【正文】 效果使人看到好像有多個數(shù)碼管同時顯示。 用數(shù)碼管顯示測得的數(shù)據(jù)，數(shù)碼管有 8段而每段必需占用一個單片機的 IO口，所以一位數(shù)碼管必須占 8個單片機 IO口，本次設(shè)計采用 4位數(shù)碼管，則需要 12個I/O 口，而 89C52 單片機的 I/O 口只有 32 個。 . 數(shù)碼管顯示分析 在實際的單片機系統(tǒng)中，往往需要多位顯示。 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 XXI 數(shù)碼管顯示電路 圖 310數(shù)碼管顯示電路 . 實時顯示狀態(tài) 顯示電路為四位數(shù)碼管，用來顯示實時電動機轉(zhuǎn)速。 圖 38電動機測速電路 當電動機轉(zhuǎn)動時，帶動光電碼盤轉(zhuǎn)動，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過光電碼盤時，由于碼盤是由多個格子組成的，所以碼盤轉(zhuǎn)動時，在光敏元件會產(chǎn)生多個矩形脈沖，遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 XX 如上圖所示，我們通過在一定的時間 T內(nèi)測量脈沖的個數(shù) N，以及碼盤的精度 P（多少格的碼盤）就可以計算出電動機的轉(zhuǎn)速 Vr[15]。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。 電壓或電流源是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。通過單片機等微處理器定的時器以及計數(shù)器的使用，方波的占空比 D 被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平 進行編碼， PWM 信號仍然是數(shù)字的，在給定的任何時刻，它都只表現(xiàn)出開和關(guān)兩種狀態(tài)，驅(qū)動電路要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉。主要用單片機等處理器的數(shù)字量來對模擬量進行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于通信，測量，電動機速度變換等工業(yè)控制領(lǐng)域 [13]。在圖中箭頭所示的為電流流過的方向，這時電流將驅(qū)動電動機正向轉(zhuǎn)動。 圖 36 H橋結(jié)構(gòu)圖 對角線上的一對三極管導(dǎo)通則電動機運轉(zhuǎn)。導(dǎo)通對角線上的一對三極管，則電動機運轉(zhuǎn)。 4個三極管組成這個電動機驅(qū)動電路。 H 橋電動機驅(qū)動電路 圖 36中所示這是一個非常常用的電動機驅(qū)動控制電路。 當單片機給 口低電平時，光耦不導(dǎo)通，所以 Q5的基極是低電平不導(dǎo)通，當單片機給 口高電平時，光電耦合器導(dǎo)通，此時光電耦合器的右邊的電壓被拉高，三極管 Q5導(dǎo)通， Q7和 Q8也導(dǎo)通，此時電動機反轉(zhuǎn)。同時 H 型 PWM電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止狀態(tài)，具有非常高的效率。如果所選擇的采樣頻率不夠高，按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計誤差較大時，就應(yīng)按照離散控制系統(tǒng)來設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。對于轉(zhuǎn)速，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能往往對轉(zhuǎn)速截止頻率的大小有一定要求，不能太低。 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 XVII 圖 35改變電樞電壓調(diào)速的基本特性 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的時間常數(shù)較小，電流內(nèi)環(huán)必須有足夠高的采樣頻率，而電流調(diào)節(jié)算法一般比較簡單，采用較高的采樣頻率是可能的。當然，電樞電壓的極性是可以改變的。 直流電機 PWM 調(diào)速控制原理 直流電機改變電壓調(diào)速就是改變電樞繞組端電壓的調(diào)速。直流電機可以看成是電氣部分與機械運動兩部分。 圖 33電動機驅(qū)動電路 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 XVI 直流電機驅(qū)動原理 直流電機的物理模型如圖 34所示： 圖 34電機物理模型 電機定子有兩個磁極，磁極上形成的勵磁磁場極性如圖所示，轉(zhuǎn)子上有電樞、換向器和電刷，固定于定子的電刷位于兩個磁極間的中心線上，并與外部電源相通。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。本系統(tǒng)主要采用的是 12M 晶振，配合 2 個 30pF 的電容構(gòu)成晶體振蕩電路。 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 XIV 圖 32單片機最小系統(tǒng) 有內(nèi)部 EPROM的單片機芯片（例如 8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的， 即：編程脈沖： 30腳（ ALE/PROG） 單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成如下： STC 89C52RC單片機的電壓為 ，我們采用 7805穩(wěn)壓到 5V進行供電。 P1口 只做 I/O 口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 XIII 空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 STC 89C52RC 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、有效的解決方案。 使用 Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。其中 P0口接數(shù)碼管段選， P2口高四位接數(shù)碼管位選， PWM調(diào)速端， 沖，進行電動機轉(zhuǎn)速的測量， P1口接按鍵。根據(jù) 6N137的數(shù)據(jù)手冊要求 8腳之間必修接 104旁路電容使輸出均勻化，降低負載需求。因為系統(tǒng)的主電路電壓均為高電壓、大電流，而控制單元為弱電壓，弱電流，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統(tǒng) 抗干擾措施，綜合考慮決定采用快速關(guān)斷型驅(qū)動芯片 6N137。 0n —— 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成 ? 正比，0 seUn C??。 雙極式控制的電壓平衡方程式 [3]： dSd diU Ri L Edt? ? ? （ 0 ontt?? ） dSd diU R i L Edt? ? ? ? （ ont t T?? ） 電樞 兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是： dsUU?? 。調(diào)速時 ? 的可調(diào)范圍為 0~1，相應(yīng)的 ? = 1~1。如果正負脈沖相等時電樞電壓為零，電機停轉(zhuǎn)。當 正脈沖較寬時， 2on Tt ?，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電機正轉(zhuǎn)。 圖 31 IGBT H 橋驅(qū)動電路 ABU 在一個周期內(nèi)具有正負相間的脈沖波形。在一個開關(guān)周期內(nèi)， 0 ontt?? 時 b1U 和 b4U 為正，晶體管 1VT 和4VT 飽和導(dǎo)通；而 b2U 和 b3U 為負值， 2VT 和 3VT 截止。