单片机控制变频器的闭环调速系统.doc

本科生毕业设计 论文 I 摘 要 随着电力电子技术 微机控制技术的发展 由变频器组成的异步电动机变频 调速系统被广泛应用 但在一些技术要求较高的场所 对于由变频器组成的开环 控制变频调速系统 其技术性能总是难以满足工程要求 达不到满意的效果 单 片机因其功能全 价格低深受欢迎 因此 开发用单片机控制的变频器来实现闭 环调速系统的控制将具有重要意义 本文介绍了一种单片机控制的变频器的闭环交流调速系统 叙述了系统的硬 件和软件设计方案 由 80C196KB 对变频调速系统进行控制 变频调速系统主要 通过变频器来实现 采用 PWM 脉宽调制控制方式 控制系统主要控制变频器逆 变电路晶闸管的导通角 实现调速 速度传感器和 80C196KB 控制系统形成闭环 调速系统 80C196KB 通过速度传感器检测电动机转速的变化量 控制变频器的 闭环调速系统 使电动机稳定运行 闭环控制方式能克服开环控制方式抗扰性能 差的弱点 软件部分设计了系统的主程序 定时中断程序及键盘显示程序 并探 讨了 PID 的控制算法及实现过程 该系统具有较高的响应速度和良好的控制效果 由于应用了单片机 使系统 具有结构简单 操作方便和运行可靠的特点 关键词 80C196KB 单片机 变频器 闭环调速系统 PID 控制算法 本科生毕业设计 论文 II Abstract Along with the electric power electronic technology and the microcomputer control technology development the frequency conversion timing system which is composed by the inverter can widely apply But in some specific high places regarding as the open loop speed adjusting system which is composed by the inverter is always very difficulty with the project requestion single chip microcomputer is popular with the function entire and the price low Therefore it will be very important the closed loop speed adjusting system that inverter is controlled by single chip microcomputer The paper describes a closed loop speed adjusting system of inverter controlled by single chip microcomputer and introduces the system hardware constitution and software design project the frequency conversion timing system is controlled by 80C196KB speed adjusting system mainly realizes through the inverter with the mode of the PWM pulse width modulation the control system primarily controls the electric circuit thyristor break over angle of the inverter the realization of the speed adjusting The velocity generator and the control system of the 80C196KB form the closed loop speed adjusting system 80C196KB controls the inverter of the closed loop speed adjusting system through the velocity generator examination electric motor rotational Which enables the electric motor stable movement the closed loop system is better with the opened loop in interference rejection energy The software part has designed the system master routine and the fixed time interrupt routine and the keyboard demonstrated and has discussed the PID control algorithm and the realization process The system gets high response speed