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基于单片机的磨片机直流调速系统 摘要 本设计为一种直流电动机调速系统，该系统以a t 8 9 c 5 1 单片机为控制核心， 通过键盘输入控制直流电机的启停和转速以及定时时间的设定。电机转速与定 时时间设定通过一组数码管显示。该系统采用晶闸管整流电路实现调压功能， 即通过单片机控制晶闸管导通角来调节输出电压，从而实现对直流电机的转速 调节。 关键词：晶闸管、单片机 m i c r o c o n t r o l l e rb a s e dd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m f o rt h em i c r o s e c t i o nm a c h i n e a b s t r a c t w ed e s i g nak i n do fd i r e c tc u r r e n tm o t o rs y s t e m a t 8 9 c 5 1i st h ec o n t r o l c e n t r a lo ft h i ss y s t e ma n dw ec a i lc o n t r o lt h er o t a r ys p e e do fm o t o ra n d w o r k i n g t i m ev i ak e y b o a r d s t h er o t a r ys p e e da n ds e t t i n gt i m ec a nb ed i s p l a y e dw i t he i g h t l e d s i nt h es y s t e m ，a t 8 9 c 51m o d u l a t e st h ea n g l eo ff l o wo fs i l i c o nc o n t r o l l e d r e c t i f i e r , a n dt h e n ，t h ev o l t a g eo fa r m a t u r ei sc o n t r o l l e d i nt h i sw a y , w ea d j u s t r o t a r ys p e e do fm o t o r k e yw o r d s ：s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r s i n g l ec h i p 插图清单 图2 1 主电路原理图5 图2 2 晶闸管等效图解图6 图2 3 晶闸管基本伏安特性7 图2 4 阳极加反向电压7 图2 5 阳极加正向电压7 图2 6 阳极和控制极均加正向电压8 图3 1 控制器结构1 2 图3 2 同步信号电路产生的原理1 3 图3 3 过零同步信号的产生1 4 图3 47 4 l s l 2 3 逻辑图1 5 图3 5 同步信号发生电路1 6 图3 6 基于8 2 7 9 的人机接口电路2 2 图3 7l e d 显示和按键2 2 图3 8 驱动电路原理图2 3 图3 9 触发变压器连接框图2 4 图3 1 0 电源原理图2 4 图3 1 1 控制器电路全图2 5 图4 1 主程序流程图2 6 图4 2 外部中断0 的服务程序2 7 图4 3 定时器0 中断服务程序2 7 图5 1 控制器印制板设计2 8 图5 2 印刷电路板图2 9 表格清单 表2 一l 晶闸管导通和关断条件7 表2 2 过电压保护阻容选值l0 表3 17 4 l s l2 3 逻辑功能表1 5 表5 1 元器件清单3 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目墨工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者虢懒签字嗍。￥销月于日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 壁墨些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：多辟、j 月占日 导师签名： 签字日期：oi 年f 月f 7 日 致谢 本论文是在学校导师张崇巍教授、企业导师李长久高级工程师指导下完成 的，两位导师学识之渊博、治学之严谨、待人之诚挚热情，尤其是实事求是之 作风，给我留下了极其深刻的印象，是我终身学习的楷模。在三年多的工程硕 士学习和生活期间，倍受二位导师的亲切关怀和热心指导，在此论文完稿之际， 首先向两位导师表示衷心感谢。 在论文的试验过程中，始终得到了合作单位承德石油高等专科学校邹震春、 邓立新等老师的热心指导，在资料搜集方面得到了邹震春教授、李长久高级工 程师的大力协助，在控制系统的设计方面得到了承德石油高等专科学校邓立新 老师的帮助。在此，我向他们表示深深的感谢。 在整个研究生学习期间，我所在的单位承德石油高等专科学校电气与电子 系的各位领导和同事们在学习和生活上均给予了大力支持，在此，我也向他们 致以谢意。 