单片机控制双闭环直流调速系统设计（附电路图、程序清单）.doc

单片机控制双闭环直流调速系统设计摘 要：利用MCS-51系列单片机控制大功率电力电子器件实现对直流电机转速进行控制。设计首先介绍晶闸管-电动机系统的机械特性，以及双环控制的晶闸管调速系统的工作原理。对可逆调速系统进行了简单叙述，介绍了该系统的硬件以及软件具体设计。以电动机作为被控对象,用8051单片机作控制器的实现直流调速系统控制。该系统具有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的特点。此外，本系统中使用了直流测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，作为反馈值输入到单片机进行PI运算，实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词：单片机；双闭环；直流电动机；调速系统The Design of double Loop DC Speed Control System by MCSAbstract: Design on the use of MCS-51 Microcontroller power electronic devices to achieve high-power DC motor speed control on approach. Design first introduced the SCR - mechanical properties of motor system and the work principle of the thyristor DC adjustable speed drive system, which is controlled by double loops. It summarizes the adjustable speed drive system, describes the hardware and software specifically designed. This paper introduces a digital DC Speed - adjusting system composed of DC motor as the controlled object and 8051 single - chip computer as the controller. The characteristic of this system is that the single - chip computer rep laces the hardware devices including the analogous trigger, current regulator, rotation regulator and logic handoff. In addition, the system uses the DC tachometer generator to the DC motor speed measurement, After post-filter circuit, Sent the measured values of A / D converter, And ultimately as a feedback value input to the MCU PI operation, in order to achieve the speed of DC motor control. On the software side, PI article describes in detail operation procedures, initialization procedures for the preparation of ideas and its realization.Key Words: single - chip computer; double closed - loop; DC- motor; Speed Control System目 录1. 概 述11.1 课题基本要求11.2 主要设计内容及设计思路21.3 预期成果及其意义22. 系统方案选择和总体结构设计22.1 调速方案的选择22.2 总体结构设计33. 主电路设计与参数计算53.1 整流变压器的设计53.2 晶闸管元件的选择63.3 直流调速系统的保护74. 控制电路与单片机系统设计84.1 晶闸管触发控制电路设计84.2 单片机系统设计104.3 7805引脚图及其稳压电路195. 调节器的设计205.1 电流调节器的设计205.2 转速调节器的设计226. 控制系统软件设计246.1 系统主程序设计流程图246.2 数字PI调节器程序设计246.3 数字滤波器程序设计256.4 中断处理程序设计257. 结束语29参考文献31致 谢32附 录33附录1：程序清单33附录2：设计图纸43单片机控制双闭环直流调速系统设计1. 概 述直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。转速电流双闭环直流调速系统是性能很好、应用很广泛的中小功率直流调速系统。在实际应用系统中，凡是功率在几十KW以下的电力传动系统，基本上都是采用转速电流双闭环电力传动系统。