【正文】 C K8R E S E T9P 3 . 0 /R X D10P 3 . 1 /T X D11P 3 . 2 /I N T 012P 3 . 3 /I N T 113P 3 . 4 /T 014P 3 . 5 /T 115P 3 . 6 /W R16P 3 . 7 /R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 . 021P 2 . 122P 2 . 223P 2 . 324P 2 . 425P 2 . 526P 2 . 627P 2 . 728P S E N29A L E / P R O G30E A /V P P31P 0 . 732P 0 . 633P 0 . 534P 0 . 435P 0 . 336P 0 . 237P 0 . 138P 0 . 039V C C40A T 8 9 C 5 1U1A T 8 9 C 5 1 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 因此，必須將行線、列線信號(hào)配合起來作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置。當(dāng)無鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時(shí)，行、列線將導(dǎo)通，此時(shí)，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)， I/O 口線有確定的高電平。獨(dú)立式按鍵雖然電路配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在每個(gè)按鍵必須占用一根 I/O 口線的情況下，在按鍵較多時(shí)， I/O 口線浪費(fèi)較大。 獨(dú)立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 如圖 。但是從上電 開始，電容自己就慢慢充電，其兩端電壓呈曲線上升，最終達(dá)到 5V，也就是說其正端電位為 5V，負(fù)端電位為 0V，其負(fù)端也就正好是 RESET，此時(shí) RESET 為 低電平 ， 單片機(jī) 開始正常工作。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過一個(gè) 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有特殊要 求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。用戶也可以采用外部時(shí)鐘。外接石英晶體及電容 C1， C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)震蕩電路。 片內(nèi)震蕩：芯片中中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。 XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。閃爍存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電壓 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓VPP。需要注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA端狀態(tài)。 EA/VPP：外部訪問允許。 P—S—E—N—：程序儲(chǔ)存允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。這個(gè)位置后只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會(huì)被應(yīng)用。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖時(shí)，閃 爍存儲(chǔ)器編程時(shí)，這個(gè)引腳還用于輸入編程脈沖。 ALE/ P—R—O—G—：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） I—N— T—0—（外中斷 0） I—N— T—1—（外中斷 1） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器器 0 外部輸入） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器器 1 外部輸入） W—— R——（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） R—— D——（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 讀 選通） 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 RST：復(fù)位輸入。對(duì) P3 口寫如 “1”時(shí)，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用電阻輸出電流。閃爍編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 口接收高位地址和其它控制信號(hào)。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。對(duì)端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)，可作為輸入口。閃爍編程時(shí)和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址。對(duì)端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。 P0 口在閃爍編程時(shí)， P0口接收指令，在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令，需要接電阻。當(dāng) “1”被寫入 P0 口時(shí)，每個(gè)管腳都能夠作為高阻抗輸入端。 圖 AT89C51引腳圖 引腳說明如下： VCC：電源電壓 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .5 /M O S I6P 1 .6 /M I S O7P 1 .7 /S C K8R E S E T9P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I N T 012P 3 .3 /I N T 113P 3 .4 /T 014P 3 .5 /T 115P 3 .6 /W R16P 3 .7 /R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 0 .732P 0 .633P 0 .534P 0 .435P 0 .336P 0 .237P 0 .138P 0 .039V C C40A T 8 9 C 5 1U1A T 8 9 C 5 1 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 GND：地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。掉電方式保存隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個(gè)復(fù)位。另外， AT89C51 還可以進(jìn)行 0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。片內(nèi)含有 8 位中央處理器和閃爍存儲(chǔ)單元，有較強(qiáng)的功能的 AT89C51 單片機(jī)能夠被應(yīng)用到控制領(lǐng)域中。 圖 整體 結(jié)構(gòu)圖 速 度 調(diào)節(jié) 器電 流 調(diào)節(jié) 器x三 相 全控 整 流電 路直 流電 動(dòng)機(jī)x電 流 傳 感 器測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī)速 度給 定++觸發(fā)器n單 片 機(jī)鍵 盤 電 路顯 示 電 路過 零 檢 測(cè)觸 發(fā) 器A / DA / D測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī)電 流 傳 感 器M三 相 全 控整 流 電 路報(bào) 警 電 路 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 3章 硬件設(shè)計(jì) 控制器 控制器的選擇 本設(shè)計(jì)選用 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)， AT89C51 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)帶有 4K 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器（ PENROM）。