【導讀】電氣傳動技術手冊；機電傳動與控制；單片機實驗仿真；礦用電機車電氣原理圖；第一章緒論;第二章方案比較與選擇；第三章控制原理分析；第四章主電路設計；提交的論文必須有文字版與電子版，論文字數(shù)不少于25000字；論文格式要符合要求，內(nèi)容完整，條理清楚；的原理，降壓斬波電路控制方式及調(diào)速特性，PWM基本原理及實現(xiàn)方式進行了闡述。將硬件分成主電路和控制電路分別進行描述。包括電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、保護模塊等。在設計中，采用PWM調(diào)速方式，通過。改變PWM的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。制系統(tǒng)的性能和可靠性。

　　

【正文】 AP B 6P B 7P B 0P B 1P B 2P B 3P B 4P B 5R 11R 12R 13R 14R 15R 10R9100100100100100100100R 16100abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 1 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 2 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 3 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 4 1 2A1 2A1 2A1 2A+ 5VP A 0P A 1P A 2P A 3 圖 顯示電路圖 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 22 鍵盤 模塊的設計 系統(tǒng)鍵盤采用行列式設計，矩陣鍵盤又稱行列鍵盤，它是用四條 I/O 線作為行線，四條 I/O 線作為列線組 成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為 4*4 個。這種行列式鍵盤結(jié)構能有效地提高單片機系統(tǒng)中 I/O 口的利用率。 常見的鍵盤布局如圖 1所示。一般由 16 個按鍵組成，在單片機中正好可以用一個 P口實現(xiàn) 16 個按鍵功能，這也是在單片機系統(tǒng)中最常用的形式， 4*4 矩陣鍵盤的內(nèi)部電路如圖 2 所示。 當無按鍵閉合時 PA0PA3 與 PC0PC3 之間開路。當有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條 I/O 口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，置列線 PA0PA3 為輸入狀態(tài)，從行線 PC0PC3 輸 出低電平，讀入列線數(shù)據(jù)，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線 PA0PA3 讀入數(shù)據(jù)，若有某一列為低電平，則對應行線上有鍵按下。綜合一二兩步的結(jié)果，可確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續(xù)多次進行同樣的鍵操作。 鍵盤電路如圖 所示： S0 S 1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S 1 0 S 1 1 S 1 2 S 1 3 S 1 4 S 1 5 4. 7k 4. 7k4. 7k 4. 7k+ 5 VP C 0P C 1P C 2P C 3L E 1 L E 2 L E 3 L E 4 圖 鍵盤電路圖 時鐘電路的設計 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。 89C51 片內(nèi)有一個反相放大器， XTAL XTAL2 引腳分 別為該反相器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構成了一個自激振蕩器，產(chǎn)生的時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。單片機的時鐘產(chǎn)生方法有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，在本次設計中電路的采用的方式為內(nèi)部方式。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 23 89C51 單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。反相器的輸入端為XTAL1，輸出端為 XTAL2，在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接石英晶體及兩個電容就可以構成穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機也可使用外部振蕩器脈沖信號，由 XTAL2 端輸入，直接接至內(nèi)部時鐘電路。因為 XTAL2 的邏輯電平與 TTL電平不兼容，所以應接一個上拉電阻，對于外部脈沖信號只要要求高電平的持續(xù)時間大于 20ns，一般為低于 12MHz 的方波。最常用 的內(nèi)部時鐘方式是采用外部接晶振（在頻率穩(wěn)定性要求不高而希望盡可能廉價時，選擇陶瓷振蕩器）和電容組成并聯(lián)諧振回路，不論 HMOS 還是 CHMOS 型的單片機其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。 AT89C51 單片機允許的振蕩晶體可在 ∽ 24MHz 之間選擇，取 。電容 C C2 的取值對振蕩器頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C C2可在 20pF100pF 之間選擇，本設計的電容 C C2都取 30pF，其電路圖如圖 所示。 圖 內(nèi)部時鐘方式的時鐘電路 圖 復位電路 復位是單片機的初始操作。其主要功能是把 PC 初始化為 000H，使單片機從 000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵重新啟動。除 PC 之外，復位操作還對其他寄存器有影響，對我們的設計也是要考慮的。 無論用戶使用哪種類型的單片機，總要涉及到單片機復位電路的設計。而單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整 個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng)，湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 24 并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了 “ 死機 ” 、 “ 程序走飛 ” 等現(xiàn)象，這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。 復 位信號是外部輸入的強制性信號，其作用是使單片機初始化。為了達到完全復位和清除的目的，在振蕩器工作條件下，要在 RST 端至少維持兩個機器周期的高電平，才可以實現(xiàn)復位。 復位電路可分為上電復位和手動復位，在本系統(tǒng)采用的是手動復位，如圖 所示 。 + 5 V2 2 P F2 0 0R1 S W 1R21 0 KR S TA T 8 9 C 5 1 圖 上電 復位電路 圖 RST 引腳是復位信號的輸入端。 R1 取 200 歐姆， R2 取 歐姆。復位信號是高電平 有效，其有效時間應持續(xù) 24 個振蕩周期（二個機器周期）以上。