基于单片机电动自行车调速系统的设计.doc

aaaaaa 学院 高等教育本科毕业论文 基于单片机电动自行车调速系统的设计 考生姓名 aaaaaa 准考证号 aaaaaaaaaaaaa 专业层次 本 科 院 系 机械与动力工程学院 指导教师 aaaaaaaa 职 称 aaaaaa aaaaaaaa 学院 二 Oaa 年 a 月 aa 日 aaaaa 学院 高等教育自学考试本科毕业论文 基于单片机电动自行车调速系统的设计 考生姓名 aaaaaaaaaaa 准考证号 aaaaaaaaaaaaa 专业层次 本 科 指导教师 aaaaaaaaaaaaaa 院 系 aaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaa 学院 二 Oaaa 年 a 月 aaa 日 aaaaaaaaaaaa 学院高等教育本科毕业论文 中文摘要 整个论文页面设置不完全符合规范 摘 要 近年来 随着人们生活水平的改善 摩托车 燃油助力车得到迅速发展 其排放 的尾气已造成城市空气严重污染 一些城市相继制定法规限制摩托车 燃油助力车的 使用来保护环境 发展短距离绿色交通工具替代摩托车 燃油助力车成为一些国家的 经济和社会课题 电动自行车具有 零排放 是一种比较好的短距离绿色交通工具 由于电池问题 限制了电动自行车的行驶距离 但可以通过提高系统的效率来改善其性能 本课题研制的电动自行车用无位置传感器直流无刷永磁电动机来驱动 用 PIC16C74 单片机作为主控芯片 它不仅克服了有刷直流电机的噪音 换向火花等缺点 而且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来的不足 同时 它降低了制 造和使用过程中的成本 提高了使用和维护的方便性 具有效率高 环保 经济和方 便的特点以及具有良好运行性能和巨大的市场潜力 关键词 单片机 脉宽调速系统 三端式稳压器 无刷直流电动机 八段数码管动态 显示 蓄电池 关键词不完全准确 只需 3 5 个 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要 I Electric bike speed control system design ABSTRACT In recent years with the improvement of people s living standard motorcycle fuel ZhuLiChe rapidly developing the exhaust gas has caused urban air pollution and some cities have set rules to limit the use of motorcycle fuel ZhuLiChe to protect the environment The development of green transportation short alternative motorcycle fuel ZhuLiChe become some the country s economic and social issues This paper deals with an electric motor driven bike EB and its control stratagem Without fail EB 15 very helpful to environment protection Nevertheless EB has its disadvantages especially the too weak continuous run distance Except the battery problem the efficiency of the whole system 15 also one of the most important problems to be solved A permanent brush less and sensor less DC motor and its control set are specially designed for this developed EB A study on control stratagem and electronic resorts are given in this paper A microchip PIC16C74 used as CPU and corresponding software developed by author 15 introduced in this control system The experiments of the prototype show that the performance including system efficiency noise spark maintenance free and its cost are obviously improved It may be expected that this EB driving system has really huge market potential Keywords Single chip pulse width adjustable speed system three terminal regulator permanent magnet brushless DC motor the eiehth of dynamic display battery aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 