單片機(jī)控制的直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)與脈沖調(diào)速

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1節(jié)引言 31.1本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容 4\o"CurrentDocument"第2節(jié)系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"單片機(jī)控制系統(tǒng)原理 5\o"CurrentDocument"單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路 52.2.18051的基本知識(shí) 52.2.28051標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)計(jì)說(shuō)明 5脈沖信號(hào)發(fā)生器 8\o"CurrentDocument"脈沖計(jì)數(shù)與顯示電路 11\o"CurrentDocument"集成功率放大器LM386 11\o"CurrentDocument"第3節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 13程序流程圖設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"程序清單 14第4節(jié)結(jié)束語(yǔ) 19\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 20單片機(jī)控制的直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)與脈沖調(diào)速第1節(jié)引言目前直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，直流調(diào)速的轉(zhuǎn)速比更大，可在全部的調(diào)速范圍內(nèi)都能獲得良好的轉(zhuǎn)矩特性。放眼望去，交流電機(jī)占據(jù)了傳動(dòng)應(yīng)用的絕大多數(shù)地盤，大有取代直流電機(jī)的趨勢(shì)，但實(shí)際在許多場(chǎng)合人們?nèi)栽谑褂弥绷髡{(diào)速。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，價(jià)格低。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速的性能越來(lái)越接近直流調(diào)速，因而人們更愿意使用交流變頻調(diào)速。眾所周知，許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開電，并且在這些實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)對(duì)通電時(shí)間、電壓高低、電流大小以及動(dòng)態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求。全數(shù)字直流調(diào)速裝置，采用8位單片微機(jī)技術(shù)，性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠，并且具極高的性能價(jià)格比。設(shè)計(jì)方案的提出，更進(jìn)一步說(shuō)明了這類電機(jī)的好處直流電機(jī)產(chǎn)品是工業(yè)自動(dòng)化，家庭現(xiàn)代化等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用不可缺少的基礎(chǔ)產(chǎn)品，與其它類型的電機(jī)相比，它具有良好的起動(dòng)性能，且能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，過(guò)載能力較強(qiáng)，熱動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，因此直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上廣泛地被應(yīng)用。隨著人們生活水平迅速提高，對(duì)視聽設(shè)備品質(zhì)要求也在不斷提高，這類產(chǎn)品為小功率直流電機(jī)提供了廣闊市場(chǎng)，因此高精度控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是一個(gè)較為重要的運(yùn)行參數(shù)，也有很多種用于測(cè)量轉(zhuǎn)速的儀表，如：機(jī)械軟軸式轉(zhuǎn)速表、頻率-電壓轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)速表、數(shù)字式轉(zhuǎn)速表等，它們中間有的成本很高而且精度較差、有的工藝復(fù)雜而且可靠性不高。本文介紹了一種利用單片機(jī)技術(shù)制成的智能轉(zhuǎn)速表，不僅精度高、工藝簡(jiǎn)單、線路簡(jiǎn)潔，而且可靠性高、功能強(qiáng)。