【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、有 32 條 I/O 口線、3 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6 輸入 4 優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1 個(gè)串行 I/O 口(可用于多機(jī)通信 I/O 擴(kuò)展或全雙工 UART)以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，可提供很寬的操作頻率范圍(頻率可降至 0)?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式空閑模式和單片機(jī)AT89C51時(shí)鐘電路鍵盤電路顯示電路復(fù)位電路單片機(jī)AT89C51鍵盤顯示D/A 轉(zhuǎn)換光碼測(cè)速M(fèi)逆變器整流器 中間電路控制電路10掉電模式。空閑模式凍結(jié) CPU，但 RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作。掉電模式保存 RAM 的內(nèi)容，但是凍結(jié)振蕩器，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，時(shí)鐘可停止而不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)。運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。時(shí)鐘電路是采用內(nèi)部方式，即在 AT89C51 的 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶體作為定時(shí)元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。此處選用的石英頻率為 fOSC=6MHz，小電容為 22pF，則得到的時(shí)鐘頻率為 6MHz。其接線圖如圖 23所示。圖 23 時(shí)鐘電路圖復(fù)位電路接成按鈕式的，從 RST 引腳接入 AT89C51，其接線圖如圖 24 所示。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，并且高電平有效的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為 24 個(gè)振蕩周期以上。復(fù)位以后，07H 寫入棧指針 SP，P0 口～P3 口均置 1,程序計(jì)數(shù) PC 和其他特殊功能寄存器 SFR 全部清零。圖 24 復(fù)位電路圖鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是一種廉價(jià)的輸入設(shè)備。本次設(shè)計(jì)需要 6 個(gè)按鍵，由于 I/O 口線足夠使用，因此用 P1 口就可以直接滿足要求，無(wú)須使用特殊設(shè)計(jì)，直接將按鍵接到 P1 口的引腳上，以組成獨(dú)立連接式按鍵接口電路。按鍵輸入采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O 口線有確定的高電平。鍵的定義為，K1 用于手動(dòng)，K2 用于自動(dòng)，K3 用于爬行，K4 11用于加速，K5 用于勻速，K6 用于減速，其接線圖如圖 25 所示。圖 25 鍵盤電路圖顯示電路中使用六片 74HC595，第一片用于連接數(shù)碼管公共端，起到循環(huán)掃描點(diǎn)亮各位數(shù)碼管的作用，第二片用于給 2 個(gè)兩位數(shù)碼管送數(shù)據(jù)，顯示主、副井提升機(jī)的數(shù)字深度，第三片用于給其中一個(gè)四位數(shù)碼管送電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率數(shù)據(jù)，第四片用于給另一個(gè)四位數(shù)碼管送電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度數(shù)據(jù)，第五、六片用于給發(fā)光柱送數(shù)據(jù)，顯示主、副井提升機(jī)的模擬深度。其連線如圖 26 所示。圖 26 74HC595 控制74HC595 芯片是一種串入并出的芯片，8 位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻關(guān)斷狀態(tài)(三態(tài))。特點(diǎn)：8 位串行輸入、8 位串行或并行輸出、存儲(chǔ)狀態(tài)寄存器。輸出寄存器可以直接清除 100MHz 的移位頻率輸出能力，并行輸出，總線驅(qū)動(dòng)，串行輸出(標(biāo)準(zhǔn))；中等規(guī)模集成電路應(yīng)用，串行到并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，遠(yuǎn)程控制鎖存器。74HC595 是硅結(jié)構(gòu)的 CMOS 器件，兼容低電壓 TTL 電路，遵守 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)。它是具有 8 位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。12數(shù)據(jù)在 SCHcp 的上升沿輸入，在 STcp 的上升沿進(jìn)入的存儲(chǔ)寄存器中去。如果兩個(gè)時(shí)鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲(chǔ)寄存器早一個(gè)脈沖。移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入（Ds） ，一個(gè)串行輸出（Q7’ ）和一個(gè)異步的低電平復(fù)位，存儲(chǔ)寄存器有一個(gè)并行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能 OE 時(shí)（為低電平） ，存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。 