目录 目录格式需修改 目 录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 目目 录录 IIIIII 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 电动车的发展史 1 1 2 电动车对电动机的基本要求 1 1 3 永磁无刷直流电动机的基本性能 2 1 4 无刷直流电动机在电动自行车上的应用 2 1 4 1 应用特点 2 1 4 2 常见故障 2 2 2 总体设计总体设计 4 4 2 1 电源电路 5 2 2 显示电路 5 2 3 控制电路 7 2 4 驱动电路及原理 8 3 3 主要器件性能及原理主要器件性能及原理 1212 3 1 8051 单片机内部结构 12 3 2 A D 转换芯片 15 3 3 三端式稳压器 78L05 的工作原理 17 3 3 1 启动电路 18 3 3 2 准电压电路 18 3 3 3 取样比较放大电路和调整电路 18 3 3 4 保护电路 18 3 3 5 过热保护电路 19 3 4 集成转速传感器 KMI15 1 19 3 4 1 KMI15 1 型传感器的性能特点 20 3 4 2 工作原理 20 3 4 3 KMI15 1 的应用 23 3 5 译码器 23 4 4 程序设计程序设计 2525 4 1 主程序框图 25 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录 4 2 INT0 中断服务程序 26 4 3 子程序设计 26 5 5 电电动车的电池动车的电池 2929 5 1 电池的性能 29 5 2 电动自行车的电池原理 29 6 6 电动自行车的养护电动自行车的养护 3131 7 7 结结 论论 3232 致致 谢谢 3333 参考文献参考文献 3434 论文原创性声明论文原创性声明 3535 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 1 绪 论 0 1 绪论 1 1 电动车的发展史 电动车的发展史比燃油汽车更长 世界上第一辆机动车就是电动车 后来 由于 燃油汽车技术的迅速发展 而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突 破 从 20 世纪 20 年代初至 60 代末 电动车的发展进入了一个沉寂期 进入 70 年代 以来 由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注 电动车才再度成为 技术发展的热点 近几十年来 主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和 财力 电动车的各项相关 技术也取得了重大的进展 尽管电动车在能源和行驶里程的 研制方面 至今尚未取得突破性 的进展 但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而 不舍地开发新型电动车 改善其性能 现代电动车的能源系统 电机驱动系统 智能化的能量管理系统 充电系统 车载空 调系统和变速系统 电动车的基础设施建设以及未来智能化的交通系统的发展 根据 各类子系统的不同特点 近年来 各种显示高新技术的电动车层出不穷 日新月异 处于世纪之交的今天 能源和环境对人类的压力越来越大 要求尽快改善人类生 存环境的呼声越来越高 为了适应这个发展趋势 世界各国的政府 学术界 工业界 正在加大对电动车开发的投资力度 加快电动车的商品化步伐 虽然目前电动车在能 源和行驶里程方面还未能尽如人意 但已足以满足人们的基本需要 从技术发展的角 度来看 在走过了漫长而艰难的发展历程之后 电动车正面临着重大的技术突破 有 望成为 21 世纪的重要交通工具 1 2 电动车对电动机的基本要求 电动车的运行与一般的工业应用不同 非常复杂 因此 对驱动系统的要求是很 高的 1 电动车用电动机应具有瞬时功率大 过载能力强 过载系数应为 3 4 加速性能好 使用寿命长等特点 2 电动车用电动机应具有宽广的调速范围 包括恒转矩区和恒功率区 在恒转 矩区 要求低速运行时具有大转矩 以满足起动和爬坡的要求 在恒功率区 要求低 转矩时具有高的速度 以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求 3 电动车用电动机能够在减速时实现再生制动 将能量回收并反馈回蓄电池 使得电动车具有最佳能量的利用率 这在内燃机得摩托车上是不能实现得 4 电动车用电动机应在整个运行范围内 应具有高得效率 以提高 1 次充电得 续驶里程 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 1 绪论 1 另外 还要求电动车用电动机可靠性好 能够在较恶劣得环境下长期工作 结构 简单并适应大批量生产 运行时噪声低 价格便宜等 1 3 永磁无刷直流电动机的基本性能 1 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机 它的最大特点就是具有直流电 动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构 加之 它采用永磁体转子 没有励磁损 耗 发热的电枢组又装在外面的定子上 散热容易 因此 永磁无刷直流电动机没有 换向火花 没有无线电干扰 寿命长 运行可靠 维修简便 此外 它的转速不受机 械换向的限制 如果采用空气轴承或磁悬浮轴承 可以在每分钟高达几十万转的情况 下运行 无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器 