曹登场 2 0 0 8 5 第一章绪论 1 1 直流调速系统 近年来交流调速系统发展很快，这是因为交流电动机特别是感应电动机无 须直流电动机的电刷换向器结构，从而在成本和可靠性上占有优势。然而在控 制性能上，交流调速系统需要采取复杂的控制技术( 如矢量控制) 来逼近直流 电动机天然的磁场正交特性。从控制的角度看，直流拖动控制系统是交流拖动 控制系统的基础。直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，容易得到 高的控制性能，因此直流调速系统在生产生活中仍然发挥着举足轻重的作用。 直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的 要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变 电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使 电动机的稳定运转速度发生变化。 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速。直流 调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动 装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自 动控制系统中。 本选题的目的就是根据磨片机自身的特点，采用数字化技术设计一个适合 磨片机转速控制的直流电机调速系统。 1 2 直流调速系统的数字化 直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对直流电动机进行供电，通 过改变电路的输出电压从而控制电动机的转速。 传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一 定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影 响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响， 从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保 证，甚至出现事故。 当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的， 以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。而计算机技术怎样与实际 应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算 机应用中空前活跃的领域。 随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使直流调速控制的各 种功能几乎均可通过基于微处理机的控制器硬件结合软件模块来加以实现，即 从过去的模拟控制向模拟一数字混合控制发展，乃至实现全数字化的直流调速 控制系统。直流电动机调速系统通过单片机控制可实现人机对话，极大地提高 设备的自动化程度，能提高生产率、可靠性与柔性。 在数字化系统中除具有常规的调速功能外，还可实现故障报警。诊断及显 示等功能。数字系统还可以形成数字通信能力，通过选配适当的通信接口模板， 可方便地实现主站( 如上一级p l c 或计算机系统) 和从站( 单机交、直流传动 控制装置) 间的数字通信，组成分级多机的自动化系统。 为易于调试，数字系统的软件一般设计有调节器参数的白优化功能。通过 启动优化程序可实现自动寻优和确定系统的动态参数，以及实现如直流电动机 磁化特性曲线的自动测试等，有利于缩短调试时间和提高控制性能。 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。与模拟系统类 似，全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还 是有模拟调速系统无法比拟的优点，技术更先进，操作更方便。 数字调速系统与模拟调速系统相对比，技术性能有如下优点： ( 1 ) 静态精度高且能长期保持： ( 2 ) 动态性能好，借助于丰富的软件，易于实现各类自适应和复合控制： ( 3 ) 调速范围宽： ( 4 ) 电压波动小； ( 5 ) 参数实现软件化，无漂移影响； ( 6 ) 所用元件数量少，不易失效； ( 7 ) 设定值量化程度高，且状态重复率好； ( 8 ) 放大器和级间耦合噪声很小，电磁干扰小； ( 9 ) 调试即投产，灵活方便，易于设计和修改设计； ( 1 0 ) 标准及通用化程度高，除主c p u 模块外，仅数种附加模块； ( 1 1 ) 可实现包括工艺参数在内的多元闭环控制； ( 1 2 ) 适用范围广，可实现各类变速控制及易于实现与单片机或p l c 系统通 l 佰o 直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是： ( 1 ) 常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结 构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便； ( 2 ) 动态参数调整方便； ( 3 ) 系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系 统的可靠性； ( 4 ) 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能： ( 5 ) 可采用数字反馈来提高系统的精度； ( 6 ) 容易与上一级计算机交换信息； ( 7 ) 具有信息存储、数据通信的功能； ( 8 ) 成本较低。 