【正文】 圖 各模塊之間的調(diào)用關(guān)系 各模塊單元軟件框架 直流電機(jī)測速 根據(jù) SPGT62C19B 控制原理 電機(jī)測速工作是利用 4KHz 時基中斷完成的。 ULN20xxA 是 7 路達(dá)林頓三極管陣列，這里用到了其中的 4 路，分別連接到數(shù)碼管的 4 個位選腳 G1～ G4，如下圖 所示。 在通道 1 中，只需設(shè)定 PHASE1 的邏輯電平，即可實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。 圖 直流電機(jī)的光柵轉(zhuǎn)盤 ULN20xxA： ULN20xxA 是單片式 7 路達(dá)林頓三極管陣列，在本模組中用來驅(qū)動 4 位 LED 數(shù)碼管。 輸出選擇跳線：該組跳線用來選擇 SPGT62C19B 芯片控制的電機(jī)。 模組平面圖 模組的平面圖如下圖 所示 ： 圖 電機(jī)控制模組結(jié)構(gòu)圖 上述結(jié)構(gòu)圖中各部分說明如下： 電機(jī)控制接口：模組與單片機(jī)的接口，為 10PIN 排針，可以直接與 “61 板 ”連接，實現(xiàn)電機(jī)控制。凌陽的 16 位單片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計的。硬件部分由一塊 SPCE061A 和一塊電機(jī)控制模組構(gòu)成，以 SPCE061A 為核心，包括電機(jī)驅(qū)動、按鍵、 LED 數(shù)碼管等模塊。當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一周，紅外接收管將接收到 4次紅外光，通過定時計數(shù)的方法計算出電機(jī)轉(zhuǎn)動速度。電機(jī)模組上的光柵轉(zhuǎn)盤和紅外對管將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)針對測得的實際轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié) SPGT62C19B 的控制狀態(tài)，從而 使轉(zhuǎn)速由 4 位數(shù)碼管顯示出來。在設(shè)計型實驗中，測速對象為額定電壓 5V 的直流電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速受電樞電壓控制，用改變電樞電壓的方法進(jìn)行電機(jī)調(diào)整。所以采用 M 法就能達(dá)到要求。 雖然 M/T 法有這么多優(yōu)點，但也有不少問題： 1) 實時性差。 兩種測速方法的比較： M 法測速在高速段分辨率強(qiáng)； T 法測速在低速段分辨率強(qiáng)； （ 3 ） M/T 法測速誤差率 在低速時 M/T 法趨向于 T 法，在高速段 M/ T 法測速相當(dāng)于 T 法的 M1 次平均，而在這 M1 次中最多產(chǎn)生一個高頻時鐘脈沖的誤差。這也說明， T 法更適于測量低速。1 的誤差，因其很小，影響可以忽略，所以用 M/T法實現(xiàn)測速具 有較高的測速精度。在 T 法測速中，準(zhǔn)確的測速時間 Tt 是 用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù) 2M 計算出來的，即Ｔ t= 2M /f ，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速為 20f60ZTt60 ZMn ?? （ ） 高速時 2M 小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以 T 法測速適用于低速段，與 M 法恰好相反。 常用的脈沖數(shù)字（ P/D）轉(zhuǎn)換方法 有三種： （ 1 ） M 法 — 脈沖直接計數(shù)方法； （ 2 ） T 法 — 脈沖時間計數(shù)方法； （ 3 ） M/T 法 — 脈沖時間混合計數(shù)方法。 課題任務(wù)及要求 本畢業(yè)設(shè)計要求利用單片機(jī)實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和顯示。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。于是在 90 年代出現(xiàn)了以 IGBT 為代表，具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的功率器件作為開關(guān)元件的 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進(jìn)的直流調(diào)速方案。可控直流電源采用靜止可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，拖動控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機(jī)調(diào)速的研究有著積極的意義 。 本設(shè)計主要用 SPCE061A 作為控制核心，由霍爾傳感器、 LED 數(shù)碼顯像管、HIN232CPE 電平轉(zhuǎn)換、 SPGT62C19B 電機(jī)控制模組 構(gòu)成。在電機(jī)運行過程中，對其進(jìn)行監(jiān)控，即對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并顯示，從而掌握電機(jī)運行的基本狀況。 它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片 ， 具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、應(yīng)用簡單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代。 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。 直流電動機(jī)因其可以方便地通過改變電樞電壓和勵磁電流實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻 來改變電樞上的電壓，是最經(jīng)典的直流電機(jī)調(diào)速方法，有相當(dāng)部分的電能消耗在所串聯(lián)電阻上，很不經(jīng)濟(jì)在 80 年代，以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無級、高效、節(jié)能而得到大力推廣，但晶閘管斬波調(diào)速器不足之處是晶閘管一旦被觸發(fā)，其關(guān)斷必須依賴換流電容和換流電感振蕩產(chǎn)生反壓來實現(xiàn)，換流電容和電感增加了裝置的成本，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會導(dǎo)致?lián)Q流失敗，使系統(tǒng)的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開、關(guān)時間比較長，加上存在換流環(huán)節(jié)，使得斬波器的工作頻率不能太高（一般在 300hz 以下），使得電機(jī)上的力矩脈動和電流脈動比 較嚴(yán)重，因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件。 由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應(yīng)快等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、 CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。 數(shù)字測速方法主要有： 由光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。在這里測速時間源于光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。