【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電路只 用一個(gè)三極管控制電路的通斷 ， 用四個(gè)繼電器控制電流流向 ， 從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。這樣無論如何 ， 都不會(huì)出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。 由于采用單片機(jī)控制電機(jī) ， 如果單片機(jī)的電源采用與電機(jī)同一電源 ， 雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波 ， 但單片機(jī)仍然容易受到電機(jī)以及繼電器的干擾。為了避免干擾 ， 采用光電隔離 ， 單片機(jī)和電機(jī)采用兩套電源 ， 4N26 光耦一般需要 2mA 以上的驅(qū)動(dòng)電流 ， 由于單片機(jī)的輸出電流只有幾百毫安 ， 故需要先接 74LS245 或者接一個(gè)三極管增加驅(qū)動(dòng)能力（ 74LS245 的高電平驅(qū)動(dòng)能力為 15mA）。光耦的輸出再接給達(dá)林頓管 ， 考慮 到電機(jī)的短路電流有 2A，故選用 TIP132 型號(hào)的達(dá)林頓管（允許通過的最大瞬時(shí) 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院（設(shè)計(jì)）論文 10 N P N9 0 3 1A+24V1 4 0 W2 m A2 m AK2ONK3O F FK40NK11k24vO F F+61K1KT IP 1 2 3 圖 電源電路 電流 為 8A）。另外 ， 在達(dá)林頓管的 C 極和電源的正極之間接一個(gè)耐流為 2A 的二極管 ，這樣在關(guān)斷電源后 ， 使繼電器反相 ， 可以讓電機(jī)放電 ， 這樣停時(shí)車不至于因?yàn)閼T性滑行太遠(yuǎn)而浪費(fèi)能源。因此 ， 切斷電源后要將電動(dòng)車停下來而采取的無謂制動(dòng)不能將電能回饋給蓄電池。 考慮到電動(dòng)自行車對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速距離控制要求不高 ， 為了簡(jiǎn)化程序和外接電路 ， 所以沒有考慮采用閉環(huán) PWM 控制 ， 用開環(huán) PWM 控制和就可以實(shí)現(xiàn)自行車的功能。 圖 脈沖信號(hào)波形圖 工作時(shí) Ta 為高電平 ， 通過光耦驅(qū)動(dòng)復(fù)合管 T 導(dǎo)通 ， 此時(shí) Tb 為高電平通過光耦使三極管導(dǎo)通 ， 繼電器各線圈被短路。 K K2 為常閉觸點(diǎn) ， 所以電動(dòng)機(jī)加正向電壓。當(dāng) Tb 為低電平電壓時(shí)所有繼電器得電 ， 常開觸點(diǎn)閉合常閉觸點(diǎn)斷開 ， K K3 斷開K K4 導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)加反向電壓。如果保證 TaTb 則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。通過改變 Ta、Tb 的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院（設(shè)計(jì)）論文 11 4 主 要器件 性能及原理 8051 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051 是 MCS51 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品 ， 我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系 統(tǒng)的講解。 8051 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線 ， 現(xiàn)在我們分別加以說明： (1) 中央處理器 (CPU) 中央處理器 (CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件 ， 是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器 ， 能處理8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼 ， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作 ， 完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 (2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 8051 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 128 個(gè)專用寄存器單元 ， 它們是統(tǒng)一編址的 ， 專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù) ， 用戶只能訪問 ， 而不能用于存放用戶數(shù)據(jù) ， 所以 ， 用戶能使用的的 RAM 只有 128 個(gè) ， 可存放讀寫的數(shù)據(jù) ， 運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表 (3) 程序存存儲(chǔ)器（ ROM） 8051 共有 4096 個(gè) 8 位掩膜 ROM， 用于存放用戶程序 ， 原始數(shù)據(jù)或表格 。 (4) 定時(shí) /計(jì)數(shù)器（ ROM） 8051 有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ， 以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 (5) 并行輸入輸出 (I/O)口 8051 共有 4組 8位 I/O 口 (P0、 P P2或 P3)， 用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。 (6) 全雙工串行口 (7) 中斷系統(tǒng) 8051 具備較完善的中斷功能 ， 有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷 ， 可滿足不同的控制要求 ， 并具有 2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇 (8) 時(shí)鐘電路 8051 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路 ， 用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序 ， 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院（設(shè)計(jì)）論文 12 但 8051 單片機(jī)需外置振蕩電容。 8051 的引腳說明 ： 8051 引腳如圖 所示： 圖 8051引腳圖 Pin20:接地腳。 Pin40:正電源腳 ， 正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 讀 寫程序時(shí) ， 接 +5V 電源。 Pin19:時(shí)鐘 XTAL1 腳 ， 片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 Pin18:時(shí)鐘 XTAL2 腳 ， 片 內(nèi)振蕩電路的輸出端。 輸入輸出 (I/O)引腳： Pin39Pin32 為 輸入輸出腳 ， Pin1Pin1 為 輸入輸出腳 ，Pin21Pin28 為 輸入輸出腳 ， Pin10Pin17 為 輸入輸出腳 ， 這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內(nèi)容闡述。 Pin9:RESET/Vpd 復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳 ， 當(dāng) 8051 通電 ， 時(shí)鐘電路開始工作 ， 在 RESET引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平 ， 系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后 ， 程序計(jì)數(shù)器PC 指向 0000H， P0P3 輸出口全部為高 電平 ， 堆棧指鐘寫入 07H， 其它專用寄存器被清 “0” 。 RESET 由高電平下降為低電平后 ， 系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。然 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院（設(shè)計(jì)）論文 13 而 ， 初始復(fù)位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài) ， 8051 的初始態(tài)如 表 所示 : 表 8051初始狀態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPH 00H TH0 00H DPL 00H TL0 00H IP xxx00000B TH1 00H IE 0xx00000B TL1 00H TMOD 00H TCON 00H SCON xxxxxxxxB SBUF 00H P0P3 1111111B PCON 0xxxxxxxB Pin30: ALE/ 當(dāng)訪問外部程序器時(shí) ， ALE(地址鎖存 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí) ， ALE 端將有一個(gè) 1/6 時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào) ， 這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片 機(jī)是否工作 ， 也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn) ，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器 ， ALE 會(huì)跳過一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是 EPROM， 在編程其間 ，將用于輸入編程脈沖。 Pin29: 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí) ， 此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào) ， PC 的 16 位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上 ， 外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0 口上 ， CPU 讀入并執(zhí)行。 