基于单片机的直流电动机转速控制系统设计.doc

河南机电高等专科学校毕业设计（论文）基于单片机的直流电动机转速控制系统设计 系 部: 自动控制系 专 业:电气自动化技术 班 级: 自111班 姓 名: 学 号: 指导老师: 田效伍 二零一四年四月摘要近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。本设计以AT89S52单片机为控制核心，按照控制要求，自动地对直流电机的转速进行控制。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程、调试。本数字化直流调速系统实现了电机转速的调节，并具有结构简单，控制精度高等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代生产的需要。 关键词：单片机控制；速度检测；速度控制ABSTRACTAs the fast development of microcomputer, AC/DC speed control system for digitization has reached the applied stage overseas. Since the hardware circuit of digital control system centered by microprocessor possesses the advantages that it has higher standardization and lower cost, and it doesnt be influenced by temperature drift of devices. Single chip computer has been becoming theocrat of factory automatic and all kinds of controlling field because of its good function, small volume ,and good reliability .Furthermore, the control software of digital control system can carry through logical judgment and sophisticated operation, and it has the control laws of optimality, adaptive trait, nonlinear and intelligence, which are different from the ordinary linear adjustability. In every aspects the function of digital control system has exceeded analog control system and is being used widely.This design is based withAT89S52single chip computer and controls automatically the rotational speed of the direct current electric machinery.which has the characteristic that the analog trigger, current regulator, rotation regulator, logical handoff and other devices were replaced by single-chip computer; and finally put through the software programmer, testing and computer simulation. The result of real time control indicates that the digital DC speed control system realized the constant speed adjustability of the double closed-loop of electric current and rotate speed. This system also has the specialties such as simple structure, high control accuracy, low cost and easiness to be spread. In addition, its entire performance index is better than analog DC speed control system. As a result, the digital DC speed control system could be applied into production and ordinary life to satisfy the needs of modern manufacture.Keywords:Singlechip microcomputer control system；check the rotational