由鍵盤電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，顯 示電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)控，測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度的檢測(cè)和反饋，電流傳 感器實(shí)現(xiàn)電流的檢測(cè)和反饋，過零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)電壓的檢測(cè)，報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警， 由 三相全控整流電路 與控制器 相配和實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的控制。結(jié)構(gòu)圖如圖 。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本 設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 比較以上三種控制系統(tǒng)，由于 GM 系統(tǒng)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)不考慮第一種控制系統(tǒng)。功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道童損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗不大，因而裝置效率較高。低速性能好，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1：10000 左右。 這種控制系統(tǒng)較前兩種控制系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少。 PWM系統(tǒng) 此系統(tǒng)用恒定 直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。由諧波與無 功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成 “電力公害 ”。 但是 VM 系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 104以上，其門極電流可以直接用晶閘管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。 VM系統(tǒng) 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)，又稱靜止的 WardLeonard 系統(tǒng) )， VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc來觸發(fā)脈沖的相位，即 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 可改變整流電壓 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 GM 系統(tǒng)，國(guó)際上統(tǒng)稱 WardLeonard 系統(tǒng)。所以直流調(diào)速系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展，到現(xiàn)在為止有三種主要的控制系統(tǒng) GM 系統(tǒng)、VM 系統(tǒng)和 PWM 系統(tǒng)。由于各種不同的生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一樣，對(duì)傳動(dòng)裝置性能的要求也不一樣。 本課題的設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)是以 AT89C51 單片機(jī)為核心以小型直流電機(jī)為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán) PI 控制，通過改變?nèi)嚯娐分锌煽毓璧囊葡蛴|發(fā)脈沖來改變整流電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。由于微機(jī)具有較佳的性能價(jià)格比，所以微機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平。 數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。從80 年代中后期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，直流調(diào)速已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。交流電機(jī)不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速 度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。通過微機(jī)控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。在各種機(jī)床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普 遍采用帶微機(jī)的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電機(jī)的動(dòng)作。因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機(jī)來控制電 機(jī)，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機(jī)，使電機(jī)出現(xiàn)新的面貌。 微機(jī)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 70 年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的 迅速發(fā)展，微機(jī)的性能越來越高，價(jià)格越來越便宜。 20 世紀(jì) 70 年代以來，利用單片機(jī)作為控制器開始在電機(jī)控制系統(tǒng)中被廣泛使用，如 AT89C51 等。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。每一代的電力電子元件也未停頓，多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進(jìn)，性能有了飛速提高，在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們?cè)诨ハ喔?jìng)爭(zhēng)，新的應(yīng) 用不斷出現(xiàn)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀 電力電子技術(shù)是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器，電力電機(jī)技術(shù)的迅猛 發(fā)展，促使了電機(jī)控制技術(shù)水平有了突破性的提高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計(jì)算機(jī)、過程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程電控裝置進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化分級(jí)控制。由于微機(jī)以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。 早期直流傳動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。由于直流電氣傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用已達(dá)到比較成熟的地步，應(yīng)用相當(dāng)普遍，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng) 機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。目前，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而控制工作機(jī)械按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行且使之滿足特定要求的新型電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。眾所周知，與交流調(diào)速系統(tǒng)相比，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，變流裝置控制簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期以來在調(diào)速傳動(dòng)中占統(tǒng)治地位。 Dual closed loop control 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 第 1章 緒 論 ..........................................................................