2 1 3 基于单片机的磨片机直流调速系统 自动化电力拖动系统正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进，以 达到高速、优质、高效率地生产。因此，在低成本自动化技术与设备的开发领 域，特别对于小型企业，实现计算机控制的生产过程自动化是亟需深入研究的 重要课题之一，具有长远的意义。 论文作者所在的承德是全国实验机厂的基地。由于实验机的特点是精度高， 各批实验机的要求不同，生产批量少，调试工作量大。这些实验机厂科研力量 一般不足，其设计、研发一般与承德唯一的工科院校一承德石油高等专科学校 合作，本课题即来自实验机厂。 磨片机是实验设备厂中应用非常广泛的机械。本选题针对磨片机的转速控 制，设计一种基于单片机的直流调速系统，从而提高设备的性能和功能。 由于磨片机对直流拖动系统的要求是可以根据应用情况灵活地改变转速， 但并不要求很高的调速精度，因此本选题采用了一个开环的直流电动机调压调 速系统，其系统组成如图1 1 。 图1 1 磨片机直流电机调速系统组成 本选题实现磨片机转速控制的直流电机调速系统的方案要点是： 1 ) 磨片机电气参数： 直流电机：转速0 一- - 1 5 0 0 转：电枢输入直流电压0 2 2 0 v 可调，电流i q m = 2 a ：励磁绕组电压2 0 0 v 电流i o = o 5 a 。输入电压：工频 2 2 0 v 。 2 ) 直流电动机的采用单相不控整流器提供较为稳定的磁场，采用单相晶闸 管整流电路向电枢供电以实现调压调速。电枢输入直流电压在0 ，- - - 2 2 0 v 间可调， 从而实现磨片机0 ，- - - 1 5 0 0 转的转速控制。 3 ) 以5 1 系列单片机为核心设计直流调速控制器，实现晶闸管整流器的移 相触发，控制器可通过人机接口控制直流电机的启停、转速以及定时时间的设 定。 本选题主要工作如下： 3 ( 1 ) 确立磨片机直流电机调速系统组成； ( 2 ) 进行各电路单元的设计并确定参数； ( 3 ) 编制优化单片机软件程序并调试： ( 4 ) 完成实现磨片机转速控制的直流电机调速系统的样机，并进行调试。 4 第二章直流调速系统主电路设计 2 1 直流调压调速主电路结构 采用单相晶闸管整流器的直流电动机驱动主电路如图2 1 所示： 图2 1 主电路原理图 磨片机的电机为他励直流电动机，其励磁绕组由单独的直流励磁电源提供， 该励磁电源由交流2 2 0 v 经过不控整流装置提供。为充分利用电源电压的整个周 期，固定整流装置采用单相桥式整流电路，即把四个整流二极管接成电桥形式。 他励直流电动机的转速特性为： 门= 茜一南l 旺， 其中：n 、u 、函、厶和r 。分别是电动机的转速、电枢电压，气隙磁通、电枢电 流和回路电阻( 包括电枢电阻) 。由此 磨片机的调速采用调压调速的方法。调压调速需要电压可调的直流电源。 为实现电路简单经济和电源利用率高，本设计采用为单相桥式半控整流电路， 即将单向桥式整流电路中的一对整流二极管换成晶闸管。 为实现优良的控制特性，要求电枢电流连续且脉动小，在电路中一般需要 有一定的电感量，因此在电路中需配置平波电抗器和电机电感一起实现平波作 用。为了使单相桥式半控整流电路能正常工作，在负载两端需要并联一个续流 二极管。 电路工作的基本原理控制器通过检测交流输入电压的过零点而产生同步信 号，并以同步信号作为时间基准产生控制晶闸管的移相触发信号，触发晶闸管 导通。移相控制的晶闸管整流器的输出电压： ：0 9 1 + i c o s a ( 2 2 ) 二 不同的移相角9 将得到不同的输出电压砜，而该电压作为电动机的电枢电压， 电动机的转速将会随其改变而变化。 2 2 晶闸管整流器的设计 电机控制电路主要由单相半控桥式整流电路、固定桥式整流电路、以及续流 二级管等组成。 2 2 1 晶闸管的工作原理 晶闸管是p 1 n 1 p 2 n 2 四层三端结构元件，共有三个p n 结。在分析其工作 原理时，可以把它看作由一个p n p 管和一个n p n 管所组成，其等效图解如图 2 4 所示 j 3 j 2 3 i 图2 2 晶闸管等效图解图 当阳极a 加上正向电压时，b g l 和b g 2 管均处于放大状态。此时，如果从 控制极g 输入一个正向触发信号，b g 2 便有基流i b 2 流过，经b g 2 放大，其集 电极电流： ic 2 = 皮i b 2 。 因为b g 2 的集电极直接与b g l 的基极相连，所以 i b l = i c 2 。 此时电流i c 2 再经b g l 放大，于是b g i 的集电极电流 i c l = f l l l b l ：f l l f l 2 1 b 2 。 