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。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故，直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化。研究的单片机控制双闭环直流调速系统，是利用大功率电力电子器件实现电能的变换，完成对直流电机的速度控制，可以实现电机速度的可逆运转，实现电机的四象限运行，具有动态响应速度快、输出波形好、装置体积小、电机速度控制平稳、电机调速范围宽等特点，其机械特性的电流断续区很小，输出近似为平行的机械特性曲线。本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，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，从而使直流调速系统实现数字化。1.1 课题基本要求课题研究单片机控制双闭环直流调速系统设计，主要内容包括；A.研究单片机控制双闭环直流调速系统组成原理、完成系统的设计；B.对系统的特性就行研究。主要内容是设计单片机控制双闭环直流调速系统，其电机功率为0.5KW，系统要求为：速度范围为：-1500+1500r/min最低速度为：10r/min输出负载限幅为：1倍额定转矩速度稳定度为：1r/min负载阶跃时，电机响应速度变化小于50r/min1.2 主要设计内容及设计思路在双闭环直流调速系统原理及双闭环直流调速系统工程设计方法基础上，设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。参考国内外相关资料，结合控制理论的相关知识以及直流调速系统的算法，转速换和电流环均采用PI调节器，与电力电子技术相结合，主要工作内容如下：A分析直流电动机的调速原理；B对三相桥式整流电路的设计，包括电动机的型号，电力电子器件的选择以及保护电路的设计；C系统采用双闭环结构，转速调机器和电流调节器的设计均采用PI调节器；D双闭环的数字算法；E主电路的设计，单片机各接口电路的设计，检测电路的设计以及反馈电路等各单元电路的设计；F利用单片机语言对系统控制进行软件设计。1.3 预期成果及其意义本课题所研究的单片机控制双闭环直流调速系统，完成对直流电机的速度控制，可以实现电机速度的可逆运转，实现电机的四象限运行。随着微电子技术，微处理机一级计算机软件的发展，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。在数字化系统中，出具有常规的调速功能外，还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，数字化系统通常具有较强的通信能力，通过选配适当的通信接口模板，可方便地实现主站和从站间的数字通信，组成分级多极的自动化系统。数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，因此研究该课题具有实际意义。2. 系统方案选择和总体结构设计2.1 调速方案的选择2.1.1系统控制对象的确定设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定功率PN=0.5kW，额定电压230V，额定转速1500r/min。2.1.2电动机供电方案的选择变压器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，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、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，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Uc，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。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Uc。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2.2 总体结构设计2.2.1双闭环直流调速系统电路原理随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用 PI 调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。图2-1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角。图2-1 双闭环直流调速系统电路原理图2.2.2双闭环直流调速系统动态数学模型双闭环直流调速系统动态结构图如图2-2所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有 为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流表示出来，如图2-2所示，系统结构图如2-3所示。图2-2 双闭环直流调速系统动态结构图图2-3 单片机控制的直流调速系统结构图3. 