不需要减速装置 噪声低等优点 被广泛应用于电动自行车中 2 永磁无刷直流电动机的控制系统 由于永磁无刷直流电动机具有上述一系列 的优点 因而 其用途十分的广泛 特别适合于对性能 体积重量要求很高的场合 如航空航天 电动汽车 精密电子仪器与设备 工业自动化和现代家用电器等领域 1 4 无刷直流电动机在电动自行车上的应用 1 4 1 应用特点 无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车 是因为它与传统的有刷直流电 动机相比具有以下二方面的优势 1 寿命长 免维护 可靠性高 在有刷直流电动机中 由于电机转速较高 电 刷和换向器磨损较快 一般工作 1000 小时左右就需更换电刷 另外其减速齿轮箱的技 术难度较大 特别是传动齿轮的润滑问题 是目前有刷方案中比较大的难题 所以有 刷电机就存在噪声大 效率低 易产生故障等问题 2 效率高 节能 一般而言 因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿 轮箱的消耗 以及调速电路损耗 效率通常可高于 85 但考虑到实际设计中的最高性 价比 为减少材料消耗 一般设计为 76 而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越 离合器的消耗 通常在 70 左右 1 4 2 常见故障 无刷直流电动机的常见故障通常从其三个组成部分来检查 在不清楚故障部位时 首先应该检查电动机本体 其次是位置传感器 最后检查驱动控制电路 在电动机本 体中 可能出现的问题是 A 电动机绕组接触不良 断线或短路 会造成电动机不转 电动机在某些位置能够起动 而在某些位置不能起动 电动机运行不平衡 B 电动机 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 1 绪论 2 主磁极退磁 会使电动机转矩明显变小 而空载转速高 电流大 在位置传感器上常 见问题是霍尔元件损坏 接触不良 位置变化 都会使电动机输出转矩变小 严重时 会使得电动机不动或在某一点来回振动 在驱动控制电路中最容易出现故障的是功率 晶体管 即由于长期过载 过电压或短路使功率晶体管损坏 在电动机实际运行时问 题会是多种多样的 检查者应注意在没有确切把握情况时 不能随意通电 以免造成 电动机的其他器件损坏 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设 计 3 2 总体设计 对于电动自行车控制系统设计主要有四个方面 对于电动自行车控制系统设计主要有四个方面 一 控制电路的设计 二 传感 器选择以及安放设计 三 显示电路的设计 四 程序设计 从总的方面来考虑 传 感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量 但是又必须能使车行驶自如 控制电 路要根据选用的电机和传感器来设计 主要考虑稳定性 抗干扰性 控制核心采用 51 单片机 控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰 控制上 采用分时复用技术 仅用一块单片机就实现了信号采集 电机控制和转速显示 图 2 1 总体结构图 从总的方面来考虑 传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量 但是又必 须能使车行驶自如 控制电路要根据选用的电机和传感器来设计 主要考虑稳定性 抗干扰性 控制核心采用 51 单片机 控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰 控 制上采用分时复用技术 仅用一块单片机就实现了信号采集 电机控制和转速显示 电动自行车的基本原理是 由蓄电池提供电能 电动机驱动自行车 直流电机 单片机 显示部分 转速传感器 控制电路 驱动 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设 计 4 2 1 电源电路 传感器的电源直接使用 24V 蓄电池 单片机的电源则通过三端稳压器 78L05 将 24V 电源转换到 5V 见图 2 2 图 2 2 电源电路图 24V 直流电源经三端稳压器 78L05 输出即为单片机所要求的 5V 电源 电路中接入 C1 C2 是用来实现频率补偿的 可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高 频干扰 大容量的 C3 是电解电容 以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰 D 是保护二极管 当输入端意外短路时 给输出电容器 C3 一个放电通路 防止 C3 两端 电压作用于调整管的 be 解结 造成调整管 be 结击穿而损坏 2 2 显示电路 显示部分采用单片机串口通讯 以节省单片机的端口 单片机通过中断的方式为 显示服务 我们所设计的采用共阳极连接方式的 LED 七段显示数码管如图 2 3 所示 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 图 2 3 七段显示数码管 静态显示原理 MCS 51 单片机串行口方式 0 为移位寄存器方式 外接 6 片 74LS164 作为 6 位 LED 显示器的静态显示接口 把 8051 的 RXD 作为数据输出线 TXD 作为移位时钟脉冲 74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器 可实现串行输入 