【正文】 第五章 直流電動機的調(diào)速與檢測的軟件設(shè)計 19第五章 直流電動機的調(diào)速與檢測的軟件的設(shè)計本設(shè)計采用單片機對直流電動機進(jìn)行控制，根據(jù)設(shè)計的直流電動機的測速系統(tǒng)的硬件電路的要求，通過對系統(tǒng)功能的總結(jié)將系統(tǒng)軟件程序劃分為：直流電動機控制的主程序、直流電動機轉(zhuǎn)速檢測子程序、直流電動機的三種速度的控制的子程序、轉(zhuǎn)速顯示的子程序和串口通信的子程序。DSR:數(shù)據(jù)設(shè)備就緒；此引腳高電平時，通知計算機Modem已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊了。RXD:此引腳用于接收外部設(shè)備送來的數(shù)據(jù)；在你使用Modem時，你會發(fā)現(xiàn)RXD指示燈在閃爍，說明RXD引腳上有數(shù)據(jù)進(jìn)入。符合甚至優(yōu)于 ANSI 標(biāo)準(zhǔn) EIA/TIA232E 及 ITU 推薦標(biāo)準(zhǔn) 。 兩個驅(qū)動器及兩個接收器。第三部分是供電。由11114腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。 RS232 接口電路圖及其功能說明單片機上有UART（通用異步接收/發(fā)送）用于串行通信，發(fā)送時數(shù)據(jù)由TXD端送出，接收時數(shù)據(jù)由RXD端輸入，片內(nèi)有兩個緩沖器，一個作為發(fā)送緩沖器，另一個作為接收緩沖器。停止位：在奇偶校驗位或數(shù)據(jù)位之后發(fā)送的是停止位，可以是1位、1位半或2位，表示一個字符的結(jié)束。在數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)從最小有效位開始傳送。如下圖所示。 異步串行通信的數(shù)據(jù)傳送格式串行通信是將構(gòu)成字符的每個二進(jìn)制數(shù)據(jù)位依據(jù)一定的順序逐位傳送。 RS232 通信電路 串行通信與并行通信在微型計算機系統(tǒng)中，MCU與外圍電路通信的基本方式有兩種，如圖9所示：? 并行通信——數(shù)據(jù)的各位同時傳送? 串行通信——數(shù)據(jù)一位一位順序傳送圖9 MCU與外圍電路通信的方式外部RAM擴展電路、基本“I/O”擴展電路、實時時鐘電路、鍵盤電路、LCD接口電路都是采用并行通信方式，從圖上可以看出，在并行通信中，數(shù)據(jù)有多少位就需要多少條傳送線。該方法可以利用單片機的一個I/O引腳作為PWM的輸出端，輸出信號控制大功率晶體管的開啟和關(guān)閉，以控制電動機的運轉(zhuǎn)和停止，當(dāng)PWM的頻率足夠高時，由于電動機的繞組是感性負(fù)載，具有儲能的作用，對PWM輸出的高低電平起到了平波的作用，在電動機的兩端可以近似得到直流電壓值，PWM的占空比越高，電金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 硬件設(shè)計 14動機獲得的直流電壓越高，反之，PWM的占空比越低，電動機獲得的直流電壓越低。由于我們買到的直流電動機，其機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，勵磁部分為永久磁鐵，所以式中的R、Ce和φ已經(jīng)固定，只能改變加載在直流電動機兩端的直流電壓。適用于光電控制、光電計量等電路中，可檢測物體的有無、運動方向、轉(zhuǎn)速等方面。其中霍爾傳感器是應(yīng)用磁感應(yīng)的方金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 硬件設(shè)計 12式進(jìn)行檢測，由于其安裝結(jié)構(gòu)的限制，這種傳感器檢測的精度很低，所以常常用在高轉(zhuǎn)速并且對精度要求不高的場合；旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測精度非常高，通常旋轉(zhuǎn)一圈可輸出幾百至幾千個脈沖，適用于轉(zhuǎn)速較低的場合，但是這種傳感器價格較比其他傳感器高很多，一般情況下不予采用；光電傳感器的檢測精度介于前兩種傳感器之間，安裝簡單、價格較低，所以是設(shè)計中的首選。當(dāng)PWM1和PWM2同時為高電平時，三極管2均不能工作，直流電機也停轉(zhuǎn)。它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路額頻率就是晶體的固有頻率。XTAL1：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。當(dāng)輸入信號/EA 引腳接低電平時，CPU 只訪問片外 FLASH ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令；而不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 。 /INT1（外部中斷1） 。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。在給出地址“1”時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時,P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1”時,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。在FIASH編程時,P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高。GND: 接地。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KBFlash存儲器，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級終端結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示：圖4 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89S52是一種低功耗、高性能COMS 8位微控制器，具有8KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器。③ 利用向?qū)Ш秃瘮?shù)庫開發(fā)IVI驅(qū)動程序和控制ActiveX服務(wù)器。它以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C 語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機結(jié)合起來。⑥ 集成一個以上的DAQ卡。② 在處理器運算的同時提取數(shù)據(jù)。虛擬儀器的軟件系統(tǒng)主要分為四層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)管理層、測控程序?qū)?、儀器驅(qū)動層和I/O接口層。 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)一個典型的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡（板）、計算機、控制執(zhí)行設(shè)備五部分組成。如果在計算機中插入數(shù)據(jù)采集卡，利用計算機高速計算能力完成儀器信號的分析與處理、結(jié)果的輸出，就可以把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊集成在一臺計算機上，軟件稱為儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。它由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。所以在保證直流電動機能夠正常啟動的同時最好能降低啟動電流，在直流電動機運行過程中為了防止電動機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如果有條件的話可以在電動機金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流電動機 4軸上加裝飛輪裝置，或者在選擇電動機時，考慮好需要帶動負(fù)載的大小，一般的，最好讓直流電動機帶動全部負(fù)載時的功率的60%80%，這樣既保護了直流電動機，同時效率也比較高。可見此式表示轉(zhuǎn)速變化時電動機軸上的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，所以稱為電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式。