单片机的可逆直流调速数字控制系统设计论文04115.doc

基于c8051单片机的可逆直流调速数字控制系统设计（z3-51）摘要在高度现代化的今天，现代电力电子技术、计算机技术、现代控制理论的发展，促进了直流调速技术的进步，使之成为目前活跃的调速技术。长期以来，直流电动机因其具有调节转速灵活、方法简单、控制性能好等特点，应用在越来越广的领域中。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。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。本文提出一种逻辑无环流可逆调速系统的设计方法。利用单片机的硬件资源与软件程序相结合，完成数字脉冲触发、数字逻辑切换及数字反馈等方面的控制功能，实现对直流电动机的可逆调速控制，提高可逆调速系统的精度和控制性能。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、调试以及计算机仿真。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，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，满足现代化生产的需要。关键词：直流电动机；调速；单片机；双闭环；直流调速系统abstractat a height of the modernization of today，the development of modern power electronics, computer and modern control theory promotes the progress of dc speed regulation technology. for a long time, dc motor has made them to be used in many areas because of its neatly adjust, easy method and its control performance is very good.as 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. 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.a design method of logic non-loop-current sr system is proposed in this paper.combing the scm hardware resources with the software process，the system design completes the control functions such as digital impulse spring，digital logical switch and digital feedback，achieves a reversible adjustable-speed regulating control of dc electromotor，and improves the precision and control capability of reversible adjustable-speed regulating system. 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.key words：dc motor;speed control; single-chip computer； double closed-loop ；dc speed control systemiv目录摘要iabstractii引言.11 系统概述 .22 系统方案论证和总体结构设计 .32.1 调速方案的选择 .32.1.1 系统控制对象的确定.32.1.2 电动机供电方案的选择 . .32.2 总体结构设计 .42.2.1 系统结构选择 .43 主电路设计与参数计算53.1 整流变压器的设计53.1.1 变压器二次侧电压u2的计算53.1.2 一次、二次相电流i1、i2的计算53.1.3 变压器容量的计算53.2 晶闸管元件的选择63.2.1 晶闸管的额定电压63.2.2 晶闸管的额定电流63.3 系统的保护63.3.1 过电压保护73.3.2 电流保护83.4 主电路图84 单片机的逻辑无环流可逆直流调速系统的硬件设计104.1 控制系统的硬件设计104.1.1 c8051单片机104.2 同步信号电路114.3 触发脉冲输出电路144.4 显示电路154.4.1 lcd 液晶显示简介154.4.2 lcd 接口设计184.5 速度给定电路184.6 看门狗max813l194.6.1 max813l芯片及其引脚204.6.2 硬件电路图204.7 脉冲信号反馈模块215 系统的软件设计235.1 光电编码器测速的软件设计235.2 显示模块的软件设计275.3 触发脉冲的软件设计275.4 逻辑无环流控制296 系统的数字pi控制306.1.1 直流电机的调压调速306.1.2 转速、电流双闭环调速系统的分析306.1.3 比例、积分系数初值的确定31结 论33致谢.34参考文献.35附录a.36基于c8051单片机的可逆直流调速数字控制系统设计（z3-51）引言生产中有许多机械要求既能正转，又能反转，而且常需要快速起动和制动，即需要可逆调速系统。由模拟电路实现的可逆调速系统，线路复杂，调整困难，可靠性低，缺乏灵活的控制。