并行输出 其中 A B 第 Vin 3 GND 2 5V 1 78L05 C1 0 33 F C2 0 33 F C3 10 F24V5V aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设计 5 1 2 脚 为串行数据输入端 2 个引脚按逻辑与运算规律输入信号 共一个输入信号 时可并接 T 第 8 脚 为时钟输入端 可连接到串行口的 TXD 端 每一个时钟信号的 上升沿加到 T 端时 移位寄存器移一位 8 个时钟脉冲过后 8 位二进制数全部移入 74LS164 中 R 第 9 脚 为复位端 当 R 0 时 移位寄存器各位复 0 只有当 R 1 时 时钟脉冲才起作用 Q1 Q8 第 3 6 和 10 13 引脚 并行输出端分别接 LED 显示器的 hg a 各段对应的引脚上 段码控制 如送段码 73H 时 显示 P 以此类推 如表 2 4 所示 表 2 4 段码表 显示 P0 7P0 6P0 5P0 4P0 3P0 2P0 1P0 0 位码 HgfedCba p0111001173H 1000000080H 10000011003H 2100110119BH 3100011118FH 410110110B6H 510101101ADH 610111101BDH 70000011107H 810111111BFH 910101111AFH 0001111113FH e10111101B9H n0010001123H d100111109EH 暗 0000000000H 直流电动机的额定转速为 190 转 分大约需要三位数码管显示 驱动器采用 74LS164 串接 510 的限流电阻 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设计 6 2 3 控制电路 图 2 5 控制电路 打开系统电源后由电位器控制电动机转速 IN0 IN6 线上那一路模拟电压被换成数 字量由 ADDA ADDC 线上的地址决定 ADDC0809 内部 地址锁存与译码 电路便把 IN0 线上模拟电压送入 8 位 A D 转换器 此时 若单片机使 STRA 线处于高电平 则 ADC0809 便开始 A D 转换 一旦 A D 转换完成 ADC0809 一方面把 A D 转换后的数字量 送入它三态输出缓冲器 另一方面又使 EOC 线变为高电平向单片机提出中断请求 单 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设计 7 片机检测和响应该中断请求后就通过使 RD 非变为低电平而使 OE 线变高 以便可以从 2 1 2 8 引线上取走 A D 转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号 脉冲信号经 74LS254 放大后经光电耦合控制继电器 2 4 驱动电路及原理 电动自行车使用 24V 直流电机 对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种 一种是线性型 使用功率三级管作为功率放大器的输出控制直流电机 线性型驱 动的电路结构和原理简单 成本低 加速能力强 但功率损耗大 特别是低速大转矩 运行时 通过电阻 R 的电流大 发热厉害 损耗大 另一种脉宽调制型 脉宽调速 PULSE WIDE MODULATION PWM 较常用的 一种调速方式 这种调速方式有调速特性 优良 调速范围广 过载能力大 能承受频繁的负载冲击 还可以实现频繁的无级快 速启动 制动和反转等优点 因此决定采用 PWM 方式控制直流电机 永磁式直流电机 脉宽调速原理 永磁式直流电动机电机转速由电枢电压 UD 决定 电枢电压 UD 越高电 机转速越快 电枢电压 UD 降为 0V 电机就就停转 直流电机的具体调速过程是 先让 它启动一段时间 然后切断电源 电动机因惯性而降速转动 在转速降到一定限度时 使电动机再次接通 电动机因此而再次加速 不断的给电枢两端送入脉动电压源 即 脉动信号 就可以使电动机的转速控制在指定的范围内 如图 2 6 所示 脉冲信号 t T 转速 VMAX VD VMIN 图 2 6 脉冲信号图 Vmax 为电动机的最大转速值 Vmin 为电动机的最小转速值 VD 为二者的平均值 VD D max 式中 D t Tc 称为占空比 D 越大 VD 就越大反之亦然 平均转速和电枢上的 脉冲占空比 D 之间关系如图 2 7 所示 由图可知 平均转速与占空比并非完全的线性关系 但可以近似的看成是线性关 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设计 8 系 因此 电动机的平均转速 VD 就可以有占空比 D 加以控制 VD 平均速度 00 51D 占空比 图 2 7 VD D 关系图 PWM 调速分为双向式和单向式两种 双向式 在一个脉冲周期内 T Ta Tb T1 和 T3 导通时间为 Ta T2 和 T4 导通时 间为 Tb 这样在 Ta 这段时间内 电机通过的是正向电流 在 Tb 这段时间内为反相电 流 当 Ta Tb 时电机停转 Ta Tb 电机正转 TaTb 则电动机正转 通过改变 Ta Tb 的占空比 即可改变转速 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 11 3 主要器件性能及原理 3 1 8051 单片机内部结构 8051 是 MCS 51 系列单片机的典型产品 我们以这一代表性的机型进行系 统的 讲解 8051 单片机包含中央处理器 程序存储器 ROM 数据存储 器 RAM 定时 计数器 并行接口 