直流电动机变频调速及方向控制设计

直流电动机变频调速及方向控制设计

中南大学微机应用系统设计与综合实验设计报告设计题目直流电动机变频调速及方向控制设计指导老师王海波吴同茂设计者专业班级设计日期2010年12月23～2011年1月13日1目录第一章微机应用系统课程设计的目的意义..........................1设计目的....................................................1课程在教学计划中的地位和作用....................................2第二章直流电动机变频调速及方向控制设计......................3设计内容及要求...................................................3课程设计的要求...................................................4第三章总体设计方案..................................................5设计思想..........................................................5总体设计流程图.............................................6第四章硬件设计.......................................................7硬件设计概要................................................7硬件电路设计系统原理图及其说明................................11第五章软件设计......................................................13流程图及其说明..................................................13软件系统的使用说明..............................................16源程序及其说明..................................................18第六章系统调试与使用..............................................20系统调试..........................................................20使用说明..........................................................22第七章收获、体会....................................................23

第四章硬件设计硬件设计概要8255A的功能简介图8255A芯片原理图引脚主要功能介绍：RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。PA0～PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。PB0～PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。PC0～PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送6数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写8255。D0～D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。8255的三种工作方式：方式0：这种工作方式不需要任何选通信号。A口，B口及C口的两个4位口中任何一个端口都可以程序设定为输入或者输出。作为输出口时，输出数据被锁存：作为输入口,输入数据不锁存。方式1(选通输入/输出方式)：在这种工作方式下，A，B，C三个口分为两组。A组包括A口和C口的高四位，A口可编程设定为输入口或者输出口，C口的高四位则是用来作为A口输入/输出操作的控制和同步信号：B组包括B口和C口的低四位，B口可编程设定为输入口或者输出口，C口的低四位则是用来作为B口输入/输出操作的控制和同步信号。A口和B口的输入或者输出的数据都被锁存。方式2(双向传送方式)在这种方式下，A口可以用于双向传送，C口的PC3~PC74用来作为输入/输出的控制同步信号。应该注意的是，只有A口允许用作双向传送，这时B口和PC0~PC2则可编程为方式0或者方式1工作。图8255A控制字格式78086功能介绍Intel8086拥有四个16位的通用寄存器，也能够当作八个8位寄存器来存取，以及四个16位索引寄存器(包含了堆栈指标)。资料寄存器通常指令隐含地使用，针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供64K8位元的输出输入(或32K16位元)，以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址，所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个。Intel8086有四个内存区段(segment)寄存器，可以从索引寄存器来设定。区段寄存器可以让CPU利用特殊的方式存取1MB内存。8086把段地址左移4位然后把它加上偏移地址。大部分的人都认为这是一个很不好的设计，因为这样的结果是会让各分段有重叠。尽管这样对组合语言而言大部分被接受(也甚至有用)，可以完全地控制分段，使在编程中使用指针(如C编程语言)变得困难。它导致指针的高效率表示变得困难，且有可能产生两个指向同一个地方的指针拥有不同的地址。更坏的是，这种方式产生要让内存扩充到大于1MB的困难。而8086的寻址方式改变让内存扩充较有效率。18086微处理器结构总线接口单元(BIU)总线接口部件下列各部分组成：4个段地址寄存器；CS——16位的代码段寄存器；DS——16位的数据段寄存器；ES——16位的扩展段寄存器；SS——16位的堆栈段寄存器；16位的指令指针寄存器IP；20位的地址加法器；6字节的指令队列缓冲器。执行单元(EU)执行部件下列几个部分组成：8个通用寄存器：即AX、BX、CX、DX,BP,SP,SI,DI；其中，4个8数据寄存器：AX、BX、CX、DX；2个地址指针寄存器：BP,SP；2个变址寄存器：SI,DI；标志寄存器FR；算术逻辑单元ALU。、BIU和EU的管理(1)BIU和EU可以并行工作，提高CPU效率。BIU监视着指令队列。当指令队列中有2个空字节时，就自动把指令取到队列中。(2)EU执行指令时，从指令队列头部取指令，然后执行。如需访问存储器，则EU向BIU发出请求，BIU访问存储器。(3)在执行转移、调用、返回指令时，需改变队列中的指令，要等新指令装入队列中后，EU才继续执行指令。28086引脚介绍图8086引脚说明AD15～AD0：地址/数据总线，双向，三态。这9是一组采用分时的方法传送地址或数据的复用引脚。根据不同时钟周期的要求，决定当前是传送要访问的存储单元或I/O端口的低16位地址，还是传送16位数据，或是处于高阻状态。A19/S6～A16/S3：地址/状态信号，输出，三态。这是采用分时的方法传送地址或状态的复用引脚。其中A19～A16为20位地址总线的高4位地址，S6～S3是状态信号。S6表示CPU与总线连接的情况，S5指示当前中断允许标志IF的状态。S4,S3的代码组合用来指明当前正在使用的段寄存器。S4,S3的代码组合及对应段寄存器的情况。BHE(低)/S7：允许总线高8位数据传送/状态信号，输出，三态。为总线高8位数据允许信号，当低电平有效时，表明在高8位数据总线D15～D8上传送1个字节的数据。S7为设备的状态信号。：读信号，输出，三态，低电平有效。信号低电平有效时，表示CPU正在进行读存储器或读I/O端口的操作。READY：准备就绪信号，输入，高电平有效。READY信号用来实现CPU与存储器或I/O端口之间的时序匹配。当READY信号高电平有效时，表示CPU要访问的存储器或I/O端口已经作好了输入/输出数据的准备工作，CPU可以进行读/写操作。当READY信号为低电平时，则表示存储器或I/O端口还未准备就绪，CPU需要插入若干个“TW状态”进行等待。INTR：可屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。8086CPU在每条指令执行到最后一个时钟周期时，都要检测INTR引脚信号。INTR为高电平时，表明有I/O设备向CPU申请中断，若IF＝1，CPU则会响应中断，停止当前的操作，为申请中断的I/O设备服务。TEST：等待测试控制信号，输入，低电平有效。信号用来支持构成多处理器系统，实现8086CPU与协处理器之间同步协调的功能，只有当CPU执行WAIT指令时才使用。NMI：非屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。当NMI引脚上有一个上升沿有效的触发信号时，表明CPU内部或I/O10