當(dāng)然本文中提到的軟硬件設(shè)計(jì)方案，不能代表最佳方案，學(xué)習(xí)和掌握其基本原理，關(guān)心其發(fā)展，對(duì)于電機(jī)及其控制領(lǐng)域內(nèi)工作和學(xué)習(xí)的人員都是有必要的。在單片機(jī)控制電機(jī)的理論及應(yīng)用發(fā)展得非常迅速。因該設(shè)備未經(jīng)過(guò)實(shí)物硬件的調(diào)試,所以難免存在著一些弊端,望老師給予指點(diǎn)。設(shè)計(jì)制作一個(gè)脈沖調(diào)速器，使其工作頻率和占空比均可調(diào)節(jié),頻率調(diào)節(jié)范圍3-5KHZ,占空比調(diào)節(jié)范圍為30-70%,選用額定電壓為12V額定電流為0.5A的小直流電機(jī),根據(jù)其參數(shù)設(shè)計(jì)出功率放大器，使之推動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)工作，并用4位數(shù)碼管顯示出電動(dòng)機(jī)每秒所轉(zhuǎn)的圈數(shù),以監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的調(diào)速情況。第2節(jié)系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖2-1單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路2.2.18051的基本知識(shí)a.8051的引腳40接+5V（VCC）電源，引腳20接電源地線。b.傳統(tǒng)8051工作時(shí)鐘最高為12MHZ。c.EA引腳接地，由外部程序ROM來(lái)執(zhí)行程序。d.EA引腳接高電平或+5丫電源，由8051內(nèi)部程序ROM來(lái)執(zhí)行程序。e.8031EA引腳必須接低電平，由外部程序ROM來(lái)執(zhí)行程序。f.89C5189c52引腳接高電平后，是由內(nèi)部程序ROM來(lái)執(zhí)行程序。g.開機(jī)時(shí)必須加入芯片重置（RESET）信號(hào)。h.RESET信號(hào)高電平動(dòng)作，高電平時(shí)產(chǎn)生芯片重置。ESET信號(hào)低電平時(shí)，則由程序ROM地址0起開始執(zhí)行程序。2.2.28051標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)計(jì)說(shuō)明8051的程序代碼可以外接程序ROM來(lái)執(zhí)行，也可以使用內(nèi)部4KB的空間（如8751，89C51），當(dāng)程序長(zhǎng)度超過(guò)4KB時(shí)可以使用89C52（內(nèi)含8KB），若程序長(zhǎng)度超過(guò)8KB時(shí)可以使用89C55（內(nèi)含20KB）。若是采用IO51控制板做設(shè)計(jì)則程序代碼可以長(zhǎng)達(dá)64KB的空間。8051EA引腳是接至5V電源，表示由內(nèi)部程序ROM來(lái)提供程序代碼，此電路可以使用的單芯片有8751及89C51，而程序的測(cè)試方法可以使用ICE，使用89CXX燒錄模擬器EPM89或是直接燒錄單芯片。當(dāng)然直接燒錄單芯片，做測(cè)試較麻煩還會(huì)花費(fèi)許多時(shí)間，如果控制程序簡(jiǎn)單還可以，要是做課程設(shè)計(jì)程序就變得復(fù)雜了，相當(dāng)浪費(fèi)時(shí)間，所以手上有ICE的話就相當(dāng)方便了。如果想將項(xiàng)目設(shè)計(jì)得更復(fù)雜，使用更多的I/O或是功能擴(kuò)充，我們建議使用8051外接程序ROM及數(shù)據(jù)RAM的控制電路，那就是8051擴(kuò)充型模式設(shè)計(jì)。圖2-2單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)圖脈沖信號(hào)發(fā)生器作為實(shí)驗(yàn)裝置脈沖信號(hào)處理我們采用555集成塊和外圍電路組成，555集成定時(shí)器是模擬功能和數(shù)字邏輯功能相結(jié)合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。外加電阻、電容可以組成性能穩(wěn)定而精確的多諧振蕩器、單穩(wěn)電路、施密特觸發(fā)器等，應(yīng)用十分廣泛。555定時(shí)器的外引線排列圖和內(nèi)部原理框圖如圖2-3、2-4所示，功能見表2-5。它是由上、下兩個(gè)電壓比較器、三個(gè)5k。電阻、一個(gè)RS觸發(fā)器、一個(gè)放電三極管T以及功率輸出級(jí)組成。比較器C1的反相輸入端⑤接到由三個(gè)5k。電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)的2/3Vcc處（⑤也稱控制電壓端），同相輸入端⑥為閥值電壓輸入端。比較器C2的同相輸入端接到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的1/3Vcc處，反相輸入端②為觸發(fā)電壓輸入端，用來(lái)啟動(dòng)電路。兩個(gè)比較器的輸出端控制RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器設(shè)置有復(fù)位端RD④，當(dāng)復(fù)位端處干低電平時(shí)，輸出③為低電平。控制電壓端⑤是比較器C1的基準(zhǔn)電壓端，通過(guò)外接元件或電壓源可改變控制端的電壓值，即可改變比較器C1、C2的參考電壓。不用時(shí)可將它與地之間接一個(gè)O.01口F的電容，以防止干擾電壓引入。555的電源電壓范圍是+4.5?+18V,輸出電流可達(dá)100?200mA,能直接驅(qū)動(dòng)小型電機(jī)、繼電器和低阻抗揚(yáng)聲器。圖2-3555集成電路引腳排列圖圖2-4時(shí)基電路555電路結(jié)構(gòu)圖表2-5555芯片功能表觸發(fā)閾值復(fù)位IS放電端輸出H導(dǎo)通LH原狀態(tài)H截止HL導(dǎo)通L

