dāng)反光體再次轉(zhuǎn)到光電傳感器的正前方時，利用光反射信號的邊沿停止單片機(jī)計時。這樣轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)周期t就被精確地測量出來了，然后單片機(jī)把周期換算成轉(zhuǎn)速并通過LED數(shù)碼管顯示出來。INT1T0INT1T0一個周期 圖2.2 波形圖案 圖2.3 連接示意 圖2.2 波形圖案 圖2.3 連接示意 這里我們利用門控信號GATE啟動的方法。定時器/計數(shù)

25、器T0為計數(shù)器，定時器/計數(shù)T1為定時器，INT1/為高電平時，啟動定時器，（定時器每中斷一次，就讓單片機(jī)的記數(shù)單元COUT加1）同時，計數(shù)器開始計數(shù)，且只計數(shù)兩次就產(chǎn)生中斷，讓定時器和記數(shù)器都停止工作，這樣，脈沖的周期T=COUT*K其中，K為定時器的定時常速，在此設(shè)計中，要求轉(zhuǎn)速在100rpm1000rpm范圍內(nèi)，故要測的脈沖周期在60ms600ms之間，因此，K取20ms可以滿足精度要求。 2.3PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的電路構(gòu)成及軟件設(shè)2.3 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路及工作過程說明系統(tǒng)的電路圖參見附錄1，整個工作過程如下：當(dāng)鍵盤輸入轉(zhuǎn)速信號時，單片機(jī)1獲得此信號，并測量電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，通

26、過與此轉(zhuǎn)速比較得到轉(zhuǎn)速差，然后該差值經(jīng)過PID運(yùn)算，得到一占空數(shù)。單片機(jī)1將控制占空數(shù)的信號發(fā)送給單片機(jī)2，而單片機(jī)1又繼續(xù)進(jìn)行測量實(shí)際轉(zhuǎn)速工作，單片機(jī)2接到控制占空數(shù)信號后，就按該信號輸出連續(xù)的方波。其中，鍵盤是采用中斷處理方式， 電動機(jī)轉(zhuǎn)速大小是通過光電傳感器檢測出來的。2.4 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計為了提高編程效率，整個軟件設(shè)計采用了模塊處理。模塊主要有：鍵盤模塊，顯示模塊，串接模塊，測速模塊，PID運(yùn)算模塊，脈沖產(chǎn)生模塊。 2.4.1 RAM/ROM配置說明 單片機(jī)1的 RAM的配置如下表所示：30H鍵盤輸入的轉(zhuǎn)速的個位（BCD）31H鍵盤輸入的轉(zhuǎn)速的十位（BCD）32H鍵盤輸入的

27、轉(zhuǎn)速的百位（BCD）32H鍵盤輸入的轉(zhuǎn)速的千位（BCD）34H實(shí)測轉(zhuǎn)速的個位（BCD）35H實(shí)測轉(zhuǎn)速的十位（BCD）36H實(shí)測轉(zhuǎn)速的百位（BCD）37H實(shí)測轉(zhuǎn)速的個千位（BCD）38HKEY值39H實(shí)測轉(zhuǎn)速的低字節(jié)（BIT）40H實(shí)測轉(zhuǎn)速的高字節(jié)（BIT）41H鍵盤輸入的轉(zhuǎn)速的低字節(jié)（BIT）42H鍵盤輸入的轉(zhuǎn)速的低字節(jié)（BIT）43H占空比值44HP參數(shù)值45HI參數(shù)值46HD參數(shù)值47HE（K）的低字節(jié)（有符號）48HE（K）的高字節(jié)（有符號）49HPID結(jié)果的第一個字節(jié)50HPID結(jié)果的第二個字節(jié)51HPID結(jié)果的第三個字節(jié)52HPID結(jié)果的第四個字節(jié)53H積分項的第一個字節(jié)54H積分項