这个电流又流回到b g 2 的基极，表成正反馈，使i b 2 不断增大，如此正反 馈循环的结果，两个管子的电流剧增，晶闸管便饱和导通。 由于b g l 和b g 2 所构成的正反馈作用，所以一旦晶闸管导通后，即使控 制极g 的电流消失了，晶闸管仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发 作用，没有关断功能，所以这种晶闸管是不可通过关断触发信号而关断的。 由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特 性需要一定的条件才能转化，此条件见表2 1 。 6 表2 1 晶闸管导通和关断条件 状态条件说明 1 、阳极电位高于是阴极电位 从关断到导通两者缺一不可 2 、控制极有足够的正向电压和电流 1 、阳极电位高于阴极电位 维持导通两者缺一不可 2 、阳极电流大于维持电流 l 、阳极电位低于阴极电位 从导通到关断任一条件都可 2 、阳极电流小于维持电流 2 2 2 晶闸管的基本伏安特性 晶闸管的基本伏安特性见图2 3 。 l il i a r ；! 雏懈1 赢 ! 融 蟹，一 i | i ：= 1 丁一7 - 一j 勿凫 l 嗍l d r ( 荔j ，一 f ：i t l t t l o l l q 0 游塾； 圉2 3 晶闸管基本伏安特性 1 ) 反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时( 见图2 4 ) ，j 2 结正偏，但儿、j 2 结 反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到j l 结的雪崩击 穿电压后，接差j 3 结也击穿，电流迅速增加，图2 3 的特性开始弯曲，如特性 o r 段所示，弯曲处的电压t y r o 叫“反向转折电压”。此时，晶闸管会发生永久 性反向。 图2 4 阳极加反向电压 2 ) 正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时( 见图2 5 ) ，儿、j 3 结正偏，但j 2 结反偏，这与普通p n 结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻 断状态，当电压增加，图2 5 的特性发生了弯曲，如特性o a 段所示，弯曲处的 是u b 0 叫正向转折电压。 图2 5 阳极加正向电压 7 由于电压升高到j 2 结的雪崩击穿电压后，j 2 结发生雪崩倍增效应，在结区 产生大量的电子和空穴，电子时入n 1 区，空穴时入p 2 区。进入n i 区的电子 与由p 1 区通过j l 结注入n 1 区的空穴复合，同样，进入p 2 区的空穴与由n 2 区通过j 3 结注入p 2 区的电子复合，雪崩击穿，进入n 1 区的电子与进入p 2 区 的空穴各自不能全部复合掉，这样，在n 1 区就有电子积累，在p 2 区就有空穴 积累，结果使p 2 区的电位升高，n 1 区的电位下降，j 2 结变成正偏，只要电流 稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图2 。3 的虚线a b 段。 这时j l 、j 2 、j 3 三个结均处于正偏，晶闸管便进入正向导电状态通态， 此时，它的特性与普通的p n 结正向特性相似，见图2 5 中的b c 段 3 ) 触发导通 在控制极g 上加入正向电压时( 见图2 6 ) 因j 3 正偏，p 2 区的空穴时入 n 2 区，n 2 区的电子进入p 2 区，形成触发电流i g t 。在晶闸管的内部正反馈作 用的基础上，加上i g t 的作用，使晶闸管提前导通，导致图2 5 的伏安特性o a 段左移，i g t 越大，特性左移越快。 图2 6 阳极和控制极均加正向电压 2 2 3 晶闸管的参数选择。 根据磨片机采用的直流电动机参数，晶闸管整流器具有如下极限参数： 最大输出电压：u 2 m 双= 2 2 0 v ； 最大输出电流：i o m = 2 a 。 晶闸管和续流二级管承受的最大电压为： u 御= 4 2 u 2 = 2 2 2 0 v = 3 1 1 v 其电流的有效值为 l - r - - - 1 1 1 2 a = 2 2 2 a 晶闸管的型号计算为： 额定电压：u t n = ( 2 3 ) u r n = 6 2 2 - 9 3 3 v 选择6 0 0 v t 额定电流：i t ( a v ) = 1 5 2 t 与2 2 1 2 8 a 选择2 0 a 续流二级管型号计算： u t d = ( 2 - - - 3 ) u t d = 6 2 2 9 3 3 v选取6 0 0 v t i d ( a v ) 2 1 5 2 ) f 茜2 彳 选取2 0 a 8 2 2 4 平波电抗器的计算 在晶闸管变流设备如相控整流器、有源逆变器中，平波电抗器是一个重要 的部件。它有多种作用，如输出滤波即限制输出电流中的脉动成分；保持输出 电流连续以改善电力传动系统的机械特性；在多部整流逆变装置组成的可逆电 力拖动系统中限制环流等等。 对于直流电力拖动系统，负载是直流电动机，希望其电流中尽可能地保持 直流成分而消除交流成分，因此在输出回路中串入电抗器的目的就在于此。 