主电路设计与参数计算由于给定直流电动机的额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相降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/Y联结。3.1 整流变压器的设计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，功率因数变坏，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：式中Udmax -整流电路输出电压最大值；nUT -主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数；Ush -变压器的短路比，对10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： 式中A-理想情况下，=0时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B-延迟角为时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取U2=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。3.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算电动机额定电流由表查得 KI1=0.816, KI2=0.816考虑变压器励磁电流得：3.1.3 变压器容量的计算S1=m1U1I1；S2=m2U2I2；S=1/2(S1+S2)；式中m1、m2 - 一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3S1=m1U1I1=33800.58=0.6612 KVAS2=m2U2I2=31201.85=0.666 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（0.6612+0.666）=0.6636 KVA3.2 晶闸管元件的选择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UTm，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UTN，即UTN=（23）UTm整流电路形式为三相全控桥，查表得，则 取3.2.2 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 =1.57 或 考虑（1.52）倍的裕量=（1.52）K式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：A.当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。B.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。C.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倍的裕量取。故选晶闸管的型号为KP5-7。3.3 直流调速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运行的关键。3.3.1 过电压保护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。A.交流侧过电压保护a.阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。对于三相电路，和的值可按下表换算。表3-1 三相电路R C值换算表变压器接法单相三相、二次联结三相二次联结阻容装置接法与变压器二次侧并联Y联结D联结Y联结D联结电容1/3 C3CC电阻3R1/3 RR本系统采用D-Y连接。S=0.6636KVA, U2=120VIem取值：当 S=01 KVA时，对应的Iem=10，所以Iem取0.5。C1/36IemS/U22=1/3630.6636103/1202=0.2765F耐压1.5Um =1.5120=254.6V选取0.5F的铝电解电容器。 选取:S=01KVA，=01，所以=0.5R2.3 U22/S=2.31202/0.6636103=16.6选取电阻为ZB1-20的电阻。B.闸管及整流二极管两端的过电压保护查下表：表3-2 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052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。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。得C=0.1F，R=100。选C为0.2F的CZJD-2型金属化纸介质电容器。选R为20普通金属膜电阻器，RJ-0.5。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。交流侧快速熔断器的选择I2=1.85A选取RLS-10快速熔断器，熔体额定电流2A。4. 控制电路与单片机系统设计4.1 晶闸管触发控制电路设计控制电路基本由单片机，触发电路，A/D转换，数据采集电路以及锁存器构成。