28、的第二個字節(jié)55H積分項的第三個字節(jié)56H積分項的第四個字節(jié)57HE（K-1）的低字節(jié)（有符號）58HE（K-1）的高字節(jié)（有符號）59H2.4.3 程序流程圖. E（K）100？開始初始化T0、T1、外部中斷0、串行口調(diào)用測速子程序?qū)y得轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)為BCD碼調(diào)用顯示子程序?qū)⑤斎氲霓D(zhuǎn)速化為二進(jìn)制將E（K）給E（K1）將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)2PID運(yùn)算占空比值為70 圖2.5 主程序流程圖開始關(guān)定時器T1關(guān)門控信號重置定時初值計數(shù)器加1將20H.1取反返回中斷開始清除中斷標(biāo)志禁止T0、T1中斷關(guān)中斷關(guān)定時器、計數(shù)器返回中斷開 始延時消抖確定鍵值有無鍵按 下鍵處理YN返回中斷圖2.8 計數(shù)器T1程序流

29、程圖圖2.9 定時器T2流程圖圖2.7 鍵盤程序流程圖第三部分 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)測試3.1 測試軟件ProteusbakProteusbk是一種用于單片機(jī)的仿真軟件，它能對由單片機(jī)以及其外圍電路或芯片所組成的系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，能經(jīng)驗(yàn)出單片機(jī)程序的邏輯錯誤以及電路接口之間的邏輯錯誤，是一種非常使用的仿真軟件。3.2 測試內(nèi)容 鍵盤和顯示單元3.3 測試步驟（1） 用WAVE6000編寫單片機(jī)的原程序，然后編譯成后綴為HEX的文件。（2） 用Proteusbak繪制鍵盤和顯示單元的電路圖。（3） 將WABE6000的HEX文件加載到Proteusbak的硬件圖中。（4） 運(yùn)行Proteusbak

30、，進(jìn)行時序仿真，仿真結(jié)果如圖所示。3.4 測試分析 通過測試，可以說明所寫的程序是真確的，無邏輯上的錯誤，外圍電路的連接也是真確的，可以進(jìn)行電路板的焊接和制作。第四部分 設(shè)計總結(jié)本課程設(shè)計對V-M調(diào)速方案和PWM調(diào)速方案作了說明和比較，從優(yōu)選擇了后者，并且對此方案作詳細(xì)的說明和介紹設(shè)計的具體過程，從方案的選擇到具體的硬件實(shí)現(xiàn)，從具體的硬件電路到具體的軟件實(shí)現(xiàn)，從軟件實(shí)現(xiàn)到調(diào)試，每一步都作了較為詳細(xì)的說明，雖最后因?yàn)闀r間和條件有限的關(guān)系，最終未能在具體電路系統(tǒng)中調(diào)試整個系統(tǒng)，但這個為期兩個多禮拜的課程設(shè)計，讓我感悟最深的是基極驅(qū)動器的設(shè)計、PID的應(yīng)用和原理以及單片機(jī)的編程技巧。每個晶體管應(yīng)有獨(dú)

31、立的基極驅(qū)動器。為了確保晶體管在開通時能迅速達(dá)到飽和導(dǎo)通，關(guān)斷時能迅速截止，正確設(shè)計基極 驅(qū)動器是非常重要的。首先，由于各個驅(qū)動器是獨(dú)立的，但控制電路共用，因此必須使控制電路與驅(qū)動器電路相互隔離。其次，驅(qū)動器每個開關(guān)過程包括三個階段，即開通、飽和 導(dǎo)通和關(guān)斷。具體的基極驅(qū)動器電路可按電流的導(dǎo)通、飽和導(dǎo)通和關(guān)斷波形設(shè)計，由功放三極管、門電路和延時環(huán)節(jié)組成。 由于本人的知識結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)的局限性，本設(shè)計需仿真的部分未能全部成功，這也是本設(shè)計的一個失誤之一。 本設(shè)計的最大的失誤是：沒有盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。在設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時，首這樣可使整個應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護(hù)。對于一