平波电抗器的作用目的不同，对电感量的要求也不同。例如可以以限制输 出电流的脉动为目的，也可以以负载电流连续为目的。在本设计中的负载为直 流电动机，负载电流出现断续会使电机的机械特性变软，系统特性变坏。因此 电感的选择以负载电流连续为目的。 本设计中的桥式整流器带反电动势负载，为保证电流连续所需的电感量由 下式计算： l ：2 4 2 u 2 ：2 8 7 j 生( m h )( 2 3 ) n w i d m 面j j m i n 。 其中：u 2 为交流输入电压( 本设计无变压器，因此为2 2 0 v ) ，加为负载电流 的临界连续值。 式( 2 3 ) 中工为整流回路总电感，它包括电抗器的电感和电机电枢的电感 以及其它杂散电感。电抗器的电感量应为减去电动机电枢电感如。 电动机电枢的电感量与电机的结构、极对数、额定电压、额定电流、额定 转速等因素有关，可由下式计算： ，r = k d 导( i i l h ) ( 2 4 ) z p m d 式中：【，d _ 一电动机的额定电压； 卜电动机的额定电流； ，r 电动机的额定转速； 广电动机的极对数； 广一计算参数，对于无补偿电机，一般取8 到1 2 ；对于快速无补偿电机， 一般取6 到8 ；对于有补偿电机，可取5 到6 。 本设计中的直流电动机的额定电压为2 2 0 v ，额定电流为2 a ，晶闸管整流 器交流输入为2 2 0 v 。取临界负载电流为电动机额定电流的5 1 0 。由式( 2 3 ) 计算得到电感值为6 3 1 4 3 1 5 7 ( m h ) 。 按式( 2 4 ) 计算得到的电动机电枢电感很小，可忽略。 9 2 2 5 保护电路的设计 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的关键。 2 2 5 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。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保 护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。 ( 1 ) 交流侧过电压保护。即在交流输入侧并联电阻r 和电容c 进行保护。 ( 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， ( 3 ) 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护。抑制晶闸管关断过电压一般 采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法，其取值可参照表2 2 。电容耐压可选 加在晶闸管两端工作电压峰值的1 1 1 1 5 倍。 表2 2 过电压保护阻容选值 晶闸管额定电流a 1 02 05 01 0 02 0 05 0 010 0 0 电容l - t f o 10 150 20 2 50 5l2 电阻q 1 0 08 0 4 02 0 1 052 本设计中取c = 0 1 9 f ，r = 1 0 0 q 。实际采用0 2 1 a f 的c z j d 2 型金属化纸介 质电容器和2 0 q 普通金属膜电阻器。 2 2 5 2 过电流保护 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 选1 2 = 5 3 7 a ，选取r l s 1 0 快速熔断器，熔体额定电流6 a 。 2 ) 晶闸管串联的快速熔断器的选择 选i = 1 2 = 5 3 7 a ，i t = 3 11 a ，选取r l s 1 0 快速熔断器，熔体额定电流4 a 。 2 2 5 3 电压和电流上升率的限制 造成晶闸管承受电压上升率d v d t 过大的原因一般有两种：由电网侵入的过 电压；由于晶闸管换相引起的过电压。电压上升率d v d t 过大时会使晶闸管误导 通。因此对作用于晶闸管的正相电压上升率应有一定的限制。采用在晶闸管两 端并联阻容元件的方法，作为晶闸管的过电压保护。 l o 造成晶闸管承受电流上升率d i d t 太大的原因一般有：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。d i d t 太大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。限制d i d t 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d v d t 降低。 第三章基于5 l 系列单片机的控制器设计 本选题设计的直流调速系统包括主电路和控制回路，主电路已在前一章阐 述。主电路需要在一个控制器的控制下才能完成既定的调速任务，而控制器本 身则由单片机作为核心，由检测电路，驱动电路，人机接口等组成，并与软件 结合形成有机的整体。 控制器采用5 1 系列单片机为控制核心，通过键盘输入控制直流电机的启停 和转速以及定时时间的设定，电机转速与定时时间设定通过一组数码管显示。 驱动电路在同步信号的控制下发出晶闸管的移相触发脉冲，检测电路包括过零 检测，电源逻辑状态检测等部分。 