【正文】 C RETI CTC2: PUSH ACC PUSH PSW Clr tr0 Clr tr1 SETB SET tr0 SETB tr1 POP PSW POP ACC AD574A: 。 我用了 Protel 99 se 來繪制系統(tǒng)硬件電路圖。用 4*3鍵盤輸入有關(guān)控制信號及參數(shù)，可以實現(xiàn)電機的啟制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。 我的設(shè)計是基于單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)以 AT89C52 單片機為核心，以 2A、 1000r/min 小 直流電機為控制對象，以 L298N 為 H橋驅(qū)動芯片實現(xiàn)速度、電流反饋雙閉環(huán)。方便的人機對話接口，用鍵盤輸入有關(guān)控制信號及參數(shù)，可以實現(xiàn)電機的啟制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。在整個設(shè)計過程中，也遇到了一些問題，如 PID 算法、 PWM 占空比調(diào)節(jié)等，但經(jīng)過努力都一一解決了。通過本次設(shè)計我了解了許多關(guān)于直流電機調(diào)速的知識，也查詢了許多的資料，并結(jié)合自己的想法完成了課題。即分別對轉(zhuǎn)速、電流采樣值進行中值濾波，標度變換，之后送顯示緩存區(qū)，對轉(zhuǎn)速進行 PID 運算，輸出作為電流 PID 運算的輸入，電流 PID運算的輸出用來調(diào)節(jié)PWM 占空比。如無鍵按下，則返回；若有鍵按下，則轉(zhuǎn)各鍵處理子程序。 系統(tǒng)中部分程序的設(shè)計 單片機資源分配 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)存分配表： 地址 功能 地址 功能 E0H~FFH 堆棧 42H 電流給定首地址 39H~3CH 顯示緩沖區(qū) 53H 電流采樣首地址 3DH 置轉(zhuǎn)速比例值 57H 轉(zhuǎn)速采樣首地址 3EＨ 置 轉(zhuǎn)速積分值 5BH 中值濾波數(shù)據(jù)首地址 3FH 置電流比例值 5EH 標度變換數(shù)據(jù)地址 40H 置電流積分值 45H 轉(zhuǎn)速 PID 輸出首地址 41H 置轉(zhuǎn)速給定首地址 47H 電流 PID 輸出首地址 程序流程圖 主程序包括如下三個環(huán)節(jié)： 實現(xiàn)各種初始化，包括設(shè)置堆棧指針、 8255 初始化、定時器 /計數(shù)器初始化、以及開中斷、定時器 /計數(shù)器啟動等。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 30 增量式 PID 算法的優(yōu)點 （ 1）位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的積累誤差。 而位置式 PID 控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計算公式： () 上式就是目前在計算機控制中廣泛應用的數(shù)字遞推 PID 控制算法。 （ ） 由（式 ）可以得到控制器的第 k－ 1個采樣時刻的輸出值為： （ ） 將（式 ）與（式 ）相減并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法公式為： () 其中： () 由（式 ）可以看出，如果計算機 控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定 A、 B、 C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由（式 ）求出控制量。當執(zhí)行機構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數(shù)值時，可以使用增量式 PID 控制算法進行控制。 本設(shè)計采用３＊４矩陣鍵盤，由 8255 的 C 口控制鍵盤， PC2 到 PC0 作為列線， PC7 到 PC4 作為行線。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 27 ４位共陽極ＬＥＤ，用ＰＮＰ型三極管進行驅(qū)動。通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。 AD 芯片與采樣保持其的連接如下： 圖 顯示與鍵盤電路 本設(shè)計需要 4 為ＬＥＤ來實時顯示轉(zhuǎn)速值，且當有鍵盤按下時，要給予相應的顯示，本設(shè)計采用動態(tài)顯示。 圖 圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 26 AD 轉(zhuǎn)換 由于本設(shè)計只有電流信號需要進行 AD 轉(zhuǎn)換，因此采用單通道 AD 轉(zhuǎn)換芯片AD574。當待測電流從傳感器穿芯孔中穿入，即可從輸出端測得與被測電流一一對應的電壓值 。 設(shè)計中采用定時器 T0，再配以軟件計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)。 轉(zhuǎn)速和電流的測量 本設(shè)計采用 3020T 和 CS040G 分別對電機轉(zhuǎn)速和電流進行測量。 轉(zhuǎn)速檢測的傳感器、電流檢測的傳感器都要與直流電機連接。 電源經(jīng)單相整流，電容濾波、穩(wěn)壓后提供本設(shè)計所需電源。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 24 圖 具有使能控制和方向邏輯的 H 橋電路 圖 使能信號與方向信號的使用 主電路設(shè)計 本設(shè)計中電機兩端電樞電壓由 L298 提供，通過調(diào)節(jié) PWM 占 空比來調(diào)節(jié) L298輸出電壓即電機兩端電樞電壓。 實際使用的時候，用分立件制作 H 橋式是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的 H 橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓 、電流內(nèi)使用非常方便可靠。） 采用以上方法，電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。而 2 個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在 H 橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導通。 圖 H 橋電路驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動 圖 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本 H 橋電路的基礎(chǔ)上增加了 4 個與門和 2 個非門。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 23 此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。 二、使能控制和方向邏輯 驅(qū)動電機時，保證 H 橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導通非常重要。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 22 圖 H 橋式電機驅(qū)動電路 圖 H 橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動 圖 所示為另一對三極管 Q2 和 Q3 導通的情況，電流將從右至左流過電機。