如圖 所示，四個電力晶體管 IGBT 和四個續(xù)流二級管 FR307 構(gòu)成了 H 橋驅(qū)動電路。 H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種 [5]。本系統(tǒng)的控制部分均為 5V的電壓，采用 6N137光耦隔離直流電機對單片機的信號干擾。 本系統(tǒng)采用 STC52為控制核心，配以 2鍵盤和 LCD顯示，通過晶體管驅(qū)動直流電機和 LCD速度顯示。 方案三：整個系統(tǒng)利用 52單片機的定時器產(chǎn)生 1K左右的 PWM脈沖，通過快速光耦 6N137實現(xiàn)控制單元與驅(qū)動單元的強弱電隔離，采用 4個 9013和 2個 9012構(gòu)成的 H橋電路實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速，用光電編碼盤完成測速功能。其驅(qū)動電壓為 46V，直流電流總和為 4A。 方案二：采用 STC52 單片機、功率集成電路芯片 L298構(gòu)成直流調(diào)速裝置。這些芯片除了有 PWM信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過流過壓保護功能等。 圖 12電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 VIII 根據(jù)圖 12，如果電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最 大為 maxV ，占空比為 D=1t /T，則電機的平均速度為： D maxV =V *D ，可見只要改變占空比 D，就可以得到不同的電機速度，從而達到調(diào)速的目的 [7]。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛。如 ：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制 (PWM)調(diào)壓等等。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大 [6]。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。由上式可知，直流電機的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。不同勵磁方式的直流電動機機 械特性曲線有所不同。在先進的數(shù)控機床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如 DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達數(shù)百萬兆以上每秒，且具有適合的矩陣運算 [2]。目前相比直流電機和交流電機他們各有所長，如直流電機調(diào)遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 VI 速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結(jié)構(gòu)都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上 運行時，它們的速度不能方便而經(jīng)濟地調(diào)節(jié) [2]。 對于復(fù)雜的微處理器控制電機 ,則要利用微處理器控制電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機按給定的指令準確工作。 對于簡單的微處理器控制電機，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關(guān)元器件，使電路開通或關(guān)斷就可實現(xiàn)對電機的控制。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。所以，直流傳動控制采用微處理器實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。由于微處理器以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。 早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存 在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低 [2]。使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進 [1]。 現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置生產(chǎn)商，而國外先進的控制器價格昂貴，且技術(shù)轉(zhuǎn)讓受限，為此研究及更好的使用國外先進的控制器，吸收國外先進的數(shù)字化直流電機調(diào)速裝置的優(yōu)點，具有重要的實際意義和重大的經(jīng)濟價值。由于微處理器具有較佳的性價比，所以微處理器在工業(yè)過程及設(shè)備控制中 得到日益廣泛的應(yīng)用。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷升級換代，為工程應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的條件。特別是采用了微處理器及其他先 進電力電子技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置在精度的準確性、控制性能的優(yōu)良性和抗干擾的性能有很大的提高和發(fā)展，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。 IGBT H 橋驅(qū)動電路原理 ............................................. X 隔離電路方案論證設(shè)計 .................................................. XII 6N137 光耦隔離 .................................................. XII 單片機最小系統(tǒng) ........................................................ XII 電動機驅(qū)動電路 ......................................................... XV 直流電機驅(qū)動原理 ................................................ XVI 直流電機 PWM 調(diào)速控制原理 ........................................ XVI H 橋電動機驅(qū)動電路 ............................................ XVII PWM 調(diào)速原理 .................................................... XIX 電動機測速電路 ........................................................ XIX 數(shù)碼管顯示電路 ........................................................ XXI . 實時顯示狀態(tài) ................................................... XXI . 數(shù)碼管顯示分析 ................................................. XXI 按鍵電路 ............................................................. XXII 4 軟件設(shè)計 ................................................................... XXIV PWM 實現(xiàn)方式方案論證 ..........................