因此，这里给出一种基于单片机的逻辑无环流可逆调速控制系统设计方案。该系统设计采用全数字电路，实现数字脉冲触发、数字转速给定检测和数字pi算法等功能，由软件实现转速、电流调节及逻辑判断和复杂运算，具有不同于一般模拟电路的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改灵活方便。 因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了控制系统的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。 在电气传动领域，由于直流电动机的运行效率高、无励磁损耗调速性能好等诸多特点，一直被人们所青睐，但其相应的控制系统却一直采用的是传统的复杂的电子线路形式它或多或少存在可靠性差、成本高、抗干扰能力差等缺点；随着电力电子技术的不断的发展，单片机功能的不断提高，基于单片机专用芯片控制的控制系统，可实现直流电动机控制的全数字化、智能化、本设计采用单片机专用芯片作为主控制器构成单片机控制的全数字化高性能调速系统，并具有结构简单、成本低、工作可靠、抗干扰能力强、控制精度高、通用性强等特点。1 系统概述智能化已被公认为运动控制系统的发展方向之一，可逆直流调速系统中的应用也已成为趋势。在实际生产中，有许多生产机械不仅要求电力拖动系统能够调速，而且能够可逆运转，例如可逆式轧机的可逆轧制，龙门刨床工作台的往返运动，矿井卷扬机和电梯的提升和下降，电力机车的前进和后退等等，有些生产机械虽不要求可逆运行，但也要求能快速电气制动。如连轧机主转动及其开卷机，卷取机等，只有改变其拖动电动机转动方向，才可以产生电气制动力矩，以满足快速压制时速度调节要求。这些都需要可逆系统来实现。随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机，借助软件来实现。即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展,最后实现全数字化。数字化系统中，除具有常规的调速功能外，还具有故障报警，诊断及显示等功能，同时，数字系统通常具有较强的通信能力。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用，新开发的调速系统几乎全是数字式的。根据目前的发展，展望未来，可逆直流调速系统必将向高性能指标方面发展，朝调试手段更先进，控制、通讯功能更丰富的发面迈进，尤其是它的动态性能指标还可以得到进一步的提高。 2 系统方案论证和总体结构设计本设计主电路采用两组晶闸管三相全控桥整流电路反并联供电方案，控制电路由软件实现系统的功能，取代传统的双闭环调速系统。系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使可逆直流调速系统实现全数字化。2.1 调速方案的选择调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。2.1.1 系统控制对象的确定本次设计选用的电动机型号z3-51型，额定功率5.5kw，额定电压220v，额定电流30.3a，额定转速1500r/min。 2.1.2 电动机供电方案的选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称g-m系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、效率低、维护不便。静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称v-m系电压。通过调节触发装置gt的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用pwm，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选v-m系统 。2.2 总体结构设计把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速电流双闭环逻辑无环流可逆调速系统。电机转速通过光电脉冲转换器的计数，再直接连到单片机。交流侧电流通过电流互感器的作用，经采样，a/d转换连到单片机。2.2.1 系统结构选择双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。 逻辑无环流可逆调速是用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。与有环流系统比较，省去了均衡电抗器，没有环流损耗，设备体积和成本均有降低。缺点是存在切换死区，快速性不如有环流可逆系统。但是，对于切换快速性要求不高的设备，它的应用是很广泛的。在实际生产中，有许多机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地启动和制动，逻辑无环流直流可逆调速系统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态性能和能量利用率。3 主电路设计与参数计算电动机的额定电压为220v，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用d/y联结。3.1 整流变压器的设计工业供电电压为ac 380v，而电动机的额定电压为220v，所以必须通过降压变压器使之达到系统要求。本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。 