and good control effect With single chip microcomputer the system has the features of simple structure convenient for manipulation and running reliability Key words 80C196KB single chip microcomputer inverter a closed loop speed adjusting system PID control algorithm 本科生毕业设计 论文 III 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 单片机的产生和发展 1 1 2 80C196KB 的用途 2 1 3 80C196KB 的优点 2 1 4 本文的主要内容 3 第 2 章 系统设计方案 4 2 1 控制系统的概述 4 2 2 单片机控制变频器的设计思想 6 第 3 章 系统硬件 8 3 1 80C196KB 单片机的介绍 8 3 1 1 80C196KB 单片机引脚功能 8 3 1 2 时钟 10 3 1 3 并行 I O 口 10 3 1 4 高速输入单元 HSI 15 3 1 5 高速输出单元 HSO 16 3 1 6 定时器 17 3 2 系统外围电路的设计 18 3 2 1 数模转换电路的设计 18 3 2 2 反馈电路的设计 20 3 2 3 程序存储器扩展电路的设计 21 3 2 4 键盘 显示电路的设计 23 3 3 变频器 27 3 3 1 TD3000 变频器介绍 27 3 3 2 变频器制动电阻的选择 29 3 3 3 变频器应用中的干扰及抑制 30 第 4 章 软件设计 32 4 1 软件设计思想 32 4 2 PID 控制算法及实现 33 4 3 软件编程 34 本科生毕业设计 论文 IV 4 3 1 A D 变换器的编程 34 4 3 2 中断编程 35 4 3 3 键盘显示程序 37 第 5 章 结 论 39 参考文献 40 致 谢 42 附 录 43 附 录 59 附 录 60 本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 单片机的产生和发展 为适应社会发展的需要 微型计算机不断的更新换代 新产品层出不穷 在 微型计算机的大家族中 近年来单片微型计算机异军突起 发展极为迅速 单片微型计算机简称单片机 它是在一块芯片上集成中央处理器 随机存取 存储器 只读存储器 定时 计数器 I O 接口电路等部件 构成一个完整的微型计 算机 它的特点是 高性能 高速度 体积小 价格低廉 稳定可靠 应用广泛 单片机的发展历史并不长 它的产生和发展与计算机的产生和发展大体上同 步 也经历了四个阶段 第一阶段 1970 年 1974 年 为 4 位单片机阶段 这种单片机的特点是 价格便宜 控制功能强 片内含有多种 I O 接口 有的根据不同用途还配有许多 专用接口 有些甚至还包括 A D 转换 D A 转换 声音合成等电路 丰富的 I O 功能大大增加了 4 位单片机的控制能力 从而使外部设备接口电路极为简单 4 位单片机主要应用于录音机 摄像机 电视机 电冰箱 洗衣机 录像机和电子 玩具等产品中 第二阶段 1974 年 1978 年 为低中档 8 位单片机阶段 它是 8 位单片 机的早期产品 以 Intel 公司的 MSC 48 系列单片机为代表 这个系列的单片机在 片内集成 8 位 CPU 并行 I O 口 8 位定时 计数器 RAM 和 ROM 等 无串行接 口 中断处理较简单 片内 RAM 和 ROM 容量小 且寻址范围不大于 4KB 第三阶段 1978 年 1983 年 为高档 8 位单片机阶段 这类单片机是在 低 中档基础上发展起来的 其性能有明显提高 以 Intel 公司的 MSC 51 系列单 片机为代表 在片内增加了串行接口 有多极中断处理系统 16 位定时 计数器 片内 RAM 和 ROM 容量增大 寻址范围可达 64KB 有的片内带有 A D 转换接口 这类单片机功能强 应用领域广 是目前各类单片机中应用最多的一种 第四阶段 1983 年 现在 为 8 位单片机巩固发展阶段及 16 位单片机 32 位单片机推出阶段 此阶段主要特征是 一方面不断完善高档 8 位单片机 改 善其结构 以满足不同用户的需要 另一方面发展 16 位单片机 32 位单片机及 专用型单片机 16 位单片机初了 CPU 为 16 位外 片内 RAM 为 232B ROM 为 本科生毕业设计 论文 2 8KB 片内带有高速输入输出部件 多通道 10 位 A D 转换部件 中断处理为 8 级其实时处理能力更强 近年来 各个计算机生产厂家已进入更高性能的 32 位 单片机研制 生产阶段 32 位单片机除了具有更高的集成度外 主振频率已达 20MHZ 这使 32 位单片机的数据处理速度比 16 位单片机快很多 性能比 8 位 16 位单片机更加优越 需要提到的是 单片机的发展阶段虽然经历了 4 位 8 位 16 位各阶段 但 4 位 8 位 16 位单片机仍各有其应用领域 如 4 位单片机在一些简单家用电器 高档玩具中仍有应用 8 位单片机在中 小规模应用场合仍占主流地位 16 位单 片机在比较复杂的控制系统中才有应用 