工0.7(R1+R2)C多諧振蕩器的電路圖和波形圖如圖2-6所示。電源接通后，Vcc通過(guò)電阻R1、R2向電容C充電。當(dāng)電容上電vC=2/3Vcc時(shí)，閥值輸入端⑥受到觸發(fā)，比較器C1翻轉(zhuǎn)，輸出電壓Vo=0，同時(shí)放電管T導(dǎo)通，電容C工0.7(R1+R2)Ct=(R+R)C-InPH1 2充電時(shí)間:tPL=tPL=R2Cln(Vcc-IVcc]放電時(shí)間:振蕩周期：T=tPH+tPL'0.7(R1+2R2)C1 1.44 4 振蕩頻率：f=1/T，H+% (R1+2R2)C一tR+RD=pHR-=——1 2—占空系數(shù)： T R「2R2當(dāng)R2>>R1時(shí)，占空系數(shù)近似為50%。圖2-6多諧振蕩器的電路圖和波形圖由上分析可知：a）電路的振蕩周期入占空系數(shù)D,僅與外接元件R1、R2和C有關(guān)，不受電源電壓變化的影響。b）改變R1、R2,即可改變占空系數(shù)，其值可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。c）改變C的值，可單獨(dú)改變周期，而不影響占空系數(shù)。另外，復(fù)位端④也可輸入1個(gè)控制信號(hào)。復(fù)位端④為低電平時(shí)，電路停振。脈沖計(jì)數(shù)與顯示電路圖2-7脈沖計(jì)數(shù)原理圖轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用紅外發(fā)射和接收管，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)盤上開有一小口，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)就接收到一次脈沖信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖、零壓比較、反相電路到單片機(jī)計(jì)數(shù)脈沖輸入端11,P0口輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)74HC373地址鎖存器構(gòu)成動(dòng)態(tài)顯示電路，顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。集成功率放大器LM386集成電路（1。按其功能，分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類，本課題采用的LM386是一種模擬集成電路，它具有功率放大功能，其外形封裝為雙列直插式，屬塑封類集成電路。其引腳排列方式見圖2-8LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司系列功放集成電路中的一個(gè)品種，因其有功耗低、工作電源電壓范圍寬、外圍元件少和裝置調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用通信設(shè)備、收錄機(jī)、電子琴和各類電子設(shè)備中，其典型參數(shù)如下：工作電壓范圍4?12V，靜態(tài)電流4mA，輸出功率660mW（最大），電壓增益為46dB（最大），帶寬300kHz，諧波失真0.2%，輸入阻抗50K。，輸入偏置電流250nA。該電路有同相、反相兩個(gè)輸入端，即：從5腳輸出電壓信號(hào)的極性與3腳（同相端）輸入極性相同，而與2腳（反相端）輸入信號(hào)的極性相反。1腳與8腳之間接入一個(gè)幾十微法電容時(shí)，電路增益達(dá)到最大值。電路增益可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。圖2-8LM386外形引腳圖第3節(jié)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)1控制程序說(shuō)明在1S之內(nèi)計(jì)數(shù)外部脈沖的頻率。由定時(shí)器0進(jìn)行1S的定時(shí)（定時(shí)方式），定時(shí)器1對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)方式）借鑒windows編程的原理，在單片機(jī)編程中引入消息的概念，將中斷產(chǎn)生的標(biāo)志作為消息，而數(shù)據(jù)處理則放在消息循環(huán)中進(jìn)行。