串行接口和中断系统等几大单元及数据总线 地址总线和控 制总线等三大总线 现在我们分别加以说明 3 1 13 1 1 中央处理器 中央处理器 CPU 是整个单片机的核心部件 是 8 位数据宽度的处理器 能 处理 8 位二进制数据或代码 CPU 负责控制 指挥和调度整个单元系统协调的 工作 完成 运算和控制输入输出功能等操作 3 1 23 1 2 数据存储器 RARAM M 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元 它们 是 统一编址的 专用寄存器只能用于存放控制指令数据 用户只能访问 而不能 用于存 放用户数据 所以 用户能使用的的 RAM 只有 128 个 可存放读写的数据 运算的 中间结果或用户定义的字型表 3 1 33 1 3 程序存储器 R RO OM M 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM 用于存放用户程序 原始数据或表格 3 1 43 1 4 定时 计数器 R RO OM M 8051 有两个 16 位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数产生中断用于 控制 程序转向 3 1 53 1 5 并行输入输出 I I O O 口 8051 共有 4 组 8 位 I O 口 P0 P1 P2 或 P3 用于对外部数据的传输 3 1 63 1 6 全双工串行口 8051 内置一个全双工串行通信口 用于与其它设备间的串行数据传送 该 串行 口既可以用作异步通信收发器 也可以当同步移位器使用 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 12 3 1 73 1 7 中断系统 8051 具备较完善的中断功能 有两个外中断 两个定时 计数器中断和一 个串行 中断 可满足不同的控制要求 并具有 2 级的优先级别选择 3 1 83 1 8 时钟电路 8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路 用于产生整个单片机运行的脉冲 时序 但 8051 单片机需外置振荡电容 单片机的结构有两种类型 一种是程序存储器和数据存储器分开的形式 即 哈佛 Harvard 结构 另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存 储器合二 为一的结构 即普林斯顿 Princeton 结构 INTEL 的 MCS 51 系列单片 机采用的是 哈佛结构的形式 而后续产品 16 位的 MCS 96 系列单片机则采用普 林斯顿结构 图 3 1 8051 引脚图 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 13 图 3 2 MCS 51 内部结构图 8051 的引脚说明 Pin20 接地脚 Pin40 为正电源脚 正常工作或对片内 EPROM 读写程序时 接 5V 电源 Pin19 为时钟 XTAL1 脚 片内振荡电路的输入端 Pin18 为时钟 XTAL2 脚 片内振荡电路的输出端 输入输出 I O 引脚 Pin39 Pin32 为 P0 0 P0 7 输入输出脚 Pin1 Pin1 为 P1 0 P1 7 输入输出脚 Pin21 Pin28 为 P2 0 P2 7 输入输出脚 Pin10 Pin17 为 P3 0 P3 7 输入输出脚 这些 输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述 Pin9 RESET Vpd 复位信号复用脚 当 8051 通电 时钟电路开始工作 在 RESET 引 脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平 系统即初始复位 初始化后 程序计数器 PC 指向 0000H P0 P3 输出口全部为高电平 堆栈指钟写入 07H 其它专用寄存器被清 0 RESET 由高电平下降为低电平后 系统即从 0000H 地址开始执行程序 然而 初 始复位不改变 RAM 包括工作寄存器 R0 R7 的状态 8051 的初始态如表 3 3 所示 表 3 3 8051 初始状态 特殊功能寄 存器 初始态 特殊功能寄存 器 初始态 ACC00HB00H PSW00HSP07H aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 14 DPH00HTH000H DPL00HTL000H IPxxx00000BTH100H IE0 xx00000BTL100H TMOD00HTCON00H SCONxxxxxxxxBSBUF00H P0 P31111111BPCON 0 xxxxxxx B Pin30 ALE 当访问外部程序器时 ALE 地址锁存 的输出用于锁存地址的低位 字节 而访问内部程序存储器时 ALE 端将有一个 1 6 时钟频率的正脉冲信号 这个信 号可以用于识别单片机是否工作 也可以当作一个时钟向外输出 Pin29 当访问外 部程序存储器时 此脚输出负脉冲选通信号 PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口 上 外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上 CPU 读入并执行 Pin31 EA Vpp 程序存储器的内外部选通线 8051 和 8751 单片机 内置有 4kB 的 程序存储器 当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时 