8051单片机触发晶闸管门极，晶闸管导通。双闭环系统由两个PI调节器组成，由单片机通过PI算法实现。4.1.1 晶闸管触发方法晶闸管三相全控桥式整流电路简图如图4-1所示。 图4-1 三相全控桥式整流电路 图4-2 三相电压曲线三相全控桥式整流电路共有六个晶闸管，它们分为共阴极和共阳极两组。在触发时，采用双脉冲触发方式，每次两组各有一个晶闸管导通。六个晶闸管的导通顺序为SCR1、SCR2、SCR3、SCR4、SCR5、SCR6，如图4-2所示。相电压曲线的交点t1t6,就是晶闸管SCR1SCR6的控制角起点。取线电压Uac从负半波的过零点G（t1）作为同步基准点，则应触发导通的第一对晶闸管为SCR1 、SCR6，根据波形图可分析出各晶闸管的触发时刻（对应于控制角=00）及触发顺序如表4-1所示。表4-1 晶闸管触发时刻(=00)及触发顺序时段共阴极中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6单片机在触发晶闸管时,根据电流控制器的输出控制值uk，以同步基准点位参考点，算出晶闸管控制角的大小，再通过定时器按控制角的大小以及触发顺序，准确地向各个晶闸管发出触发脉冲。在控制触发时，有两种触发方法：绝对触发方法和相对触发方法。所谓绝对触发方法就是指触发脉冲形成的时刻都直接取决于基准时刻点。对三相全控桥式整流电路，在交流电的一个周期内需要6个（或者3个）基准点。相对触发方式是以前一触发脉冲为基准来确定后一触发脉冲时刻，它用加长或缩短相邻两次触发脉冲之间的间距来改变控制角，在稳态时，这个间距等于600，控制角改变时，该间距应相应改变。但由于电网频率的波动以及计算机定时器的误差，会使控制角偏离要求值。因此，在相对触发方式时，应在一个周期内用同步脉冲信号进行一次校正，以避免误差的积累。对于单相电路，均使用绝对触发方式。在三相全控桥式整流电路中，一般则常使用相对触发方式。综上本次设计使用相对触发的触发控制方法。4.1.2 控制角的计算三相全控桥式整流电路输出电压Ud与控制角有以下关系:Ud=2.34Ecos (4-1)其中E为电源相电压有效值。对于数字调节器，要求对象为线性系统。而根据式（4-1）可知，如果控制角与控制输出uk为线性关系，则输出电压Ud与控制输出Uk之间为非线性关系（余弦关系），这是我们所不希望的。如要求触发整流环节为一个放大系数为Ks的线性环节，则有：Ud=2.34Ecos=Ksuk即有 (4-2)式中，是一个与最小控制角min和最大控制输出ukmax有关系的常数。式(4-2)即是与uk的关系式。由它可算出对应于某一uk值的值。由于一般均用时间值来表示，所以还需要对转换成时间值T。对于50Hz的交流电而言，控制角对应的时间为：T=*106/360*50 （s） (4-3)为了加快计算速度，可采用查表法或插值查表法来按uk值计算T值。4.1.3 脉冲分配表在触发六个晶闸管时，要按照表 4-1的顺序，依次发出控制信号。为了方便起见，可建立一个脉冲分配表，如表4-4，它放于程序存储器中。每当触发时间到，按指针从表中取出一个数据从单片机的I/O口输出，经光电隔离去触发晶闸管。表4-2 脉冲分配表（0有效）单元地址数据（由I/O口输出）被触发晶闸管MM+1M+2M+3M+4M+5X X 0 1 1 1 1 0X X 1 1 1 1 0 0X X 1 1 1 0 0 1X X 1 1 0 0 1 1X X 1 0 0 1 1 1X X 0 0 1 1 1 1SCR6,1SCR1,2SCR2,3SCR3,4SCR4,5SCR5,64.2 单片机系统设计 双闭环直流调速控制系统的采样周期比较快，计算和控制任务也比较繁忙，因此需要使用高性能的单片机。对于用于轧机传动等要求响应快、精度高的调速系统，一般需要使用16位的单片机，如Inter的MCS-96或者Motorola的M68HC16等。它们能在几微秒内完成16位加法和乘法，并且有10位A/D转换器、16位高性能多功能定时器系统，可完成调速系统所需的数据采集、数据计算、控制输出等功能。对于快速性和控制精度要求较低的调速系统，可选用高性能8位单片机，如Inter的MCS-51或者Motorola的M68HC05、M68HC11，其中后者有16位运算功能，并有片内8位高速A/D和16位多功能定时器系统，还有Watchdog等各种其他外用功能，非常适合于调速控制系统。综上，本系统采用Inter的MCS-51中的8051单片机。4.2.1 8051单片机简介8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。内部程序存储器：8051芯片内部共有4KB单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。A. 8051单片机引脚图如下图所示：图4-3 8051单片机引脚图B. 8051单片机的40个引脚大致分为4大类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 a.电源 : VCC - 芯片电源，接 +5VVSS - 接地端；b.时钟 : XTAL1 XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。c.