基于PWM的按摩機(jī)傳動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題 目 基于 pwm 的按摩機(jī)傳動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) 作 者 e l e c 系 別 信息與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 二 五 年 六 月 一 日 摘 要 本設(shè)計(jì)在描述按摩機(jī)功能的基礎(chǔ)上，完成了一個(gè)基于 pwm（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速的按摩機(jī)傳動(dòng)控制 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)和直流電機(jī) pwm 調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)提出了控制系統(tǒng)框架和具體設(shè)計(jì) 技術(shù)方案，從硬件電路方面闡述了控制系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)，結(jié)合硬件提出軟件設(shè)計(jì)思想，利用匯編語(yǔ)言將 之實(shí)現(xiàn)，并利用按鍵，蜂鳴器,氖燈，led 數(shù)碼管等外圍設(shè)備為用戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和按摩功能。 通過(guò)按鍵，用戶可以讓按摩機(jī)工

2、作在最具舒適的按摩工作方式和振動(dòng)速度上；利用蜂鳴器來(lái)告警或提示 按摩完成；利用氖燈顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)；利用 led 數(shù)碼管顯示電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī) 的 pwm 傳動(dòng)控制電路的軟硬件結(jié)合， pwm 調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)技術(shù)較復(fù)雜,硬件上利用 mosfet(金屬氧化半導(dǎo) 體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件上利用交流檢測(cè)結(jié)果,完成單片機(jī)定時(shí)器延時(shí)和查表功能。本設(shè)計(jì)不但結(jié) 合了單片機(jī)開發(fā)技術(shù)，而且綜合運(yùn)用了直流電機(jī) pwm 技術(shù)、交流檢測(cè)技術(shù)以及 led 驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)，實(shí) 現(xiàn)了按摩機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)交互。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：pwm mosfet 交流檢測(cè)技術(shù) led 驅(qū)動(dòng)與控制 abstract the

3、design, in describing the foundation of massage machine function, completed a spread to move and control system electric circuit, which based on pwm (pulse width modulated). with techniques of scm (single chip microcomputer) and pwm of dc (direct current) motor, the design put forward the control sy

4、stem frame and the concrete design technique projects at first. then elaborated the total realization of the control system from the hardware electric circuit. next, combined the hardware to put forward the mind of software design, and made use of assembly language carrying out it. finally, made use

5、 of the peripherals, such as the key, the buzzer，the neon lamp and the led (light emitting diode) figures tube, providing the service for the customer, and carry out the massage function and interaction for both the machine and the person. the customer can let massage machine work on the comfortable

6、 method and vibration speeds by the key; make use of the buzzer warning or hinting the massage has finished; make use of neon lamp shows the current work appearance; and use the led figures tube to manifestation present speed of motor. the design is a software and hardwares combination that based on

7、 the pwm of spread to move and control system electric circuit. its more complicated to carry out the technique of pwm. on the hardware, make use of the mosfet (metal oxide semiconductor field effect transistor) carrying out it; on the software, make use of the result of exchanges examination, setti

8、ng the scm postpone and checking the form. the design not only used technique of scm, but also synthesized the technique of the pwm of dc motor, the technique of exchanges examination and the technique of drive and control of led, to carry out the control system of massage machine and persons intera

9、ction. keywords: pwm mosfet technique of exchanges examination drive and control of led 目 錄 1 1 概述概述 .1 1 2 2 按摩機(jī)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)按摩機(jī)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) .3 3 3 3 直流電機(jī)直流電機(jī) pwmpwm 調(diào)速控制原理調(diào)速控制原理 .5 5 3.1 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 .6 3.2 直流電機(jī) pwm 調(diào)速原理與控制技術(shù) .7 4 4 按摩機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案按摩機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案 .9 9 4.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) .9 4.2 系統(tǒng)所選用單片機(jī)簡(jiǎn)介 .10 4.3 系統(tǒng)單片機(jī)外部擴(kuò)

10、展 .11 4.4 交流檢測(cè)電路 .12 4.5 電機(jī)控制方案 .13 4.6 led 的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng).13 5 5 按摩機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)按摩機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .1515 5.1 電源電路 .15 5.2 復(fù)位電路 .16 5.3 電機(jī)和氖燈控制電路 .16 5.4 按鍵顯示部分電路 .18 6 6 按摩機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想按摩機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想 .1919 6.1 電機(jī)控制設(shè)計(jì) .19 6.2 led 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì).20 6.3 交流檢測(cè)設(shè)計(jì) .21 7 7 按摩機(jī)控制系統(tǒng)軟件匯編實(shí)現(xiàn)按摩機(jī)控制系統(tǒng)軟件匯編實(shí)現(xiàn) .2222 7.1 單片機(jī)端口與寄存器的初始化 .22 7.2 主程序代碼部

11、分 .24 7.3 交流檢測(cè)模塊 .25 7.4 電動(dòng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn) .26 7.5 數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)模塊 .27 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) .2929 致謝致謝 .3030 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .3131 附錄附錄 匯編程序匯編程序 .3232 1 概述 以大規(guī)模集成電路為主的微型計(jì)算機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer） ，簡(jiǎn)稱單 片機(jī)，又稱嵌入式微控制器（embedded microcontroller） 。單片機(jī)具有優(yōu)異的性能價(jià)格比，集成度高、 體積小、可靠性高，控制功能強(qiáng)和低電壓、低功耗等特點(diǎn)，在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、智能接口、 家用電器、兒童玩具、健身器材等許多領(lǐng)

12、域都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，隨著電子信 息技術(shù)的飛躍，單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)顯得越來(lái)越重要，成為了一門重要的電子電氣技術(shù)學(xué)科，同 時(shí)亦成為了新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。 現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展越來(lái)越快，人們生活節(jié)奏也快，隨之而來(lái)工作壓力也越來(lái)越大。人們渴望休閑，渴望 健康。于是當(dāng)前人們對(duì)健康非常關(guān)注和重視，而按摩對(duì)人體健康有特殊促進(jìn)功效。按摩機(jī)就是在這一背 景下產(chǎn)生。為了滿足人們的需要和市場(chǎng)的需求，按摩機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用單 片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)而設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的按摩機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)基本按摩功能。本按摩機(jī)傳動(dòng)控制電路 可實(shí)現(xiàn)市面上各類型按摩機(jī)的基本功能，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