设备提出了非屏蔽的中断请求，CPU会在结束当前所执行的指令后，立即响应中断请求。RESET：复位信号，输入，高电平有效。RESET信号有效时，CPU立即结束现行操作，处于复位状态，初始化所有的内部寄存器。复位后各内部寄存器的状态，当RESET信号高电平变为低电平时，CPU从FFFF0H地址开始重新启动执行程序。CLK：时钟信号，输入。CLK为CPU提供基本的定时脉冲信号。8086CPU一般使用时钟发生器8284A来产生时钟信号，时钟频率为5MHz～8MHz，占空比为1:3。VCC电源输入引脚。8086CPU采用单一＋5V电源供电。GND：接地引脚。：最小/最大模式输入控制信号。引脚用来设置8086CPU的工作模式。当为高电平时，CPU工作在最小模式；当为低电平时，CPU工作在最大模式。DAC0832功能简介DAC0832芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS51单片机接口，其主要特性参数如下：11分辨率为8位；电流稳定时间1us;可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程和下调整其线性度；单一电源供电；低功耗，200mW。为便于DAC0832的使用，特将其应用特性总结如下：DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器控制线相连，接受微处理器的控制，如ILE、/CS、/WR1、/WR2、/XFER端。有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源。DAC0832为电流输入型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。DAC0832的引脚图及逻辑结构如图：图DAC0832各引脚图DAC0832各引脚功能如下：DI0～DI7：数据输入线。ILE：数据允许锁存信号，高电平有效；/CS：输入寄存器选择信号，低电平有效。/WR1为输入寄存器的写选通信号。输入寄存器的锁存信号/LE1ILE、/CS、/WR1的逻辑组合产生。当ILE为高电平、/CS为低电平、/WR1输入负脉冲时，在/LE1产生正脉冲；/LE1为高电平，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，/LE1的负跳变将数据线上的信息锁入输入寄存器。12/XFER:数据传送信号，低电平有效。/WR2为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存信号/LE2,/XEFR、/WR2的逻辑组合产生。当/XFER为低电平，/WR2输入负脉冲，则在/LE2产生正脉冲；/LE2为高电平是时，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，/LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。VREF：基准电源输入引脚。Rfb：反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。IOUT1、IOUT2：电流输出引脚。电流IOUT1、IOUT2的和为常数，IOUT1、IOUT2随DAC寄存器的内容线性变化。DAC0832三种数据输入方式：双缓冲方式：即数据经过双重缓冲后再送入D／A转换电路，执行两次写操作才能完成一次D／A转换。这种方式可在D／A转换的同时，进行下一个数据的输入，可提高转换速率。更为重要的是，这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。此时，要用多片DAC0832组成模拟输出系统，每片对应一个模拟量。单缓冲方式：不需要多个模拟量同时输出时，可采用此种方式。此时两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入D／A转换电路。这种方式只需执行一次写操作，即可完成D／A转换。直通方式：此时两个寄存器均处于直通状态，因此要将和、、端都接数字地，ILE接高电平，使LE1、LE2均为高电平，致使两个锁存寄存器同时处于放行直通状态，数据直接送入D／A转换电路进行D／A转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中或其他不须0832缓冲数据的情况。硬件电路设计系统原理图及其说明DAC0832双极性电压输出控制原理在微机控制系统中，要求D/A的输出电压是双极性的。例如要求输出V。在这种情况下，D/A的输出电路要作相应的变化。图就是DA0832双极性输出电路实例。图中，D/A的输出经运算放大器A1和A2放大和偏移以后，在13运算放大器A2的输出端就可得到双极性的V的输出电压。这里，VREF为A2提供一个偏移电流，且VREF的极性选择应使偏移电流方向与A1输出的电流方向相反。再选择R4=R3=2R2，以使偏移电流恰好为A1输出电流的1/2。从而使A2的输出特性在A1的输出特性基础上，上移1/2的动态范围。电路各参数计算可得最后的输出电压表达式为VOUT=-2V1-VREF设V1为V，选取VREF为+5V，则VOUT=V-5V=V。图双极性输出电路转速控制模块14用0832D/A转换电路后的输出经放大后驱动直流电机。编制程序改变0832输出经放大后的方波信号的占空比来控制电机转速。D/A输出为双极性输出，因此电机可以正反向旋转。硬件连接原理图：开关8255A电路图硬件结构示意程图用开关表示的二进制数芯片编码后，输入CPU程序转化为DAC0832数字量与模拟量对照表中的数字量，然后DAC0832输出模拟量即电压，控制电机的转动。驱动电机放大电路带缓冲输入的DAC0832译码电路微机总线扩展15