CPD 決定動(dòng)態(tài)的能耗，PD＝CPDVCCf1+∑(CLVCC2f0)，F(xiàn)1＝輸入頻率，CL＝輸出電容，f0＝輸出頻率（MHz） ，Vcc=電源電壓。其引腳及邏輯符號(hào)如圖 27 所示。圖 27 引腳及邏輯符號(hào) 變頻器電路變頻器主電路為交－直－交電壓型變頻器電路，具體做法是把交流電網(wǎng)(380V 或 220V)經(jīng)過(guò)整流器變換為直流電源，然后再經(jīng)逆變器變換為電壓、頻率可調(diào)的變頻電源。整流器由 6 個(gè)晶閘管組成三相可控橋式整流電路，將三相交流電整流后再由電容濾波，為變頻調(diào)速主回路提供直流電源，且經(jīng)由這 6 個(gè)晶閘管控制的導(dǎo)通與截止來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的軟開關(guān)。逆變器功率元件由 GTR1 至GTR6 6 支功率晶體管組成，D13 至 D18 6 支二極管組成功率晶體管的保護(hù)部分。［9］在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，由TM＝C m ??mI 2 COS ????［5］(式中 Tm：電磁轉(zhuǎn)矩，??m：主磁通，I 2：轉(zhuǎn)子電流， COS ???：轉(zhuǎn)子回路功 13率因素，CT ：比例系數(shù))，可知，電機(jī)磁通的減小，勢(shì)必造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電機(jī)中流過(guò)很大的勵(lì)磁電流，增加電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。因此，在改變電機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電機(jī)磁通的恒定。為此，用于交流電氣傳動(dòng)中的變頻器實(shí)際上是變壓（Variable Voltage，簡(jiǎn)稱 VV）變頻（Variable Frequency，簡(jiǎn)稱 VF）器，即 VVVF。所以，通常也把這種變頻器稱 VVVF 裝置或 VVVF。圖 28 標(biāo)準(zhǔn)外部接線圖本項(xiàng)目中使用圣安 VF80 系列通用型變頻器，標(biāo)準(zhǔn)外部接線圖如圖 28 所示，其特點(diǎn)：優(yōu)化的空間電壓矢量（SVPWM）控制技術(shù)；采用 16 位或 32 位INTEL 電機(jī)控制專用 CPU；寬電壓輸入（177。20%）設(shè)計(jì)，應(yīng)用范圍廣；內(nèi)置PID 功能，方便組成閉環(huán)系統(tǒng)；多種控制方式，設(shè)置簡(jiǎn)單方便易用；標(biāo)準(zhǔn) 485通訊接口（選用） ；電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍寬，瞬間掉電不跳脫；具有遠(yuǎn)距離控制14操作面板，極易操作。內(nèi)置 PID、主頻記憶、混合控制、直流剎車等功能，以及標(biāo)準(zhǔn) PLC 接口、RS485 通訊口、指定頻率輸出等強(qiáng)大的接口功能使得其應(yīng)用更加靈活廣泛。應(yīng)用時(shí)，將變頻器的 R、S、T 端口接到三刀開關(guān)上，由三刀開關(guān)接到三相或單相電源上，將變頻器的 U、V、W 端口接到三相電動(dòng)機(jī)的三個(gè)輸入端，E 接到三相電動(dòng)機(jī)的接地端，把從 DAC0832 轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)經(jīng) LF356 放大后輸入至 COM 端，再經(jīng)變頻器做 V/F 變換就可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。從 AT89C51中引出一條線 ，用于改變電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，程序規(guī)定：當(dāng) 為“0”時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，可以直接連到變頻器的 FOW 端；當(dāng) 為“1”時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，要先經(jīng)過(guò) 74HC04 將信號(hào)反向后再接到變頻器的 REV 端。這樣在控制程序中，只需控制 口的狀態(tài)就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路在數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路中，AT89C51 的 P0 口既作地址線又作數(shù)據(jù)線，首先輸出地址，選通 DAC0832，然后 P0 口線上將出現(xiàn)數(shù)據(jù)送到 DAC0832，就可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，再經(jīng)放大器 LF356 信息放大輸出給變頻器，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速動(dòng)。DAC0832 是雙列直插式 20 引腳集成電路芯片，它的內(nèi)部有一個(gè) T 型電阻網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換。它需要外接運(yùn)算放大器，才能得到模擬電壓輸出。在 DAC0832 中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)為 8 位輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí) 8 位 DAC 寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)/XFER。