speed；control the rotational speed目 录1绪论1.1选题背景1.2选题的科学依据、意义1.3选题的研究内容22直流调速控制电路设计52.1控制电路总体设计52.2控制器电路设计2.2.1时钟电路设计72.2.2 A/D转换电路设计2.2.3 D/A转换电路设计2.2.4人机界面电路设计2.2.5触发电路设计2.2.6报警电路设计252.2.7电源电路设计263直流调速控制主回路设计273.1三相桥式全控整流电路设计273.2反馈传输电路设计293.3保护电路设计304系统的软件设计334.1系统软件程序设计334.2 PID的控制算法设计345系统的抗干扰措施395.1系统中系统的抗干扰设计395.2系统的抗干扰措施主要方面395.2.1供电系统的抗干扰措施395.2.2过程通道的抗干扰措施39参考文献40致谢41附录42第1章绪论1.1 选题背景在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有60%用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。我们知道，动力和运动是可以相互转换的。从这个意义上讲，电动机是最常用的运动源。对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。实际上，现在国外已将电动机控制改名为运动控制。对电动机的控制一般可分为简单控制和复杂控制两种:简单控制是指对电动机进行启动、制动和顺序控制，这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现；复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压和电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确。以前对电动机简单控制的应用比较多，但是现在人们对电动机控制的水平要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为应用主流，其应用领域极为广泛。例如；事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态的控制等；业生产中的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、印刷机械、纺织机械、新型制衣机械、泵和压缩机、工业轧机等设备的控制；公和商务设备中的磁带机、绘图仪、扫描仪、打印机、传真机、复印机等设备的控制;家用电器中的DVD、 DC、 DV、音响、洗衣机、冰箱、空调、电动自行车、家用汽车等设备的控制。这些设备中绝大多数采用的是直流电动机，所以本课题在这里将研究采用单片机对直流电动机进行复杂控制。1.2 选题的科学依据、意义以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机已经开始取代模拟电路作为电机控制器。它有如下特点： （1）使电路更简单:在模拟电路中，为了实现控制逻辑需要采用许多电子元件，电路比较复杂。采用单片机后，绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。 （2）可以实现比较复杂的控制:单片机有更强的逻辑运算功能，运算速度快、精度高，一般都有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制等。 （3）灵活性和适应性:单片机的控制方式是由软件完成的。如果需要修改控制规律，一般不需要改变系统的硬件电路，只需要修改程序即可。在系统调试和升级的时候，可以不断尝试选择不同的参数，非常方便。（4）无零点漂移，控制精度高:数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大或小，都可以保证足够的控制精度。（5）多机联网工作，提供人机界面:新型单片机内多嵌有各种总线，可以方便地进行联网通信，实现多机联网工作；能够和上位机进行通信，提供可视化人机界面，方便进行控制和调节。本课题主要设计和研究采用单片机作为晶闸管触发器和电机控制器，最初的电机控制器都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，集成电路甚至专用电机控制集成电路被大量在中应用。这些技术大大提高了电机控制器的灵活性、可靠性和抗干扰能力，又缩短了新型电机控制器的产品开发周期，降低了研发费用，因而近年来发展很快。但专用成电路之间并无统一标准，因而产品极其分散，且不断有新产品出现。为满足一次设计的需要，往往要花很大的力气和时间去收集整理资料。当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器。现在市场上通用的电机控制器大多采用单片机和DSP。但是以前单片机的处理能力有限，对采用复杂的反馈控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，往往不能满足设计要求。近年来出现了各种单片机，其性能得到了很大提高，价格却比DSP低很多。其相关的软件和开发工具越来越多，功能也越来越强，但价格却在不断降低。现在，越来越多的厂家开始采用单片机来提高产品性价比。