【文章內(nèi)容簡介】 N圖 26 脈沖信號圖Vmax 為電動機的最大轉(zhuǎn)速值，Vmin 為電動機的最小轉(zhuǎn)速值，VD 為二者的平均值。VD=D*max 式中 D=t/Tc 稱為占空比，D 越大 VD 就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比 D 之間關(guān)系如圖 27 所示：由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 2 總體設(shè)計8系。因此，電動機的平均轉(zhuǎn)速 VD 就可以有占空比 D 加以控制。 VD（平均速度） 0 1 D（占空比） 圖 27 VD/D 關(guān)系圖PWM 調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：雙向式：在一個脈沖周期內(nèi)（T=Ta+Tb）,T1 和 T3 導(dǎo)通時間為 Ta,T2 和 T4 導(dǎo)通時間為 Tb，這樣在 Ta 這段時間內(nèi)，電機通過的是正向電流，在 Tb 這段時間內(nèi)為反相電流。當(dāng) Ta=Tb 時電機停轉(zhuǎn)，TaTb 電機正轉(zhuǎn)，TaTb 電機反轉(zhuǎn)。單向式：單向式的電路和雙向式相同，同的是在電機正轉(zhuǎn)時，Tb 這段時間內(nèi)不通過反相電流；電機反轉(zhuǎn)時，Ta 內(nèi)不通過正向電流。其調(diào)速原理基本與雙向相同，單向式與雙向式相比，三極管的開關(guān)頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導(dǎo)通而造成電源短路的情況，故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差。外特性、低速性也不如雙向式好。綜合以上兩種方式的優(yōu)缺點，并考慮到電動自行車對調(diào)速精度要求不太高，以及省電、器件損耗等方面因素，決定采用單向式 PWM；考慮到編程時可能會產(chǎn)生使TTTT4 都導(dǎo)通的情況，以致電源短路，燒毀器件。為了避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)計了圖 28 所示的電路：此電路只用一個三極管控制電路的通斷，用四個繼電器控制電流流向，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。這樣無論如何，都不會出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。由于采用單片機控制電機，如果單片機的電源采用與電機同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但單片機仍然容易受到電機以及繼電器的干擾。為了避免干擾，采用光電隔離，單片機和電機采用兩套電源，4N26 光耦一般需要 2mA 以上的驅(qū)動電流，由于單片機的輸出電流只有幾百毫安，故需要先接 74LS245 或者接一個三極管增加驅(qū)動能力（74LS245 的高電平驅(qū)動能力為 15mA） 。光耦的輸出再接給達林頓管，考慮到電機的短路電流有 2A，故選用 TIP132 型號的達林頓管（允許通過的最大瞬時電流為 8A） 。另外，在達林頓管的 C 極。和電源的正極之間接一個耐流為 2A 的二極管，這樣在關(guān)斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機放電，這樣停時車不至于因為慣性滑行太遠(yuǎn)而浪費能源。aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 2 總體設(shè)計9因此，切斷電源后要將電動車停下來而采取的無謂制動不能將電能回饋給蓄電池。NPN9031A+24V 140W2mA2mAK2 ONK3 OFFK4 0NK11k24vOFF+61K 1KTIP123aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 2 總體設(shè)計10圖 28 電源電路考慮到電動自行車對電機轉(zhuǎn)速距離控制要求不高，為了簡化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán) PWM 控制，用開環(huán) PWM 控制和就可以實現(xiàn)自行車的功能。脈沖信號 Ta Tb圖 29 脈沖信號波形圖工作時 Ta 為高電平，通過光耦驅(qū)動復(fù)合管 T 導(dǎo)通，此時 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。KK2 為常閉觸點，所以電動機加正向電壓。當(dāng)Tb 為低電平電壓時所有繼電器得電，常開觸點閉合常閉觸點斷開，KK3 斷開 KK4導(dǎo)通。電動機加反向電壓。如果保證 TaTb 則電動機正轉(zhuǎn)。通過改變 Ta、Tb 的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理113 主要器件性能及原理 8051 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)8051 是 MCS51 系列單片機的典型產(chǎn)品， 我們以這一代表性的機型進行系 統(tǒng) 的講 解 。 8051 單 片 機 包 含 中 央 處 理 器 、 程 序 存 儲 器 (ROM)、 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 ( RAM)、定時 /計數(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： 中 央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能 處理 8 位二進制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的 工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 數(shù) 據(jù)存儲器 (RAM)8051 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，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，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 程 序存儲器 (ROM)8051 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定 時 /計 數(shù)器 (ROM)8051 有兩個 16 位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于 控制程序轉(zhuǎn)向。 并 行輸入輸出 (I/O)口8051 共有 4 組 8 位 I/O 口(P0、 PP2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 全 雙工串行口8051 內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該 串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理12 中 斷系統(tǒng)8051 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一 個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 時 鐘電路8051 內(nèi)置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖 時序，但 8051 單片機需外置振蕩電容。單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即 哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存 儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL 的 MCS51 系列單片 機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS96 系列單片機則采用普 林斯頓結(jié)構(gòu)。 圖 31 8051 引腳圖 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理13 圖 32 MCS51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8051 的引腳說明：Pin20:接地腳。Pin40 為正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 讀寫程序時，接+5V 電源。Pin19 為時鐘 XTAL1 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。Pin18 為時鐘 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)位信號復(fù)用腳，當(dāng) 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時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 33 所示:表 33 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 00HPSW 00H SP 07Haaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理14DPH 00H TH0 00HDPL 00H TL0 00HIP xxx00000B TH1 00HIE 0xx00000B TL1 00HTMOD 00H TCON 00HSCON xxxxxxxxB SBUF 00HP0P3 1111111B PCON 0xxxxxxxBPin30: ALE/ 當(dāng)訪問外部程序器時，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)部程序存儲器時，ALE 端將有一個 1/6 時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。Pin29: 當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號，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 程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051 和 8751 單片機，內(nèi)置有 4kB 的程序存儲器，當(dāng) EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過 4kB 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。 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+5V 電源供電，可以分時對 8 路輸入模擬量進行 A/D 轉(zhuǎn)換，典型的 A/D 轉(zhuǎn)換時間為 100 微秒左右。ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖 34：圖 34 ADC0809 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由上圖可知，多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(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，aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理15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 35 ADC0809 引腳結(jié)構(gòu)圖IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 0－5V，若信號太小，必須進行放大；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，地址鎖存與譯碼器將 A，B，C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(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 36 所示：表 36 通道選擇表C B A 選擇的通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 1 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7數(shù)字量輸出及控制線：11 條ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng) ST 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行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。當(dāng) EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行 A/D 轉(zhuǎn)換。OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理16出鎖存器向單片機輸出轉(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 為時鐘輸入信號線。因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ，VREF（＋） ，VREF（－）為參考電壓輸入。 三端式穩(wěn)壓器 78L05 的工作原理電路如圖 37 所示，三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹。圖 37 三端式穩(wěn)壓器工作原理注 圖中 R11 由輸出電流檔次決定，R12 由輸出電壓檔次決定 啟動電路在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當(dāng)輸入電壓 V1 接通后，這些恒流源難以自行導(dǎo)通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的 BJT TT5 提供基極電流。 （如圖 36）啟動電路由 TTDZ1 組成。當(dāng)輸入電壓 V