13、成本低廉，體積不大，可滿足人體腰部，足部 以及頸部的按摩需要。 本按摩機(jī)控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，是基于 pwm（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)制原理的直流電機(jī)控制 應(yīng)用方案。直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulated，pwm）調(diào)速技術(shù)最早產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 70 年 代中期，用于不可逆，小功率的驅(qū)動(dòng)，例如天文望遠(yuǎn)鏡，自動(dòng)記錄儀表等。近 10 多年來(lái)，單片機(jī)技術(shù) 和集成電路技術(shù)的發(fā)展以及寬調(diào)速永磁直流電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，促使 pwm 技術(shù)高速發(fā)展，并使電氣驅(qū)動(dòng)技 術(shù)達(dá)到一個(gè)新的高度。本設(shè)計(jì)即利用了直流電機(jī) pwm 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)調(diào)速控制，同時(shí)用到了 led 驅(qū)動(dòng) 與控制技術(shù)和交流檢測(cè)技術(shù)完

14、成控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)功能。 本按摩機(jī)利用單片機(jī)完成系統(tǒng)總體控制功能，并利用按鍵，蜂鳴器，發(fā)光二極管，氖燈和 led 數(shù)碼 管等外圍設(shè)備為用戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)其按摩功能；通過(guò)按鍵，用戶可以讓按摩機(jī)工作在 最具舒適的按摩工作方式和振動(dòng)速度上；利用蜂鳴器來(lái)告警或提示按摩完成；利用氖燈顯示當(dāng)前的工作 狀態(tài)；利 led 數(shù)碼管顯示電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。 本按摩機(jī)由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)形成振動(dòng)，而單片機(jī)可以通過(guò)控制振動(dòng)的方式和時(shí)間來(lái)按用戶的需要進(jìn)行 按摩，其具體按摩功能描述如下： 1. 可以有十八檔速度速度進(jìn)行按摩，按摩機(jī)選用調(diào)速性能較好的直流電機(jī)，利用調(diào)速技術(shù)對(duì)電機(jī) 進(jìn)行調(diào)速，共設(shè) 18 檔速度。 2. 可

15、以提供四種獨(dú)特的按摩方式： 1) 定速按摩，此種方式最為簡(jiǎn)單，是常見的按摩方式，在這種方式下，電機(jī)在某一速度檔保持 恒定轉(zhuǎn)速，按摩機(jī)以均勻的振動(dòng)速度進(jìn)行按摩。 2) 快慢按摩，此種方式用戶可通過(guò)設(shè)定速度檔來(lái)改變按摩機(jī)振動(dòng)速度，但此種方式按摩機(jī)以快 速和慢速振動(dòng)交替進(jìn)行。 3) 波浪感按摩，此種方式按摩速度從慢到快地連續(xù)變化，給用戶一種波浪從身體經(jīng)過(guò)的感覺， 這種方式適合老人和兒童。 4) 隨機(jī)方式按摩，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨時(shí)間隨機(jī)變化，沒有特定的節(jié)奏。應(yīng)該注意的是這種方式并 不是上述 3 種方式以隨機(jī)的形式進(jìn)行按摩。 3. 用戶可根據(jù)個(gè)人喜好利用按鍵調(diào)節(jié)速度檔次以及按摩方式。按摩機(jī)提供了 6 個(gè)按鍵

16、：兩個(gè)調(diào)速 按鍵，分別完成降檔調(diào)速，升檔調(diào)速；一個(gè)模式轉(zhuǎn)換按鍵，用于切換當(dāng)前的按摩方式；一個(gè)電源開關(guān)按 鍵，提供系統(tǒng)上電；一個(gè)氖燈轉(zhuǎn)換按鍵，顯示按摩機(jī)工作狀態(tài)；一個(gè)數(shù)碼管轉(zhuǎn)換按鍵，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。 2 按摩機(jī)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架時(shí)，除了考慮實(shí)現(xiàn)按摩功能外，系統(tǒng)的可操作性和安全性也是至關(guān)重要的。為了方便 用戶使用，給他們舒適的感受，按摩機(jī)必須設(shè)計(jì)良好的用戶操作按鍵以及必要的顯示系統(tǒng)；為了保證使 用過(guò)程中的安全，在設(shè)計(jì)中必須考慮告警措施，并充分完善供電電源的設(shè)計(jì)。圖 1 所示為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框 架，包括按鍵輸入與 led 指示、蜂鳴器提示輸出、交流信號(hào)檢測(cè)、供電電源處理、氖燈指示和電動(dòng)機(jī)控 制

17、。 單片機(jī)控制系統(tǒng) 蜂鳴器提示 輸出 按鍵輸入led 指示 交流信號(hào) 檢測(cè) 氖燈指示 電動(dòng)機(jī) 供電電源 圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架 按摩機(jī)的主要功能模塊可劃分為 6 部分。 1. 按鍵輸入與 led 指示部分。該模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)按摩機(jī) 6 個(gè)按鍵輸入信號(hào)，并利用數(shù)碼管和發(fā)光二 極管顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。其中，數(shù)碼管顯示按摩振速，發(fā)光二極管顯示按摩方式。 2. 蜂鳴器提示輸出部分。該模塊完成按摩機(jī)的告警和工作提示，在一般工作情況下，蜂鳴器都將 發(fā)聲告警（例如，按鍵輸入、電機(jī)運(yùn)行超時(shí)和系統(tǒng)出錯(cuò)） 。 3. 氖燈指示部分。氖燈只在按摩機(jī)工作時(shí)發(fā)光，否則熄滅。該模塊利用 220v 市電為氖燈供電，并 配合相應(yīng)的控制

18、電路。 4. 交流檢測(cè)部分。檢測(cè)交流過(guò)零點(diǎn)，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)和氖燈。 5. 電源部分。該模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)從交流中整流出穩(wěn)定的 5v 供電電壓。 6. 電機(jī)部分。電機(jī)采用 220v 市電供電，控制方式與氖燈控制相同。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架構(gòu)建并劃分了系統(tǒng)的整體功能模塊，但是在硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了合理布線和 優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，并不嚴(yán)格按照這種頂層的模塊劃分來(lái)完成電路和程序。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件功能模塊實(shí)現(xiàn) 劃分為 5 個(gè)電路塊，分別是電源電路、復(fù)位電路、電機(jī)和氖燈控制電路、按鍵顯示部分電路。系統(tǒng)的軟 件實(shí)現(xiàn)則根據(jù)軟件流程劃分出各函數(shù)功能模塊，與圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架所示沒有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 3 直流電機(jī) pw