1.3 选题的研究内容本设计采用AT89S52单片机对直流电动机反馈控制系统进行设计和研究。主要分为两部分：控制回路设计部分和主回路设计部分。控制回路设计部分主要包括：信号采集部分，模拟量与数字量互相转换部分，速度显示部分，同步信号为锯齿波的触发电路部分。主回路设计部分包括三相桥式全控整流电路部分和直流电动机部分。通过控制回路和主回路的有机组合达到对电机转速的自动有效的控制要求。第2章直流调速控制电路设计2.1 控制电路总体设计控制电路原理图如图2-1所示 图2-1控制电路原理图控制电路以AT89S52为基础实现对速度的控制、检测、显示。DAC0832实现了把数据量转化为模拟量，本身是电流输入型，输出的电流信号需要经过运算放大器转化为电压信号，此电压为触发电路提供控制电压Uoc,触发电路有三个基本环节：脉冲的形成与放大，锯齿波的形成、脉冲的移相，同步环节，触发电路为主回路提供电压和电流。8279是一种可编程、显示器接口芯片，能完成键盘输入和显示控制两种功能。2.2 控制器电路设计（1）AT89S52单片机管脚及片外总线结构图2-2 AT89S52 外部管脚结构按其引脚功能可分为三部分1）I/O口线：P0、P1、P2、P3共4个8位口2）控制口线：PSEN（片外取指令控制）ALE（地址锁存控制）EA（片外存储器选择）RESET（盘位控制）3）电源及时钟：VCCVSS；XTAL1XTAL2（2）AT89S52单片机管脚及片外总线结构1）管 脚I/O口线不能都用作用户I/O口线，P0口可驱动8个TTL门电路：P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门电路；P3口是双重功能口中。2）总线扩展图2-3 总线结构图地址总线（AB）地址总线宽度为16位，因此起其外部存储器直接地址范围为64K字节。16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高八位地址（A8A15）。数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0供给。控制总线（CB）：由部分P3口的第二功能状态和4根独立控制线 RESET EA ACE PSEN 组成。2.2.1时钟电路设计AT89S52单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图2-5所示。 图2-5中，电容器C0l，C02起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MHz采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如图2-6所示。 图2-5 内部振荡方式 图2-6 外部振荡方式由图2-6可见，外部振荡信号由XTAL1引入，XTAL2接地。为了提高输入电路的驱动能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL1。2.2.2 A/D转换电路设计1.A/D转换的一般步骤（1）采样-保持为了能不失真的恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率的两倍，这就是采样定理，即sfmax (2-1) 由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。（2）量化与编码模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为A/D转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809芯片完成。2.ADC0809内部功能与引脚介绍分辨率和精度在第一章中已作了相应的计算和分析。ADC0809八位逐次逼近式AD转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。1）ADC0809主要性能：（1）逐次比较型（2）CMOS工艺制造（3）单电源供电（4）无需零点和满刻度调整（5）具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容（6）易与各种微控制器接口（7）具有锁存控制的8路模拟开关（8）分辨率：8位（9）功耗：15mW（10）最大不可调误差小于1LSB（最低有效位）（11）转换时间（CLK=500KHz）128us（12）转换精度：0.42）引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图2-10所示。图2-10 ADC0809引脚各引脚的功能如下：IN0IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入05V待转换的模拟电压。D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。3.ADC0809与AT89S52单片机的接口方法ADC0809与AT89S52单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本题中选用中断接口方式。