【正文】 SV 士 5% 輸出信號 TTL 兼容 零位脈沖寬度 (額定 ) 090 e 工作溫度范圍 一 25℃一 85℃ 編碼盤慣量 ? 2cm IR2111 驅(qū)動電路，該電路中，采用 MOSFET 和 IGBT 專用集成驅(qū)動芯片 IR2111 對IRF530 進(jìn)行柵極驅(qū)動。 IR2111 的懸浮自舉技術(shù)是指，不管功率開關(guān)器件源極電壓多少，通過自舉電容和自舉二極管 的工作 ，總能保證待驅(qū)動功率器件的柵極與源極之間的電壓為 1020V，即能驅(qū)動該功率器件正常工作。當(dāng)b點(diǎn)點(diǎn)位為 O 時(shí)， D到通， ccV 開始對電容 C充電，直到節(jié)點(diǎn)ａ的電位達(dá)到 ccV （假設(shè)二極 11 管Ｄ為理想二極管）；當(dāng)ｂ點(diǎn)電位上升至高電平 inV 時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔儯藭r(shí)ａ點(diǎn)電位上升為 ccin VV? ，所以，ａ點(diǎn)電壓 就是一個(gè)方波，最大值是 ccin VV? ，最小值是 ccV ，可見輸出端電壓平均值將高于 ccV ，其波形就跟隨輸入波形的變化而變化，但始終維持一個(gè)穩(wěn)定的差值，實(shí)現(xiàn)自舉。目前國內(nèi)在使用單片機(jī)作控制系統(tǒng)的微處理器 時(shí)多選擇 51 系列或 Motorola 系列單片機(jī)，而本系統(tǒng)選用的 PIC 系列單片機(jī)在多個(gè)方面較其它系列單片機(jī)更有優(yōu)越性。 PIC 單片機(jī)與其他單片機(jī)的比較 當(dāng)今世界上涌現(xiàn)出各種各樣的單片機(jī)，目前應(yīng)用較廣的主要有美國 Intel 公司開發(fā)和生產(chǎn)的 MCS 一 51， MCS 一 96 系列、臺灣 ICSI 公司的 8051 系列、美國 Motorola 公司的 MC68系列和美國 Microchip 公司的 PIC 系列等，其中各個(gè)系列的單片機(jī)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，與其它系列相比，美國 Microchip 公司近 幾年推出的系列 PIC 單片機(jī)，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶 LED 負(fù)載 :具有低耗能工作方式，較簡便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù) 。并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業(yè)電腦自動控制器的適應(yīng)能力 ， 以下分幾個(gè)方面通過與其它類型單片機(jī)的比較來說明它的優(yōu)越之處。在 PIC 系列單片機(jī)中采用的這種哈佛總線結(jié)構(gòu)，就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，這樣做的好處是，便于實(shí)現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對下一條指令進(jìn)行取指令操作 。在一般的單片機(jī)中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的 (即分時(shí)復(fù)用 )Motorola 公司開發(fā)的 MC68HC05/08 系列單片機(jī)，其程序存儲器和 數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址 (也就是兩種存儲器位于同一個(gè)邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理 12 器、數(shù)字信號處理器或者微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為普林斯頓體系結(jié)構(gòu) )，早期在國內(nèi)市場上最流行的單片機(jī)產(chǎn)品 Intel 開發(fā)生產(chǎn)的 MCS 一 51 系列單片機(jī)，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器雖然獨(dú)立編址 。見圖 。這樣設(shè)計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運(yùn)行速實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。例如， PIC12C50X/PIC16CSX 系列單片機(jī)的指令字節(jié) 12 位， PIC16C6X/PIC16C7X/PIC16CSX 系列的指令字節(jié)為 14位 。它們的數(shù)據(jù)存儲器全為 8 位寬。另外， PIC 微控制器的取指令和執(zhí)行指令采用指令流水線結(jié)構(gòu)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)允一條指令同時(shí)被取出，使得在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以獲得的最高效率。 13 (3)精簡指令集 (RISC)技術(shù) PIC 系列單片機(jī)的指令系統(tǒng) (就是該單片機(jī)所能識別的全部指令的集合，叫做指令系統(tǒng)或者指令集 )只有 35 條指令。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來很大的好處，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流都帶來極大的便利，真可謂 “易學(xué)好用”。 (4)尋址方式簡單 尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。 (5)代碼壓縮率高 IKB 的存儲器空間，對于 PIC 系列單片機(jī)則能夠存放的指令條數(shù)可達(dá) 1024 條。 (6)尋址空間設(shè)計(jì)簡潔 PIC 系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址 (或地址編碼 )空間，而且前兩者的地址安排不需要用戶操心，這會受到大家的歡迎。 (7)外接電路簡潔 與 MCS一 51 系列及其它單片機(jī)相比， PIC 單片機(jī)內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、 1/0 引腳上拉電路 、看門狗定時(shí)器，尤其是集成了 ADC 模塊和 CCP 模塊 (輸入捕捉 /輸出比較 /脈寬調(diào)制 )，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”化，這樣，不僅便于開發(fā)，而且還可以節(jié)省電路板空間和制造成本。而 MCS一 51單片機(jī)只有 4K字節(jié)的 EEPROM。 14 (9)定時(shí)器數(shù)目多、功能全 PIC 系列單片機(jī)具有 3 個(gè)定時(shí)器 :帶有 8 位預(yù)分頻器的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0。以及帶有8位周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR3。 (10)獨(dú)特具有的功能 PIC 系列單片機(jī)具有兩個(gè)捕獲 (Capture)、比較 (Compare)、脈寬調(diào)制 (PWM)模式、多通道 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器、帶有 SPI 和 IZC 的同步串行端口 SSP、帶有 9位地址檢測的同步異步接收發(fā)送器 USART(USART/SCI)、 8 位寬并行從屬端口 (PSP)、有節(jié)電鎖定復(fù)位的節(jié)電檢測電路等 。 PIC18F458 單片機(jī)的其它優(yōu)點(diǎn) (1)CPU 的性能特點(diǎn) 它有 16 位指令， 8 位寬數(shù)據(jù)通道，高達(dá) 2MB 的程序存儲器， 4kB 的數(shù)據(jù)存儲器，高達(dá) 10MIPS 的執(zhí)行速度。 (2)外圍功能模塊特性 捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制（ PWM）（ CCP） 模塊； CCP 引腳配置如下：捕捉輸入 :16 位，最大分辨率為 ；比較單元： 16 位，最大分辨率為 100ns；脈寬調(diào)制（ PWM）輸出 : 分辨率為 110位；最高 PWM 頻率： 88位分辨率時(shí)為 156kHz， 10 位分辨率時(shí)為 39kHz。 (3)運(yùn)行速度高 PIC18F458 由于采用了哈佛總 線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式，使得 PIC18F458 單片機(jī)運(yùn)行速度大大提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它相同檔次的單片機(jī)。在 8MHz 時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過 mA，在睡眠模式下耗電可以低到 1mA以下。 15 (6)獨(dú)特的 C 語言開發(fā)環(huán)境 對于 PIC18F458單片機(jī)， Microchip 公司提供了“ C語言編譯程序”，這樣用 C 語言這樣高級語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可大大的提高了工作效率。 (7)產(chǎn)品系列齊全、擁有高性能的高端產(chǎn)品 另外，必須說明的是， PIC 系列單片機(jī)品種齊全、根據(jù)其指令的位數(shù)可分為初級產(chǎn)品、中級產(chǎn)品和高級產(chǎn)品，在以后的開發(fā)過程中，可根據(jù)具體需要選擇單片機(jī)的型號。 16 位指令字系列是 8 位單片機(jī)中運(yùn)行速度最快的，它具備一個(gè)指令周期內(nèi)完成 8 位二進(jìn)制乘法的能力，可以在一些需要高速運(yùn)算的應(yīng)用場合取代 DSP數(shù)字信號處理器。而 PIC18CXXX 系列是一款高性能、全靜態(tài)設(shè)計(jì)、內(nèi)帶 A/D轉(zhuǎn)換器的 CMOS16 位單片機(jī)，可應(yīng)用于各種復(fù)雜和高性能的電子及工業(yè)控制。 本章小結(jié) 本章分析了直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線 。分析了系統(tǒng)工作原理 。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 引言 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)主要從以下原則出發(fā) : (l)硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間比 用硬件實(shí)現(xiàn)長，還要占用 CPU 時(shí)間。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，在滿足可行性和實(shí)時(shí)性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平 16 均無故障時(shí)間越長，而且所用芯片數(shù)量越少，地址、數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿足功能的情況下力爭使用較少數(shù)量的芯片。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要 不斷完善，需要進(jìn)行功能升級。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。下面對主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。此時(shí)負(fù)載端 A 點(diǎn)相對于 B點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受正向電壓。反之，當(dāng)開關(guān) 2Q 與 3Q 閉合時(shí)，開關(guān) 1Q 與 4Q 斷開，此時(shí)，負(fù)載電流從電源 U 由 B 流向 A，負(fù)載端 B 點(diǎn)相對于 A點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受反向電壓。當(dāng) PWM 信號占空比 10050?? 時(shí)，電樞兩端電壓平均值為正，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動；當(dāng) 10050?? 