3.1.1 变压器二次侧电压u2的计算u2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （3-1） 式中a-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比，即；b-延迟角为时输出电压与之比，即电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；表查可得 a=2.34；取=0.5；角考虑10裕量，则 b=0.985则代入式中得=230v。电压比k=u1/u2=380/230=1.65。3.1.2 一次、二次相电流i1、i2的计算表查可得 ki1=0.816， ki2=0.816i1=1.05ki1i/k=23.6a i2= ki2i=25a3.1.3 变压器容量的计算s1=m1u1i1；s2=m2u2i2；s=1/2(s1+s2)；式中m1、m2 -次侧与二次侧绕组的相数；s1=m1u1i1=338023.6=26.904 kvas2=m2u2i2=323025=17.250 kvas=1/2(s1+s2)=1/2（26.904+17.250）=22.077 kva3.2 晶闸管元件的选择整流电路采用晶闸管全控桥电路。由于它具有单向导电性，不允许电流反向，对过电压过电流敏感，在低速运行时，导通角很小等缺点。结合课题提供的参数，选择适当的晶闸管型号是十分重要的。3.2.1 晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（23），整流电路形式为三相全控桥，而 ，则=（23）=11271690v，取 1600v3.2.2 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 大于实际流过管子电流最大有效值 ，即，考虑（1.52）倍的裕量式中k -电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 k=0.368，考虑1.52倍的裕量(1.52) 0.36830.3=16.7222.3a，取22a 故选晶闸管的型号为 kp22-16。3.3 系统的保护晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行。3.3.1 过电压保护不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件吸收产生过电压的能量。实用中常视需要在电路的不同部位选用不同的方法，或者在同一部位同时用两种不同保护方法。其中有交流侧过压保护、直流侧过电压保护（1） 交流侧过电压保护本设计采用阻容保护，如图3.1所示。图3.1 交流侧保护电路s=22.007kva， u2=230v c2s/2= 21022077/2302=8.35 f选取10f的铝电解电容器。r 6.92/s = 6.92302/22077=16.53（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。=（1.8-2.2）=(1.8-2.2) 220=396-484v选myl1-20型压敏电阻3.3.2 电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。（1）交流侧快速熔断器的选择i2=25a(2）电压和电流上升率的限制电压上升率：正相电压上升率较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的正相电压上升率应有一定的限制。造成电压上升率过大的原因一般有两点：由电网侵入的过电压；由于晶闸管换相时相当于线电压短路，换相结束后线电压有升高，每一次换相都可能造成过大。限制过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使其降低。电流上升率：导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，造成晶闸管损坏。因此对晶闸管的电流上升率必须有所限制。产生过大的原因一般有：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电；交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电；直流侧负载突然短路等等。所以为了防止饱和，每个桥臂上串联一个30h的电感。3.4 主电路图图3.2 主电路4 单片机的逻辑无环流可逆直流调速系统的硬件设计4.1 控制系统的硬件设计控制系统硬件结构如图4.1所示包括c8051单片机、同步信号电路、测速脉冲信号反馈电路、电流反馈电路、显示电路、触发脉冲输出驱动电路。4.1.1 c8051单片机c8051单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（soc），具有与8051兼容的高速cip-51内核，与mcs-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置flash程序存储器、内部ram，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的ram，即xram。c8051单片机具有片内调试电路，通过4脚的jtag接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。