【正文】 1P 2 . 6 置 0存 定 時D I A N 1P 2 . 7 置 0存 定 時D I A N 0P 2 . 6 置 1YNYYNN 圖 PWM 脈寬控制流程 圖 JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 鍵盤中斷處理子程序 采用中斷方式，按下鍵，單片機(jī) 腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。當(dāng) 60ms 定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值。 定時中斷處理程序 采用定時方式 1，因為單片機(jī)使用 12M 晶振，可產(chǎn)生最高約為 的延時。 開 始初 始 化啟 停 鍵 按 下 ？開 定 時 中 斷關(guān) 外 中 斷軟 件 延 時去 抖 動開 外 中 斷啟 動 定 時等 待 中 斷啟 停 鍵 按 下 ？YNYN 圖 主程序流程圖 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 20 初始化后，除義初始數(shù)據(jù)外，將定時器 T0 設(shè)為工作方式 1， F0 作為電機(jī)轉(zhuǎn)向的標(biāo)志位， CT0， CT1作為速度檔位的標(biāo)志，應(yīng)用于后來的加速減速控制。 軟件主要由 3 部分組成：主程序、鍵盤掃描程序、中斷 處理程序。定時器 計數(shù) 初值為 8AD0H。 通過對單片機(jī)定時器初始值的不同設(shè)置，來實現(xiàn)占空比 PWM 輸出控制。 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固 定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于每個脈沖的高電平時間和低電平時間之和必須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時間必須由定時器來控制。速度分 10 檔，快慢與電動機(jī)所處速度級快慢一一對應(yīng)。 鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過 與 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM 脈沖，另一口輸出高電平，驅(qū)動 H 型橋式電動機(jī)控制電路，實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析 在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。功能強(qiáng)大 AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。也不予采用。 8031 外擴(kuò)一片 4KB EPROM 的就相當(dāng)與 8751，它的最大優(yōu)點(diǎn)是價格低。用戶可以將程序固化在 EPROM 中，可以反復(fù)修改程序。也不予采用。 ROM 內(nèi)的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，出廠的高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 18 8051 都是含有特殊用途 的單片機(jī)。 盡管單片機(jī)的品種很多，但是在我國使用最多的還是 Intel 公司的 MCS— 51 系列單片機(jī)和美國 Atmel 公司的 89C51 單片機(jī) MCS— 51系列單片機(jī)包括三個基本型 803805 8751 8031 內(nèi)部包括一個 8 位 CPU、 128 個字節(jié) RAM， 21 個特殊功能寄存器（ SFR）、 4個 8 位并行 I/O 口、 1 個全雙工串行口、 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器，但片內(nèi)無程序存儲器，需外擴(kuò) EPROM 芯片。 JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 單片機(jī)選擇 20 世紀(jì) 80 年代以來，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，就通用單片機(jī)而言，世界上一些著名的計算機(jī)廠家已投放市場的產(chǎn)品就有 50 多個系列，數(shù)百個品種。選擇使用芯片可減少這一狀況。速度微調(diào)方面，可以通過對占空比跨度逐增或逐減分別實現(xiàn)對速度的逐加或逐減。通過 輸入信號， 輸入低電平與 輸入低電平， 輸入信號分別實現(xiàn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功 能。實驗證明，脈沖頻率在 15Hz30Hz 時效果最佳。脈沖頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。 GTR 是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用，而且 GTR是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié) 構(gòu)大為簡化。圖中，四只 GTR 分為兩組， 1VT 和 4VT 為一組， 2VT 和 3VT 為另一組。 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 16 電機(jī) PWM 驅(qū)動模塊的電路 P 2 . 6P 2 . 710 圖 電機(jī) PWM 驅(qū)動模塊的電路 本電路采用的是以大功率 GTR 為開關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。這可通過調(diào)用子程序來解決，當(dāng)系統(tǒng)中有顯示子程序時，調(diào)用幾次顯示子程序也能同時達(dá)到消除抖動的目 的。因此，在程序中要考慮防抖動的問題。一般按鍵在按下的時候有抖動的問題，即鍵的簧片在按下時會有輕微的彈跳，需經(jīng)過一個短暫的時間才會可靠地接觸。但每個 按鍵需要占用一個輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵按下了。 電路中幾乎沒有產(chǎn)生高頻或者低頻輻射信號的元件 ， 工作頻率低 ， 易于控制 。 2. 電源的優(yōu)點(diǎn) 電路簡單 ， 穩(wěn)定 ， 調(diào)試方便 (幾乎不用調(diào)試 )。 1. 此電源的缺點(diǎn) 此電源是線性穩(wěn)壓電路，所有有其特有的內(nèi)部功率損耗大，全部壓降均轉(zhuǎn)換為熱量損失了，效率低 .所以散熱問題要特別注意 。 二極管 IN4007 用來卸掉 C2 上的儲存電能，防止反向擊穿 LM7805。 C2 為輸出穩(wěn)定電容，其 作用是改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)， C2 一般為 1μF 。 VI1VO3GND2U17 8 0 5B R 12 W 0 0 5 GC43 3 0 u fC10 .1 u fC21 u fA C 1T R 1T RA NS F O RM E RV C CC33 3 0 u fD11 N40 0 7R170V C CV = 5 .0 0 4 4 2 圖 穩(wěn)壓電源電路 三端集成穩(wěn)壓器 LM7805 正常工作時，輸入、輸出電壓差 2～ 3V。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。對于濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降。我國和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的一類串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 14 選用 7805，一方面簡單；另一方面比較常用且比較便宜。 