读取内部程序存储器指令数据 而超过 4kB 地址则读取外部指令数据 3 2 A D 转换芯片 1 内部结构 ADC0809 芯片是最常用的 8 位模数转换器 它的模数转换原理采用逐次逼近型 芯 片由单个 5V 电源供电 可以分时对 8 路输入模拟量进行 A D 转换 典型的 A D 转换时 间为 100 微秒左右 ADC0809 的内部逻辑结构 如图 3 4 图 3 4 ADC0809 的内部结构 由上图可知 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存 A D 转换完的数字量 当 OE 端为高电平时 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 15 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 2 引脚结构 图 3 5 ADC0809 引脚结构图 IN0 IN7 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须 进行放大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟量变化太快 则需在 输入前增加采样保持电路 地址输入和控制线 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址锁存与译码 器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通道的模拟量进转 换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入 通 道选择表如表 3 6 所示 表 3 6 通道选择表 CBA 选择的通 道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 111IN5 110IN6 111IN7 数字量输出及控制线 11 条 ST 为转换启动信号 当 ST 上跳沿时 所有内部寄存器清零 下跳沿时 开始进行 A D 转换 在转换期间 ST 应保持低电平 EOC 为转换结束信号 当 EOC 为高电平时 表明转换结束 否则 表明正在进行 A D 转换 OE 为输出允许信号 用于控制三条输 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 16 出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 1 输出转换得到的数据 OE 0 输出 数据线呈高阻状态 D7 D0 为数字量输出线 CLK 为时钟输入信号线 因 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号必须由外 界提供 通常使用频率为 500KHZ VREF VREF 为参考电压输入 3 3 三端式稳压器 78L05 的工作原理 电路如图 3 7 所示 三端式稳压器由启动电路 基准电压电路 取样比较放大电 路 调整电路和保护电路等部分组成 下面对各部分电路作简单介绍 图 3 7 三端式稳压器工作原理 注 图中 R11 由输出电流档次决定 R12 由输出电压档次决定 3 3 1 启动电路 在集成稳压器中 常常采用许多恒流源 当输入电压 V1 接通后 这些恒流源难以 自行导通 以致输出电压较难建立 因此 必须用启动电路给恒流源的 BJT T4 T5 提 供基极电流 如图 3 6 启动电路由 T1 T2 DZ1 组成 当输入电压 V1 高于稳压管 DZ1 的稳定电压时 有电流通过 T1 T2 使 T3 基极电位上升而导通 同时恒流源 T4 T5 也工作 T4 的集电极电流通过 DZ2 以建立起正常工作电压 当 DZ2 达到和 DZ1 相等的稳压值 整个电路进入正常工作状态 电路启动完毕 与此同时 T2 因发射结 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 17 电压为零而截止 切断了启动电路与放大电路的联系 从而保证 T2 左边出现的纹波与 噪声不致影响基准电压源 3 3 2 准电压电路 公式号编码与插图号类似 如图 3 7 基准电压电路由 T4 DZ2 T3 R1 R3 及 D1 D2 组成 电路中的基 准电压为 3 1 式中 VZ2 为 DZ2 的稳定电压 VBE 为 T3 D1 D2 发射结 D1 D2 为由发射结构成 的二极管 的正向电压值 在电路设计和工艺上使具有正温度系数的 R1 R2 DZ2 与 具有负温度系数的 T3 D1 D2 发射结互相补偿 可使基准电压 VREF 基本上不随温度 变化 同时 对稳压管 DZ2 采用恒流源供电 从而保证基准电压不受输入电压波动的 影响 3 3 3 取样比较放大电路和调整电路 这部分电路 如图 3 7 由 T4 T11 组成 其中 T10 T11 组成复合调整管 R12 R13 组成取样电路 T7 T8 和 T6 组成带恒流源的差分式放大电路 T4 T5 组成 的电流源作为它的有源负载 T9 R9 的作用说明如下 如果没有 T9 R9 恒流源管 T5 的电流 IC5 IC8 IB10 当调整管满载时 IB10 最大 而 IC8 最小 而当负载开路时 IO 0 IB10 也趋于零 这 时 IC5 几乎全部流入 T8 使得 IC8 的变化范围大 这对比较放大电路来说是不允许的 为此接入由 T9 R9 级成的缓冲电路 当 IO 减小时 IB10 减小 IC8 增大 待 IC8 增 大到 0 6V 时 则 T9 导通起分流作用 这样就减轻了 T8 的过多负担 