片上系统是随着半导体生产技术的不断发展，集成度越来越高，对嵌入式控制技术可靠性要求越来越高而产生的新概念，c8051单片机是功能最强大的8位单片机之一。c8051单片机的主要技术特点如下： 具有高速的、与8051全兼容的微控制器内核； flash存储器可实现在线编程和用于非易失性数据存储； 工作电压典型值为3v； 全系列芯片均为工业级； 片内jtag仿真电路提供全速、非插入式的电路内仿真，支持断点单步观察点、运行和停止等调试命令，支持存储器和寄存器校验和修改； 有2个比较器和2个12位dac； 4个16位定时器/计数器。 图4.1 控制系统硬件结构框图4.2 同步信号电路同步信号电路是电机调速系统的一个重要的电路。同步信号电路的主要任务是为数字触发脉冲输出提供一个同步信号作为相位基准。根据该基准，通过单片机计算得出移相触发时间，进而确定触发角对应的触发脉冲形成时刻。并通过触发脉冲输出电路将触发脉冲分配输出。（1）同步信号获取方法是用图4.2所示电路中最后一个异或门输出的脉冲送到单片机的外部中断引脚，实现每3.3ms中断一次。下面介绍具体方法。图4.2 同步电路图图中，同步变压器与主变压器一样接成y/y-12接法，同步电压先由二级rc滤波电路滤除电源干扰，并通过调整r值实现30o移相，使三个相同步电压分别与晶闸管电源三相线电压保持同相位。三个同步电压分别经电压比较器lm339变为s1， s2， s3，三个方波信号，若以“1”表示高电平，以60o为单位时间，则s1， s2， s3的波形在电源一个正弦波周期(6个相带)内分别组成6种态：001-101-100-110-010-011，c8051通过p0口读入s1，s2， s3的状态，就可以分析判断当前应该触发的相应主电路的晶闸管触发脉冲的组号。为了便于软件处理，电源状态用字码表示，例如s1， s2， s3为011，则电源状态字码值s1， s2， s3为3. 数字无环流逻辑控制是根据速度调节器输出值的正负来选择正组或负组晶闸管，根据主电路的电流是否为零进行相应切换并记忆工作组的工作状态。通过转矩极性检测及零电流检测做出相应逻辑判断，释放一组晶闸管，闭锁另一组晶闸管，它们的器件结构是相同的。对于正组或反组晶闸管三相全控桥电路，一个周波有6个自然换向区。进入每个换向区(60o相带)要同时触发两个晶闸管，并按一定的顺序，每隔60o依次发出脉冲触发晶闸管。因此，要使单片机的触发操作具有与电源严格同步的时序，还得由硬件产生与三相电源自然换向点同步的申请中断的同步脉冲序列信号，这个同步脉冲序列的间隔是60o，它可以在主电路线电压的每个自然换相点通过c8051的外部中断引脚向cpu申请中断，结合前述读入的s1，s2，s3状态字码值，实现同步认相判断，可准确地确定当前的自然换向区应该输出哪个脚的脉冲。这个同步中断信号可以利用己经产生的s1，s2，s3信号得到。只要将三个方波信号异或，可以产生一个边沿与线电压自然换向点对齐的方波信号，该信号再经过一个rc电路和异或门处理，或者用一个74ls123单稳态触发器，即可得到一定脉宽的同步中断信号。由同步电路产生的这些有关电压的波形如图4.3单片机根据读到的不同的s1， s2， s3的值，来决定该触发哪一个管子，触发顺序如表4.1所示。图4.3 同步电压波形图表4.1 晶闸管触发顺序表s1111000s2011110s3100011被触发晶闸管1#2#3#4#5#6#4.3 触发脉冲输出电路图4.4是单片机与正组或反组六路晶闸管触发电路的连线图，scr1为第一路晶闸管触发电路，具体电路见图4.5，其余五路与第一路相同。晶闸管的触发可以采用宽脉冲触发和双窄脉冲触发两种方式。用宽脉冲触发，触发可靠性高，适用面宽，但容易使脉冲变压器饱和，因此要求脉冲变压器的铁心体积比较大。用双窄脉冲电路触发晶闸管，虽然脉冲次数比宽脉冲触发多一倍，但是可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。单片机的输出脉冲经光耦隔离，驱动达林顿管来控制脉冲变压器。脉冲变压器的输出分别接晶闸管的门极和阴极，控制晶闸管的开通和关断。图4.4 同步触发结构框图图4.5 晶闸管触发电路4.4 显示电路4.4.1 lcd 液晶显示简介液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本系统采用深圳市天助科技有限公司的液晶显示器fm-1602，它是字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块 ，外型尺寸：122*44，黄绿屏，led背光，ic：ks0076。（一）1602采用标准的16脚接口，其中:第1脚：vss为地电源第2脚：vdd接5v正电源第3脚：v0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器第5脚：rw为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和rw共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平rw为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平rw为低电平时可以写入数第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令第714脚：d0d7为8位双向数据线第1516脚：空脚1602液晶模块内部的字符发生存储器（cgrom）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字，英文字母的大小写，常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“a”的代码是01000001b（41h），显示时模块把地址41h中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“a” 。