由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚的脉冲频率是AT89S52时钟频率的1/6。该题目中单片机时钟频率采用6MHz,则ALE输出的频率是1MHz，二分频后为500KHz,符合ADC0809对频率的要求。由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。通道基本地址为0000H0007H。其对应关系如表2-1所示。表2-1 0809输入通道地址地址码输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7控制信号：将P2.0作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.0控制ADC的地址锁存和启动转换。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和P2.0引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用来打开三态输出锁存器。其接口电路如图2-11所示。图 2-11ADC0809与AT89S52的接口START信号和OE信号的逻辑表达式为(2-2)当AT89S52通过对0000H0007H（基本地址）中的某个口地址进行一次写操作，即可启动相应通道的AD转换；当转换结束后,ADC0809的EOC端向AT89S52发出中断申请信号；AT89S52通过对0000H0007H中的某个口地址进行一次读操作，即可得到转换结果。注：ADC0809的基准电压可通过基准电压芯片供给，如MAX875,可供给5V基准电压。图2-12 ADC0809时序图2.2.3 D/A转换电路设计由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与AT89S52单片机相连接，其主要特性如下：（1） 分辨率8位；（2） 电流输出，稳定时间为1微秒；（3） 可缓冲、单缓冲或直接数字输入；（4） 单一电源供电；（5） 只需在满量程下调整其线性度；（6） 低功耗，20mW。1）DAC0832引脚结构及逻辑结构DAC0832的引脚图如图2-13所示。图2-13 DAC0832引脚图各引脚的功能定义如下：CS：片选端，当CS为低电平时，本芯片被选中。ILE：数据锁存允许端，高电平有效。WR1：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。XFER：数据传输控制，低电平有效。WR2；DAC寄存器写选通控制，低电平有效。DI7DI0：8位的数据输入端，DI7为最高位。IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。IOUT2：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。RFB：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。Vcc ：芯片供电电压，范围为(+5 15)V。AGND ：模拟量地，即模拟电路接地端。DGND ：数字量地。2）DAC8032与AT89S52的接口电路如图2-14所示。图2-14 DAC8032与AT89S52的接口电路2.2.4 人机界面电路设计8279可编程键盘/显示器接口芯片。Intel8279是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单片器件就能够完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供一种扫描的工作方式，可以和具有64个按键的矩阵键盘相连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别按下的键并给出编码，能对双键或n键同时按下实行保护。显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号，可以显示多达16位的字符或数字。1）8279的组成和基本工作原理（1）输入/输出控制及数据缓冲器数据缓冲器是双向缓冲器，用于传送CPU和8279之间的命令或数据。A0用于区别信息的状态 A0=1，输入：指令 输出：状态字 A0=0，输入：数据 输出：数据（2）控制与定时寄存器及定时控制控制与定时寄存器用于寄存键盘及显示的工作方式，以及由CPU编程的其它操作方式。定时控制包括基本的计数链。首级计数器是一个可编程的N级计数器，N可在2-31之间由软件控制，以便从外部时钟CLK得到内部所需要的100KHz时钟信号。然后经过分频为键盘提供适当的逐行扫描频率和显示的扫描时间。（3）扫描计数器扫描计数器有两种工作方式。按编码方式工作时，计数器作二进制计数。四位计数状态从扫描线SL0-SL3输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线。按译码方式工作时，扫描计数器的最低二位被译码后，从SL0-SL3输出。（4）回复缓冲器、键盘消抖及控制来自RL0-RL78根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并储存。在键盘工作方式中，这些线被接到键盘矩阵的列线。在逐行扫描时，回复线用来搜索一行中闭合的键。