控制线 : 控制线共有 4 根，ALE/PROG: 地址锁存允许 / 片内 EPROM 编程脉冲ALE 功用：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址PROG 功用：片内有 EPROM 芯片， EPROM 编程时期，此引脚输入编程脉冲。PSEN: 外 ROM 读选通信号。RST/VPD: 复位 / 备用电源。RST Reset 功用：复位信号输入端。VPD 功用：Vcc 掉电情况下，接备用电源。EA/Vpp: 表里 ROM 挑选 / 片内 EPROM 编程电源。d.I/O 线8051 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口： P0 P1 P2 P3 口，共 32 个引脚。 P3 口还具有第二功能，用于特殊旌旗灯号输入输出和控制信号（属控制总线）。4.2.2 单片机控制直流调速系统工作原理概述 整个系统的工作原理：首先是人为给定电动机转速的电压信号，然后将这个电压信号通过A/D转换器转换成数字信号后传送给单片机（8051）。单片机通过中断通信方式将接收到数据先保存起来。然后再对此数据进行处理：要将此二进制数进行转换，先将（00HFFH）转换成对应的实际数值，接着启动ADC0809开始采样直流电动机的实际速度值，因为用到了中值滤波算法，所以需要连续采集三次数据，作比较之后取中间值，这个值即为直流电动机速度的实际值。然后用给定值与这个实际值作比较，再通过PID控制算法，得到一个输出信号值，再通过DAC0809转换器将这个数字信号输入到晶闸管来驱动直流电动机；接着继续采样，又通过PID控制算法，同样又输出一个电压控制信号来驱动直流电动机，其实这是一个不断地循环往复的过程，作比较直至差值为零，即实际速度等于给定速度。 整个系统设计包括了三个大的部分： A/D转换电路部分、扩展并行接口、存储器的扩展部分。A.A/D转换电路的设计：从毕业设计任务书中给的原始数据知道，测速发电机的输出电压范围为（012V），直流电动机的额定转速值是1500转/分。选用了一块ADC0809芯片，对测速发电机发出的电压进行转换，转换成相应的数字信号。但是ADC0809芯片只能接受（05V）的电压范围，需要外加一个转换电路，将测速发电机发出的电压进行转换，达到ADC0809芯片能接受要求范围。B.扩展并行接口电路的设计：MCS-51系列单片机内具有32个输入输出接口，但在大多数的实时控制系统中，肯定会需要扩展大量的芯片，唯一可行的办法就是扩展控制系统的并行接口，因此外扩一块8155芯片。C.存储器的扩展电路设计：MCS-51系列单片机内具有128B或256B的数据存储器RAM，但在大多数的实时控制系统中，肯定会要求采集大量的数据信息，而这些信息又比较珍贵，为此需要将这些大量宝贵的数据保存下来，唯一可行的办法就是扩展控制系统的存储容量，因此外接一块6116芯片。4.2.3 单片机系统的硬件设计单片机控制直流调速系统接口电路集中了MCS-51系列单片机的功能芯片，包括数据存储器扩展芯片6116，I/O口扩展芯片8155，A/D转换芯片ADC0809，另外还有3-8译码器74LS138，地址锁存器74LS373等。下面将分别介绍各个芯片的功能和设计电路图。A.单片机系统的地址分配 单片机与74LS138译码器的设计如图所示：图4-4 8051与74LS138的连接图 单片机控制直流调速系统的接口电路属于RAM和I/O容量较大的应用系统，单片机共有三个外围及接口芯片，需要三个片选信号，我们采用全地址译码方法。这种译码方法将低位地址作为片内地址，而用译码器74LS138对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。本系统采用的38译码器74LS138，输入端占用3根最高位地址线，取A (P2.5), A (P2.6), A (P2.7)作为74LS138译码器的输入信号依次接至74LS138的A口、B口、C口，剩余的13根低位可作为片内地址线。因此，译码器的8根输出线分别对应8个8K字节地址空间。74LS138的控制端E1，E2接地，E3接+5V，否则译码器的8个输出端全为高阻状态。逻辑功能表如下： C B A （CS3）（CS2）（CS1）（CS0）1 0 00 0 01 1 1 1 1 1 1 0（接6116）1 0 00 0 11 1 1 1 1 1 0(8155) 11 0 00 1 01 1 1 1 1 0（接0809）1 11 0 00 1 11 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 11 1 0 1 1 1 1 11 0 01 1 01 0 1 1 1 1 1 11 0 01 1 10 1 1 1 1 1 1 1其 它 状 态 1 1 1 1 1 1 1 1表4-3 74LS138逻辑功能表根据上表中地址线的连接方法可知各个芯片全部地址译码如下表所示：表4-4 地址译码元器件地址选择线片内地址单元数地址编码6116000 2K0000H1FFFH81550011 1111 1111 11 4K3FFCH3FFFH08090111 1111 1111 1 8K7FF8H7FFFHB.数据存储器6116的扩展数据存储器即随机存取存储器，简称RAM，用于存放可随时修改的数据信息，对RAM可进行读、写操作。数据存储器用于存储现场采集的原始数据、运算结果等，所以外部数据存储器应能够随机读/写，通常采用半导体随机存储器RAM电路。