【正文】 速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。此外，電力電子的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。 比較簡(jiǎn)單的電機(jī)控制，只要用微機(jī)控制繼電器或電子開關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。 對(duì)于復(fù)雜的電機(jī)控制，則要用微機(jī)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。傳統(tǒng)的直流電機(jī)和交流電機(jī)各有缺點(diǎn)，直流電機(jī)調(diào)速性能好，單帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問題；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，單在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，他們的速度不能方便經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)。為了提高性能，在先進(jìn)的伺服系統(tǒng)中，已采用高速數(shù)字信號(hào)處理器（ DIGITAL SIGNAL PROCESSOR,簡(jiǎn)稱 DSP），其指令執(zhí)行速度達(dá)到每秒數(shù)百兆以上，非常適合用于數(shù)字濾波的構(gòu)建和快速傅里葉變換等通用的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算。即從過去的模擬控制向模擬 數(shù)字混合控制發(fā)展 ,最后實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。為易于調(diào)試 ,數(shù)字系統(tǒng)的軟件 ,一般設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)器參數(shù)的自化優(yōu)化 ,通過啟動(dòng)優(yōu)化程序 ,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋優(yōu)和確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù) ,以及實(shí)現(xiàn)如直流電動(dòng)機(jī)磁化特性曲線的自動(dòng)測(cè)試等 ,有利于縮短調(diào)試時(shí)間和提高控制性能。與模擬系統(tǒng)類似 , 全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成為緊湊式和模塊式兩大類，但全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)還是有模擬調(diào)速系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn) ,技術(shù)更先進(jìn) ,操作方便。 由此 ,數(shù)字化將在未來的調(diào)速設(shè)備中得到大量應(yīng)用。 課題內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)字式直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，用單片機(jī)技術(shù)以及相應(yīng)的仿真平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，制作并完成該系統(tǒng)?？赡?PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 形）電路。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī) M 兩端的電壓 U 的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里使用的是雙極式控制的可逆 PWM 變換器。 要使電機(jī)運(yùn)行，就必須同時(shí)導(dǎo)通對(duì)角線上的兩個(gè)三極管。如圖 所示。這樣，電機(jī)將會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 所示。這樣，電機(jī)將會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 。 B. 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。 D. 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1:2020 左右。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 （二）方案二：選擇 L298 芯片組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。其輸出電流為 2A，最高電流 4A，最高工作電壓 50V，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等，特別是由于 L298可接受標(biāo)準(zhǔn)的 TTL邏輯電平信號(hào)，所以其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。 L298 具有體積小，控制方便的特點(diǎn)。所以在實(shí)際應(yīng)用中，本設(shè)計(jì)選用了 L298 組成的驅(qū)動(dòng)電路。 液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊作為便攜式儀表的通用器件，在單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程中也可以作為常用的程序和電路模塊進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。 在單片機(jī)系統(tǒng)中使用液晶顯示模塊作為輸出器件有以下優(yōu)點(diǎn) : (1) 顯示 質(zhì)量高：液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度恒定發(fā)光，因此液晶顯示器畫質(zhì)高而且不會(huì)閃爍。 (3) 體積小，重量輕。 按鍵電路的選擇 鍵盤是人與計(jì)算機(jī)聯(lián)系的重要手段，借此可向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入（常稱鍵入）程序、控制程序的執(zhí)行走向等，所以使用非常廣泛。 編碼鍵盤本身除了按鍵之外，還包括產(chǎn)生按 鍵的硬件電路。其缺點(diǎn)是使用的硬件較為復(fù)雜。 在非編碼鍵盤中，按鍵的作用只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通或者斷開，因此必須有相應(yīng)的程序與之配合才能工作，即非編碼鍵盤需要通過軟件來解決按鍵的識(shí)別、防抖動(dòng)以及如何產(chǎn)生鍵碼等問題。 非編 碼的獨(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。獨(dú)立式按鍵的鍵盤掃描程序非常簡(jiǎn)單，只需檢測(cè)每根 I/O 線的“ 0”、“ 1”狀態(tài)。 處理器的選擇 單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)主要有如下特點(diǎn) [5]： 。