19、m 調(diào)速控制原理 pwm（pulse width modulated） ，即脈沖寬度調(diào)制. pwm 脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波對(duì) 載波進(jìn)行調(diào)制,達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法. 常用 pwm 技術(shù)的基本原理是利用高頻載波與控制波 進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)制的 pwm 波。為滿足逆變電源的需要，減小輸出電壓的諧波含量，載波信號(hào) 采用對(duì)稱的三角波實(shí)現(xiàn) pwm 輸出波形的對(duì)稱雙邊調(diào)制，使輸出電壓不含偶次諧波。 pwm 控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)最初是在無(wú)線電技術(shù)中用于信號(hào) 的調(diào)制，后來(lái)在電機(jī)調(diào)速中得到了很好的應(yīng)用。1964 年 a.schonung 和 h.st

20、emmler 首先提出把這項(xiàng)通訊 技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。 從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制 spwm 信號(hào)以控制功率 器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的 pwm 信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為 止，pwm 在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。 由于 pwm 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及至其它能量變換系統(tǒng)中得到 廣泛應(yīng)用。pwm 控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦 pwm（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種 pwm 方案，多重 pwm 也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化 p

21、wm 及隨機(jī) pwm。正弦 pwm 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電 壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重 pwm 技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如 abb，acs1000 系列和美國(guó) robicon 公司的完美無(wú)諧波系列等）；而優(yōu)化 pwm 所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率 （thd）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 在 70 年代開始至 80 年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最 高不超過(guò) 5khz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī) pwm 方法應(yīng) 運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電

22、機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率 能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。 正因?yàn)槿绱耍词乖?igbt 已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī) pwm 仍然有其特殊的價(jià)值（dtc 控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是 盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī) pwm 技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問(wèn)題的全新思路。 本按摩機(jī)的電動(dòng)機(jī)采用直流供電,利用 pwm 技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速.控制原理包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選 擇和調(diào)速控制原理.本按摩機(jī)使用了雙向驅(qū)動(dòng)方式,并采取控制電樞電壓改變電機(jī)轉(zhuǎn)速.

23、下面兩小節(jié)詳細(xì) 闡述了本設(shè)計(jì)所采用電機(jī)控制技術(shù)。 3.1 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 由上述可知控制原理包括直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇和調(diào)速控制原理。本按摩機(jī)使用了雙向驅(qū)動(dòng)方 式，并采取控制電樞電壓改電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式包括單向驅(qū)動(dòng)和雙向驅(qū)動(dòng)。 1. 單向驅(qū)動(dòng) 這種方式又分為兩種情況，功率較小的電動(dòng)機(jī)常常采用單相電源輸入，并采用可控硅晶閘管控制導(dǎo) 通輸入。 而功率較大的電動(dòng)機(jī)的主電路需要采用三相以上電源，這種情況一般都有整流變壓器，相數(shù)和接法 有多種，大部分采用三相橋式連接。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)不要用到，在此就不贅述，只做簡(jiǎn)單介紹，詳見電機(jī) 控制手冊(cè)。 2. 雙向驅(qū)動(dòng) 雙向驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)可采用兩組反相并聯(lián)

24、的整流電路，第一組整流電路使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，第二組整流電 路使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)或正向制動(dòng)。 要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，晶閘管控制電路必須使整流器輸出反向連接至電動(dòng)機(jī)的電壓，或者使加到勵(lì)磁電 路上的電壓反向。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)和變速時(shí)，要求快速響應(yīng)，負(fù)載變動(dòng)時(shí)也要求快速恢復(fù)到原來(lái)速度，因此， 希望在逆變運(yùn)行時(shí)把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的能量饋送給電源。 了解和掌握了驅(qū)動(dòng)方式的種類，知道在本設(shè)計(jì)中要用到雙向驅(qū)動(dòng)方式，后面的章節(jié)將介紹具體電路 實(shí)現(xiàn)。 在此還應(yīng)該考慮脈動(dòng)電流對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的影響。這種影響可大可小，對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性影響很大。 因?yàn)椴捎镁чl管器件把交流電源變?yōu)橹绷麟娫磿r(shí)，電路相數(shù)、負(fù)載性質(zhì)的不同，所以會(huì)產(chǎn)生不同的 脈動(dòng)電流。而

25、且晶閘管整流供電在電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電流斷續(xù)的特殊現(xiàn)象，這也對(duì)電動(dòng) 機(jī)機(jī)械特性影響很大。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管整流供電電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速升高，電動(dòng)機(jī)械特性顯著 變軟，電動(dòng)機(jī)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩的很小變化就能引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的很大變化。 所以，在直流電動(dòng)機(jī)由晶閘管可控整流電路供電時(shí)，為了改善電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，應(yīng)使其始終工作在 特性較硬的區(qū)域，直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載中大多串聯(lián)了電抗器，以使電動(dòng)機(jī)在空載或輕載時(shí)也工作在電流連續(xù) 區(qū)域。 了解了本次設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式所要注意的類容，接下來(lái)關(guān)注直流電機(jī) pwm 調(diào)速和控制技術(shù)。 3.2 直流電機(jī) pwm 調(diào)速原理與控制技術(shù) 對(duì)直流電機(jī)調(diào)速可以有 3 種方法：

26、1. 控制電樞電壓改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)整； 2. 控制電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； 3. 在電樞回路中，串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻。 由電機(jī)知識(shí)可知，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由公式 1 給出。 kirun/ )( （1） 公式 1 中u是電樞電壓，i是電樞電流，r是電樞總電阻，是每極磁通量，k電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 圖 2 直流電機(jī)調(diào)速原理 由公式 1 可知，用單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可通過(guò)改變磁通量或電壓來(lái)完成。一般采用調(diào)節(jié)電 樞電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。隨著功率器件的發(fā)展，現(xiàn)在的電機(jī)調(diào)速大部分采用開關(guān)進(jìn)行控制，功率器件 工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小。如果采用直流供電，一般利用 pwm 技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。在電路實(shí)現(xiàn)上，將脈 沖輸入