按圖中電流箭頭所 示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。 要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導通。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導通對角線上的一對三極管。 4 個三極管組成 H 的 4 條 垂直腿，而電機就是H 中的橫杠（注意：圖 及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 21 圖 用 PWM波代替正弦半波 H 橋 芯片的工作原理 【 9】 圖 中所示為一個典型的直流電機控制電路。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。 SPWM 波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也基于等效面積原理 PWM 信號發(fā)生電路設(shè)計 采用 定時器及軟件編程輸出 PWM。 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 20 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波 N等分，看成 N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。如果周期性地施加上述脈沖，則響應 i(t)也是周期性的。從波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 面積等效原理： 分別將如圖 所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（ RL電路）上，如圖。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。 理論基礎(chǔ)： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 PWM 信號發(fā)生電路設(shè)計 PWM 的基本原理 直流電機脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation簡稱 PWM) 【 8】 調(diào)速產(chǎn)生于 20 世紀 70 年代中期，最早用于自動跟蹤天文望遠鏡、自動記錄儀表等的驅(qū)動，后來由于晶體管器件水平的提高及電路技術(shù)的發(fā)展 , PWM 技術(shù)得到了高速發(fā)展 ,各式各樣的脈寬調(diào)速控制器，脈寬調(diào)速模塊也應運而生，許多單片機也都有了 PWM輸出功能。（注：錯誤的接線可能導致傳感器的損壞） 。20 mV VOT 失調(diào)電壓溫漂 IPN=0 TA=–25～ +85℃ 177。15V 20 mA Vd 絕緣電壓 在原邊與副邊電路之間 2 .5KV 有效值/50Hz/1 分鐘 εL 線性度 ≤1 %FS V0 零點失調(diào)電壓 TA=25℃ 177。15（ 177。1% V VC 電源電壓 177。60 0～ 177。20 0 ～177。 CS040G 簡介 CS040G 系列霍爾電流傳感器 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 17 應用霍爾效應開環(huán)原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。 圖 CS3020外形圖 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時 ，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 16 圖 LF398 引腳圖 3020T 簡介 霍爾傳感器 【 7】 是對磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號采集的有 CS30CS3040 等，這種傳感器是一個 3 端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（ OC）門 輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。 當作為單一放大器時， LF398 直流增益精度為 %,采樣時間小于 6us時精度可達 %。 表 LF398 簡介 LF398 是一種反饋型采樣保持放大器，也是目前較為流行的通用型采樣保持放大器。 [17]. Pin28(STS)—— 工作狀態(tài)指示信號端，當 STS=1 時，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當 STS=0 時，聲明 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過此信號可以判別 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為單片機的中斷或查詢信號之用。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 15 [16]. Pin16— Pin27(DB0— DB11)—— 12 條 數(shù)據(jù)總線。 [14]. Pin14(20V IN)—— 20V 量程模擬電壓輸入端。 [12]. Pin1(V+)—— 正電源輸入端，輸入 +15V 電源。 [10]. Pin10(REF IN)—— 基準電源電壓輸入端。 [8]. Pin8(REF OUT)—— 10V 基準 電源電壓輸出端。 [6]. Pin6(CE)—— 使能端。須注意的是， 端 TTL電平不能直接 +5V 或 0V 連接。 [4]. Pin4(A0)—— 字節(jié)地址短周期控制端。 [2]. Pin2(12/8 )—— 數(shù)據(jù)模式選擇端，通過 此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是 12 位或8位輸出。 15V和 5V ⑥數(shù)據(jù)輸出格式： 12 位 /8 位 ⑦芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 14 圖 AD574 引腳圖 AD574A 的引腳結(jié)構(gòu)如圖 。 5V和 0— 177。 1/2LBS 或177。采用查詢 STS 狀態(tài)可判斷變換是否完成。只需要適當?shù)母淖兡承┛刂埔_的接法。但芯片本身是單路工作，只允許一個模擬信號輸入端接入信號。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 13 圖 AD574 簡介【 6】 AD574A 是美國模擬數(shù)字公司（ Analog）推出的單片高速 12 位逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換 芯 片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容 器 件即可構(gòu)成一個完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器 . AD574 是一種常用的 12 位 AD 變換芯片，也可以實現(xiàn) 8位轉(zhuǎn)換。驅(qū)動芯片 L298 是驅(qū)動二相和四相步進電機的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的 橋式電路來驅(qū)動直流電機，這種方法有一系列的優(yōu)點。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停 。 圖 表 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明說（畢業(yè)論文） 11