（二）1602 的指令系统 1602液晶模块内部的控制器的控制指令，现分别介绍如下：表4.2 开/关指令rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db00000001dcb（1）开/关指令： d屏幕的on/off设定，c光标的on/off设定，b光标闪烁设定。当 d=1 时屏幕on，d=0时屏幕off；c=1时光标on，c=0时光标off；b=1时光标闪烁，b=1时光标不闪烁。表4.3 光标返回第一字符位置rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0000000001x（2）光标返回第一字符的位置：但是所有屏幕上字符并不会被清除。表4.4 清显示rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db00000000001（3）清显示：清除屏幕并回到屏幕左上角。表4.5 进入模式设定rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db000000001i/ds（4）进入模式设定：设定进入模式为移动光标或是移动显示字符，这个设定在数据的写入/读取时进行。设i/d=1时光标向右移动，设定i/d=0时光标向左移动。s设为1光标跟显示字符一起移动，光标跟字符在同一位置；设为0则光标会移到下一个位置。移动光标或是移动显示字符（光标不动）并不会改变ram中的内容。s/c=1时移动显示字符光标不动，s/c=0时光标跟着显示字符一起移动；r/l=1时向右移，r/l=0时向左移。表4.6 功能设定rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db000001dlnfxx（5）功能设定：设定数据的长度（dl），显示的行数（n），每个字符的点数（f）。dl=1时为每个字符8位，dl=0时为每个字符4位；n=1时为两行，n=0时为一行；f=1时为5*10点，f=0时为5*7点。表4.7 置字符发生存贮器地址rsr/wdb7db6db5 db4 db3 db2 db1 db00001字符发生存贮器地址（acg）（6）置字符发生存贮器地址：设定cg ram的地址，cg ram的数据在地址设定后送出数据或接收数据。表4.8 置字数据存贮器地址rsr/wdb7db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0001显示数据存贮器地址（add） （7）置字数据存贮器地址：设定dd ram的地址，当地址设定后则下一个数据将会显示在刚才设定的地址上，屏幕上两行的的起始地址分别从80及c0开始。4.4.2 lcd 接口设计本测控仪采用 c8051单片机作为 mcu 来控制 1602液晶显示，如图 4.6所示。该模块与 mcu 的接口采用间接访问方式，就是通过单片机的 i/o口来控制液晶的显示。利用 c8051 单片机的 rd 口作为液晶显示的数据口。 图4.6 液晶与 mcu 的硬件接口图由于该液晶模块是2行16个字的显示模块，第一行用来显示给定速度，第二行用来显示实际转速。4.5 速度给定电路速度给定采用一个44键盘输入。键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。按其结构中分为独立式键盘和矩阵式键盘。键盘的扩展也可以通过一些特殊功能的数字芯片，如各种移位寄存器等实现。虽然程序较为复杂，但占用的单片机的接口较少。简单的键输入电路每一个键都要占一位i/o线，当按键较多时，显得i/o利用率不高。在这种情况下，可采用矩阵式键盘机构。本文采用这种非编码44矩阵式键盘，结构简单，且使用灵活。图4.7 键盘与单片机接口电路原理图4.6 看门狗max813l工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是cpu在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，cpu执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种 “跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。4.6.1 max813l芯片及其引脚一、芯片特点（1） 加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200ms。（2） 独立的看门狗输出，如果看门狗输入在1.6s内未被触发，其输出将变为高电平。（3） 1.25v门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或5v以外的电源监控。二、max813l的引脚及功能max813l芯片引脚排列见图4.8图4.8 max813l芯片各引脚功能及工作原理（1）手动复位输入端（mr）当该端输入低电平保持140ms以上，max813l就输出复位信号。该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。mr与ttl/cmos兼容。（2）工作电源端（vcc）：接+5v电源。（3）电源接地端（gnd）：接0v参考电平。