当某一键闭合时，消振电路就被置位，延时等待100mS之后，再检验该键是否是连续保持闭合。若闭合，则该键的地址和附加的位移、控制状态一起形成键盘数据被送入8279内部的FIFO存储器。键盘的数据格式如表2-2：表2-2D7D6D5D4D3D2D1D0控制移位扫描回复控制和位移（D7和D6）的状态由两个独立的附加开关决定，而扫描（D5、D4、D3）和回复（D2、D1、D0）则是被按键的位置数据。D5、D4、D3三位来自扫描计数器，是按键的行编码，而D2、D1、D0三位则是来自列计数器，它们是根据回复信号而确定的列编码。在传感器矩阵方式中，回复线的内容直接被送往相应的传感器RAM（即FIFO存储器）。在选通输入方式时，回复线的内容在CNTL/STB线的脉冲上升沿时，被送入FIFO存储器。（5）FIFO/传感器RAM及其状态FIFO/传感器RAM是一个双重功能的8X8RAM。在键盘或选通工作方式时，它是FIFO存储器。每次新的输入都顺序写入到RAM单元，而每次读出时，总是按输入的顺序，将最先输入的数据读出。FIFO状态寄存器用来存放FIFORAM的工作状态。例如：RAM是满还是空；其中存有多少字符；是否操作出错等等。当FIFO存储器不空时，状态逻辑将产生IRQ=1信号，向CPU申请中断。在传感器矩阵方式时，这个存储器又是传感器RAM。它存放着传感器矩阵中每一个传感器的状态。在此方式中，若检索出传感器的变化，IRQ信号便变为高电平，向CPU请求中断。（6）显示RAM和显示地址寄存器显示RAM用来存储显示数据。该区具有16个字节，也就是最多可以存储16个字节的显示信息。显示地址寄存器用来积存由CPU进行读/写的显示RAM的地址，它可以由命令设定，也可以设置成每次读出或写入之后自动递增。2）8279与AT89S52的接口电路如图2-15所示图2-158279与AT89S52的接口电路3）8279各引脚功能如下：D7-D0（数据总线）：双向、三态总线；CLK（系统时钟）：输入；RESET（复位）：输入，高电平有效；复位时默认状态（1）16个字符显示-左入；（2）编码扫描键盘-双键锁定；（3）程序时钟编程设定为31。CS（片选）：输入，低有效。A0（缓冲器地址）：输入。RD（读信号）和WR（写信号）：输入，低有效。IRQ（中断请求）：输出，高有效。在键盘工作方式中，当FIFO/传感器RAM存有数据时，IRQ为高电平。CPU每次从RAM读出数据时。IRQ就变为低电平。若RAM中仍有数据，则IRQ再次恢复为高电平。在传感器工作方式中，每逢检出传感器状态变化时，IRQ就出现高电平。SL0SL3（扫描线）：输出。RL0RL7（回复线）：输入。它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输入线。SHIFT（换档信号）：输入，高有效。该信号线用来扩充键开关的功能，可以用作键盘的上、下档功能键。在传感器方式和选通方式中，SHIFT无效。CNTL/STB（控制/选通）：输入，高电平有效。在键盘工作方式时，作为控制功能键使用。在选通方式时，该信号的上升沿可以将来自RL0-RL7的数据存入FIFO存储器。在传感器方式，无效。OUTA0OUTA3（A组显示信号）：输出。OUTB0OUTB3（B组显示信号）：输出。BD（消隐显示）：输出，低有效。该输出信号在数字切换显示或使用显示消隐命令时，将显示消隐。4）8279的命令和状态字8279共有八条命令（1）键盘/显示方式设置命令命令特征位：D7D6D5=000000DDKKKDD两位用来设定显示方式：008个字符显示-左入0116个字符显示-左入108个字符显示-右入1116个字符显示-右入所谓的左入就是在显示时，显示字符是从左面向右面逐个排列。右入就是显示字符从右面向左面移动。所对应的SL编码最小的为显示的最高位KKK三位用来设定键盘工作方式：K000编码扫描键盘-双键锁定K001译码扫描键盘-双键锁定K010编码扫描键盘-N键轮回K011译码扫描键盘-N键轮回K100编码扫描传感器矩阵K101译码扫描传感器矩阵K110选通输入，编码显示扫描K111选通输入，译码显示扫描第一位K没有任何意义。双键锁定和N键轮回是两种不同的多键同时按下保护方式。双键锁定为两键同时按下提供保护，在消振周期内，如果有两键同时被按下，则只有其中的一键弹起，而另一键在按下位置时，才能被认可。N键轮回为N键同时按下提供保护，当有若干个键同时按下时，键盘扫描能根据发现它们的次序，依次将它们的状态送入FIFO RAM。（2）时钟编程命令命令特征位：D7D6D5=001001PPPPP将来自CLK的外部时钟进行PPPPP分频（2-31）。（3）读FIFO/传感器RAM命令命令特征位：D7D6D5=010010AIXAAA该命令字只在传感器方式时使用，在CPU读传感器RAM之前，必须用这条命令来设定将要读出的传感器RAM地址。由于传感器RAM的容量是8X8bit，因此需要用命令字中的三位二进制代码AAA来选址。命令字中的AI为自动增量特征位。若AI=1，则每次读出传感器RAM后，地址将自动增量（加1），使地址指针指向顺序的下一个存储单元。这样，下一次读数便从下一个地址读出，而不必重新设置读FIFO/传感器RAM命令。在键盘工作方式中，由于读出操作严格按照先入先出的顺序，因此不必使用这条命令。（4）读显示RAM命令命令特征位：D7D6D5=011011AIAAAA在CPU读显示RAM之前，该命令字用来设定将要读出的显示RAM的地址，四位二进制代码AAAA用来寻址显示RAM中的一个存储单元。