27、連接至 mosfet 管的源極，并利用極間壓降完成 pwm 調(diào)試，如圖 2 所示。 根據(jù)圖 2 的原理實(shí)現(xiàn)電路，直流電機(jī)兩端的電壓uo可用公式 2 表示： cc vau 0 （2） 其中，a為 pwm 的占空比； cc v為直流電源的供電電壓。 cc v實(shí)際為 220v 的交流市電經(jīng) 過(guò)整流后的直流電源，用作直流電機(jī)供電電源，而 mosfet 管在此利用雙向可控硅替代，通過(guò)控制導(dǎo)通 角實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度的控制，如圖 3 所示。 圖 3 實(shí)用直流電機(jī)調(diào)速原理圖 可控硅導(dǎo)通需滿足以下兩個(gè)條件： 1. 門極觸發(fā)電流大于閾值； 2. 在門極電流大于閾值的情況下，負(fù)載電流大于設(shè)定值。 調(diào)速其實(shí)就是控制導(dǎo)

28、通角，利用觸發(fā)脈沖的導(dǎo)通位置控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零時(shí)立即觸發(fā)可控 硅，則電機(jī)通電時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)速度較快;檢測(cè)過(guò)零后，若延時(shí)一段時(shí)間后再觸發(fā)，則電機(jī)通電時(shí)間短， 電機(jī)速度較慢，過(guò)零觸發(fā)與電機(jī)通電如圖 4 所示. 紅色線條表示市電的正弦曲線，藍(lán)色線條表示用手電機(jī)調(diào)速的觸發(fā)脈沖。如果脈沖觸發(fā)時(shí)，市電立 刻導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)行在整個(gè)脈沖間歇期間，那么通電時(shí)間長(zhǎng)；如果脈沖觸發(fā)時(shí)，市電不能立刻導(dǎo)通，電機(jī) 運(yùn)行的時(shí)間不在整個(gè)脈沖間歇期間，甚至是一段很短的時(shí)間，則通電時(shí)間短。這樣便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)速。 圖 4 過(guò)零觸發(fā)與電機(jī)通電 按照本次設(shè)計(jì)按摩機(jī)所需功能設(shè)計(jì)，電機(jī)的速度要被分成 18 檔，相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間表格應(yīng)放在

29、單片 機(jī)的 rom 中。假設(shè)單片機(jī) 128s中斷一次，則延時(shí) 10128s為最快檔，延時(shí) 64128s為最慢檔。 最快和最慢檔之間相差 54128s，即相鄰兩檔之間相差 3128s。中斷模塊查表后發(fā)生延時(shí)，并產(chǎn) 生觸發(fā)脈沖，控制速度，并且雙向可控硅在門極驅(qū)動(dòng)，當(dāng)負(fù)可控硅兩端達(dá)到設(shè)定值后，即使觸發(fā)脈沖消 失，同樣可以導(dǎo)通。 4 按摩機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)的具體執(zhí)行步驟，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架雖然構(gòu)建了系統(tǒng)的整體功能模 塊劃分，但是硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)還得通過(guò)具體的技術(shù)方案才能達(dá)到。采用的技術(shù)方案的好與壞直接影 響系統(tǒng)的可操作性和安全性，以及后續(xù)設(shè)計(jì)工作的展開和進(jìn)行。因此單片

30、機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案同樣重要。 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容： 一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 rom、ram、i/o、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿 足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。 二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、a/d、d/a 轉(zhuǎn)換器 等，還要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則： 1. 盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 2. 系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行 二次

31、開發(fā)。 3. 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是： 軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)殃，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響 應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用 cpu 時(shí)間。 4. 系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用 cmos 芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中 所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。 5. 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷 電路板布線、通道隔離等。 6. 單片機(jī)外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過(guò)增 設(shè)線驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或

32、減少芯片功耗來(lái)降低總線負(fù)載。 7. 要求盡量朝著“單片”方向設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也 增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 4.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用市電供電，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)高效、廉價(jià)的整流電路。出于成本和體積考慮，采用電容 降壓供電和半波整流電路，如圖 5 所示。 圖 5 供電電路 根據(jù)電子線路知識(shí)，假設(shè) c1=1f，那么交流 c1 的阻抗 z=1/2fc=3184。在整流電路中，限 流電阻一般取值較小，通常為 100，且負(fù)載和穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻也較低，所以經(jīng)整流輸出的電流 i=220/z=69ma。又因?yàn)椴捎玫氖前氩ㄕ?，所以該整流電路大約可以

33、提供 30ma 左右的供電電流，完全 能夠滿足單片機(jī)系統(tǒng)工作的供電要求。在圖 5 中,r1 為泄流電阻，它泄放降壓電容上的電流。 4.2 系統(tǒng)所選用單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制單元，它控制所有的輸入輸出，并根據(jù)用戶按鍵信息做出按摩方式和振動(dòng) 速度的調(diào)整。本方案選用了具有 51 核的單片機(jī) em78p156e，em78p156e 屬于臺(tái)灣義隆公司 em78 系列單 片機(jī)之一，其指令集與傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)的指令集是一樣的，但 i/o 為推挽結(jié)構(gòu)，能夠直接驅(qū)動(dòng) led。該 單片機(jī)具有如下特性： 8 管腳封裝 sop、soic 和 dip。 工作電壓范圍為 2.2-5.5v。 工作溫度范圍為

34、0-70。 工作頻率范圍為 0-36mhz。 低功耗。5v/4 mhz 工作條件下,電流小于 1.6ma;典型的 3v/32khz 工作條件,電流小于 15a; 休眠工作方式下,電流為 1a。 1kb13 字節(jié)片內(nèi) rom,488 字節(jié)通用存儲(chǔ)器(sram)。 內(nèi)置 rc 振蕩器、上電復(fù)位。 一個(gè)配置寄存器以滿足用戶不同要求。 5 級(jí)堆棧、8 位實(shí)時(shí)時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器（tcc） 。 3 個(gè)中斷源。tcc 溢出中斷、輸入口狀態(tài)變化中斷（從休眠方式喚醒）及外部中斷。 2 個(gè)雙向 i/o 管腳。 8 個(gè) i/o 管腳可編程設(shè)置為上拉。 7 個(gè) i/o 管腳可編程設(shè)置為下拉。 8 個(gè) i/o 管腳可編程設(shè)置

