【正文】 詳細程序見 附錄 C。理論上，把這兩種方法結(jié)合起來，根據(jù)不同的占空比，采用相應(yīng)合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問題。但是實現(xiàn)高 性能的軟件 PWM，也不是容易的事情。關(guān)于按鍵釋放的后沿一般不對其進行處理，這里就不多做說明。所以在鍵盤使用中必須解決抖動問題。 鍵盤的按鍵方式分為接觸式和非接觸式兩種，而在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中一般是用機械式觸點。 對控制直流電機的選通信號和 方向信號的引腳置 0（通電時電機不啟動，直至啟動鍵按下后才啟動，啟動后的轉(zhuǎn)向是正轉(zhuǎn)）；接著就要對顯示子程序中用到的數(shù)據(jù)寄存單元及測速子程 序中用到的時間寄存器和數(shù)據(jù)寄存器清零 ；設(shè)定 T0 的工作方式及定時時間，開中斷，并讓 T0 開始工作；最后執(zhí)行鍵盤 掃描子程序。 4 軟件系統(tǒng)的論述 主程序 匯編語言是一種面向機器的語言，它顯著的特點是：程序結(jié)構(gòu)緊湊，占用存儲空間少；實用性強，執(zhí)行的速度快；能直接管理和控制存儲器及硬件接口，充分發(fā)揮硬件的作用。當單片機芯片和時鐘系統(tǒng)正常工作時，用外用表可測出 晶振腳 XTAL1 和 XTAL2 的電壓分別為 和 。當 S5 按下時， C11 開始發(fā)電，則電容兩端電壓又恢復(fù)至 0V，這就是進行了一次手動復(fù)位。外磁場由 BOP降 BRP時輸出 VO由低電平反向， BRP 被為釋放點。因其內(nèi)部含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級，故能實現(xiàn)以上功能。這樣做可以保證 LED 能正常地工作。下面給出 LED 與單片機的接口電路圖，如圖 36 所示： 由圖 36 可以看出 AT89S51 單片機的 、 、 、 作為 BCD 碼的輸出口，分別與譯碼器的 A、 B、 C、 D 引腳相連 ； 單片機的 、 、 和 分別作為四位 LED 的由低位到高位的選通腳。 直接在主程序中 插入鍵盤子程序，主程序每執(zhí)行一次，鍵盤子程序就執(zhí)行一次。第三，電阻自身可能達到的功耗。 對于 L298 的應(yīng)用，還需要對采樣電阻 R10 進行選擇。為了增強 L298 的驅(qū)動能力 ， 本調(diào)速控制系統(tǒng)對 L298 的兩路驅(qū)動進行了并聯(lián)使用 ， 最大驅(qū)動能力可以達到 3A。調(diào)節(jié)電位計的參考電壓能調(diào)節(jié) L298 的限流電壓。調(diào)速控制系統(tǒng) 采用的是單極性工作方式。 電機驅(qū)動電路 在上一章已經(jīng) 選定 了使用 L298 作為電機的驅(qū)動芯片，表 33 是 L298 的引腳功能介紹，圖 33 是電機驅(qū)動的硬件電路圖 。圖中C4 是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。 P3 口除了做通用的 I/O 口外，作為控制用的第二功能如表 32 所示： 表 32： P3 口各位的第二功能 P3口的位 第 2 功能 注釋 RXD 串行數(shù)據(jù)接收口 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 INT0 外部中斷 0 輸入 INT1 外部中斷 1 輸入 T0 定時器 /計數(shù)器 0 外部輸入 T1 定時器 /計數(shù)器 0 外部輸入 WR 外部 RAM 寫選通信號 RD 外部 RAM 讀 選通信號 直流電源部分 在直流電機調(diào)速系統(tǒng)中邏輯元件需要 +5V 直流電源，而小型直流電動機的額定電壓為 12V，由此可見在本設(shè)計中需要兩個直流電源，所以可以選用雙路穩(wěn)壓電源。 P1 口第一功能是作為通用 I/O 口； P1 口第二功能是在對片內(nèi) EPROM 編程或校驗時輸入片內(nèi) EPROM 的低 8 位地址。 PSEN 端同樣 可驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負載。 ALE 端可驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負載。當 EA 端接地保持低電平時，則只訪問片外程序存儲器，而不管內(nèi)部是否有程序存儲器。 RST 的第二功能是備用電源 VPD 的輸入端。針對要求分別 對電源、 PWM 波形產(chǎn)生部分、電機驅(qū)動部分、鍵盤輸入部分及測速顯示部分進行設(shè)計 。在直流電機中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號傳送到 AT89S51， AT89S51 進行定時計數(shù)，計算出直流電機每 分 鐘的轉(zhuǎn)速，并送 LED 顯示。 CS3020 工作頻率寬（ 100KHz），開關(guān)速度快，沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能直接和晶體管及 TTL、 MOS 等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu)點。此外， L298 的兩個橋式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動一個直流電動機，直流電流可達到 4A。不過在應(yīng)用領(lǐng)域， L298 使用比較廣泛，所以本設(shè)計采用 L298 作為電機的驅(qū)動芯片。 13 圖 27 LED 的 共陽極、共陰極接法 電機驅(qū)動芯片的選擇 本設(shè)計核心部分就是對小型直流電動機進行可逆的 PWM 調(diào)速控制。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。共陰極LED 顯示器的發(fā)光二極管 的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮。行線通過一個上拉電阻接到 +5V 電源上，在沒有鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài) （若 I/O 口內(nèi)部有上拉電阻則無需再加上拉電阻） 。行列式鍵盤中按鍵的數(shù)量可達行線數(shù) n 乘以列線數(shù) m，如 4 行、 4 列行列式鍵盤的按鍵數(shù)可以達到 44＝ 16個。 每個獨立式按鍵單獨占有一根 I/O 接口線，每根 I/O 接口線的工作狀態(tài)不會影響其它 I/O 接口線的工作狀態(tài)。 系統(tǒng)各模塊方案 的比較與選擇 11 鍵盤的選擇 鍵盤是計算機不可缺少的輸入設(shè)備之一，是實現(xiàn)人機對話的紐帶，借助鍵盤可以向計算機系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。本設(shè)計采用的是定頻調(diào)寬法 ，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，并且在產(chǎn)生 PWM 脈沖實現(xiàn)上更方便。如果 TT1?? ， ? 可定義為占空比 。 9 圖 22 直流電機外形和結(jié)構(gòu)示意圖 直流電機 PWM 調(diào)速原理 PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。對于直流電機來說人為機械特性方程式為： nnTCCRCUnTEaEa ????? 02?? （ 21） 式中： 0n 是電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為?EaCUn ?0； n? 是轉(zhuǎn)速差； aU 是電樞供電電壓（ V）； a R 是電樞回路總電阻（ Ω）； ? 是勵磁磁通（ Wb）； EC 是電勢系數(shù)； TC 轉(zhuǎn)矩系數(shù)。其中定子由主磁極、 換向磁極、機座等幾部分組成；轉(zhuǎn)子主要由：電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成 。用單片機控制復(fù)合三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。顯示器 鍵盤 AT89S51 單片機 D/A轉(zhuǎn) 換器 電機 8 但是電阻網(wǎng)路只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格昂貴， 更主要的問題是一般電機的電阻很少，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)困難。