32 位单片机因控制领域对它的需求并不 十分迫切 所以 32 位单片机在我国的应用并不多 正是由于单片机具有上述显著的特点 使单片机的应用范围日益扩大 单片 机的应用 打破了人们的传统设计思想 原来很多用模拟电路 脉冲数字电路和 逻辑部件来实现的功能 现在均可以使用单片机 通过软件来完成 使用单片机 具有体积小 可靠性高 性能价格比高和容易产品化的优点 1 2 80C196KB 的用途 80C196KB 是一种可以独立使用的高性能单片微机 它的高速数学处理能力 和高速 I O 脚 使它成为复杂的电机和轴控系统的理想控制器件 由于它兼有模 拟 I O 和数字 I O 通道 所以又是数据采集和闭环模拟控制的优选器件 从高档 消费到尖端航天技术 它的应用范围十分广泛 1 3 80C196KB 的优点 80C196KB 是一种片内不带 ROM 的 16 位单片机 它特适用于各类自动控制 系统 如工业过程控制系统 侍服系统 变频调速电机控制系统等 还适用一般 的信号处理和高级智能仪器 以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化 设备控制器等 这些系统均要求实时控制 实时处理 80C196KB 单片机和 MSC 51 系列单片机相比 至少在以下方面提高了系统的实时性 1 CPU 算术逻辑单元不再采用常规的累加器结构 而改用寄存器到寄存器 结构 CPU 的操作直接面向 256 字节的寄存器 消除了一般 CPU 结构中存在的 累加器的 瓶颈 效应 提高了其操作速度和数据吞吐能力 2 256 字节寄存器中 24 字节是专用寄存器 其余 232 字节均为通用寄存 器 其通用寄存器的数量远比一般 CPU 的寄存器数量多 这样就有可能为中断 本科生毕业设计 论文 3 服务程序中的局部变量指定专门的寄存器 免除了中断服务过程中保护寄存器现 场和恢复寄存器现场所支付的软件开销 并大大方便了程序设计 3 有一套效率更高 执行速度更快的指令系统 可以对带符号数和不带符 号数进行操作 16 乘 16 位指令的执行时间为 1 4 6 25us 32 位除 16 位指令的 执行时间为 2 4 6 25us 还有符号扩展 数据规格化等指令 除了上述几点外 80C196KB 单片机还集成了更为丰富的外设装置 可用于 提高系统抗干扰能力的监视定时器 WATCHDOG 可用于记载引脚上输入事 件 信号电平的跳变 发生时刻的高速输入 输出器 HIS 0 可用于直接驱动 电机类的执行元件 或滤波后获得直流输出的脉宽调制输出 PWM 等 另外 80C196KB 单片机外部总线宽度可以在运行中动态地改变 配置成标 准的 16 位分时切换的地址 数据总线 或配置成 8098 型的 16 位地址 8 位数 据总线 这样就给曾经使用过 8098 的用户带来很大的方便 用户只需将系统总 线配置成 16 位地址 8 位数据总线形式即可与原有的 8098 系统兼容 无须改变 其外围电路 1 4 本文的主要内容 本课题研究的是单片机控制变频器的闭环调速系统 采用 Intel 公司生产的 80C196KB 单片机对变频器进行控制 因为 80C196KB 内部无 ROM 所以还要进 行程序存储器扩展 为了实现对变频器 VRC 端电压的控制 需要进行 D A 转 换 DAC0832 是 8 位分辨率的 D A 转换集成芯片 DAC0832 含有 8 位数据输入 寄存器 可锁存 CPU 输出的二进制数字量 寄存器选择信号及数据传送信号CS 都与地址选择线相连 两级寄存器的写信号都由 80C196KB 的端控制 XFERWR 当地址线选择好 DAC0832 后 只要输出控制信号 DAC0832 就能一步完成WR 数字量的输入锁存和 D A 转换输出 DAC0832 为电流输出型 D A 转换器 要获 得模拟电压输出时 需要外加转换电路 其输出端与变频器的输入端相连 通过 控制变频器逆变电路晶闸管的导通角来实现调速 闭环部分采用双闭环控制 一 个是速度反馈环节 由于测速发电机输出电压波动较大 若机械安装偏心 输出 电压会出现低频交流分量 因此在有源滤波前还须加上 RC 滤波电路 以保证反 馈电压的平稳 另一个是电流反馈环节 用来检测电动机起动和运行过程中是否 过载 本科生毕业设计 论文 4 第 2 章 系统设计方案 2 1 控制系统的概述 自动控制技术在工业生产中已获得了广泛的应用 工业生产中的自动控制系 统随控制对象 控制规律和所采用的控制器结构不同而有很大的差别 一般的自 动控制系统中 为了获取控制信号 要将被控制量 y 与给定值 w 相比较 以构成 误差信号 e w y 直接利用误差 e 进行控制 使系统趋向减小误差 以至使误差 为零 从而达到使被控制量 y 趋于给定位 w 的控制目的 这种控制 由于被控制 量是控制系统的输出 被控制量的变动着的值又反馈到控制系统的输入端 与作 为系统输入量的给定值相减 所以称为闭环负反馈系统 如图 2 1 所示 图 2 1 闭环控制系统框图 从图 2 1 可知 该系统通过测量元件对被控对象的被控参数进行测量 由变 换发送单元将被测参数变换成一定形式的电信号 反馈给控制器 控制器将反馈 回来的信号与给定信号进行比较 如有误差 控制器就产生控制信号驱动执行机 构工作 使被控参数的值与给定值保持一致 这种负反馈控制 是自动控制的基 本形式 图 2 2 