35、為漏極開路。 如圖 6 所示，em78p156e 單片機(jī)有 18 個(gè)管腳，其中可用作 i/o 功能的管腳只有 12 個(gè)，即 p5x 和 p6x。 需要注意的是，該單片機(jī)的 i/o 具有推挽結(jié)構(gòu)，能夠直接驅(qū)動(dòng) led 等外部弱電設(shè)備，因此大大簡(jiǎn)化了系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電路元器組成。 圖 6 em78p156e 單片機(jī) 4 4.3 系統(tǒng)單片機(jī)外部擴(kuò)展 確定了單片機(jī)后，需要對(duì)單片機(jī)相應(yīng)管腳的功能進(jìn)行定義并設(shè)計(jì)其外部電路的功能。 首先我們要預(yù)先分析，用戶使用按摩機(jī)所關(guān)心的是按鍵功能是否正確、發(fā)光二極管指示的工作狀態(tài) 是否無(wú)誤以及數(shù)碼管顯示的按摩振動(dòng)速度是否準(zhǔn)確，也就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖中“按鍵輸入與 led 指

36、示部 分”需要完成的工作。完成這些功能需要利用單片機(jī) i/o，在不浪費(fèi)系統(tǒng)資源的前提下分配單片機(jī) i/o 口。可以知道， “按鍵輸入與 led 指示部分”需要 6（用戶按鍵）+4（數(shù)碼管）+4（發(fā)光二極管）=14 個(gè) i/o 管腳。除了涉及用戶使用的 i/o 外，設(shè)計(jì)者還必須考慮分配 i/o 管腳的包括：交流檢測(cè)輸入、氖燈、 電機(jī)和蜂鳴器的控制。這 4 個(gè)部分各自獨(dú)立控制，需要 4 個(gè)單獨(dú)的單片機(jī) i/o 管腳。 根據(jù)上面的分析，完成按摩機(jī)需要 14+4=18 個(gè)單片機(jī) i/o 管腳，而 em78p156e 只提供了 12 個(gè)可用 的 i/o 管腳。 解決這一問(wèn)題的方法可采用 i/o 復(fù)用技術(shù)

37、：交流檢測(cè)輸入、氖燈、電機(jī)和蜂鳴器的控制使用了 4 個(gè) 管腳，各自獨(dú)立，可用于復(fù)用的管腳為 8 個(gè)。數(shù)碼管的顯示可以通過(guò)串行驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣只需要兩個(gè) i/o 口便可完成 4 個(gè) i/o 口的功能；6 個(gè)按鍵和 4 個(gè) led（按摩機(jī)工作模式指示燈）可采用 i/o 口復(fù)用方 式利用剩余的 6 個(gè)管腳完成。這樣單片機(jī)即可完成預(yù)先設(shè)定的控制功能。 然后我們對(duì)單片機(jī) i/o 管腳進(jìn)行分配，其外部電路連接如圖 7 所示。 圖 7 單片機(jī)電路連接 管腳 1、18 連接 4 數(shù)碼管串行驅(qū)動(dòng)芯片 74ls164，將按摩機(jī)的振動(dòng)速度值以串行方式發(fā)送至該 芯片，經(jīng)并行輸出處理后顯示。 管腳 2：p53，連接定義

38、為 anj1/led4，外部電路完成按鍵 1（數(shù)碼管顯示開關(guān)）和發(fā)光二極 管 4（隨機(jī)方式按摩指示燈）的功能。 管腳 6：p60/int，連接定義為 anj2/led3，外部電路完成按鍵 2（氖燈開關(guān)）和發(fā)光二極管 3（波浪感方式按摩指示燈）的功能。 管腳 7：p61，連接定義為 anj3/led2，外部電路完成按鍵 3（按摩振動(dòng)降速按鍵）和發(fā)光二 極管 2（快慢方式按摩指示燈）的功能。 管腳 8：p62，連接定義為 anj4/led1，外部電路完成按鍵 4（按摩機(jī)電源開關(guān)）和發(fā)光二極 管 1（定速方式按摩指示燈）的功能。 管腳 9：p63，連接定義為 anj5，連接按鍵 5（按摩方式切換按鍵

39、） 。 管腳 10：p64，連接定義為 anj6，連接按鍵 6（按摩振動(dòng)和加速按鍵） 。 管腳 11：p65，連接定義為 beep，連接電路為蜂鳴器發(fā)聲電路。 管腳 12：p66，連接定義為 motor，外部電路完成電機(jī)調(diào)速控制功能。 管腳 13：p67，連接定義為 hlight，外部電路完成氖燈控制，系統(tǒng)上電點(diǎn)亮氖燈，故障及斷 電狀態(tài)熄滅氖燈。 管腳 15、16 連接晶振，產(chǎn)生 4mhz 的頻率。該頻率為系統(tǒng)的時(shí)鐘周期。 管腳 17：p50，連接定義為 ac jc，外部電路完成交流檢測(cè)。 4.4 交流檢測(cè)電路 在本設(shè)計(jì)應(yīng)用中不需要嚴(yán)格的過(guò)零檢測(cè)，所以此處用最簡(jiǎn)單的方法檢測(cè)交流過(guò)零，如圖 8

40、所示。將 交流電引入單片機(jī)過(guò)程中，單片機(jī) i/o 口連接一個(gè) 2m的電阻，再直接同 220v 的市電電源線相連。由 于單片機(jī) i/o 口內(nèi)部已存在有二極管鉗位電路，因此不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。i/o 口的電平狀態(tài)與交流點(diǎn)正弦波 形關(guān)系如圖 9 所示。正弦曲線為交流電曲線，矩形方波為脈沖檢測(cè)波形。從電路技術(shù)來(lái)說(shuō)，利用弱電系 統(tǒng)檢測(cè)交流強(qiáng)電的原理是利用晶振脈沖的上升沿和下降沿檢測(cè)此刻交流電狀態(tài)。如果兩次采樣的交流電 狀態(tài)沒有變化（要么都為正，要么都為負(fù)） ，那么此時(shí)沒有發(fā)生交流過(guò)零；如果兩次采樣的交流電狀態(tài) 發(fā)生變化（一次為正,一次為負(fù)） ，那么一定發(fā)生交流過(guò)零。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先保存 i/o 口的初始

41、 狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)利用時(shí)鐘脈沖間隔中不斷檢測(cè) i/o 口的狀態(tài)，如果狀態(tài)發(fā)生改變，則發(fā)生了交流過(guò) 零。 圖 8 交流檢測(cè)電路 圖 9 i/o 口的電平狀態(tài)與交流電正弦波形關(guān)系 4.5 電機(jī)控制方案 電機(jī)控制的主要目的是調(diào)速，此處利用過(guò)零檢測(cè)后控制電機(jī)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)速。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖 在直流電機(jī) pwm 調(diào)速原理與控制技術(shù) 3.2 節(jié)中圖 3 所示，4 個(gè)二極管起整流作用，將交流電流變成單向 脈動(dòng)的電流；電感 l 防止了電路中過(guò)于大的電流變化（di/dt） ；并聯(lián)在可控硅上的電阻和電容作用是可 以防止可控硅兩端過(guò)于大的電壓變化（du/dt ） ，這些都是用來(lái)防止可控硅誤觸發(fā)的。由于前面 3.