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實性。 AT89S51 是 ATMEL在 2020 年推出的新型單片機品種。 電路 組成框 圖如圖 21 所示 ： 圖 21 電路組成框圖 方案 三 ： 采用 AT89S51 單片機進行控制。 那么如果 其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動速度也 相應(yīng)地 減小。 控制模塊：主要由 AT89S51 單片機的外部擴展電路組成。 系統(tǒng)的主體電路 是直流電機 PWM 控制模塊。主要內(nèi)容具體描述如下： （ 1） 輸入設(shè)備的選擇：與矩陣鍵盤相比獨立鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，所以本設(shè)計采用獨立鍵盤給單片機輸入信號； （ 2） 單片機的選型： MCS51 系列單片機有多種型號，其中 AT89S51 不僅兼容 8051，還具有 ISP 編程和看門狗功能，這里選用單片機 AT89S51 作為控制 6 核心； （ 3） 顯示部分的設(shè)計： LED 是 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件，用 LED實現(xiàn)對 PWM 脈寬調(diào)制占空比的實時顯示； （ 4） 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計：利用 H 橋式驅(qū)動電路可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，制動的功能，作為集成有橋式電路的電機專用芯片 L298 在應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能比較穩(wěn)定可靠，所以用 L298 作為電機的驅(qū)動芯片。隨著 PWM 技術(shù)的不斷改進，它的應(yīng)用的范圍也將不斷的擴展。 由式（ 12）可以知道， m? 的值是由 1E 和 1f 共同決定的。 在設(shè)計電機時， 一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處，因此，調(diào)速時希望保持每極磁通 m? 為額定值，即 mNm ?? ? 。與交 交變頻電路的變 頻過程比較，似乎只多了一個直流的轉(zhuǎn)換過程。因為中間環(huán)節(jié)少，所以它的效率高。因為全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉了，故效率最低。其中 Mmec PsP )1( ?? ， MS sPP ? 。通常一套繞組只能換接成兩種磁極對數(shù)。目前，不論在同步電機調(diào)速方面，還是異步電機調(diào)速方面， PWM 變頻調(diào)速是眾 4 多交流調(diào)速方式的佼佼者。隨著 PWM 技術(shù)的發(fā)展，我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。 國外主要電氣公司如瑞典 ABB 公司、德國的西門子公司、 AEG 公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的 GE 公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出 多個數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標準化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出 3 并大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的 SIMOREG K6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。 （ 4） 1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其他變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。但發(fā)電機 —電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。 國內(nèi)外電機 控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 常用的控制直流電機調(diào)速有以下幾種方法： （ 1） 最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。為了滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電 樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過 PWM 方式控制直流電機調(diào)速的方法就應(yīng)運而生。電機調(diào)速性能對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著決定性的影響。 近年來，電氣傳動的 PWM 控制技術(shù) 已成為電氣傳動自動控制技術(shù)的熱點之一。 PWM。 設(shè)計的整個系統(tǒng)，采用了大量的集成電路模塊，大大簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。論文主要介紹了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的意義、 基于 單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速方法和 PWM 基本工 作原理以及實現(xiàn)方法 ，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。 隨著時代的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活 、工作、科研 各個領(lǐng)域。 并且在各類機電系統(tǒng)中，由于直流電機具有良好的 啟動、制動和調(diào)速性能，直流電機調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面，最常用的直流技術(shù)是脈寬調(diào)制（ PWM）直流調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬和損耗低的特點。 主電路主要采用四個小鍵盤控制 AT89S51 單片機，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機并產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，然后通過電機驅(qū)動芯片 L298 對小型直流電機進行控制。 最后在軟件方面，介紹了主程序、鍵盤掃描子 程序、 PWM 信號發(fā)生程序、測速子程序和顯示子程序的編寫思路以及具體的程序?qū)崿F(xiàn)。 Measurement of rotating speed 目 錄 1 緒論 ............................................................................................................................ 1 課題研究的背景 ......................................................................................... 1 課題研究的目的及意義 ............................................................................. 1 國內(nèi)外電機控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 ......................................................... 2 PWM 變頻調(diào)速發(fā)展前景 ........................................................................... 3 異步電動機的調(diào)速方法 ....................................