考虑经济效益和设计要求的需要，单片机采用国内应用广泛、价格低廉的 a t 8 9 c 5 1 型号，键盘选用通用可编程键盘，数码管采用l e d 数码管。i o 电路 的设计包括同步信号获得电路、触发脉冲整形及驱动电路等。 在确定磨片机转速控制的直流电机调速系统的组成后，要具体设计各单元 模块。元件和芯片的选取原则为既要满足设计要求，又要考虑经济效益。各模 块的核心器件确定后，要进行可行的电路设计。 3 1 基于5 1 系列单片机的控制器设计 直流调速系统的控制器设计如图3 1 所示 图3 1 控制器结构 g 控制器由单片机、人机对话电路、同步信号获得电路、触发脉冲整形及驱动 1 2 电路构成。 考虑到设计程序大小，及整个系统所用需要的单片机资源，拟选用5 1 系列 单片机。5 1 系列单片机问世早、产品系列齐全、兼容性强，是我国目前主要使 用的单片机系列。它有4 k b 的r o m 、1 2 8 b 的r a m 、两个1 6 位的定时计数器、4 个8 位并行口、全双工串行口，完全可以满足设计的要求。 人机对话部分根据设计要求，采用4 x 4 键盘、8 位数码管显示、显示接口控 制芯片8 2 7 9 ：拟采用典型可编程键盘、8 个l e d 数码管、显示接口控制芯片8 2 7 9 。 其中显示接口控制芯片8 2 7 9 最多可接3 2 位数码管、4 x 8 键盘，完全满足设计要 求。 8 2 7 9 有编码和译码两种方式，由于译码方式只能实现4 位扫描，外接显示管 不能多于4 位，不能满足设计要求，所以采用编码方式。采用编码方式需要配合 适当的译码器完成译码功能。由于扫描位不大于8 位所以采用3 8 译码器即可以 满足要求。拟采用7 4 s l l 3 8 实现译码功能。由于8 2 7 9 的u o t x 端口的驱动能力不 能满足数码管的段驱动要求，而7 4 s l l 3 8 的输出也不能满足数码管的位驱动要 求，所以均需要加驱动电路。8 2 7 9 的扫描信号经1 3 8 译码后，分两路分别送给数 码管的位驱动电路和键盘的行扫描电路。 单片机输出为窄脉冲信号，电压、电流都很小，不能直接触发晶闸管，所 以通过单稳态电路7 4 l s12 3 ，把在窄脉冲信号变成定宽脉冲信号，再经驱动电路， 来触发晶闸管。 3 。2 同步信号电路设计 同步信号电路由同步信号获得电路、整形电路、脉冲方向变换电路组成如 图3 2 所示。 z ：m 童l 圉3 2 同步信号电路产生的原理 该电路的主要功能是将由同步变压器获得的与交流输入同步变化的低压交 流信号，经l m 3 3 9 组成的过零比较器将正弦波变换成平顶方波，然后再经单稳 触发器芯片7 4 1 l s l 2 3 将方波有效的上升沿转换成下降沿，以满足单片机中断对 1 3 过零点检测的要求。 正弦信号一 j l j l 图3 3过零同步信号的产生 该模块电路由有l m 3 3 9 、7 4 l s l 2 3 ，和7 4 l s 0 2 组成。 l m 3 3 9 类似于增益不可调的运算放大器，每个比较器有两个输入端和一个 输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+ 表示，另一个称为反相输入 端，用“一 表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做 参考电压( 也称为门限电平，它可选择l m 3 3 9 输入共模范围的任何一点) ，另一 端加一个待比较的信号电压。当“+ 端电压高于“”端时，输出端接高电位； 当“一”端电压高于“+ 端时，输出端接低电位。两个输入端电压差别大于1 0 m v 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把l m 3 3 9 用在弱 信号检测等场合是比较理想的。 l m 3 3 9 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出 端到正电源一般须接只电阻( 称为上拉电阻，选3 1 5 k ) 。选不同阻值的上拉 电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电 压基本上取决于上拉电阻与负载的值。因为要检测正弦信号的过零点，所以它 的参考应电压为零，同相端的输入电压为1 5 v 的交流电，而l m 3 3 9 同相端的输入 电压为1 v 左右，因此r 1 = 1 5 k ，r 1 6 = l k 女l 图3 3 所示： 信号经l m 3 3 9 后，变成方波信号，但单片机i n t l 为边沿触发。因此，信 号还要经过整形和脉冲方向变换。 7 4 l s l 2 3 是一种双可重触发的单稳态触发器。它的逻辑符号及菜单如图3 4 所示。 1 4 1 ： r c c o m o c t c o j t r a q j 1 孓 1 t r b j 2 c l r 印 4 + 3 。 图3 47 4 l s l 2 3 逻辑图 7 4 l s l 2 3 的功能如下： ( 1 ) 有a 和b 两个输入端，a 为下降沿触发，b 为上升沿触发，只有a b = i 时电路才被触发。 ( 2 ) 连接q 和a 或q 与b ，可使器件变为非重触发单稳态触发器。 ( 3 ) c l r = 0 时，使输出q 立即变为o ，可用来控制脉冲宽度。 7 4 l s l 2 3 是双可重触发的单稳态触发器，该芯片内有两个独立的单稳态触 发器，各管脚以字头1 、2 相区别。7 4 l s l 2 3 输出的基本脉冲宽度主要由外接定 时电阻( m ) 和定时电容( c 嘲) 决定。 t w 0 4 5 r e x tc 懿t( 3 1 ) 单稳态触发器的翻转时刻决定于a 、b 、c l i 三个输入相与的结果， 表3 1 是7 4 l s l 2 3 的功能表，其中“正 为正脉冲，“负”为负脉冲。 表3 17 4 l $ 1 2 3 逻辑功能表 n o u t s o u t o u t s c l e a r a b q q l 一 一 一 l h 一 一h 一 pl h 一 jj h lh h lt j几1 厂 h 1 jh 一几 v t jlh 一且v 复位端c l r 也具有上跳触发单稳态过程发生的功能。 通过在a 端或b 端加再触发脉冲，可使输出脉冲的宽度加宽。 由于单片机中断源在每个机器周期被采样一次，所以输入的高电平或低电 平至少必须保持1 2 个振荡周期，以保证被采样，所以t w 只要大于1 2 振荡周 期就可以，本设计选c 矗- - 0 1uf 、越= i k q ，则 ，t w - 0 4 5 1 k 0 1l af = 0 0 4 5 m s 7 4 l s l 2 3 的连接如图3 5 所示。此时，信号经7 4 l s l 2 3 整形以后变为一个上 升沿的窄脉冲信号，再经过一个或非门电路( 7 4 l s 0 2 ) 将上升沿变为下降沿， 就可以作为单片机i n t l 的触发信号。 图3 5 同步信号发生电路 以上所述为同步信号检测电路的原理，软件在此基础上经过适当的延时， 通过输出引脚发出品闸管触发脉冲，形成了基于软件的晶闸管整流器调压功能。 3 3 人机接口设计 根据设计要求，需要8 个l e d ，以及4 4 键盘，其中有一个键作为系统的 复位键，整个电路模块采用通用可编程键盘，显示接口芯片8 2 7 9 。段驱动采用 7 4 l s 2 4 4 ，7 4 l s138 译码器和4 51 组成位驱动。 8 2 7 9 接口芯片，最多可实现8 8 键盘输入和3 2 位数码管动态扫描显示。 扫描方式分译码和编码两种，用译码方式外接显示管不能多于4 位，所以采用 编码方式。而采用编码方式需要配合适当的译码器完成译码功能。由于8 2 7 9 0 u t a 0 o u t a 3 、o u t b 0 o u t b 3 的输出不能直接驱动数码管。所以增加一级 驱动芯片作为段驱动。 3 3 18 2 7 9 芯片简介 8 2 7 9 可按其功能分为：键盘功能块、显示功能块、控制功能块；与c p u 接 口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分， 1 6 它主要用来控制键盘和显示功能块工作。 控制和定时寄存器：用于存贮来自c p u 的编程命令，c p u 对8 2 7 9 编程以 确定键盘与显示器工作方式和其它工作条件时，先把命令控制数据放到数据总 线上，然后使a 0 - - 1 ，w r - - 0 ，c s = 0 ，并在w r 上升沿把命令键存在控制和定时 寄存器中，并经译码，建立适当的功能。 定时和控制：它含基本的定时计数器，第一个计数器是一个分频系数为2 3 l 的前置定时器，分频系数可由程序预置，使内部频率1 0 0 k h z ，从而能给出5 1 m s 键盘扫描时间和1 0 。3 m s 反跳时间，其它计数器将此基本频率分频后，提供适当 的按键扫描。行扫描，键盘阵列扫描，以及显示器扫描次数。 扫描计数器：扫描计数器有两种工作方式，在编码工作方式时，计数器提供 一种二进制计数，通过管脚s l 0 一s l 3 输出后经外部译码才能提供给键盘和显示 器的扫描作用，在译码工作方式时，扫描计数器对最低二位进行译码，s l o s l 3 输出4 选1 的译码信号，作为显示器和键盘的译码扫描， 键盘功能块包括：返回缓冲器，键盘反跳及控制，8 x 8f i f o 传感器r a m ， f i f o 传感器r a m 状态。 3 3 1 1 返回缓冲器与键盘反跳及控制 8 条返回线被返回缓冲器缓冲，在键盘工作方式中，这几条线被逐个检测， 以找出该行键中闭合的键，如果反跳电路测知某键闭合，则它等待1 0 3 m s ，然 后重核此键是否仍然闭合，如果仍闭合，那么该键在矩阵中的行列地址以及 s h i f t 和c n t l 的状态一起被送到f i f o r a m 中，其在f i f or a m 中的数据格 式如下： l d 7d 6d 5id 4id 3 d 2id i i d o ic n t ls h i f t s c a nr e t u r n - 数据格式中，最高位c n t l ，次高位为s h i f t 状态，d 5 一d 3 来自扫描计数 器，i ) 2 - d o 来自返回计数器，扫描线计数器和回扫线计数器的值分别反映出被 按下键的行，列的值，如果在传感器阵列中，返回线上的数据直接进入传感器 r a m 中相应于阵列中正被扫中的那行，这样每个开关位置就直接反映为一个传 感器r a m 的位置 3 3 1 2 f if o 传感器r a m 一个8 x 8r a m ，在键盘方式和选通方式中它是一个先入先出( f i f o ) 存贮器， 每一条新的信息顺次写入，然后又按写入顺序读出，在传感器阵列扫描方式时， 存贮器作为传感器r a m ，这时r a m 中的各行存着传感器阵列中相应行的状态。 