42、2 章 節(jié)已有詳細(xì)介紹，在此就不在贅述了。 4.6 led 的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng) 1. led 的驅(qū)動(dòng)原理。 led 發(fā)光二極管的工作電壓為 1.53v，工作電流為幾毫安到十幾毫安，壽命很長(zhǎng)。單片機(jī)外圍接 口電路中，常用發(fā)光二極管作顯示器件。 發(fā)光二極管顯示方法有兩種。一種是直流靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法，即一個(gè)輸出口驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管，其優(yōu)點(diǎn) 是軟件簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是端口的利用率低，因此只在發(fā)光二極管少的電路中采用。另一種是分時(shí)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法， 周期性地給發(fā)光二極管通電，周期較短（例如不長(zhǎng)于 20ms） ，人眼觀察無(wú)閃爍之感。利用此法驅(qū)動(dòng) 2 位 8 段數(shù)碼管，用單片機(jī) 2 個(gè)口作位線驅(qū)動(dòng)，8 個(gè)口作段線驅(qū)動(dòng)即可。一般來(lái)說(shuō)分

43、時(shí)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法 n 個(gè)端口 能驅(qū)動(dòng) m（n-m）個(gè)發(fā)光二極管，其中 m 是從 n 中分出的列（位）線，而余下的（n-m）個(gè)則作為行（段） 線。當(dāng) n4，并且 m=n/2 時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。 圖 10 實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)方式 2. 驅(qū)動(dòng)方式。 在本設(shè)計(jì)際應(yīng)用中，為了提高 i/o 口的利用率，在此采用串行驅(qū)動(dòng)，即使用兩個(gè) i/o 口驅(qū)動(dòng)串轉(zhuǎn)并 芯片 74ls164,常用串轉(zhuǎn)并芯片 74ls164 在 clk 的上升沿將串行的數(shù)據(jù)送到并行口。實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)方 式電路圖見圖 10。 5 按摩機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本章節(jié)其實(shí)是上一章節(jié)技術(shù)方案的延續(xù)，是對(duì)系統(tǒng)硬件原理圖的總體設(shè)計(jì)。電路原理設(shè)計(jì)的主要任

44、務(wù)是為實(shí)際的制版電路提供理論上的基礎(chǔ)。因此我們要借助假想電路環(huán)境，降電路設(shè)計(jì)得盡可能地簡(jiǎn)單 高效。 本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)在 protel 軟件中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)，同時(shí)可加深對(duì) protle 軟 件的使用，反過(guò)來(lái)在操作 protel 軟件的過(guò)程中積累設(shè)計(jì)心得和體會(huì)以及經(jīng)驗(yàn)，為以后的工作打下基礎(chǔ)。 兩者相結(jié)合，互相促進(jìn)，互相補(bǔ)足，才能取得想要的結(jié)果。 本按摩機(jī)的 protel 布線電路采用的是簡(jiǎn)單的順序布線形式,并不需要使用多層布線。設(shè)計(jì)中盡可能 選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要 求，系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配，以及可

45、靠性及抗干擾設(shè)計(jì)，還要考慮其芯片驅(qū)動(dòng)能力。 本章所有小節(jié)電路見系統(tǒng)原理圖 11。 5.1 電源電路 將交流市電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當(dāng)受體積和成本等因素 的限制時(shí)，最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。具體的電路部分見圖 11 中位于單片機(jī)上面的 部分。 電源電路的組成包括： 1. c1 為降壓電容器,選用容值為 1f的電容。 2. vd1、vd2 為半波整流二極管。 3. r1 為泄放電阻，需用阻值為 100k的電阻。 整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會(huì)高于 30v，并且會(huì)隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，這是因?yàn)?此類電源內(nèi)阻很大，不適合大電流供電的應(yīng)用場(chǎng)合。

46、為保證 c1 可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電 源電壓。泄放電阻 r1 的選擇必須保證在要求的時(shí)間內(nèi)泄放掉 c1 上的電荷。具體電路 4.1 節(jié)有詳細(xì)介紹， 具體實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)原理圖 11 上部分。 5.2 復(fù)位電路 基本的復(fù)位電路為 c2 電容（容值為 1f）和 r1 電阻（阻值為 100k） 。r1 并聯(lián)了一個(gè)二極管， 它的作用是放電，保證在電源插拔時(shí)可靠復(fù)位。若沒有二極管 d1，當(dāng)電源因某種干擾瞬間斷電時(shí)，由于 c2 電容不能迅速放電，待電源恢復(fù)時(shí)，單片機(jī)便 不能上電自動(dòng)復(fù)位，導(dǎo)致運(yùn)行失控，程序不正常運(yùn)行。 具體電路穿插在電源電路中，見系統(tǒng)原理圖 11 上部分電源電路中。 5.3 電機(jī)和氖

47、燈控制電路 圖 11 系統(tǒng)原理圖的右下部分，a+、a-接氖燈；b+、b-接電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的兩端 4 個(gè)二極管起整流 作用，將市電整流成單向脈動(dòng)的直流供給電機(jī)。 1. 氖燈控制電路部分的組成包括： (1)r10，阻值為 10k，提升端口的驅(qū)動(dòng)電壓。 (2)c6，容值為 1f，濾波電容。 (3)c7，容值為 47nf，防止 a+、a-間的高頻串?dāng)_。 (4)q1 為一個(gè)雙向可控硅。 2. 電機(jī)控制電路部分的組成包括： (1)r11，阻值為 10k，提升端口的驅(qū)動(dòng)電壓。 (2)c8，容值為 1f，濾波電容。 (3)q2 為一個(gè)雙向可控硅。 (4)c9，容值為 1f。 (5)r22，阻值為 5.1k，與

