【文章內容簡介】 大，發(fā)熱厲害，損耗大。另一種脈寬調制型 :脈寬調速（ PULSE WIDE MODULATION— PWM）較常用的 一種調速方式，這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。因此決定采用 PWM 方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調速原理：永磁式直流電動機電機轉速由電樞 電壓 UD決定，電樞電壓 UD越高電機轉速越快，電樞電壓UD 降為 0V，電機就就停轉。直流電機的具體調速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉動。在轉速降到一定限度時使電動機再次接通，電動機因此而再次加速，不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號）就可以使電動機的轉速控制在指定的范圍內。如圖 26 所示： 脈沖信號： t T 轉速： VMAX VD VMIN 圖 26脈沖信號圖 Vmax 為電動機的最大轉速值， Vmin 為電動機的最小轉速值， 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。平均轉速和電樞上的脈沖占空比 D 之間關系如圖 27所示： 由圖可知，平均轉速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此，電動機的平均轉速 VD 就可以有占空比 D 加以控制。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 2 總體設計 9 VD（平均速度） 0 1 D（占空比） 圖 27 VD/D 關系圖 PWM 調速分為雙向式和單向式兩種： 雙向式：在一個脈沖周期內（ T=Ta+Tb） ,T1 和 T3 導通時間為 Ta,T2和 T4 導通時間為 Tb，這樣在 Ta 這段時間內，電機通過的是正向電流，在 Tb 這段時間內為反相電流。當 Ta=Tb 時電機停轉， TaTb 電機正轉， TaTb 電機反轉。 單向式：單向式的電路和雙向式相同，同的是在電機正轉時， Tb這段時間內不通過反相電流；電機反轉時， Ta 內不通過正向電流。其調速原理基本與雙向相同，單向式與雙向式相比，三極管的開關頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導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生使 T TT T4 都導通的情況，以致電源短路，燒毀器件。為了避免出現這種情況，設計了圖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，從而控制電機的轉向。這樣無論如何，都不會出現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動能力（ 74LS245 的高電平驅動能力為 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而浪費能源。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。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 2 總體設計 10 NPN9031A+24V 140W2mA2mAK2 ONK3 OFFK4 0NK11k24vOFF+61K1KTIP123 圖 28 電源電路 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 2 總體設計 11 考慮到電動自行車對電機轉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，通過光耦驅動復合管 T導通，此時 Tb 為高電平通過光耦使三極管導通，繼電器各線圈被短路。 K K2 為常閉觸點，所以電動機加正向電壓。當 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， K K3斷開 K K4 導通。電動機加反向電壓。如果保證 TaTb 則電動機正轉。通過改變 Ta、 Tb 的占空比即可改變轉速。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理 12 3 主要器件性能及原理 8051 單片機內部結構 8051 是 MCS51 系列單片機的典型產品 ， 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)、數據存儲 器 (RAM)、定時 /計數器 、 并行接口 、 串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數據總 線 、 地址總線和控制總線等三大總線，現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 位數據寬度的處理器，能 處理 8 位二進制數據或代碼， CPU 負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的 工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 數 據存儲 器 (RAM) 8051 內部有 128 個 8 位用戶數據存儲單元和 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據，用戶只能訪問，而不能 用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數據，運算的中間結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，原始數據或表格。 定 時 /計 數 器 (ROM) 8051 有兩個 16 位的可編程定時 /計數器，以實現定時或計數產生中斷用于 控制程序轉向。 并 行輸入輸 出 (I/O)口 8051 共有 4 組 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于對外部數據的傳輸。 全 雙工串行口 8051 內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該 串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以 當同步移位器使用。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理 13 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 內置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產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。 單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數據存儲器分開的形式，即 哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數據存 儲器合二為一的結構，即普林斯頓 (Princeton)結構。 INTEL 的 MCS51 系列單片 機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產品 16 位的 MCS96 系列單片機則采用普 林斯頓結構。 圖 31 8051 引腳圖 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理 14 圖 32 MCS51 內部結構圖 8051 的引腳說明： Pin20:接地腳。 Pin40 為正電源腳，正常工作或對片內 EPROM 讀寫程序時，接 +5V 電源。 Pin19 為時鐘 XTAL1 腳，片內振蕩電路的輸入端。 Pin18 為時鐘 XTAL2 腳，片內振蕩電路的輸出端。 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容闡述。 Pin9:RESET/Vpd 復位信號復用腳，當 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現 24 個時鐘周期以上的高電 平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數器 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 00H PSW 00H SP 07H aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科畢業(yè)論文 3 主要器件性能及原理 15 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 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，也可以當作一個時鐘向外輸出。 Pin29: 當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號， PC的 16 位地址數據將出現在 P0 和 P2 口上，外部程序存儲器則把指令數據放到 P0 口上， CPU 讀入并執(zhí)行。 Pin31:EA/Vpp 程序存儲器的內外部選通 線， 8051 和 8751 單片機，內置有 4kB 的程序存儲器，當 EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時，讀取內部程序存儲器指令數據，而超過 4kB 地址則讀取外部指令數據。 A/D 轉換芯片 （ 1）內部結構 ADC0809 芯片是最常用的 8 位模數轉換器。它的模數轉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 轉換，典型的 A/D 轉換時間為 100 微秒左右。 ADC0809 的內部邏輯結構，如圖 34： 圖 34 ADC0809 的內部結構 由上圖可知，多路開關可選通 8個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉換完的數字量，當 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 16 才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。 （ 2）引腳結構 圖 35 ADC0809 引腳結構圖 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；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，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 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，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。 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