Pin31:EA/Vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線 ， 8051 和 8751 單片機(jī) ， 內(nèi)置有 4kB 的程序存儲(chǔ)器 ， 當(dāng) EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時(shí) ， 讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù) ， 而超過 4kB 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如 EA 為低電平 ， 則不管地址大小 ， 一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。 A/ D 轉(zhuǎn)換芯片 （ 1）內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 芯片是最常用的 8 位模數(shù)轉(zhuǎn) 換器。它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼近型 ，芯片由單個(gè) +5V 電源供電 ， 可以分時(shí)對(duì) 8 路輸入模擬量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 典型的 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100 微秒左右。在同類產(chǎn)品中 ， ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)位都居首位。 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) ， 如圖 ： 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院（設(shè)計(jì)）論文 14 圖 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 由上圖可知 ， ADC0809 由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道 ， 允許 8 路模擬量分時(shí)輸入 ， 共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量 ，當(dāng) OE 端為高電平時(shí) ， 才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 （ 2） 引腳結(jié)構(gòu) 圖 ADC0809 引腳結(jié)構(gòu)圖 IN0－ IN7： 8 條模擬量輸入通道 ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性 ， 電壓范圍是 0－ 5V， 若信號(hào)太小 ，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變 ， 如若模擬量 變化太快 ， 則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線： 4 條 ALE為地址鎖存允許輸入線 ， 高電平有效。當(dāng) ALE 線為高電平時(shí) ， 地址鎖存與譯碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存 ， 經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 A， B 和 C 為地址輸入線 ， 用于選通 IN0－ IN7 上的一路模擬量輸入。通道選 擇表 如表 所示 ： 表 通道選擇表 C B A 選擇的通道 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院（設(shè)計(jì)）論文 15 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 1 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條 ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng) ST 上跳沿時(shí) ， 所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí) ， 開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間 ， ST 應(yīng)保持低電平。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng) EOC 為高電平時(shí) ， 表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則 ， 表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 OE 為輸出允許信號(hào) ， 用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE＝ 1， 輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝ 0， 輸出數(shù)據(jù)線 呈高阻狀態(tài)。 D7－ D0 為數(shù)字量輸出線。 CLK 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路 ， 所需時(shí)鐘信號(hào) 必須由外界提供 ， 通常使用頻率為 500KHZ， VREF（＋） ， VREF（－）為參考電壓輸入。 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 1．無 刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 無刷直流電動(dòng)機(jī)（ BLDCM）由電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成 ， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 定子繞組做成三相對(duì)稱星行接法 ， 同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生 NS 級(jí)相間的方波磁場(chǎng) ， 所以也把這種電動(dòng)機(jī)稱為 “方波電動(dòng)機(jī) ”。為了使電動(dòng)機(jī)繞組準(zhǔn)確換向 ， 在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器 ， 作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號(hào) 。 驅(qū)動(dòng)器組成： 作為控制中樞的單片子；作為電子換向的由 IGBT 或 MOSFET 構(gòu)成的逆變橋；作為電壓型交一直一交主電路的整流、濾波單位；作為人機(jī)接口的鍵盤和數(shù)字顯示單位；作為控制、驅(qū)動(dòng)電源的開關(guān)電源。 2． 無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn) 無刷直流電動(dòng)機(jī) 有 效率高 ； 功率因子高 ； 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 ， 啟動(dòng)電流小 ； 電動(dòng)機(jī)出力高 ； 適應(yīng)性強(qiáng) 等特點(diǎn)。此外 ， 無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種自控式調(diào)速系統(tǒng) ， 它無需像普 通 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院（設(shè)計(jì)）論文 16 同步電動(dòng)機(jī)那樣需要啟動(dòng)繞組；在負(fù)載突變時(shí) ， 不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步 ； 無刷直流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)特性、交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) ； 無刷 直流電動(dòng)機(jī)適合長(zhǎng)期低速運(yùn)轉(zhuǎn)、頻繁 啟動(dòng)的場(chǎng)合 ， 這是變頻調(diào)速器拖動(dòng) Y 系列電動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的。 3． 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 無刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成 ， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法 ， 同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ， 為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性 ， 在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成 ， 其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào) ， 以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào) ， 用來控制逆變橋各功率管的通斷 ， 產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受 速度指令和速度反饋信號(hào) ， 用來控 制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖 所示： 圖 無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理圖 主電路是一個(gè)典型的電壓型交 直 交電路 ， 逆變器提供等幅等頻 526KHZ 調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。永磁體 NS 交替交換 ， 使位置傳感器產(chǎn)生相位差 120176。的 U、V、 W 方波 ， 結(jié)合正 /反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有 效的六狀態(tài)編碼信號(hào)： 10 100、 1 001 001， 通過邏輯組建處理產(chǎn)生 T1T4 導(dǎo)通、 T1T6 導(dǎo)通、 T3T6 導(dǎo)通、 T3T2導(dǎo)通、 T5T2 導(dǎo)通、 T5T4 導(dǎo)通