時(shí)，電樞兩端電壓平均值為負(fù)，電機(jī)平均值為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 10050?? 時(shí)，電機(jī)電樞電壓平均值為 0，電機(jī)停轉(zhuǎn)，但此時(shí)電樞兩端電壓的順時(shí)值并不為 0，而是幅值接近電流電源電壓 U 的方波。當(dāng) 1Q 、 4Q 的 PWM信號變?yōu)榈碗娖胶螅β使?1Q 、 4Q 關(guān)斷而 2Q 、 3Q 飽和導(dǎo)通。同理，當(dāng) 2Q 、 3Q的 PWM信號變?yōu)榈碗娖胶?，電機(jī)通過二極管 1VD 、 4VD 續(xù) 流。功率 MOSFET 是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)。 2R 和 4C 則組成放電回路，消耗電感中存儲的能量。 工作頻率選擇 要使電路穩(wěn)定的工作，需要合適地選擇 PWM 的頻率。經(jīng)過多次實(shí)踐證明，此電路的 PWM 工作頻率選擇 32KHz 為宜。 放大電路的連接電路 IR2111 外圍電路如圖所示。圖中， 1R 、2R 為光耦上拉電阻，其值根據(jù)所用光耦的輸入和輸出地電流參數(shù)決定： 1C 為電容濾波電容， 2C 為自舉二極管， 3R 、 4R 為柵極驅(qū)動電阻。 圖 為按鈕電路 電源電路 控制系統(tǒng)需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作，本系統(tǒng)的 IR2111 放大器要士 12V。考慮到本系統(tǒng)的情況，采用了直接從市場上購買開關(guān)電源來滿足要求，如圖 所示。如圖 。其中，字符液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號的點(diǎn)陣式 液晶顯示模塊。字符液晶有 8? 16? 20? 40? 2 等 20 多種規(guī)格型號齊全的字符液晶顯示模塊，均具有相同的引線功能和編程指令，與單片機(jī)的接口具有通用性。 20 TS1620 引腳與 功能 TS1620 的引腳與功能表下圖所示。 PIC18F458 的RD0RD7 端口直接與 TS16201的 DB0DB7 相連接， TS16201的控制信號 RS、 RW、 EN分別與 PIC18F458 的 RE0RD2相連接。光電編碼器是現(xiàn)代 系統(tǒng) 中必不可少的一種數(shù)字式速度 測量元件，被廣泛應(yīng)用于微處理器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。當(dāng)光源照射到光柵部分時(shí)，沒有被光柵擋住的光源就透射過去。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，會產(chǎn)生 60 個(gè)光脈沖信號。由發(fā)光二極管發(fā)出紅外光線通過 3mm寬的氣隙透射到另一端的三極管上，使得該三極管導(dǎo)通。 ? 分辨率達(dá)到 。 ? 暗電流為： A? ? 在FI=10mA 時(shí)，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線的波長為 940nm。 ． 1光電傳感器原理圖 光電傳感器在硬件電路設(shè)計(jì)上很簡單 , 如圖 。計(jì)算公式如下： R/VVI FCCF ）（? 其中， 左右。依據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)了各功能模塊電路 。著重分析了放大電路、復(fù)位、 LCD 電路、轉(zhuǎn)速測量電路的原理。一個(gè)較為簡單的硬件電路，系統(tǒng)功能的主要實(shí)現(xiàn) 是依靠軟件的設(shè)計(jì)來完成的。 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 微芯公司為 PIC18F458 系列的集成與調(diào)試提供的工具包括 :軟仿真器，集成開發(fā)調(diào)試軟件 MPLAB， PIC 系列單片機(jī)可采用匯編語言或 C 語言編寫源程序代碼。 MPLAB 包括下列功能 :集成可視化編輯界面，可直接編寫 C、匯編等文件?；菊{(diào)試工具，支持調(diào)試斷點(diǎn)工具走。 23 直流電機(jī)轉(zhuǎn) 速控制器的軟件設(shè)計(jì) 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能的開發(fā)和完善是一個(gè)循序漸進(jìn)過程，本文所作的軟件開發(fā)是基于直流電機(jī) 多速控制器的基本功能要求設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)軟件有主程序、功能鍵處理程序、電機(jī)運(yùn)行顯示程序、鍵盤設(shè)置參數(shù)程序測速程序、延時(shí)子程序等。其中，系統(tǒng)初始化模塊、按鍵識別和 LCD 顯示模塊在主程序完成，而中斷服務(wù)完成 TMR0 定時(shí)溢出中斷、 TMR1外部計(jì)數(shù)溢出中斷、 TMR3 的 1s? 計(jì)數(shù)溢出中斷以及 INT0 外脈沖上邊沿捕獲中斷等。 圖 主程序框圖 24 圖 高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序框圖 圖 低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序框圖 25 系統(tǒng)初始化模塊 主程序的系統(tǒng)初始化模塊包括對 PIC 單片機(jī)的 CPU 系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、 PIC 單片機(jī)的I/O 方向初始化、 TMR0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的初始化、 TMR3 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的初始化、 CCP 模塊的初始化和系統(tǒng)相關(guān)變量的初始化過程 。通常， 需要對 OSCCON 寄存器進(jìn)行配置，使其工作在 8MHz。本系統(tǒng)采用 32MHz 的時(shí)鐘源，因此初始化的結(jié)果如下： OSCCON=0x70。//PLLEN=1， 使能 PLL 的 4 倍頻，從而 CPU 內(nèi)核時(shí)鐘為 F為 32MHz PIC 單片機(jī) I/O 口方向初始化 在總圖中， RD 端口的