如果自动增量特征位AI=1，则每次读出后，地址自动加1，使下一次读出顺序指向下一个地址。（5）写显示RAM命令命令特征位：D7D6D5=100。100AIAAAA与前面命令字位相同。（6）显示禁止写入/消隐命令命令特征位：D7D6D5=101。101XIWIWBLBLIW用来掩蔽A组和B组（D3对应A组，D2对应B组）。例如，当A组的掩蔽位D3=1时，A组的显示RAM禁止写入。因此从CPU写入显示器RAM的数据不会影响A的显示。这种情况通常在采用双四位显示时使用。因为两个四位显示器是相互独立的，为了给其中一个四位显示器输入数据，而又不影响另一个四位显示器，因此必须对另一组的输入实行掩蔽。BL位是消隐特征，要消隐两组显示输出，必须设置两个BL位。若BL=1。则执行此命令后，对应组的显示输出被消隐。若BL=0，则恢复显示。（7）清除命令命令特征位：D7D6D5=110。110CDCDCDCFCA该命令字用来清除FIFO RAM和显示RAM。D4D3D2三位（CD）用来设定清除显示RAM的方式。其意义如表2-3：表2-3D4D3D2清除方式10X将显示RAM全部清“0”110将显示RAM置20H（即A组=0010 B组=0000）111将显示RAM全部置“1”0不清除（若CA=1，则D3、D2仍有效）D1（CF）位用来清空FIFO存储器。D1=1时，执行清除命令后，FIFO RAM被清空，使中断IRQ复位。同时，传感器RAM的读出地址也被清0。D0（CA）位是总清的特征位，它兼有CD和CF的联合有效。在CA=1时，对显示RAM的清除方式由D3D2的编码决定。清除显示RAM大约需要100uS的时间。在此期间，FIFO状态字的最高位Du=1，表示显示无效。CPU不能向显示RAM写入数据。（8）结束中断/错误方式设置命令命令特征位D7D6D5=111E111EXXXX这个命令有两个不同的应用：作为结束中断命令。在传感器工作方式中，每当传感器状态出现变化时，扫描检测电路接将其状态写入传感器RAM，并启动中断逻辑，使IRQ变高，向CPU请求中断。并且禁止写入传感器RAM。此时，如传感器RAM读出地址的自动递增特征没有置位（AI=0），则中断请求IRQ在CPU第一次从传感器RAM读出数据时就被清除。若自动递增特征已置位（AI=1），则CPU对传感器RAM的读出并不能清除IRQ，而必须通过给8279写入结束中断/错误方式设置命令才能使IRQ变低。因此，在传感器工作方式中，此命令用来结束传感器RAM的中断请求。作为特定错误方式的设置命令。在8279已被设定为键盘扫描N键轮回方式以后，如果CPU给8279又写入结束中断/错误方式设置命令（E=1）。则8279的消振周期内，如果发现有多个键被同时按下，则FIFO状态字中的错误特征位S/E将置位。并产生中断请求信号和阻止写入FIFO RAM。错误特征位S/E在读出FIFO状态字时被读出。而在执行CF=1的清除命令时被复位。8279的FIFO状态字，主要用于键盘和选通工作方式，以指示FIFO RAM中的字符数和是否有错误发生，其字位意义如下：DuS/EOUFNNNDu：Du=1显示无效S/E：传感器信号结束/错误特征码O：O=1出现溢出错误U：U=1出现不足错误F：F=1表示FIFO RAM已满NNN：为FIFO RAM中的字符数对FIFO RAM的操作可能出现两种错误：溢出和不足。当FIFO RAM已满时，若其它的键盘数据企图写入FIFO RAM，则出现溢出错误，状态字位“O”被置位。当FIFO RAM已被清空时，若CPU还企图读出，则将会出现“不足”的错误，状态字位“U”被置位。对于状态字的S/E位，当8279工作在传感器工作方式时，若S/E=1，表示传感器的最后一个传感信号一进入传感器RAM。当8279工作在特殊错误方式时，若S/E=1，表示出现了多键同时下按的错误。当显示RAM由于“各处显示“或”全清”命令尚未完成时，状态字的最高位Du被置位。2.2.5 触发电路设计同步信号为锯齿波的触发电路：图2-17是同步信号为锯齿波的触发电路。此电路输出可为单窄脉冲，也可为双窄脉冲，以适用于有两个晶闸管同时导通的电路。电路可分为三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，电路中还有强触发和双窄脉冲的形成环节。这里重点讲述脉冲的形成、脉冲移相、同步等环节。（1）脉冲形成的环节脉冲形成环节由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。控制电压uco加在V4基极上，电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。当控制电压uco=0时，V4截止。+E1（+15V）电源通过R11供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通，所以V5的集电极电压Uc5接近于-E1（-15V）。V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的+E1（15V）经R9、V5发射结到-E1(-15V),对电容C3充电，充满之电容两端电压接近2E1(30V),极性如图2-17。