78L05（電流較?。鹤畲筝敵鲭娏?100mA，內(nèi)部過熱保護(hù)，典型輸入電壓 7～ 20V， 輸出電壓 ~，靜態(tài)電流典型值 3mA。 穩(wěn)壓電源電路 電池放電時內(nèi)阻穩(wěn)定的增大，電壓則穩(wěn)定的減小， 而且接上大功率的負(fù)載時電壓會瞬時降低， 不能用于提供固定的電壓，對于各種 IC 芯片需要的穩(wěn)定電壓 ， 需要專門的穩(wěn)壓器件，或者穩(wěn)壓電路， 基本的穩(wěn)壓器有兩種：線性（ LDO）和開關(guān)（ DCDC）， 其中前者只能降壓使用，而前者還可以升壓使用而且效率很高。按鍵手動復(fù)位為電平方式。 當(dāng)按下復(fù)位鍵時，電容兩端放電，電容又回到 0V了，于是又進(jìn)行了一次復(fù)位工作 ， 這是手動復(fù)位原理。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新 啟動。判斷單片機(jī)芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個簡單的方法，就是用萬用表測量單片機(jī)晶振引腳（ 18， 19 腳）的對地電壓， 以正常工作的單片機(jī)用數(shù)字萬用表測量為例： 18 腳對地電壓約為 ， 19 腳對地電壓約為 。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的頻率高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，晶振的頻率越高則系統(tǒng)的時鐘頻率也越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也越快。 圖 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計框圖 復(fù)位電路 單片機(jī) 時鐘電路 輸入電路 驅(qū) 動 電 路 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 12 系統(tǒng)各模塊設(shè)計 時鐘電路 單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作，因此時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制部分采用匯編語言編程控制，AT89C51 芯片的定時器產(chǎn)生 PWM 脈沖波形，通過調(diào)節(jié)波形的寬度來控制 H 電路中的GTR 通斷時間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)速度的控制。 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 硬件電路設(shè)計框圖如下圖所示，硬件電路結(jié)構(gòu)初步設(shè)想由以下 6 部分組成：時鐘電路、復(fù)位電路、單片機(jī)、驅(qū)動電路。 方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差 。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。 由于單極性工作制電 壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 方案二：單極性工作制。 (2) PWM 調(diào)速工作方式 方案一：雙極性工作制。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)。 方案三：采用由 三極管 組成的 H 型 PWM 電路。 方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。但是電 阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。如果生產(chǎn)機(jī)械對靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 10 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 在圖 所示的 VM 系統(tǒng)中和圖 所示的 PWM 系統(tǒng)中 ，只通過改變觸發(fā)或驅(qū)動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，它們都屬于開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，稱為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如果三極管Q1 和 Q2 同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。當(dāng)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通 時，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時針方向）。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。電 路中， H 橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括 4 個三極管和一個電機(jī)。電路得名于“ H 橋式驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母 H。 目前，受到器件容量的限制 ， PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng) 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 8 H 橋電機(jī)驅(qū)動的概述 采用 PWM 進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速，其實就是把波形作用于電機(jī)驅(qū)動電路的使用端，因此有必要對電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行介紹。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱 PWM 變換器。 （ 2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： （ 1）由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以 獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000 左右。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡稱 PWM。 圖 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （ a）原理圖 （ b）電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。加到電動機(jī)上；當(dāng) VT 斷開時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)電樞端電壓為零。 JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 圖 24 為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中 VT 代表開關(guān)器件。 圖 晶閘管－電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（ VM 系統(tǒng)） 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