（4）电源故障输入端（pfi）当该端输入电压低于1.25v时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平（5）电源故障输出端（pfo）电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。（6）看门狗信号输入端（wdi）程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。（7）复位信号输出端（rst）上电时，自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。（8）看门狗信号输出端（wdo）正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。4.6.2 硬件电路图图4.9给出了max813l在单片机系统中的接线路图。此电路可以实现程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；本电路巧妙地利用了max813l的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”，wdo端电平由高到低，当wdo变低超过140ms，将引起max813l产生一个200ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使wdo引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使max813l产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲mr端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效地消除开关抖动。 c8051rset p2.1图4.9 max813l与c8051硬件实现电路图4.7 脉冲信号反馈模块采用光电式码盘传感器对直流电机转速进行测量,其结构简单易于实现，测量准确度高。光电式码盘是一种非接触性光电传感器，它具有测量准确度高、响应速度快、可靠性高和使用寿命长等优点。我们应用光码盘测试原理, 完成了直流电机测速装置设计(工作原理如图4.10所示)。其装置具有结构简单，测速准确度高的优点。图4.10 工作原理图图4.11 测速脉冲电路由于采用了光电式码盘作为传感器，其速度转换电路，如图4.11所示，发光二极管led发出红外光，透过遮光板tlp的圆孔照射光敏三极管t1，使其迅速由截止状态变为导通，如此反复形成光脉冲信号，经t2的放大，再由74ls04反向整形后送给单片机。利用单片机的定时/计数器功能,对信号进行固定周期性采样，t1口和传感装置连接，对信号进行计数。该测速电路充分利用单片机，完成一系列的数据采样、处理，最后计算得到较准确的速度值并显示该速度。5 系统的软件设计5.1 光电编码器测速的软件设计本文采用m/i法对脉冲进行测速。具体方法如下： 在图5.1中，t为实际检测时间，t0是一固定不变的定时时间，当转速脉冲的上升沿到来时，启动定时t0，由两个计数器分别对转速脉冲m1和高频脉冲数m2计数。当定时t0结束时，ml停止计数，m2继续计数。当转速脉冲的下一个上升沿到来时，m2停止计数，则可得到电机的转速图5.1 m/t法检测转速原理图 （5-1）式中-高频计数脉冲信号的频率；本系统中为c8051内定时器t1的时钟信号，由于采用1 6mhz晶振，=1mhz；p-光电脉冲编码器每转输出的脉冲数，p=600 16 -倍频次数。 将和p的参数代入上式，得 （5-2）转速脉冲信号被送到c8051的hsi0引起上升沿中断，此时开始定时t0，同时记下计数器t1的值，t2开始对hsi1接收到的转速脉冲计数，并关闭hsi0中断。当定时t0到时，开启hsi0中断，停止计数，等待hsi0的上升沿。当上升沿到来时，读取计数器t1的值，计算两次计数器t1的差值得到高频脉冲数，这样就完成了一次转速测量周期。由此根据式(5-2)即可计算出当前电机的转速。下面介绍一下如何在程序中具体实现。(1)因为要在软件定时器2的第一次中断中进行转速环的pid计算，所以测速从这里开始。首先允许hsi0中断，然后设 hsi中断模式为每个脉冲的正跳变引起中断。(2)转速脉冲引起hsi0中断，如果是第一次中断则记下当前时间作起始时间st，设软件定时器1中断时间t0，关hsi0中断，启动hsi数据有效对计数；如果是第二次中断则把当前的时间作为结束时间ft。(3)启动hsi数据有效中断后，每一个转速脉冲的上升沿都会引起hsi数据有效中断，在每一次hsi数据有效中断程序中，让计数变量增加1。 图5.2 hsi0中断 /his数据有效中断(4)过了t0时间后，软件定时器1产生中断。在中断程序中开hsi0中断(允许hsi0中断)，关hsi数据有效中断(停止对计数)。见图5.2(5)下一个转速脉冲来时，就引起hsi0中断。这个中断是第二次hsi0中断，把当前的时间作为结束时间ft。见图5.2然后用公式 (5-2)计算转速。至此，转速测量结束。图5.3 软件定时中断子程序5.2 显示模块的软件设计显示部分的程序是采用软件定时中断来完成的，多少时间显示一次可在软件中设定。图5.3是软件定时中断子程序。pid计算也是在软件定时中断子程序中完成的。5.3 触发脉冲的软件设计本系统中，用定时器1作为hso的时间基准，触发角和脉宽的控制都是靠hso的定时功能来实现的。定时器1在系统中作实时时钟用，其时钟信号来自内部的时钟发生电，每8个状态周期计数加1，c8051的状态周期由振荡器信号2分频后获得，采用16mhz晶振，其状态周期为1