RAM为易失性存储器，断电后所存储的信息会立即丢失。因为设计的系统中需要采集大量的数据并要保存下来，因此使用一片6116扩展单片机的数据存储器，6116与单片机的电路设计如下图所示：图4-5 8051与数据存储器6116的接口电路图将74LS138的片选信号Y0接至6116的。6116数据线D0D7依次接到8051单片机的P0口，地址线A0A7依次接到74LS373的输出端，高五位地址线（A8A10）依次接到8051单片机的（P2.0P2.2口）。、的信号分别接到8051单片机的和端口。6116在此系统中的工作原理，当6116的=0，=0，=1时从6264读出数据到D7D0；当6116的=0，=1，=0时把D7D0数据写入6116。具体工作方式见下表：表 4-5 6116的工作方式选择表工作方式功 能禁止000不允许同时为低电平读出001从6116读出数据到D7D0写入010把D7D0数据写入6116选通011输出高阻未选通1输出高阻由于8051单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行数据存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。这里使用了带三态缓冲输出的8D锁存器74LS373，当74LS373用作地址锁存器时，三态门的使能信号应该为低电平。当C输入端为高电平时，锁存器输出（1Q8Q）状态和输入端（1D8D）状态相同；当C端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D8D）的数据锁入（1Q8Q）的8位锁存器中。C.ADC0809与8051单片机的接口电路设计a.给定速度的设计给定转速电路设计如下图所示：图4-6 给定模拟电压与ADC0809的连接已知直流电动机的额定转速为1500转/分，为简化设计电路，给定转速由一个旋转电位器给定一个05V可变模拟电压，通过ADC0809模数转换器将这一给定05V电压转换成对应的数字信号，将这个数字信号作为控制直流电动机转速的给定速度值。旋转电位器R4的一端接+5V直流电压，另一端接地，可变输出端接ADC0809模拟量输入通道IN0。当电位器输出电压为0V时即给定转速为0转/分，当电位器输出电压为+5V时即给定转速为1500转/分。这样当给定电压在05V之间变化时，其转换后的数字信号相当于01500转/分。b.反馈速度采样设计反馈速度采样电路设计如下图所示：图4-7 ADC0809和8051的连接电路图在设计中首先要将给定直流电动机转速的模拟电压转换成数字信号，同时还要对测速发电机进行采样并转化成数字信号，因此需要一片A/D芯片。A/D的种类很多，根据转换原理可以分为双积分式（优点是转换精度高，抗干扰性好，价格便宜，但转换速度慢）、逐次逼近式（转换精度、速度、价格适中）、并行式（速度快，但价格昂贵）和计数器式。其中逐次逼近式A/D转换器应用比较普遍，也能满足设计要求，因此选用了一片ADC0809芯片。ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D，由多路模拟开关、通道地址所存、译码器、8位A/D转换器及三态输出数据锁存器组成。设计中，由于ADC0809片内无时钟，因此利用8051单片机 的ALE提供，而8051单片机的晶振频率为12MHz，则其ALE脚输出的频率为2MHz，再将8051单片机的 ALE经过触发器74LS74 四分频后为500KHz。ADC0809的CLK典型值为640 KHz，超过640 KHz时会使转换精度降低，因此经过四分频后8051单片机的ALE连接到ADC0809的CLK能够满足系统的设计要求。ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出线D0D7可直接与8051单片机的P0口相连。ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC分别与8051单片机的地址总线D0、D1、D2经过74LS373相连后A0、A1、A2连接，以选中IN0IN7的某一路，但是实际上只需要两个转换通道就行了（IN0给定转速电压通道；IN1测速发电机反馈电压通道）。而将74LS138的CS3（）作为片选信号，由8051单片机的写信号控制ADC0809的地址锁存和转换启动。由于ADC0809的ALE和START连在一起，故在锁存通道的同时，启动并进行转换，输出允许信号ENABLE由8051单片机的读信号RD与74LS138的组合产生。显然应为低电平。A/D转换是否完成的判断。因为只有确认数据转换完成后，才能把数据传送给8051单片机做处理。通常有三种方式：定时传送方式、查询方式、中断方式。从ADC0809和8051单片机的连接电路图中可知 ADC0809 的EOC经过反向器后再和8051单片机的INT0相连接，所以采用的是中断方式进行数据传送。由于采用的是中值滤波算法，所以需要采集三次。当检测到EOC为高电平时，即A/D转换完成，单片机将数据读入并做相应的处理。ADC0809和8051单片机的连接电路图中主要涉及到三个问题：第一个是ADC0809的8路模拟信号的通道选择（上文中已经做出说明），第二个就是A/D转换完后转换数据的传送，第三个就是ADC0809的8路模拟信号的通道所能承受的电压为05V，而测速发电机输出电压为012V，因此需要加一个转换电路将测速发电机的输出电压转换成能够满足ADC0809的模拟量输入通道的要求，通常将测速发电机的输出电压接到一个电位器上，调整电位器使输出电压变成05V的直流电压。