图2-17 同步信号为锯齿波的触发电路当控制电压uco0.7V时，V4导通，点电位由E1(+15V)迅速降低至1.0V左右，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位迅速降至约-2E1（-30V），由于V5发射结反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1（-15V）迅速上升到钳位电压+2.1V（VD6、V7、V8三个PN结正向压降之和），于是V7、V8导通，输出触发脉冲。同时，电容C3经电源+ E1、R11、VD4、V4放电和反向充电，使V5基极电位又逐渐上升，直到ub5- E1(-15V) ，V5又重新导通。这时uc5又立即降到- E1，使V7 V8截止，输出脉冲截止。可见，脉冲前沿由V4导通时刻确定，V5（V6）截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。（2）锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。图所示为恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端电压uc为 (2-3)uc按线性增长，即V3的基极电位ub3按线性增长。调节电位器RP2,即改变C2的恒定充电电流I1c,可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。当V2导通时,由于R4阻值很小，所以C2迅速放电，使ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波，同样，ue3也是一个锯齿波电压，如图所示。射极跟随器V3的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压ub3的影响。V4管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压uco、直流偏移电压up三个电压作用的叠加值所确定,它们分别通过电阻R6、R7和R8与基极相接。设uh为锯齿波电压ue3单独作用在V4基极b4时的电压，其值为 (2-4) 可见uh仍为一锯齿波，但斜率比ue3低。同理偏移电压up单独作用时b4的电压up （2-5） 可见up仍为一条与up平行的直线,但绝对值比up小。直流控制电压uco单独作用时b4的电压uco为 （2-6） 可见uco仍为与uco平行的一条直线，但绝对值比uco小。如果uco=0，up为负值时，b4点的波形由uh+up确定，如图所示。当uco为正值时，b4点的波形由uh+up+uco确定。由于V4的存在，上述电压波形与实际波形有出入。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。之后ub4一直被钳位在0.7V。所以实际波形如图所示。图中M点是V4由截止到导通的转折点。由前面分析可知V4经过M点时使电路输出脉冲。因此当up为某固定值时，改变uco便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见，加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。当接阻感负载电流连续时，三相全控桥的脉冲初始相位应定在=90o；如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，这时要求脉冲的移相范围理论上为180o（ 由于考虑min和min,实际一般为120o），由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180o，例如240o，此时，令uco=0，调节up的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波240o的中央（120o处），对应于=90o的位置。这时，如uco为正值，M点就向前移，控制角90o，晶闸管电路处于逆变状态。（3）同步环节在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图可知，锯齿波是由开关V2管来控制的。V2由导通变截止期间产生锯齿波，V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，V2开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使V2开关的频率与主电路电源的频率同步就可达到。图中的同步环节，是由同步变压器TS和作同步开关用的晶体管V2组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步.同步变压器TS二次电压uTS经二极管VD1间接加在V2的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，VD1导通，电容C1被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1反向充电，uQ为电容反向充电波形，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止。如图所示。