48、 c9 形成一個(gè)濾波回路。 (6)d8d11，這是二極管整流橋電路，該整流電路為氖燈提供可靠的直流電源。 (7)r13，阻值為 5.1k，用于保護(hù)電機(jī)。 (8)c10，容值為 47f，穩(wěn)定電機(jī)的工作電壓波形。 r13 起保護(hù)作用，防止外面短接的時(shí)候短路。c10 改變載波的波形，減緩陡峭程度，減小噪聲。在 可控硅兩端并聯(lián)了 rc 緩沖電路，控制電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流滯后于電源電壓。因此電流過(guò) 零時(shí)，雙向可控硅可能突然承受較高的電壓，過(guò)高的 du/dt 可能引起可控硅的誤觸發(fā)。當(dāng)市電電壓降到 電動(dòng)機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)的時(shí)候，電機(jī)的電流繞著二極管空轉(zhuǎn)，此時(shí)可控硅電流突然下降到 0。而過(guò)高的 di/

49、dt 也會(huì)引起可控硅的在沒有門極控制下導(dǎo)通，因此回路中串了一個(gè)電感遏制電流的急劇變化。 5.4 按鍵顯示部分電路 這部分的電路組成包括： 1. r14r17，阻值均為 510，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。 2. r19，阻值為 10k，用于采集按鍵 1、2 和 3 的信號(hào)。 3. r20，阻值為 47k，用于采集按鍵 4、5 和 6 的信號(hào)。 見圖 11 系統(tǒng)原理圖左下部分，為了提高 i/o 口的利用率，電路中按鍵和顯示復(fù)用。8 位的字型通過(guò) 串轉(zhuǎn)并芯片 74ls164 送出 qaqg（顯示字型的數(shù)據(jù)）和 qh（模式指示燈信號(hào)） 。一般 led 的工作電流為 5ma 左右，r4r9、r14r18 為限

50、流電阻，保證 led 和數(shù)碼管的正常工作。 假設(shè)程序每 2ms 做 1 次按鍵檢和顯示。首先將字型和要顯示的數(shù)據(jù)送到 74ls164 的并行口，然后產(chǎn) 生第 1 個(gè)選通信號(hào)（見圖中數(shù)碼管的 1、2、3、4 選通線） ，顯示第 1 個(gè)數(shù)碼管并點(diǎn)亮（或關(guān)斷）第一個(gè) 指示燈；在下一個(gè) 2ms 到來(lái)的時(shí)候則顯示第 2 個(gè)數(shù)碼管和指示燈，此時(shí)可以通過(guò) p63、p64 做按鍵檢測(cè)。 由于第 2ms 依次循環(huán)檢測(cè)，因此可以迅速地檢測(cè)到按鍵，而且 led 和數(shù)碼管也無(wú)抖動(dòng)。值得注意的是， 由于節(jié)約了 i/o 口，因此不能檢測(cè)到同一時(shí)間的多個(gè)按鍵信號(hào)。 6 按摩機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想 本章節(jié)其實(shí)是第 4、5 章

51、節(jié)技術(shù)方案和硬件設(shè)計(jì)的延續(xù)，是和硬件相結(jié)合的軟件總體設(shè)計(jì)，包括交 流檢測(cè)部分，電機(jī)控制部分，led 顯示部分三個(gè)方面的一些設(shè)計(jì)流程和思路總結(jié)，具體實(shí)現(xiàn)和編程在第 7 章控制系統(tǒng)軟件匯編程序部分，在此只是簡(jiǎn)要介紹總體思路。 6.1 電機(jī)控制設(shè)計(jì) 電機(jī)控制功能按照?qǐng)D 12 的流程圖可以實(shí)現(xiàn)，具體思路如下。 是 否 是 開始 中斷保護(hù) 脈沖寬度計(jì)時(shí)到？ 撤消脈沖 電機(jī)已打開？ 脈沖延時(shí)時(shí)間到？ 開啟脈沖，并給出脈沖 寬度初值 恢復(fù)寄存器 結(jié)束 否 是 圖 12 電動(dòng)機(jī)控制流程 1. 單片機(jī)控制電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)入中斷保護(hù)。中斷保護(hù)過(guò)程將完成如下 5 方面的工作： (1)保存端口的狀態(tài)值。 (2)保存

52、中斷前的片內(nèi)寄存器值。 (3)保存各類存儲(chǔ)器的尋址地址。 (4)保存主程序的執(zhí)行代碼斷點(diǎn)。 (5)初始化脈沖寬度、延時(shí)長(zhǎng)度和狀態(tài)信息。 2. 完成中斷保護(hù)后，系統(tǒng)將檢查脈沖寬度計(jì)時(shí)時(shí)間是否到達(dá)。 脈沖寬度計(jì)時(shí)用于開啟可控硅，控制電機(jī)運(yùn)行。如果既定時(shí)間寬度的脈沖已完成（即判定結(jié)果為 “是” ） ，則必須撤消脈沖；如果既定時(shí)間寬度的脈沖未完成（即判定結(jié)果為“否” ） ，則不撤消脈沖。 3. 接著是判斷電機(jī)是否正在運(yùn)行。 如果電機(jī)沒有運(yùn)行，則恢復(fù)寄存器初值，完成中斷，返回系統(tǒng)主程序；如果電機(jī)正在運(yùn)行，則繼續(xù)執(zhí)行。 4. 然后是判斷脈沖延時(shí)時(shí)間是否到達(dá)。 如果延時(shí)到達(dá)，中斷將重新開啟脈沖，并給出脈沖初

53、始值，重新決定是否開啟可控硅，控制電機(jī)運(yùn)行； 如果延時(shí)不到，則恢復(fù)寄存器初始值，完成中斷，返回系統(tǒng)主程序。 5. 最后是完成中斷，返回系統(tǒng)主程序。 6.2 led 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) led 驅(qū)動(dòng)采用了串行驅(qū)動(dòng)方式，利用芯片 74ls164 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，使得 4 個(gè) led 數(shù) 碼管可同時(shí)使用。單片機(jī)在發(fā)送 led 顯示數(shù)據(jù)時(shí)，利用了時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù)輸出兩個(gè)端口。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送 完畢后，時(shí)鐘輸出為 1；否則時(shí)鐘輸出無(wú)效。 led 驅(qū)動(dòng)流程如圖 13 所示。 流程圖實(shí)現(xiàn)步驟為： 1. 為時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù)輸出選定兩個(gè)端口。 2. 利用循環(huán)數(shù)據(jù)移位輸出。 如果還有未輸出的數(shù)據(jù)，循環(huán)繼續(xù)。該循環(huán)過(guò)程將分成