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可 靠性和抗干擾能力。 。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。 I2C（ InterIntegrated Circuit）及 SPI(Serial 7 Peripheral Interface)等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。 單片機(jī)的選擇 （一）方案一：選擇 80C51 作為本系統(tǒng)的控制芯片。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行 I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812倍。增強(qiáng)型 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 所以，本設(shè)計(jì)最終選擇方案二，以 STC12C5A60S2 作為本系統(tǒng)的控制芯片。根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列 ,測(cè)量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 方案一： M 法 (測(cè)頻法 ) 選擇 M法測(cè)速。雖然檢測(cè)時(shí)間一定 ,但檢測(cè)的起止時(shí)間具有隨機(jī)性 ,因此 M法測(cè)量轉(zhuǎn)速在極端情況下會(huì)產(chǎn)生士 1 個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的誤差。 方案二： T 法 (測(cè)周期法 ) 選擇 T法測(cè)速。相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)時(shí)間的測(cè)量是采用對(duì)已知高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。 方案三： M/T 法 (頻率 P 周期法 ) 選擇 M/T法測(cè)速。由于同時(shí)對(duì)兩種脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) ,因此只要“同時(shí)性”處理得當(dāng) ,M/T 法在高速和低速時(shí)都具有較高的測(cè)速精度。所以最終選擇方案三，以 M/T 法方式進(jìn)行測(cè)速。本系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、速度檢測(cè)與按鍵控制各部分。 速度檢測(cè)模塊通過外部中斷接口，將采集 到的速度信息以脈沖的形式發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過速度采集程序計(jì)算出當(dāng)前速度，并在液晶上顯示。通過按鍵設(shè)定出電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向，控制單元將當(dāng)前速度與設(shè)定速度相比較，然后輸出相應(yīng)的 PWM脈沖到由 L298 組成的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與速度的控制。 9 S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2液 晶 顯 示電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 塊直 流 電 機(jī)速 度 檢 測(cè) 模 塊按 鍵 控 制 模 塊 圖 系統(tǒng)框圖 10 第三章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC12C5A60S2 介紹 STC12C5A60S2 系列主要性能： ? 高速： 1個(gè)時(shí)鐘 /機(jī)器周期，增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核，速度比普通 8051 快8~12 倍 ? 寬電壓： ~ ? 增加第二復(fù)位功能腳（高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門檻電壓，頻率12MHz 時(shí)，無需此功能） ? 增加外部掉電檢測(cè)電路，可在掉電時(shí)，即時(shí)將數(shù)據(jù)保存進(jìn) EEPROM，正常工作時(shí)無需操作 EEPROM ? 低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式，（可由任意一個(gè)中斷喚醒） ? 低功耗設(shè)計(jì)：掉電模式 （可由外部中斷喚醒），可支持下降沿 /上升沿和遠(yuǎn)程喚醒 ? 工作頻率： 0~35MHz，相當(dāng)于普通 8051:0~420MHz ? 時(shí)鐘：外部晶體或內(nèi)部 RC 振蕩器可選，在 ISP 下載編程用戶程序時(shí)設(shè)置 ? 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K 字節(jié)內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器，擦寫數(shù)十萬次以上 ? 1280 字節(jié)片內(nèi) RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ? 芯片內(nèi) EEPROM 功能，擦寫數(shù)十萬次以上 ? ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程 /在應(yīng)用可編程，無需編程器 /仿真器 ? 8通道， 10位高速 ADC，速度可達(dá) 25 萬次 /秒， 2路 PWM 還可當(dāng) 2 路D/A 使用 ? 2通道捕獲 /比較單元（ PWM/PCA/CCP），也可以用來實(shí)現(xiàn) 2個(gè)定時(shí)器或者 2 個(gè)外部中斷（支持上升沿 /下降沿中斷） ? 4個(gè) 16 位定時(shí)器，兼容普通 8051 的定時(shí)器 T0/T1， 2路 PCA 實(shí)現(xiàn) 2個(gè)定時(shí)器 ? 可編程時(shí)鐘輸出功能， T0在 輸出時(shí)鐘， T1在 輸出時(shí)鐘，BRT 在 輸出時(shí)鐘 ? 硬件看門狗（ WDT） ? 高速 SPI 串行通信端口 ? 全雙工異步串行口（ UART），兼容普通 8051 的串口 11 ? 先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通 8051 指令集，有硬件乘法 /除法指令 ? 通用 I/O 口（ 36/40/44 個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上 拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口） ? 可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏。具體電路如圖 所示。 2. 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 STC1205A60S2 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值，在本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇 12MHZ,電容選擇 30pF。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 基