A/D转换后得到的是数字量，传送给单片机进行处理。D.8155与8051单片机的接口电路设计8155与单片机连接电路如图所示：图4-8 8155和8051的连接电路图MCS-51单片机可以和8155直接相连而不需要任何外加逻辑器件。8051单片机P0口输出的低8位地址不需要另外加锁存器而直接与8155的AD0AD7相连，既做低8位地址总线又做数据总线，地址锁存器直接用ALE引脚在8155锁存。4.2.4 电流测量和速度给定值输入系统使用ADC0809 8路8位A/D转换器，它的地址为7FFFH。写入该地址，启动A/D转换器，通道地址由A2、A1、A0决定。A/D转换完成，产生EOC脉冲和中断。这时，MCU可读入转换结果。电流互感器整流滤波ADC0809INOUAUBUC图4-9 电流测量框图如图4-9所示，交流电流通过电流互感器变成05V电压信号，经整流和滤波后加到ADC0808的IN0上。速度给定采用电位器输入，它加到IN1上。对于需要较高精度的调速控制系统，可采用10位或者更高分辨率的A/D转换芯片。但这时，一方面成本将较高，另一方面计算将大大复杂，因为必须采用16位计算，所以在选型时应该多方面考虑。4.2.5 速度测量速度检测有模拟和数字两种检测方法。模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中，转速的方向也是不可缺少的。不过模拟测速方法的精度不够高，在低速时更为严重。对于要求精度不高、调速范围不大的系统，这种测速方法亦能满足本次设计的需要。直流测速发电机是一种模拟测速装置。它能产生和电动机转速成比例的电信号，并且有能在较宽的范围内提供速度信号的能力。直流测速发电机广泛地应用于自动控制、测量技术和计算机技术等装置中。直流测速发电机仍是速度伺服控制系统中的主要反馈装置。A.直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的工作原理基于电磁感应定律：在磁场中运行的导体（线圈）切割磁力线，因此在导体（线圈）中产生感应电动势。当线圈在磁场中转动时，线圈的有效边ab和cd轮流交替的切割N极和S极下的磁力线，因而线圈产生的电动势是交变的，线圈每转一圈，电动势交变一次。在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势。显然输出电压与转速成正比。另外，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。B.误差分析直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：a. 电枢反应直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通0减小，使输出电压减小。从输出特性看，斜率将减小，而且电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越显着，输出特性斜率减小越明显，输出特性直线变为曲线。 b. 温度的影响假如直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通减小，输出电压减小，特性斜率减小。温度升得越高，斜率减小越明显，使特性向下弯曲。可在励磁回路中串接一个阻值较大而温度系数较小的锰铜或康铜电阻，以减小由于温度的变化而引起的电阻变化，从而减小因温度而产生的线性误差。 c. 接触电阻假如电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻，那么输出电压受接触电阻压降影响总是随负载电流变化而变化，当输入的转速较低时，接触电阻较大，使此时本来就不大的输出电压变得更小，造成的线性误差很大；当电流较大的，接触电阻较小而且基本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。C.直流测速发电机与单片机的接口直流测速发电机的输出是一个模拟量，当它与单片机接口时，必须经过A/D转换。现在我们使用的8051单片机内部不含有A/D转换器，我们外接了ADC0809转换器，它具有812位的转换精度。4.2.6 晶闸管控制晶闸管触发采用8051的定时器T0实现。每次把T的补码写入T0中，在T0溢出时，转到T0中断处理程序，按脉冲分配表从P1口（P1.0P1.5）输出晶闸管触发脉冲。然后延时50s，置位P1.0P1.5，从而输出宽度为50s的触发脉冲。该触发脉冲经8155输出去触发对应的晶闸管。这里由于8051的P1口在复位后初态为1，故采用0为有效输出位，以保证初态时晶闸管处于截止状态。4.3 7805引脚图及其稳压电路7805是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5V，刚好是51系列单片机运行所需的电压，他有很多的系列如KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差别,用的最多的还是MC7805。引脚图下图所示。图 4-12 7805引脚图其中1接整流器输出的+电压，2为公共地(也就是负极)，3就是我们需要的正5V输出