54、 5 步完成。 1. 初始化時(shí)鐘輸出電平。時(shí)鐘輸出初始值為低電平，表明芯片 74ls164 并可將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，led 未 驅(qū)動(dòng)。 2. 是否完成準(zhǔn)備工作。這主要通過(guò)端口判定得到，即端口值為 0。 3. 若完成準(zhǔn)備，輸出有效的 led 數(shù)據(jù)； 4. 若未完成準(zhǔn)備，輸出無(wú)效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出后，時(shí)鐘輸出為高電平。 5. 尋址下一個(gè) led 數(shù)據(jù)。尋址通過(guò)寄存器右移完成。 開始 選定時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù) 輸出端口 時(shí)鐘輸出低電平 數(shù)據(jù)輸出是否準(zhǔn)備 完畢? 數(shù)據(jù)輸出有效 時(shí)鐘輸出為高電平 尋址下一數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)輸出是否完畢? 數(shù)據(jù)輸出無(wú)效 是 是 否 否 結(jié)束 圖 13 led 驅(qū)動(dòng)流程 6.3 交流檢測(cè)設(shè)計(jì) 單片

55、機(jī)從外部電路得到交流電壓,并對(duì)其進(jìn)行交流過(guò)零檢測(cè)。這部分功能必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程才 能實(shí)現(xiàn)。 因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)應(yīng)用中不需要嚴(yán)格的過(guò)零檢測(cè)，所以此處用最簡(jiǎn)單的方法檢測(cè)交流過(guò)零，交流過(guò)零檢 測(cè)具體電路原理見 4.4 章節(jié)。 編程思路,函數(shù)設(shè)計(jì)兩個(gè)交流的狀態(tài)值：s0 為交流輸入初始狀態(tài)值；s1 為當(dāng)前狀態(tài)值。執(zhí)行該函數(shù)時(shí)， 只需要比較 s0 和 s1 的值即可：如 s0 與 s1 相等，說(shuō)明交流不過(guò)零，因?yàn)榻涣鞯那昂鬆顟B(tài)一致，前后狀 態(tài)一定在直流脈沖零點(diǎn)的同側(cè)；如果 s0 不等于 s1，說(shuō)明交流過(guò)零，因?yàn)榻涣鞯那昂鬆顟B(tài)不一致，前后 狀態(tài)一定在直流脈沖零點(diǎn)的兩側(cè)。 7 按摩機(jī)控制系統(tǒng)軟件匯編實(shí)現(xiàn) 本程序分

56、為 7 個(gè)模塊。 1片機(jī)端口與寄存器的初始化。 2數(shù)碼管的顯示控制。 3按鍵操作與按鍵指示燈的控制。 4狀態(tài)轉(zhuǎn)移與任務(wù)的細(xì)化。 5按摩機(jī)工作模式的控制。 6系統(tǒng)延時(shí)。 7系統(tǒng)主控制模塊。 7.1 單片機(jī)端口與寄存器的初始化 本模塊用來(lái)初始化單片機(jī)端口與寄存器。 1. 單片機(jī)端口的初始化 tcc = 0x01 ;tcc 口的初始化 pc = 0 x02 r3 = 0x03 p5 = 0x05 ;p5 口的初始化 p6 = 0x06 ;p6 口的初始化 ioc5 = 0x05 ;單片機(jī)的 i/o 口定義,下同 ioc6 = 0x06 ioc7 = 0x07 ioca = 0x0a iocb = 0

57、x0b iocc = 0x0c iocd = 0x0d ioce = 0x0e iocf = 0x0f rf = 0x0f c = 0 ;c 寄存器 z = 2 ;z 寄存器 2. 數(shù)碼管顯示部分初始化 系統(tǒng)需要 4 個(gè) led 數(shù)碼管來(lái)顯示按摩機(jī)的工作信息,代碼將分別初始化數(shù)碼管的顯示寄存器,并給出 控制信號(hào) clk 和 data。 clk = 2 ;單片機(jī)端口為 p52 data = 1 ;單片機(jī)端口為 p51 disp_reg1 = 0x10 ;數(shù)碼管顯示寄存器,1 為低位，4 為高位。 disp_reg2 = 0x11 disp_reg3 = 0x12 disp_reg4 = 0x13

58、 3. 指示燈與工作狀態(tài)初始化 按摩機(jī)工作在 4 個(gè)模式下,需要相應(yīng)的寄存器存儲(chǔ)不同工作模式的狀態(tài)值,本部分代碼將完成按鍵, 工作模式顯示,計(jì)時(shí)時(shí)間寄存器以及中斷程序所需的寄存器的初始化。按鍵指示燈狀態(tài)寄存位, 鍵值寄 存器，其中模式、氖管燈開關(guān)狀態(tài)與鍵值公用。 key_detect_reg = 0x14 ;鍵值檢測(cè)積存器 key_reg = 0x15 ;鍵值保存積存器 isup = 0 ;+狀態(tài)值 isdown = 1 ;-狀態(tài)值 ismode = 2 ;模式狀態(tài)值 islamp = 3 ;氖管開關(guān)值 isswitch = 4 ;有按鍵標(biāo)志，供蜂鳴氣子程序查詢 isled = 5 class

59、_reg = 0x16 ;分為 12 個(gè)等級(jí)，+，-共用此寄存器 delay_class_reg = 0x17 mode_reg = 0x18 ;分為 4 種模式 disp_state_id = 0x19 ;因按鍵和數(shù)碼管位選復(fù)用,公用總狀態(tài) key1_state_id = 0x1a ;按鍵延時(shí)用，用于按鍵和延時(shí)狀態(tài)區(qū)分 key2_state_id = 0x3b key3_state_id = 0x3c speak_state_id = 0x3d lamp_state_id = 0x1c disp_time = 0x1d ;工作狀態(tài)指示燈寄存器初始化 speak_time = 0x1f sys

60、60msreg = 0x20 tcc2msreg = 0x21 sys15sreg = 0x23 sys128sreg = 0x24 xsys128sreg = 0x25 sys15mreg = 0x26 speak3reg = 0x3f stateid1 = 1 ; 狀態(tài)常數(shù) stateid2 = 2 stateid3 = 3 stateid4 = 4 stateid5 = 5 stateid6 = 6 stateid7 = 7 stateid8 = 8 ;電動(dòng)機(jī)控制的寄存器控制 ctrlflag = 0x27 classoverflag = 0 ;等級(jí)數(shù)到最高擋 switch_speak