是开环控制系统 它与闭环控制系统不同的是不需要被控对象的反馈 图 2 2 开环控制系统框图 信号 它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作 这种系统不能自动消 控制器执行机构 变换发送单元测量元件 被控对象 被控参数 给定值 控制器 执行机构被控对象 被控参数给定值 本科生毕业设计 论文 5 除被控参数偏离给定值带来的误差 控制系统中产生的误差全部反映在被控参数 上 它与闭环控制系统相比 控制性能要差 由图 2 1 可以看出 自动控制系统的基本功能是信号的传递 加工和比较 这些功能是由检测变送装置 控制器和执行装置来完成的 控制器是控制系统中 最重要的部分 它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围 如果把图 2 1 中的控制器用单片机来代替 这样就可以构成单片机控制系统 其基本框图见图 2 3 图 2 3 单片机控制系统基本框图 控制系统中引进单片机 就可以充分运用单片机强大的计算 逻辑判断和记 忆等信息加工能力 只要运用单片机的各种指令 就能编出符合某种控制规律的 程序 单片机执行这样的程序就能实现对被控参数的控制 而在一般的控制系统 中 系统的控制规律是由硬件电路产生的 改变控制规律就要改变硬件电路 而 在单片机控制系统中 控制规律的改变只要改变程序就可以了 在单片机控制系 统中 计算机的输入和输出信号都是数字信号 因此在这样的控制系统中 需要 有将模拟信号转换为数字信号的 A D 转换器以及将数字控制信号转换为模拟控制 信号的 D A 转换器 单片机控制系统从本质上来看 它的控制过程可以归结为以下三个步骤 1 实时数据采集 对被控参数的瞬时值进行检测 并输入 2 实时决策 对采集到的表征被控参数的状态量进行分析 并按已定的控 制规律 决定进一步的控制过程 3 实时控制 根据决策 适时地对控制机构发出控制信号 工业生产过程是连续进行的 应用于工业控制的系统必定是一个实时控制系 统 它应该包括硬件和软件两部分 单片机控制系统的硬件一般包括 CPU 内存储器 ROM RAM 以模 数转换和数 模转换为核心的模拟量输入 输出通道 开关量输入 输出通道 I O 及人机联系设备 运行操作台等几部分 它们通过单片机系统总线 地址总线 数据总线和控制总线 构成一个完整的系统 控制器D A执行装置 被控制 对象 A D w 给定值 单片机 被控参数 y 本科生毕业设计 论文 6 本科生毕业设计 论文 7 2 2 单片机控制变频器的设计思想 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用 由 Intel 公司 1983 年开发 生产的 MCS 96 系列是目前性能较高的单片机系列之一 适用于高速 高精度的 工业控制 变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备 它是为了解决 传统的交流电机调速困难 且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的 能使交 流电机的调速范围和调速性能大为提升 80C196KB 是 MCS 96 系列产品中的 CHMOS 工艺的器件 其片内集成了 A D 转换模块 包括一个 8 通道的模拟多路 开关 一个采样和保持电路以及一个 10 位的逐次逼近 A D 转换器 充分利用 80C196KB 的片上 A D 转换资源即可以简化硬件 降低成本 又简单容易实现 国内供货也相对容易 即便是以往只可能是直流电机出现的伺服控制领域 随着 电力半导体长足发展 变频器也随之不断进步 如今变频器已深入我们的日常生 活 随处可见其为我们服务的身影 单片机已经无处不在 与我们生活更加相关 并渗透入生活的方方面面 单片机的特点是体积小 其内部的结构是普通的计算 机系统的简化 在增加一些外围电路之后 就能成为一个完整的系统 单片机控 制变频器的闭环调速系统更能更好的表现出单片机应用系统的广泛性 实用性 先进性 可以简化整体的设计方案 由于 2 1 节已经论述了控制系统的设计 16 位单片机 80C196KB 控制系统设 计方面已经有了基本的理解 因为 80C196KB 本身不带 ROM 所以要扩展外部 ROM 作为程序存储器 80C196KB 单片机控制系统由 CPU80C196KB 程序存储 器 数模转换器 0832 组成 变频器由整流器 滤波器 逆变器几部分组成 速 度传感器检测出来的速度变化量转换成数字量信号 反馈到由 80C196KB 构成的 控制系统 反馈信号经 80C196KB 控制系统对变频器进行控制 形成一个闭环调 速系统 80C196KB 型单片机使用非常方便 功能强大 有较为丰富的输入输出 口 如具有 4 个模拟量输入通道 ACH0 ACH1 ACH2 ACH3 有 4 路高速输 出口 可用来编程输出 PWM 信号 作为模拟量输出使用 DAC0832 由 8 位输入寄存器 8 位 DAC 寄存器和 8 位 D A 转换电路组成 应用系统中通常使用的是电压信号 而 DAC0832 输入的是电流信号 这就需要 由运算放大器组成的电路实现转换 由 80C196KB 系统对变频调速系统进行控制 变频调速系统主要通过变频器来实现 采取 PWM 脉宽调制控制方式 控制系统 