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来时，VD1重新导通，C1迅速放电后又被充电，V2截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，V2包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4V的时间越长，V2截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60。，相邻器件成双接通。因此，触发电路中双脉冲环节的接线方式为：以VT1器件触发单元而言，图中电路中的Y端应该接VT2器件触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60。所以当VT2触发单元的V4由截止变导通时，本身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元的V6管截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应当接VT6器件触发单元的Y端。依此类推，可以确定六个器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的相互接线。2.2.6 报警电路设计在本次设计中由于要对所测量的电压、电流量的超限发报警，因此要在系统中加入报警电路。本系统中采用的是二极管的过电流与过电压电笛报警电路，如图2-18 所示：图2-18 报警电路图在图2-18中，P1.4晶体管基极输入端。当P1.4出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得+5V电压而鸣叫，二级管；当P1.4出低电平“0”时，二极管截止，蜂鸣器停止发声。2.2.7电源电路设计电源电路如图2-19所示 图2-19 电源电路图电源电路由降压电路，整流电路，滤波电路，稳压电路组成。7805、7815是提供正电源的稳压块，7915是提供负电源的稳压块。第3章直流调速控制主回路设计整个硬件系统包括单片机部分、触发电路部分、整流电路部分、光耦隔离部分和直流电机部分。其中单片机部分重点讲AT89S52的部分3.1 三相桥式全控整流电路设计可控整流电路基本可分为单相可控整流电路、三相可控整流电路以及由此发展来的大功率6相、12相整流电路等几类。单相可控整流电路可分为单相半控整流电路和单相全控整流电路两类，这种电路简单、调整方便，但是只适用负载功率较小的场合。当负载功率较大时，考虑到三相负载的平衡，应采用三相可控整流电路。三相可控整流电路也分为三相半控整流电路和三相全控整流电路两类。三相半控整流电路一般只采用三个晶闸管，只需要三套触发电路，不需要宽脉冲或双脉冲触发，因此在要求不高的场合中，可采用三相半控整流电路。本课题要求适应负载的范围比较宽，所以采用三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路原理图如图3-2所示。图3-2三相桥式全控整流电路原理图输出整流电压Ud的波形是两组半波整流电压的波形叠加。通过改变晶闸管的控制角，可以获得0 -2.34U2 cos的直流电压。控制角“的改变范围为0.直流电动机负载除了本身的感性阻抗外，还有一个反电动势E。因此晶闸管在施加触发脉冲后可导通的必要条件是，电动机的反电动势E和电感中的感应电动势e：的代数和应小于变压器二次绕组的瞬时电压。在整流情况下，电动机反电动势E的极性与整流电压Ud的极性相反。对于感应电动势e：的极性，当电流在增加时，e：的极性与Ud的极性相反;当电流在减小时，e：的极性与Ud的极性相同，当电流达到极值时，e：为零。由于整流电路输出电压的波形是脉动的，所以输出电流的波形也是脉动的，可以看成一个恒定的直流分量和一个包含高频成分的交流分量组合。因为负载只需要直流分量，为了消除负载电流中的交流分量，一般在电枢回路中串联一个平波电抗器，保证整流电流的波形在较大范围内比较光滑。对于直流电动机负载，过大的交流分量会使电机的换相恶化和损耗增大，因此应该在直流侧串联平波电抗器，使输出电流的波形比较光滑。整流装置输出的电压发生变化时，若输出的负载电流不变，则变压器原边的电流基本不变。原边的电压也基本不变，表明整流装置的视在功率基本不变。显然，当输出的直流电压较低时，直流侧的功率变低了，而整流装置的视在功率不变，表明整个系统无功功率增大了。由此可以得出，电网电压的波动可以近似地认为是无功功率的变化。电网电压的波动无疑地会对电网中的其它负载产生不良影响。可以在负载端并联电容器抑制电压波动，提高系统的功率因数，减少无功功率的冲击。各种晶闸管和其它电力电子器件的迅速发展与广泛应用，对于各个工业部门提高生产技术水平、改善生产过程和提高经济效益都有很大的作用。但是必须同时看到，随着各种电力电子设备应用数量的不断增多和容量的不断增大，对供电电网造成的影响和危害也与日俱增。电力电子设备的广泛应用，使电网中谐波的含量大大增加，造成了电力系统的污染。变流装置实质上是一个非线性系统，交流侧电流是变流装置对直流电流进行调制的结果，直流侧电压是变流装置对交流电压进行调制的结果。两个结果相互作用，变流装置两端的高次谐波就是在这种情况下产生的。实现的功能没有区别，但是双脉冲触发可以减小触发电路的输出功率，所以本课题采用双脉冲触发。3.2 反