在這個(gè)例子中中斷服務(wù)程序中只進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和標(biāo)志位的設(shè)置（發(fā)送消息而將數(shù)據(jù)的處理放到運(yùn)行時(shí)間要求不很精確的中斷服務(wù)程序之外的主程序循環(huán)中（消息循環(huán)）。這樣一方面減少了中斷服務(wù)程序的長(zhǎng)度，縮短了中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時(shí)間，提高了中斷處理的實(shí)時(shí)性，另一方面又不影響數(shù)據(jù)的處理。從而很好地解決了采集的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理耗時(shí)多而影響時(shí)間累計(jì)之間的矛盾。和PC機(jī)相比，單片機(jī)資源十分有限。因此，單片機(jī)系統(tǒng)不可能像windows系統(tǒng)那樣建立龐大的消息循環(huán)機(jī)制，將消息分發(fā)給各個(gè)程序并行處理。在基于消息的單片機(jī)編程中，采取一種簡(jiǎn)化的方式，消息可以這樣來(lái)定義：當(dāng)某個(gè)事件（例如中斷）發(fā)生時(shí)，事件處理程序（例如中斷服務(wù)程序）設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志，不同的標(biāo)志即代表不同的消息；而主程序所進(jìn)行的消息循環(huán)就是主程序不斷地判斷這些標(biāo)志，以決定啟動(dòng)哪一個(gè)處理函數(shù)（即將消息發(fā)送給特定的消息處理函數(shù)）。這種方法在多中斷系統(tǒng)中使用，可以明顯地提高中斷的實(shí)時(shí)性；另外，由于在中斷服務(wù)程序中不需要調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序，也有效地防止了代碼重入帶來(lái)的問(wèn)題。2程序流程圖圖3-1程序流程圖3.3程序清單ORG0000HLJMPMIANORG000BHLJMPT0SEVORG0100H0MAIN:MOVSP,#60HCLRF0MOVR1,#20HMOVR2,#30HD1:MOV@R1,#00HINCR1DJNZR2,D1；內(nèi)存單元初始化，清0MOV50H,#32H；記時(shí)中斷20MS/次，共中斷50次CLREACLRET0CLRTR1；關(guān)閉計(jì)數(shù)器CLRP2.0CLRP2.1；關(guān)顯示鎖存器MOVTMOD,#51H；向TMOD中送控制字MOVTL0,#0E0HMOVTH0,#0B1H；向定時(shí)器送初值SETBEASETBET0；開啟中斷SETBTR0SETBTR1；啟動(dòng)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器DISPLAY:LCALLDIS；調(diào)顯示JBCF0,LOOPSJMPDISPLAY；等待中斷LOOP:LCALLCHULISJMPDISPLAY;有關(guān)子程序T0SEV：LCALLDIS；定時(shí)器0中斷子程序DJNZ50H，TT；記時(shí)1S是否到CLRTR1；關(guān)計(jì)數(shù)器SETBF0TT：RETICHULI：MOV28H,TL1；數(shù)據(jù)處理子程序MOV29H,TH1；將計(jì)數(shù)器中的值讀出，放在28H，29H里MOVTH0，#0B1HMOVTL0，#0E0H;向計(jì)數(shù)器里送初值MOVTH1，#00HMOVTL1，#00H；將計(jì)數(shù)器置0SETBTR1；開啟計(jì)數(shù)器MOV50H，#32H；重新向50H里裝50MOVR2，29HMOVR3，28HLCALLBIANH；調(diào)數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序MOV31H，R5MOV32H，R6LCALLREAD；調(diào)更新數(shù)據(jù)子程序LCALLDIS；調(diào)顯示子程序RETREAD：MOV20H，#00H；將組合BCD碼分開放入顯示緩沖區(qū)更新數(shù)據(jù)MOV21H，#00HMOV22H，#00HMOV23H，#00HMOVR0，#20HMOVA，31HSWAPAXCHDA，@R0INCR0SWAPAXCHA,@R0MOVA,32HINCR0SWAPAXCHDA,@R0INCR0SWAPAXCHA,@R0MOVA,20H；高位為0不顯示JNZFFMOV20H,#0BHMOVA,21HJNZFFMOV21H,#0BHMOVA,22HJNZFFMOV22H,#0BHFF:RETDIS:MOVR0,#20H；顯示子程序MOVR1,#08HMOVR3,#04HDIS1:MOVDPTR,#TABMOVA,@R0MOVCA,@A+DPTRSETBP2.0CPLAMOV,P0,AINCR0CLRP2.0MOVA,R1SETBP2.1MOVP0,ARRAMOVR1,ACLRP2.1LCALLDIR1DJNZR3,DIS1RETDIR1:MOVR4,#09H；延時(shí)子程序MEN1:MOVR5,#00HMEN2:DJNZR5,MEN2DJNZR4,MEN1RETBIANH:CLRA；將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成組合BCD碼MOVR4,AMOVR5,AMOVR6,AMOVR7,#10HIBTL2:CLRCMOVA,R3RLCAMOV