主要控制变频器逆变电路晶闸管的导通角 实现调速 速度传感器和 80C196KB 控制系统形成闭环调速系统 80C196KB 通过速度传感器检测电动机转速的变化 量控制变频器的闭环调速系统 使电动机稳定运行 软件程序编制原理通过检测 本科生毕业设计 论文 8 出来的交流电过零点和工频同步发出的触发信号对变频器电路里晶闸管的导通角 进行控制 系统原理框图见图 2 4 AD 图 2 4 系统原理框图 CPU80C 196KB 保护电路 程序存储器 变频器电动机 反馈环节 显示模块 键盘 本科生毕业设计 论文 9 第 3 章 系统硬件 3 1 80C196KB 单片机的介绍 3 1 1 80C196KB 单片机引脚功能 80C196KB 单片机的引脚图 68 脚 PLCC 封装 如图 3 1 图 3 1 80C196KB 引脚图 引脚功能介绍 1 电源引脚 80C196KB 共有六条与电源有关的片脚 它们是 VCC VSS VPD VREF ANGND 和 VBB VCC 与 VSS 分别接 5V 电源的正 极和地 VPD 是 RAM 的备用电源电压 VREF 和 ANGND 向 A D 变换器提供参 考电压 一般也是 5V 为保证 A D 变换的精度和减少干扰 它们应与芯片的供 电电源分开 ANGND 同时也是模拟量输入电压的地端 它应与 VSS 等电位 VBB 是 A D 变换器衬底所需的电压 由片内反向偏置发生器从 VCC 产生 VBB 应与 ANGND 经 0 01uF 电容相联 当 A D 变换器未用时 不要接上述电容 而 要将这条脚浮空 68 脚封装的 80C196KB 有两条 VSS 脚 它们在内部是联通的 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 22 Jun 2006Sheet of File server m tv zhangzhen DdbDrawn By ACH7 P0 7 ACH6 P0 6 ACH2 P0 2 ACH0 P0 0 ACH1 P0 1 ACH3 P0 3 NMI EA VCC VSS XTAL1 XTAL2 CLKOUT TEST BUSWIDTH INST ALE ADV RD AD1 P3 1 AD0 P3 0 AD2 P3 2 AD3 P3 3 AD4 P3 4 AD5 P3 5 AD6 P3 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 61 62 63 64 65 66 67 68 AD7 P3 7 AD8 P4 0 AD9 P4 1 AD10 P4 2 AD11 P4 3 AD12 P4 4 AD13 P4 5 AD14 P4 6 AD15 P4 7 T2CLK P2 3 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 HSI 3 HSO 5 HSO 0 HSO 1 P1 5 P1 6 P1 7 P2 6 HSO 2 HSO 3 VSS VBB P2 7 P2 5 PWM WR BHE T2RST P2 4 READY 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 ACH5 P0 5 ACH4 P0 4 ANGND VREF VPD P2 2 EXTINT RESET RXD P2 1 TXD P2 0 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 HSI 0 HSI 1 HSI 2 HSO 4 本科生毕业设计 论文 10 2 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 振荡器中反相器的转人 也是内部时钟发生器的输入 常接外部 晶体 XTAL2 振荡器中反相器的输出 接外部晶体 3 复位端 复位输人端 复位时至少保持 4 个状态周期的低电平 此后由低变RESET 高 使 CLKOUT 重新同步 且形成一个 10 个状态周期的序列 在此期间 PSW 被清除 2018H 单元的内容装载到芯片配置寄存器 CCR 并跳转到 2080H 单元 正常运行时 此脚应输人高电平 引脚具有内部上拉电阻 RESET 4 其他常用引脚 存储器选择输入端 1 当访问存储器 2000H 3FFFH 单元时 访EAEA 问的是片内 ROM EPROM 0 则访问的是片外存储器 在 EPROM 编程时 EA 12 5V 使编程开始 具有内部下拉电阻 故除非从外部将其拉高 否EAEA 则将处于低电平状态 的输人状态在复位期间被锁入内部 EA ALE 地址锁存允许 ALE 或地址有效输出 由 CCR 选择 ADVADV 两者都提供了一个锁存信号 以便把地址从地址 数据总线中分离出来 当选定 功能时 在总线周期结束时 此引脚变高 可作为外部存储器的片选ADVADV 信号 只有在外部存储器访问期间才会激活 ALE ADV 对外部存储器的读信号 输出 RD READY READY 信号与 CLKOUT 脚的输出信号同步 HSI 高速输入信号端 共有 4 个输入引脚 记为 HSI 0 HSI 3 其 中 2 个 HIS 2 和 HIS 3 与 HSO 合用 在 EPROM 型号中的编程方式下 也用到这 些引脚 HS0 