使 IC8 的变 化范围缩小 3 3 4 保护电路 如图 3 7 减流式保护电路由 T12 R11 R15 R14 和 DZ3 DZ4 组成 R11 为检 流电阻 保护的目的主要是使调整管 主要是 T11 能在安全区以内工作 特别要注意 使它的功耗不超过额定值 PCM 首先考虑一种简单的情况 假设图 3 6 中的 DZ3 DZ4 和 R14 不存在 R15 两端短路 这时 如果稳压电路工作正常 即 PC PCM 并且输出电 流 IO 在额定值以内 流过 R11 的电流使 IOR110 6V 时 使 T12 管导通 由于它的分流作用 减小了 T10 的基极电流 从而限 制了输出电流 这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 18 内 由于调整管的耗散功率 PCM ICVCE 只有既考虑通过它的电流和它的管压降 VCE 值 又使 PC VZ3 VZ4 则 DZ3 DZ4 击穿 导致 T12 管发射结承受正向电压而导通 VBE12 的值为 3 3 4 1 经整理后得 3 3 4 2 显然 VI VO 越大 即调整管的 VCE 值越大 则 IO 越小 从而使调整管的功 耗限制在允许范围内 由于 IO 的减小 故上述保护称为减流式保护 3 3 5 过热保护电路 电路 如图 3 7 由 DZ2 T3 T14 和 T13 组成 在常温时 R3 上的压降仅为 0 4V 左右 T14 T13 是截止的 对电路工作没有影响 当某种原因 过载或环境温升 使 芯片温度上升到某一极限值时 R3 上的压降随 DZ2 的工作电压升高而升高 而 T14 的 发射结电压 VBE14 下降 导致 T14 导通 T13 也随之导通 调整管 T10 的基极电流 IB10 被 T13 分流 输出电流 IO 下降 从而达到过热保护的目的 电路中 R10 的作用是 给 T10 管的 ICEO10 和 T11 管的 ICBO11 一条分流通路 以改善温度稳定性 值得指出的是 当出现故障时 上述几种保护电路是互相关联的 3 4 集成转速传感器 KMI15 1 集成转速传感器具有灵敏度高 测量范围宽 抗干扰能力强 外围电路简单等优 点 是传统的分立式转速传感器的升级换代产品 转速属于常规电测参数 测量转速 时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量 传统的磁阻式传感器是 由磁钢 线圈等分立元件构成的 亦可用耳塞机改装而成 但这种传感器存在一些缺 点 第一 灵敏度低 传感器与转动齿轮的最大间隙 亦称磁感应距离 只有零点几 毫米 第二 在测量高速旋转物体的转速时 因安装不牢固或受机械振动 容易与齿 轮发生碰撞 安全性较差 第三 这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟 电压信号 因此 需要经过放大 整形后变成沿口陡直的数字频率信号 才能送给数 字转速仪或数字频率计测量转速 而且外围电路比较复杂 第四 它无法测量非常低 接近于零 的转速 因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 19 目前 转速传感器正朝着高灵敏度 高可靠性和全集成化的方向发展 典型产品 有飞利浦 Philips 公司生产的 KMI15 系列磁阻式集成转速传感器 该传感器性能优 良 安全性好 稳定性强 是分立式转速传感器理想的升级换代产品 KMI15 1 系列包 括 KMI15 1 KMI15 2 KMI15 3 KMI15 3 等型号 它们的工作原理相同 仅性能指标 略有差异 下面就以 KMI15 1 为例来介绍该系列集成转速传感器的工作原理与具体应 用方法 3 4 1 KMI15 1 型传感器的性能特点 KMI15 1 芯片内含高性能磁钢 磁敏电阻传感器和 IC 它利用 IC 来完成信号变换 功能 其输出的电流信号频率与被测转速成正比 电流信号的变化幅度为 7mA 14mA 电流信号的变化幅度为 7mA 14mA 由于其外围电路比较简单 因而很容易配二次仪表 测量转速 KMI15 1 器件的测量范围宽 灵敏度高 它的齿轮转动频率范围是 0 25kHz 而 且即使在转动频率接近于零时 它也能够进行测量 传感器与齿轮的最大磁感应距离 为 2 99mm 典型值 由于与齿轮相距较远 因此使用比较安全 该传感器抗干扰能力 强 同时具有方向性 它对轴向振动不敏感 另外 芯片内部还有电磁干扰 EMI 滤 波器 电压控制器以及恒流源 从而保证了其工作特性不受外界因素的影响 KMI15 1 的体积较小 其最大外形尺寸为 8 6 21 mm 能可靠固定在齿轮附近 KMI15 1 采用 12V 电源供电 典型值 最高不超过 16V 工作温度范围宽达 40 85 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 20 3 4 2 工作原理 图 3 8KMI15 1 型集成转速传感器的外形图 KMI15 1 型集成转速传感器的外形如图 3 8 所示 它的两个引脚分别为 UCC 接 12V 电源端 和 U 方波电流信号输出端 为使 IC 处于较低的环境温度中 设计 时专门将 IC 与传感元件分开 以改善传感器的高温工作性能 该传感器的简化电路如图 3 8 所示 其内部主要包括 1 磁敏电阻传感器 2 前置放大器 A1 3 施密特触发器 4 开关控制式电流源 5 恒流源 6 电压控制器 图 3 9 传感器简化图 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 21 图 3 10 测量原理图 实际上 该传感器是由 4 