所以，當(dāng)直流電動機克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩TL勻速旋轉(zhuǎn)時，則有:T2=TT0=TL表明，當(dāng)直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時，其輸出轉(zhuǎn)矩的大小由負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩決定。直流電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩作為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩使直流電動機旋轉(zhuǎn)。在直流電機中勵磁部分大都是由永久磁鐵構(gòu)成，電刷一般由銅片構(gòu)成，與換向器進(jìn)行滑動接觸，用于將外部加載的直流電壓傳送到電樞繞組中。直流電動機的工作原理直流電動機由轉(zhuǎn)子部分和定子部分組成。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)。同時還利用單片機的串口與計算機通信，在 LabWindows/CVI 中編寫上位機用戶界面軟件，向單片機發(fā)送改變轉(zhuǎn)速的命令，按照正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速(低、中、高)，來實時控制電機，并采集其電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。設(shè)計中用 protel99SE 完成電路原理圖的繪制，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件模塊的搭建，利用 Proteus 對原理圖進(jìn)行仿真，最后利用專業(yè)編程語言和 keilc 軟件對設(shè)計的電路進(jìn)行編程。本設(shè)計應(yīng)用單片機（AT89S52）來實現(xiàn)直流電機的雙向控制、轉(zhuǎn)速的檢測和顯示、波形的整形和利用 RS232 與計算機進(jìn)行通信的過程，其中利用 Labwindows/CVI 編寫上位機用戶界面軟件來實時的獲取直流電機的轉(zhuǎn)速。單片機還負(fù)責(zé)獲取光電傳感器檢測到的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速(即電機的轉(zhuǎn)速)，并用整形電路對波形整形。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。使許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，不但為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，而且使系統(tǒng)能達(dá)到了更高的性能，從而大大節(jié)約了人力資源，降低了系統(tǒng)成本，有效地提高了工作效率。定子部分由勵磁和電刷（碳刷）組成。由于電磁力的存在，使得沿著電樞的外圓切線方向產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。這樣，直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩T2便等于電磁轉(zhuǎn)矩T減去直流電動機本身的阻轉(zhuǎn)矩T0。這時電動機軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：T2TL=Tj=Jdω/dt（1）或： T2=TL+Tj=TL+Jdω/dt（2）式2表明當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩T2大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL時，dω/dt0，說明電動機在加速；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩T2小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL時，dω/dt0,說明電動機在減速。這兩種情況的出現(xiàn)對于直流電動機來說都是比較致命的。虛擬儀器基于計算機的軟硬件測試平臺，它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建專有儀器系統(tǒng)。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器三個階段。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件，還可以檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)；它操作靈活，完全圖形化界面；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。軟件是虛擬儀器測控方案的關(guān)鍵。① 以特定的采樣頻率獲取數(shù)據(jù)。⑤ 同時執(zhí)行幾種功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)構(gòu)成方案如圖3所示：Active XDDESQL系統(tǒng)執(zhí)行測試報告統(tǒng)計過程控 制系統(tǒng)管理虛擬儀器模塊測控程序儀器驅(qū)動軟件儀器驅(qū)動IEEVXI/VISADAQ接口IMAQ接口I/O接口GPIB儀器串行儀器VXI儀器DAQ儀器IMAQ板卡儀器硬件金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 Labwindows/CVI 的簡介 7圖 3 虛擬儀器測試系統(tǒng)構(gòu)成方案金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 Labwindows/CVI 的簡介 7 Labwindows/CVI 編程語言Labwindows/CVI是一個完全的ANSI C開發(fā)環(huán)境，用于儀器控制、自動檢測、數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件。② 利用便捷的用戶界面編輯器，代碼創(chuàng)建向?qū)Ъ昂瘮?shù)庫，實現(xiàn)可視化用戶界面的建立、顯示和控制。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 硬件設(shè)計 8第四章 硬件設(shè)計 硬件的簡介本設(shè)計的控制核心是單片機AT89S52。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和可ISP編程的Flash存儲器，使得AT89S52為眾多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。I/O存儲器EPROM/ROM定時/計數(shù)器運算器控制器中斷CPU片內(nèi)振蕩器 RAM/SFP并行口存儲器擴展控制器串行口XTAL金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 硬件設(shè)計 9圖5 單片機的引腳圖管腳說明：VCC：供電電壓。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程和校驗時,P1口作為第八位地址接收。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時,P2口輸出地址的高八位。當(dāng)P3口寫入“1”后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。 /INT0（外部中斷0） 。 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。平時不訪問片外存儲器時，ALE 端也以振蕩頻率的 1/6 固定輸出正脈沖，因而 ALE 信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。另外，該引腳被略微拉高。/PSEN：程序存儲允許輸出信號端。當(dāng)/EA引腳接高電平時，CPU 只訪問片內(nèi) FLASH ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令；但當(dāng) PC（程序計數(shù)器）的值超過 0FFFH（4KB）時，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。在 FLASH ROM 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程允許電源（VPP）。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文