高速输出器的输出 共 6 个引脚 记为 HSO 0 HSO 5 EXTINT P2 2 外部中断申请端 是 P2 2 的替换功能 PWM P2 5 脉宽调制输出端 是 P2 5 的替换功船 P0 口 8 位高阻输入端口 这些引脚可作数字输入 也可作 A D 转换 器的模拟输入 P1 口 8 位准双向 I O 口 P2 口 8 位多功能口 它们除了可用作标准 I O 口外 还可用作其它 特殊功能 P3 和 P4 口 8 位双向 I O 口 漏极开路输出 这些引脚和多路切换的地址 数据总线共用 具有内部强上拉电阻 本科生毕业设计 论文 11 3 1 2 时钟 计算机内部的一切活动严格地按照时钟的节拍进行 XTAL1 和 XTAL2 两脚 供用户接入 6 12MHz 的晶体 它与片内反相器构成振荡器 振荡频率经 2 分频 后 取得 A B C 三相内部时钟信号 其中 A 相时钟还经 CLKOUT 脚输出 提 供给用户使用 图 3 2 是振荡器的接线图 图 3 2 片内振荡器电路 3 1 3 并行 I O 口 1 P0 口 P0 口专做输入口使用 通过控制可以输入数字量或模拟量 作为数字量输入 时 通过 P0 口的输入缓冲器直接上 D 总线 作为模拟量输入时则通过 A D 命令 寄存器有选择地将 P0 口的任一条接向 A D 变换器 P0 口是高阻抗数字量输入口 仅有几个微安的漏电流 其成分主要是流经大 约 10pF 输入电容的容性电流 用做模拟量输入时 因 A D 变换器在变换期间还 要向比较器提供电流 所以输入特性在转换期间是变化的 模拟输入口 在 A D 变换器和多路开关之间增加了采样电容 C3 约 2pF 见图 3 3 图中 R1 为多路开关的导通电阻 约为 5 k IL为片脚漏电流 最大为 3uA 当 A D 变换器接到起动变换命令后有一个时态的采样延时 在这一时态时 间内逐次逼近寄存器清零 多路开关切换到指令通道上 随后 采样电容与输入 信号接通的 4 个时态时间 之后采样窗口关闭 在整个 A D 变换过程中存储在采 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 26 Jun 2006Sheet of File C Documents and Settings Administrator MyDesign ddbDrawn By 2 XTAL1XTAL2 C2C1 80C196KB Y1 12MH z 本科生毕业设计 论文 12 样电容上的电荷不再改变 比较器在自动校零后开始变换 上述采样延时和采样 窗口时间的不确定性大约都是 50us 与时钟频率无关 完成 10 位 A D 变换的总 态数为 图 3 3 A D 采样电路 88 12MHZ晶体时为 22us 80C196KB 受 IOC2 4 的控制 该位置 1 时为快变模式 置 0 时为慢变模式 快变模式下 采样窗口时间为 8 时态 变换总时间为 91 时态 10MHz 时为 18 2us 慢变模式下 采样窗口时间为 15 时态 变换总时间为 158 时态 12MHz 时为 26 33us 输入信号接入 A D 片脚时 应特别注意信号源内阻可能引起 A D 变换的误 差问题 设信号源内阻为 1k 因片脚漏电流引起的输入电压误差将达到 0 61LSB 1 0k 3uA 3 0mA 内阻不足 2k 时漏电流引起误差已达 1LSB 内 阻达到 25k 就会进一步因采样电容在采样窗口的 4 时态时间内不能充分充电而 降低变换精度 如果在片脚上外接适当的电容可以减轻对信号内阻的要求 内部 采样电容为 2pF 若外接 0 005uF 2048 2 0pF 的电容 将使输入电压稳定在 0 5LSB 范围之内 因 3uA 漏电流致 0 005uF 电容在 4 时态时间 1us 内电压降低约 0 6mV 等于 0 15LSB 所以在信号内阻很大时 外接至少 0 0051uF 的电容是必要 的 当然 对于慢速的信号 适当加大电容量是有利的 为了降低噪声的影响 常常在 0 005uF 电容的外侧串联一个小电阻以构成低通滤波器 可以按照实际的 抑制噪声频率设计滤波器参散 串联电阻不应过大 电容应尽可能地大 图 3 4 是 A D 输入电路的例子 图中同时接入 D1 和 D2 两只二极管做为过电压保护 输入信号如果低于地电平 D2 将正向导通产生 0 8V 的管压降 片脚的最大允许 本科生毕业设计 论文 13 低电平为 0 3V 串联电阻应降 0 5V 由片脚提供 2mA 漏电流时电阻应约为 270 图 3 4 A D 脚输入电路 A D 命令寄存器 当口 0 用作 A D 输入时 应向命令寄存器写入变换的通道号和变换的起动方 式 见图 3 5 图 3 5 A D 命令寄存器 8 个 A D 通道由命令寄存器低端的三位表示 A D 变换的起动方式有 2 种 向命令寄存器的起动位写 l 为立即起动变换 写 0 为由 HSO 单元延时起动 A D 命令寄存器是双重缓冲的 也就是每当一个通道正在进行 A D 变换时 即可起动 另一个经 HS0 延时起动的 A D 通道 这时应当注意两点 1 只要第二次启动信 号一到 前一次的变换无论是否完成 都被清掉 2 只要第二次信号一到 A D 结果寄存器的原内容也将被清掉 A D 结果寄存器 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 