由于轉(zhuǎn)速脈沖的頻率遠(yuǎn)小于高頻脈沖的頻率，因此如果用轉(zhuǎn)速脈沖信號的上升沿 (或下降沿 ) 來同步計數(shù)器的起止，在預(yù)定的測速時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速脈沖信號的計數(shù)值將為整數(shù) (無誤差 ) ，只有高頻時鐘脈沖會產(chǎn)生 177。 (2) T 法測速的分辨率 為了使結(jié)果得到正值， T 法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數(shù)由 M2 變?yōu)?M2－1 時轉(zhuǎn)速的變化量，于是 ? ? ? ?160 ff601MZ 60 fQ 22 0202 0 －－－ MZMZM ?? （ ） 綜合（ ）和（ ），可得 Znn －0260fZn? （ ） 由上式可以看出， T 法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速 越低， Q 值越小，分辨能力越強(qiáng)。因此， T 法測速誤差率的最大值為 ? ? 1 0 0 %1M 11 0 0 %ZT6 0 MZMf601MZ6 0 f2C12020m a x ???? －—－? （ ） 低速時，脈沖發(fā)生器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù) M2 多，所以誤差率小，測速精度高，故 T 法測速適用于低速段。在許多系統(tǒng)中都采用這種方法。 而且要得到高精度測量，對各個環(huán)節(jié)要求都比較高，這樣就使整個系統(tǒng)的價格昂貴，否則 M/T 法的精度就無法保證。 測速與顯示系統(tǒng)總體方案設(shè)計 在電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中，可以利 用光電變換的方法，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量出來。 圖 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 SPCE061A 單片機(jī)作為主控芯片，通過 I/O 端口來控制 SPGT62C19B 電機(jī)驅(qū)動芯片，從而實現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。反之，當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤的通光槽轉(zhuǎn)至紅外對管之間時，紅外接收管處于導(dǎo)通狀態(tài)。 試驗由硬件部分與軟件部分組成。 凌陽單片機(jī)簡介 凌陽十六位單片機(jī) 隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理（ DSP， Digital Signal Processing）等領(lǐng)域。模組針對 SPCE061A 單片機(jī)設(shè)計，可以方便地用排線與 SPCE061A 精簡開發(fā)板（即 “61 板 ”）連接。使用時可選擇其中一組插座作為電機(jī)驅(qū)動電源輸入端。如圖 所示，光柵轉(zhuǎn)盤的圓面上開了 4 個通光槽，電機(jī)每轉(zhuǎn)動一周，紅外接收管將接收到 4 次紅外光，從而可以實 現(xiàn)電機(jī)測速功能。 圖 SPGT62C19B 工作原理 SPGT62C19B的控制腳有如下 6個： 表 SPGT62C19B的控制腳 引腳 名稱 用途 20 I01 通道 1的電流大小控制 17 I11 通道 1的電流大小控制 16 PHASE1 通道 1的電流方向控制 8 I02 通道 2的電流大小控制 9 I12 通道 2的電流大小控制 10 PHASE2 通道 2的電流方向控制 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 說明： SPGT62C19B 電機(jī)驅(qū)動芯片可以同時驅(qū)動兩臺直流電機(jī)，因此有兩組控制腳，在本畢業(yè)設(shè)計中，它只控制一臺直流電機(jī)，因此用不到通道 2 相關(guān)控制腳。 數(shù)碼管顯示單元 模組提供了 4 位共陰極 LED 數(shù)碼管，數(shù)碼管采用 ULN20xxA 為其提供驅(qū)動電流。 （ 4）主控程序：主控程序負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的工作流程，判斷按鍵值、控制數(shù)碼管顯示，以及控制電機(jī)轉(zhuǎn)動等。其流程如下圖 所示： 清除所有顯示 位指針指向下一位 N 在當(dāng)前位上顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容 通過位指針獲取當(dāng)前位的緩沖區(qū)內(nèi)容 Y 位指針指向第一位 開 始 返回 指針處于最后一位 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 圖 主程序流程圖 在轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序中，數(shù)碼管閃爍顯示當(dāng)前設(shè)定轉(zhuǎn)速，并通過 Key1 和 Key2鍵對轉(zhuǎn)速進(jìn)行增減設(shè)置。介紹了軟件測速的原理，測速流程、顯示流程及整個課題研究的主流程。 unSP 軟件調(diào)試界面如下所示： 圖 軟件調(diào)試界面 程序編輯完整后，在上述調(diào)試界面上進(jìn)行編譯、鏈接、調(diào)試和仿真，確保無誤 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 后，連接硬件，下載運行程序。 原因分析與解決方法：首先檢查 “輸出選擇跳線 ”是否配置正確，其次應(yīng)保證 61板的 I/O 口供電電壓在 之間。同時，可以對直流電機(jī)初始轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，還可以對直流電機(jī)方向進(jìn)行設(shè)定，在數(shù)碼管上顯示滾動的 ，表示電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，如圖 所示。但還是有很多缺陷， 如紅外對管輸出部分的穩(wěn)定問題， 61 板的 I/O 口供電電壓不穩(wěn)定問題，軟件方面優(yōu)化速度調(diào)節(jié)算法問題等，希望以后還能有所改進(jìn)，使該系統(tǒng)更加完善。同時，在軟件算法上運用了目前應(yīng)用較廣泛的頻率測速的算法， 改進(jìn)的頻率測速 因其所具有的算法簡單、 精度高 、易于實現(xiàn)等特點，至今仍然是工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的控制方法之一。 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 參考文獻(xiàn) [1] 陳伯時 . 電力拖動自動控制系統(tǒng) . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 20xx [2] 凌陽科 技 . 凌陽十六位單片機(jī)開發(fā)實例 . 北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 , 20xx [3] 譚浩強(qiáng) . 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Charendon Press, 1992 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 39 致 謝 通過本次畢業(yè)設(shè)計使我對單片機(jī)的編程應(yīng)用有了 更深的認(rèn)識，讓我知道 了單片機(jī)在生活中的重要性和