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，所以 DAC0832 可以工作在雙緩沖工作方式，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)可以采集下一個(gè)數(shù)字，先存入輸入寄存器而不影響此時(shí)的模擬電壓的輸出，可有效地提高轉(zhuǎn)換速度。 ［2］LF356 運(yùn)算放大器是一個(gè)集成運(yùn)算放大器，Rf 為反饋電阻，若 Rf→ ∞時(shí)，輸出電壓 U0 與輸入電壓 Ui 的比值叫做運(yùn)算放大器的開環(huán)增益 K0。運(yùn)算放大器的輸入阻抗 r 很大，理想情況下 r→∞，可以認(rèn)為反饋電流等于信號(hào)源的輸入電流 Is。其中，運(yùn)算放大器的輸入電壓 Ui 與輸出電壓 U0 二者的關(guān)系為:［4］ 15 其中 K0 運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，一般為 105～106。所以，如果測(cè)出 U0，即可得到 Is。我們選取反饋電阻 Rf = 1MW，用量程為 200 mV 的數(shù)字電壓表，它的分辨率為 mV，則能測(cè)到的最小電流為： 此處，把 DAC0832 接成單緩沖工作方式，其連接圖如圖 29 所示，使輸入寄存器處于鎖存狀態(tài)，ILE 接+5V，/WR1 接 CPU 寫信號(hào)/WR，/CS 接 CPU 的，DAC 寄存器處于不鎖存狀態(tài)，所以將/WR2 和/XFER 直接接地。通常 AGND和 DGND 都接在一起，接到數(shù)字地上。由于 DAC0832 內(nèi)部有 8 位數(shù)據(jù)輸入寄存器，可以用來(lái)鎖存 CPU 輸出的數(shù)據(jù)，因此，CPU 的數(shù)據(jù)總線可直接接到DAC0832 的數(shù)據(jù)輸入線 DI0～DI7 上。因?yàn)?DAC0832 的 Iout1 和 Rfb 端之間已有一個(gè) 15K 歐姆的內(nèi)部反饋電阻，所以這里就將運(yùn)算放大器的輸出端 Uout 和Rfb 端短接起來(lái)。圖 29 單緩沖工作方式通過(guò)上述方式連接，可以求出最后的輸出電壓 OUTV0=VREF*D*/256，取VREF為5V，則 OUTV0=D*/。其中，D *為輸入到 DAC0832 中的數(shù)字量。 信號(hào)檢測(cè)電路此處采用光電式碼盤，它是一種非接觸性光電傳感器，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快、可靠性高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。光電式碼盤的工作原理就是用光16碼盤上透光與不透光，在碼盤的另一側(cè)形成光脈沖。脈沖光照射在光電敏感元件上產(chǎn)生與光脈沖相對(duì)應(yīng)的電脈沖。典型的光電式碼盤有 TLP507A 和TLP800，其速度轉(zhuǎn)換電路如圖 210 所示。發(fā)光二極管 LED 發(fā)出紅外光，透過(guò)碼盤的圓孔照射光敏三極管，使其迅速由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通，如此反復(fù)形成光脈沖信號(hào)，經(jīng) NPN 三級(jí)管放大，再由反向器反向整形后送給單片機(jī)的定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1。該測(cè)速電路充分利用單片機(jī)，完成一系列的數(shù)據(jù)采樣、處理，最后計(jì)算得到較準(zhǔn)確的速度值并顯示該速度。脈沖頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：n=60f/P 式中，P 為光碼盤開孔的總數(shù)；f 為脈沖頻率；n 為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采樣周期 T 內(nèi)光脈沖個(gè)數(shù) N 與頻率的關(guān)系n=N/f，即 n=60N/PT。圖 210 速度轉(zhuǎn)換電路這里同時(shí)使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器 T0 和 T1，它們的作用目的不同。在自動(dòng)程序中，T0 主要用狀態(tài)之間切換，在每個(gè)狀態(tài)里的計(jì)數(shù)初值不同，以便于限定各個(gè)狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)某個(gè)狀態(tài)的計(jì)數(shù)溢出，就會(huì)在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中改變標(biāo)志位并重新賦計(jì)數(shù)初值，用于計(jì)數(shù)下一個(gè)狀態(tài)；T1 采用方式 2 的自動(dòng)重裝計(jì)數(shù)功能，每計(jì)數(shù) 32 個(gè)脈沖就要中斷一次用于改變深度；在手動(dòng)程序中，T0 用作保護(hù)功能，開始賦初值用于計(jì)數(shù) 407 個(gè)脈沖，如果在操作的過(guò)程中，T0 計(jì)數(shù)到了 407 個(gè)脈沖而操作人員還沒(méi)有開啟爬行狀態(tài)，則程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入 T0 的中斷服務(wù)程序中，封鎖鍵盤，禁止手動(dòng)再鍵盤，強(qiáng)制電動(dòng)機(jī)進(jìn)入爬行狀態(tài)，直至停止，然后才打開鍵盤，用做判斷下一步要采用手動(dòng)還是自動(dòng)方式。 17 電源電路電源是系統(tǒng)極其重要的一部分，是基礎(chǔ)的基礎(chǔ),這里需要用到直流電源+5V,10V 和交流電源 220V。由于關(guān)于電源部分的設(shè)計(jì)早已成型，故而在本文中沒(méi)有出現(xiàn)。本項(xiàng)目中使用榮盛達(dá)（RSenda）的 300T+P4，其參考圖片如圖 211 所示。圖 211 300T+P4183 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主控制模塊設(shè)計(jì)P0