10 Apr 2006Sheet of File C Documents and Settings Administrator MyDesign ddbDrawn By 0 005uF D1 D2 270 模拟输入脚用户电路 ANGND VREF 本科生毕业设计 论文 14 A D 结果寄存器是自动存放 A D 变换结果的地方 80C196KB 的 A D 只有 10 位 A D 结果寄存器是 16 位的 A D 变换器的状态和所进行的通道号也一并 存入 A D 结果寄存器 2 P1 口 准双向 I O 口 Pl 口由 Pl 口寄存器 SFR 中的一个字节单元 地址 0EH 可读可写 和驱动部 分组成 驱动部分绘于图 3 6 它对应于 Pl 口中的一位 图 3 6 P1 口 准双向 I O 口 驱动部分主要由低阻抗下拉管 低阻抗上拉管和高阻抗上拉管组成 驱动部 分的工作状态共有三种 即低阻抗吸电流 低阻抗供电流和高阻抗供电流 作为 输出脚时 输出低电平 向口 l 寄存器 IOPORT1 的某一位写 0 只有低阻抗下拉 管导通 按规范吸收大约 400uA 的电流 管压降小于 0 45V 当输出高出电平 时 向口 1 寄存器 IOPORT1 的某一位写 1 高阻抗上拉管将一直导通 而低阻 抗上拉管能导通一个时态 但对外提供的供电流比高阻抗上拉臂大百倍左右 低 阻抗上拉管是为了提高 0 l 变换的速度 在只有高阻抗上拉管导通时 即在向此脚输出 1 态之后 本脚才可用做输 入脚 信号经过另一路限流电阻和缓冲器输入 高阻抗上拉管是耗尽型的 MOS 管 由 0 45V 到 VCC 范围内漏电流大约为 100uA 它可以配合 ITL 或 CMOS 器 件使用 也可以直接配合开关使用 但使用时要加以注意 准双向 I O 与开关相 联作为输入口时 如果开关闭合到地 则在 80C196KB 初始化向口脚写 1 时 典 型情况下 将提供 20mA 以上的供电流 如果 8 只脚都经开关到地 将提供供电 电流 160mA 这相当于瞬时芯片功耗增大 会引起噪音 对于这个潜在问题 硬 本科生毕业设计 论文 15 件方法是给每脚串 1k 电阻 既可限流又不妨碍高阻上拉管的工作 如果多脚并 联经开关接地 则串联电阻可按接脚数成倍减少 输入脚联的是电子器件而不是 开关 情况不会很严重 因为这时的外部下拉不会是 0V 20mA 3 P2 口 多功能口 口 2 为多功能口 它作为一般的 I O 口是准双向性质的 口 2 的 0 5 共 6 脚有第二功能 余下 2 脚没有第二功能 它们的第二功能如下 P2 0 为串行口的发送端 TXD 输出 受控于 IOC1 5 P2 l 为串行口的接收端 RXD 输入 无需特殊控制 P2 2 为外部中断输入脚 EXINT 受控于 IOC1 1 P2 3 为定时器 2 的输入脚 T2CLK 受控于 IOC0 7 P2 4 为定时器 2 的复位脚 T2RST 输入 受控于 IOC0 5 P2 5 为脉宽调制的输出脚 PWM 受控于 IOC1 0 口 2 作为一般 I O 口使用时与口 l 相同 下面叙述上面 6 脚的第二功能 串行口 P2 0 和 P2 1 可同时发送和接收 P2 2 为外部中断输入脚 EXINT P2 3 和 P2 4 分别为定时器 2 的输入脚和复位脚 T2CLK 和 T2RST 脉宽调制 PWM 输出 P2 5 脉宽调制输出的波形是具有固定周期而占空比为可变的脉冲渡 其具体波形 如图 3 7 所示 图 3 7 PWM 输出波形 脉宽调制的波形可用于驱动步进电机 或经滤波之后得到模拟量输出 实现 PWM 波形 H1 L0 H1 L0 H1 L0 H1 L0 H1 L0 本科生毕业设计 论文 16 D A 变换 脉宽调制输出是由软件与硬件配合产生的 计数器为 8 位 用 80C196KB 的 时态作为计数器时钟 当晶振频率为 l2MHz 时 计数时钟周期为 0 25us 计数器 每 64us 溢出一次 将置位使 PWM 输出转为高电平 计数器的计数值不断输出到 比较器 与 PWM 寄存器中的值进行比较 两者相等时复位 使 PWM 输出置 0 可见 PWM 输出波形的高电平时间取决于向 PWM 寄存器送入的数值 PWM 寄存器 PWM CONTROL 是 SFR 中的一个 地址 l 7H 只能写 因 PWM 寄存器为 8 位 故占空比可以控制 256 步 PWM 寄存器置 00 PWM 输 出为全 0 电平 PWM 寄存器置 255 PWM 输出为全 l 电平 其它中间值时 输 出为定周期变占空比的波形 晶体 12MHz 时方波频率为 15 625KHz 使用 PWM 时 先将 IOC1 0 置 l 将 P2 5 脚转为 PWM 输出 PWM 输出的脉冲波 并不是模拟量 若想得到比例于占空比的模拟量 一 般还应增加缓冲器 滤波器及功率放大等环节 简单的方法是加一级积分电路 4 P3 口和 P4 口 数字 I O 兼总线口 口 3 和口 4 都是双功能口 它们可以是正常双向 I O 口 也可以合起来组成 16 位的地址 数据分时复用的系统总线口 脚接有效电平 低电平 时口 3 EA 口 4 便工作于系统总线方式 为无效电平 高电平 时 口 3 和口 4 既可以工EA 作于系统总线方式又可以工作于双向 I O 口 但欲工作在系统总线方式前应先向 口的有关脚上写 