32、個較大的程序，可將整個程序按功能分成若干個模塊，不同的模塊完成不同的功能。對于不同的功能模塊，分別指定相應(yīng)的入口參數(shù)和出口參數(shù)，而經(jīng)常使用的一些程序最好編成函數(shù)，這樣既不會引起整個程序管理的混亂，還可增強(qiáng)可讀性，移植性也好。參考文獻(xiàn)1 李宏等.GTR基極驅(qū)動厚膜集成電路HL201A.國外電子元器件.2001(6)2 牟新斌.功率晶體管的驅(qū)動與保護(hù).電力電子技術(shù).1991(1)3張振熔，晉明武，王毅平.MCS51單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)M.北京：人民郵電出版社.20004徐建軍.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用及接口技術(shù)M.北京：人民郵電出版社.20035黃繼昌.實(shí)用單元電路及其應(yīng)用M.北京：人民郵電出版

33、社.2000附錄1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路圖圖3.1 總圖1圖3.2 總圖2附錄2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)元器件明細(xì)表序號代號名 稱型號或規(guī)格數(shù)量備注174LS04六反向器1274LS21四輸入與門13R電阻1K134SWPB電動按鈕125晶振12MHz26C1電容0.1uf127C2電容10uf18C3電容4800uf19C4電容470pf11074LS573鎖存器21174LS02二輸入或非門212共陰極LED813開關(guān)314MAX708215555定時器116整流橋117VT晶體管2N222118HL201A驅(qū)動器119GTR功率管SQD50AB100120D快恢復(fù)二極管FR107321

34、直流電機(jī)122R電阻0.021附錄3 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)程序清單單片機(jī)1的程序：KEY EQU 38HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0ORG 0BHAJMP T0ORG 1BHAJMP T1ORG 0030HMAIN: SETB P3.3 ;置P3.3 P3.4為輸入狀態(tài) SETB P3.4 MOV TMOD,#95H MOV TL0,#0FEH MOV TH0,#0FFH MOV TL1,#0B1H MOV TH1,#0E0H SETB EA MOV IP,#02H ;T0中斷優(yōu)先于T1 SETB ET1 SETB ET0 MOV SCON,#80H

35、MOV R0,#30H MOV R7,#8TT: MOV R0,#0 INC R0 DJNZ R7,TT MOV 44H, #19 ;置P,I,D參數(shù)（擴(kuò)大128倍取整） MOV 45H,#19 MOV 46H,#128 MOV 53H,#0 MOV 54H,#0BEGIN: ACALL CESU MOV R2,#0 MOV R3,#0 MOV R4,#0BH MOV R5,#0B8H MOV A,R3 MOV R6,#0 MOV R7,A ACALL DIVD MOV 39H,R2 ;39H.40H為實(shí)測的轉(zhuǎn)速 (二進(jìn)制） MOV 40H,R3 ACALL HB2 ;二進(jìn)制轉(zhuǎn)為BCD碼 MO

36、V A, R3 ANL A,#0F0H MOV 34H,A MOV A,R3 SWAP A ANL A,#0F0H MOV 35H,A MOV A,R4 ANL A,#0F0H MOV 36H,A MOV A,R4 SWAP A MOV 37H,A ACALL DISPLAY MOV A,30H SWAP A ADD A,31H MOV R2,A MOV A,32H SWAP A ADD A,33H MOV R3,A ACALL BH2 ;BCD碼轉(zhuǎn)為二進(jìn)制數(shù) MOV 41H,R2 MOV 42H,R3 ;41H，42H為輸入的轉(zhuǎn)速（二進(jìn)制）PID: MOV A,41H SUBB A,39H

37、MOV 47H,A MOV A,42H SUBB A,40H MOV 48H,A MOV R2,44H MOV R3,#0 MOV R6,47H MOV R7,48H ACALL MULS MOV 49H,R2 MOV 50H,R3 MOV 51H,R4 MOV 52H,R5 MOV R2,45H MOV R3,#0 MOV R6,47H MOV R7,48H ACALL MULS MOV R0,53H MOV R1,54H MOV R6,55H MOV R7,56H ACALL SIJIA MOV 53H,R2 MOV 54H,R3 MOV 55H,R4 MOV 56H,R5 MOV R0,