由于使用的頻率為12MHZ 的晶體振蕩器，則復位信號持續(xù)時間應超過 24μ s才能完成復位操作。 手動 壓合 SW1 開關可使單片機復位。一般， SW1 閉合時間約為幾毫秒到幾十毫秒，能保證 C5 充分放電 時能使 R2有充分長時間處于 高 電平狀態(tài)使單片機復位。 故障檢測及保護電路設計 故障檢測及保護電路采用圖 所示的電路結(jié)構，其原理如下： 保護主要有過壓保護和過流保護，采用控制電路進行能夠過壓過流保護時，存在一個過壓過流信號檢測問題。過流信號一般采用霍爾電流傳感器 檢測，或采用直流回路中串電阻的方法檢測。本文采用的是 BHL 霍爾電流傳感器。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 25 R 3 8R E S 2R 3 7R E S 2R 3 9R E S 2R 5 4P O T 2 U9O P T O I S O 1U 1 0O P T O I S O 1R 5 3P O T 2P W M _ C T R LR 4 0R E S 2U 1 4NANDU 1 3NAND+ 5VR 4 1R E S 2U 1 6NANDU 1 5NAND+ 5VR S TU 1 9NORU 1 8ORU 1 7ORCLKA1MCUCTRLC1 圖 故障檢測及保護電路 圖 轉(zhuǎn)速檢測 本設計中選用的轉(zhuǎn)速檢測裝置由單片微機、模擬電壓變換電路幾 A/D 轉(zhuǎn)換器接口芯片組成的測速裝置進行轉(zhuǎn)速檢測，其原理圖如圖 ，圖中的三部分均具有線行特性 ： (1) 分辨率 。 設考慮到轉(zhuǎn)速超調(diào)時的最高轉(zhuǎn)速為 maxn ， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為 AN ， 則測速分辨率為： 12 max?? ANn nR (r/min) () maxn 一定時， A/D 的位數(shù)越多 Rn 越小，分辨能力越強。 maxn 和 AN 選定后， CPU 從A/D 轉(zhuǎn)換器讀入的轉(zhuǎn)換值成正比。所以，測速分辨率與轉(zhuǎn)速無關，轉(zhuǎn)速測量值的計算式為： DRn n ?? （ r/min） () 用于可逆系統(tǒng)測速時，直流測速機輸出電壓 aU 具有雙極性。 (2) 測速精度 。 測速發(fā)電機 A/D 轉(zhuǎn)換器測速的精度，除決定于這兩個元件本身的精度外，還與測速機輸出電壓變換電路的誤差有關。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 26 (3) 檢測時間 。 測速發(fā)電機 A/D 轉(zhuǎn)換器測速的檢測時間，包括 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間、微機執(zhí)行 A/D 轉(zhuǎn)換程序及轉(zhuǎn)向判別、轉(zhuǎn)速測量值運算程序等所經(jīng)歷的時間。 總 線 A / D 轉(zhuǎn) 換 器 變換 電路 測 速 機 圖 測速機測速的電路原理圖 (4) 轉(zhuǎn)速反饋 值和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。 轉(zhuǎn)速反饋值為： RnDnN f ?? ?? （數(shù)字量） 由于分辨率 nR 與轉(zhuǎn)速無關，所以轉(zhuǎn)速系數(shù) ? 值的確定與 M 法測速相同。當取 1?nR?時 DNf ? （數(shù)字量），這樣可簡化轉(zhuǎn)速給定值 gdN 與反饋 fN 之間的偏差量的求取。 直流測速 發(fā)電機的工作原理是基于電磁感應定律，由電磁理論可知直流測速發(fā)電機的感應電動勢 E 與轉(zhuǎn)速 n的關系： nCE ?? 式中 C —— 與發(fā)電機結(jié)構有關的常數(shù)； Φ —— 磁通。 可見感應電動勢與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)線性關系 。 測速發(fā)電機工作時需接負載電阻，負載電阻 R的端電壓 U就是我們得到的輸出電壓。根據(jù)圖可得，端電壓等于感應電動勢減去它的內(nèi)阻 r上的壓降，即 rRUEU ?? () 將式 帶入，整理后得 nRrCU???1 () 式 就是測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關系式。如果式中的 Φ 、 r、 R都能保持為常數(shù)，則 U 與 n 之間呈線性關系。 為實現(xiàn)單片機機對轉(zhuǎn)速的檢測，需對測速機輸出的模擬電壓 Ua 進行變換，圖 示是采用直流測速發(fā)電機的變換電路。圖 中，電位器 RP1 用來改變前置放大器 A1的輸出電壓，經(jīng) A2 與二極管組成的絕對值放大器獲得標準模擬電壓 Ud。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 27 A1C1R P 1A2R2R3R6R9R7R4R1 R5R8V D 3V D 2V D 1TG+ 5 V+ 5 VUd 圖 速度檢測電路 圖 圖 中 ， R2取 99K? ； R3， R5， R8， R6 取 2 K? ； R1， R4， R7 取 1 K? 即可實現(xiàn) 四 倍放大 。 電流檢測電路 圖 是霍爾電流傳感器的檢測電路，圖 中， R1 是取樣電阻，其他部分的工作原理與轉(zhuǎn)速檢測電路類似。 對電流的檢測在本設計中采用霍爾傳感器 (BHL)，霍爾傳感器是一、二 次側(cè)電路高度絕緣、帶寬 從直流到 100kHz、反應時間小于 1us 的傳感器 。在其二次的取樣電阻上可獲得與二次側(cè)電流波形相同的電壓波形。 R9V D 3V D 2A1R P 1A2R 23R6R4R8R7 V D 4V D 1R2R1C1R55v+ 5V+ 5V+ 5VUd+ 15 V15VB H Li 圖 采用霍爾電流傳感器的檢測電路 圖 圖 中 ， R1取 100 K? ； R2， R23， R4， R6， R7， R8 取 1 K? ； R5， R9 取 2 K? 即可實現(xiàn)四 倍放大。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 28 AD 轉(zhuǎn)換 電路 圖 310 為 8位分 辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求 其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 05V之間 芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μS ，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤 差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強 獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便 通過 DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇 單片機對 ADC0832 的控制原理：正常情況下 ADC0832 與單片機的接口應為 4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、DI 但由于 DO端與 DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用 當 ADC0832 未工作時 其 CS 輸入端應為高電平，此時芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的電平可任意 當要進行