l 口 3 和口 4 在不同方式下 各脚定义如表 3 1 表 3 1 口 3 和口 4 的引脚定义 口脚系统总线功能 P3 0 P3 7AD0 AD7 P4 0 P4 7AD8 AD15 口 3 和口 4 是漏极开路的双向 I O 做为 I O 的电路与做为系统总线的电路是 分立的 I O 方式下若作为输入口使用 应首先向口写 1 使该口处于高阻抗 状态 这样才能使输入的高 低电平进入数据总线 不然的话 当该口驱动级的 下拉管呈导通状态时 将把该口箝位到低电平而不能正确反映高电平的输入 I O 口作为输出口时 必须外接上拉电阻 I O 口的吸收电流的能力为 400uA 所以 该口的上拉电阻取为 15K 由它提供 330uA 的吸收电流 本科生毕业设计 论文 17 3 1 4 高速输入单元 HSI 1 HSI 的输入脚 高速输入单元共有四条输入脚 即 HSI 0 HSI 3 每条脚都可通过软件的使 能来选择不同的功能 使能和释放是通过对 I O 控制寄存器 IOC0 和 IOC1 相应 位的置位和复位来实现的 HSI 各输入脚的第二功能如下 HSI 0 用作定时器 2 的复位输入 HSI 1 用作定时器 2 的时钟输入 HSI 2 HSO 4 高速输出脚 4 HSI 3 HSO 5 高速输出脚 5 HSI 模式寄存器 HSI MODE 模式寄存器规定了每条 HSI 输入脚上作为事件特征的方式 每当一种特征出 现便作为一个事件记录一次 事件的特征模式共有四种 即 模式 0 HSI 输入脚上每 8 次正跳变为一事件 模式 1 HSI 输入脚上每 1 次正跳变为一事件 模式 2 HSI 输入脚上每 1 次负跳变为一事件 模式 3 HSI 输入脚上每发生一次跳变 不论正负 为一事件 2 HSI 中断 高速输入单元有三种中断方法 一是输入脚 HSI 0 引起的中断 它是中断控 制器的第 4 级中断 中断向量地址为 2008H 其二是 HSI 数据有效中断 为中断 控制器的第 2 级中断 中断向量地址是 2004H 引起这个中断的原因有两个 FIFO 满或保持寄存器装载 它们的切换由 IOC1 7 控制 该位为 0 时每次保持寄 存器装入时发中断 为 1 时 FIFO 已装入 6 个事件时发生中断 由于中断都是用 上升沿触发的 除非 FIFO 的内容减少到 5 个或 5 个以下然后再增到 6 个事件才 会再次触发 FIFO 满中断 一直保持 6 个事件不会引发重复中断 其三是 HSI FIFO 4 中断 它在 FIFO 中有 4 个及以上事件时发出的中断 它比 FIFO 满提前报告输入 事件情况 它具有自己独立的中断向量 通过窗口 15 可以查看写入内容和修改 状态 3 1 5 高速输出单元 HSO 高速输出单元是在一定的硬件支持下按指定的时间触发输出事件 由于 CPU 的开销极小 故曰高速 图 3 8 是 HSO 的原理框图 内容地址存储器 CAM Content Addressable Memory 是 HSO 的中心环节 本科生毕业设计 论文 18 CAM 单元的字长为 23 位 7 位放被控对象的属性 16 位放输出的时间 CAM 共有 8 个单元 一次可以存放最多为 8 个要求输出的事件 CAM 中每一单元的 时间内容轮流送入比较器 定时器 1 和定时器 2 将时间基准也送入比较器 每一 图 3 8 HSO 的原理框图 基准时间停留 8 个时态 使 CAM 的每一个存储单元都能与定时器的计数值比较 一次 如果两个时间的计数值相同便向外输出这个事件 同时将它从 CAM 中消 掉 如 CAM 中没有与定时器相等的数值 定时器计数加一 再进行下一轮比较 HSO 的输出脚 HSO 的定时输出脚共有 6 个 即 HSO 0 HSO 5 其中有两个 即 HSO 4 与 HSO 5 与 HSI 2 和 HSI 3 复用 3 1 6 定时器 1 定时器 l 80C196KB 片上有两个 16 位定位器 定时器 l 和定时器 2 定时器 1 使用内 部振荡器产生的 8 时态做为输入时钟 定时器 1 一但起动便由 0 到 65535 周而复 本科生毕业设计 论文 19 始地计数 除非被复位清除 为此 定时器 1 只能用于与内部同步的事件 2 定时器 2 定时器 2 使用外部时钟源 所以可与外部事件相同步 80C196KB 的定时器 2 可以加 1 或减 l 计数 定时器 2 可以经过 IOC2 1 l 的 控制由 P2 6 脚上的电平置计数器 2 为加 1 或减 1 计数器 定时器 2 的计数值可以 通过 P2 7 脚上的电平控制读入定时器 2 捕捉寄存器 定时器 2 的时钟源可以由 T2CLK 或 HSI 1 提供 通过编程将 IOC2 0 置位 以便使 80C196KB 的定时器 2 选为快进模式 快进模式允许时钟每 l 时态变化一 次 用定时器 2 做为 HSO 的参考时钟时应注意两点 l 不能用快进时钟 因为 HSO 要求 8 时态时间做比较 2 应确保 HSO 的 CAM 中没有比定时器计数值高 的事件时才能改变定时器的加 l 减 l 工作模式 3 2 系统外围电路的设计 3 2 1 数模转换电路的设计 DAC0832 是微处理器完全兼容的 有 8 位分辨率的 D A 转换集成芯片 以 其价格低廉 接口简单 转换控制容易等优点 在单片机应用系统中得到了广泛 应用 这类 D A 转换器由 8 位输入