只磁敏电阻构成的一个桥路齿轮的地方 其测量原理如 图 3 10 图所示 当齿轮沿 Y 轴方向转动时 由于气隙处的磁力线发生变化 磁路中的 磁阻也随之改变 从而可在传感器上产生电信号 此外 该传感器具有很强的方向性 它对沿 轴转动的物体十分敏感 而对沿 Z 轴方向的振动或抖动量很不敏感 这正是 测量转速所需要的 工作时 传感器产生的电信号首先通过 EMI 滤波器滤除高频电磁 干扰 然后经过前置放大器 再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号 UK 并将 其加到开关控制式电流源的控制端 KMI15 1 的输出电流信号 ICC 是由两个电流叠加而 成的 一个是由恒流源提供的 7 A 恒定电流 IH 另一个是由开关控制式电流源输出的 可变电流 IK 它们之间的关系式为 ICC IH IK 当控制信号 UK 0 低电平 时 该电流源关断 IK 0 ICC IH 7mA 当 UK 1 高电平 时 电流源被接通 IK 7mA 从而使得 ICC 14mA 图 3 10 给出了 从 U 端输出的方波电流信号的波形 其高电平持续时间为 T1 周期为 T 输出波形的 占空比 D t1 t 50 20 上升时间和降时间分别仅为 0 5 和 0 7 图 3 11 从 U 输出的方波电流信号的波形 KMI15 1 芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器 可用于为传感器提 供稳定的工作电压 UC 而电阻 R3 稳压管 VDZ 和晶体管 VT1 则可构成取样电路 其中 VT1 接成射极跟随器 A2 为误差放大器 VT2 为并联式调整管 这样 1H 在经过 R1 R2 分压后可给 A2 提供基准电压 UREF 从而在 UCC 发生变化时 由 A2 对取样电压 与基准电压进行比较后产生误差电压 Ur 同时通过改变 VT2 上的电流来使 UC 保持不变 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 22 3 4 3 KMI15 1 的应用 图 3 12 KMI15 1 的典型应用电路 KMI15 1 型集成转速传感器的典型应用电路如图 3 12 a 所示 工作时 转速传感 器输出方波电流信号 从而在负载电阻 与负载电容 CL 上形成电压频率信号 UO f 并送至二次仪表 通常取 RL 115 CL 0 1 需要指出 KMI15 1 输出的是齿 轮转动频率 单位是 Hz 即次 S 信号 欲得到转速 n r min 还应将 除以齿 轮上的齿数 N 并将时间单位改成分钟 公式如下 n 60f N 图 3 12 b 所示电路是由二极 VD 稳压管 VDZ 和电 C1 构成的静电放电 ESD 保护 电路 该电路可吸收 2KV 的 ESD 电压 因而可对芯片起到保护作用 3 5 译码器 串行移位译码器 74LS164 时序图见图 3 13 所示 其逻辑符合表如表 3 13 图 3 13 74LS164 时序图 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 23 表 3 14 74LS164 逻辑符合表 INPUTSOUTPUTS CLEARCLOCKA BQA QB QH L H H H H X L X X X X H H L X X L L L L QA0 QB0 QH0 H QAn QGn L QAn QGn L QAn QGn 74LS164 为串行移位译码器 它主要由时钟线控制 时钟线每来一个上升弦 数据 线将把一位数移进去 移八次就进一个字节 同时在数码管显示出来 译码器是实现组合逻辑的功能部件 它的输入是二进制的代码 输出是一组高低 电平信号 每输入一组不同的代码 只有一个输出端呈现有效信号 74LS245 芯片是一个八位的总线收发器 其输入 输出引脚分成两组 其工作原理 如下 允许 E 方向控制 DIR 操作 低电平 低电平 B 数据线到 A 数据线 低电平 高电平 A 数据线到 B 数据线 高电平 悬空 隔离 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 4 程序设计 24 4 程序设计 调速系统程序主要由主程序 INT0 中断服务程序 子程序等组成 主程序控制整 个调速系统 INT0 中断服务程序控制系统中的中断 子程序包括延时子程序和 PWM 子 程序 延时子程序具有定时功能 PWM 子程序用于控制马达转速 4 1 主程序框图 开始 栈针初始化分配显示缓冲 设置中断开 CPU 中断允许 INT0 扫描键盘 按下未按下 扫 描扫描 IN7 启动 A D 转换启动 A D 转换 调用调宽子程序调用显示程序 返 回 图 4 1 主程序框图 在执行主程序时 首先要将栈针初始化分配显示缓冲 然后设置中断开 CPU 中断 允许 INT0 接着扫描键盘 若按下则扫描 IN7 接着启动 A D 转换 调用显示子程序 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 考试本科毕业论文 4 程序设计 25 若未按下则需要扫描后启动 A D 转换 接着调用调宽子程序并循环直至返回 主程序 框图如图 4 1 所示 4 2 INT0 中断服务程序 在执行 INT0 中断服务程序时 首先要保护现场 然后读取 A D 转换结果并将其送 至显示缓冲区 接着启动 A D 转换 最后恢复现场后返回 INT0 中断服务程序框图如 图 4 2 所示 保护现场 读 A D 转换结果 送至显示缓冲区 启动 A D 转换 恢复现场 返回 图 4 2 INT0 中断服务程序框图 4 3 子程序设计 延时子程序 定时功能