38、49H MOV R1,50H MOV R6,51H MOV R7,52H ACALL SIJIA MOV 49H,R2 MOV 50H,R3 MOV 51H,R4 MOV 52H,R5 MOV A,47H SUBB A,53H MOV 57H,A MOV A,48H SUBB A,54H MOV R2,57H MOV R3,A MOV R6,47H MOV R7,48H ACALL MULS MOV R0,49H MOV R1,50H MOV R6,51H MOV R7,52H ACALL SIJIA MOV 49H,R2 MOV 50H,R3 MOV 51H,R4 MOV 52H,R5 MO

39、V R6,#128 MOV R7,#0 ACALL DIVD MOV R0,#7SS: MOV A,R5 ;將結(jié)果右移7位 RRC A MOV R5,A MOV A,R4 RRC A MOV R4,A MOV A,R3 RRC A MOV R3,A MOV A,R2 RRC A MOV R2,A DJNZ R0,SS MOV 43H,R2 MOV A,R2 MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI MOV 57H,47H MOV 58H,48H AJMP BEGIN ;*四字節(jié)有符號相加加數(shù)在R2,R3,R4,R5中，被加數(shù)在 R0,R1,R6,R7中 ;* 結(jié)果在R2,R3,R4

40、,R5中SIJIA: MOV A,R2 ADD A,R0 MOV R2,A MOV A,R3 ADDC A,R1 MOV R3,A MOV A,R4 ADDC A,R6 MOV R4,A MOV A,R5 ADDC A,R7 MOV R5,A RET;* 雙字節(jié)碼整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)十六進(jìn)制整數(shù);待轉(zhuǎn)換的雙字節(jié)碼整數(shù)在R2、R3中。 轉(zhuǎn)換后的雙字節(jié)十六進(jìn)制整數(shù)仍在R2、R3中。BH2: MOV A,R3 LCALLBCDH MOVR3,A MOVA,R2 LCALLBCDH MOVB,#100;擴(kuò)大一百倍 MULAB ADDA,R3;和低字節(jié)按十六進(jìn)制相加 MOVR3,A CLRA ADDCA,B

41、 MOVR2,A RET;*單字節(jié)碼小數(shù)轉(zhuǎn)換成單字節(jié)十六進(jìn)制小數(shù);* 轉(zhuǎn)換后的單字節(jié)十六進(jìn)制小數(shù)仍在累加器A中。BCDH:MOVB,#10HDIVABMOVR4,B;MOVB,#10;將十位轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制MULABADDA,R4;按十六進(jìn)制加上個位RETCESU: PUSH PSW PUSH SP PUSH ACC MOV PSW,#08H MOV R3,#0 ; 軟件計數(shù)器清零 SETB 20H.0LOOP9: SETB 20H.1 SETB TR0 SETB TR1 JB 20H.1,$ JB 20H.0,LOOP9 RET;*雙字節(jié)二進(jìn)制無符號數(shù)除法 ,;*被除數(shù)在R2、R3、R4、R5

42、中，除數(shù)在R6、R7中。;*雙字節(jié)商在R2、R3中DIVD:CLRC;比較被除數(shù)和除數(shù)MOVA,R3SUBBA,R7MOVA,R2SUBBA,R6JCDVD1SETBOV;溢出RETDVD1:MOVB,#10H;計算雙字節(jié)商DVD2:CLRC;部分商和余數(shù)同時左移一位MOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R3RLCAMOVR3,AXCHA,R2RLCAXCHA,R2MOVF0,C;保存溢出位CLRCSUBBA,R7;計算（R2R3R6R7）MOVR1,AMOVA,R2SUBBA,R6ANLC,/F0;結(jié)果判斷JCDVD3MOVR2,A;夠減，存放新的余數(shù)MOVA,R1MOVR3,AINCR5;商的低位置一DVD3:DJNZB,DVD2;計算完十六位商（R4R5）MOVA,R4;將商移到R2R3中MOVR