f i f 0 传感器r a m 状态 在键盘或选通方式中，f i f o 状态跟踪f i f o 中字符数量注意它是“满”还 是“空，写入或读出过多均被认作出错，当f i f o 非空时，状态逻辑提供一个中 1 7 断申请i r q 信号，在传感器阵列扫描方式，若测知某一传感器变化时，i r q 则 为有效高电平。f i f o 状态字的低3 位表示f i f o 中的字符数，f 表示t f i f o r a m 已满；o ( o v e rm n ) 表示越限错误，即试图向己满的f i f o 送另一字符；u o a n d e r d o n e ) 表示取空错误，即试图读取已空的f i f o s f 有两种含义：在传感器扫描方式 时，s f 表示在传感器r a m 中至少包含了一个传感器闭合指示，在特殊错误方 式时s f 位是出错标志，来指示是否发生了多路同时闭合错误，d u 位表示由于 c l e a rd i s p l a y 或c l e a ra l l 命令尚末完成其消除操作而使显示r a m 尚不 可用。 3 3 1 3 显示功能块 包括：显示寄存器，1 6 x 8 显示r a m ，显示地址寄存器。 8 2 7 9 内部有1 6 x 8 的显示r a m ，通过显示寄存器和两个四位端口o u t a 0 3 ， o u tb o 一3 来刷新显示，显示器可以是白炽灯，也可以是8 段数码管，显示r a m 可以是1 6 x 8 的形，也可以构成两个1 6 x 4 的r a m 形式，显示r a m 可由c p u 进行读，被读写的r a m 字节地址由显示地址寄存器指示。 显示地址寄存器保存当前c p u 读或写的那个r a m 地址，以及正显示着的 那两个4 位半字节的地址，读写地址由c p u 命令编程，也可置为每次读写后地 址自动加l 的工作方式，在设置了正确的工作方式后，显示r a m 可直接由c p u 读出，半字节a 和半字节b 地址自动由8 2 7 9 更新，以适应由c p u 送入的数， a 和b 半字节可独立送入，也可作为一个字送入，随c p u 所设置的工作方式而 定。 3 3 1 4i 0 接口功能块 8 2 7 9 通过数据缓冲器与i o 控制，使8 2 7 9 与c p u 系统总线接口，i o 控制 部分用线控制c p u 与8 2 7 9 之间的数据交换，数据缓冲器是数据交换的双向通 道，控制信号与数据交换间的逻辑关系见下表： c s i a 0 1 w r i r d 10c p u 从8 2 7 9 读状态 010lc p u 向8 2 7 9 写状态 10c p u 从8 2 7 9 读数据 001c p u 向8 2 7 9 写数据 1x x x 数据缓冲器输出呈三态 x 为任意数( 0 或1 ) 3 3 2 基于8 2 7 9 的人机接口设计 如由前所述，8 2 7 9 可适应各种键盘和显示器的不同工作方式，这是由于8 2 7 9 1 8 内的各功能块的工作是可程控的，用户可根据自己的要求，利用向8 2 7 9 写命令 字的方法对8 2 7 9 的工作方程，从上表可见，只要同时使c s = 0w r 已0 a 0 = i ，则 可向8 2 7 9 写命令字，并在w r 的上升沿把命令传给8 2 7 9 。 对c p u 而言，8 2 7 9 只有两个口地址，一个用于读写命令和状态( c s = o a 0 = i ) ， 一个用于读写数据( c s - ，a 0 = 0 ) 但用于编程命令字却有多种，在8 2 7 9 中用于区 别各种不同命令字的方法是命令字代码的高3 位( d 7 ，d 6 ，d 5 ) 编码而低5 位是 命令字的真正内容。 3 3 2 18 2 7 9 的编程命令 a 、键盘显示器方式设置 l 最高位最低位 l 命令代码 o0od dk kk 其中d d 为显示方式，k k 为键盘方式 d d ：o o 一8 个8 位字符显示，左端传入； 0 1 1 6 个8 位字符显示，左端送入 1 0 8 个8 位字符显示一右端送入 1 1 一1 6 个8 位字符显示一右端送入 所谓左端送入是显示器根据用户送的先后，从左端一位开始，向右逐位排列， 到最右端一位之后，下一位再从最左端显示，在这种显示方式中，显示器的每 个显示管和8 2 7 9 中的显示r a m 单元一一对应，r a m 中的o 地址对应最左面 的显示字符，而1 5 号单元对应最右端的显示字符而右端送入方式是电子计算器 中常用的显示方式，第一个送入的数在最右端的显示字符上，而以后每送入一 个新数，显示先左移一位然后把送入的数仍放在最右端显示字符上。 k kk ：000 一编码扫描键盘一- 2 键连锁； 0 o1 一译码扫描键盘一2 键连锁； o10 一编