第五章软件设计流程图及其说明开始读拨动开关状态K1-K8全为0从K1-K8顺序判别状态为1的开关K1-K8有开关为1判别K10状态K10=0K10=1反转查表正转查表送数DAC0832，驱动电机运行软件系统的使用说明系统组成连接图如图所示16PC机机电实验开发系统DJ4机电平台图DVCC实验机DVCC-DJ4机电实验平台可以和DVCC系列单片机实验仪相连，组成机电实验开发系统。DVCC系列单片机实验仪和PC机连接，实现实验程序的编写、加载和调试工作。系统连接如下：①DVCC系列实验仪和DVCC-DJ4机电实验平台分别自带稳压电源，各自接通交流220V电源。②使用实验仪通讯电缆将实验仪和PC机连接起来。另外，为DVCC-DJ4设计了一款专用的测试板，可以方便地实现实验机和平台的测试及参数校正工作，减少了用户维护的工作量。工作原理1．选择开关使用选择开关确定当前为直流电机工作还是步进电机工作，或处于停机状态。停机状态并不是断电状态，所以平台较长时间不操作，请关闭开关或拔掉电源插头，以减少发热，提高机器寿命。2．传动部分直流电机和步进电机通过橡胶传动带而联动。步进电机的轴同时连接蜗杆传动减速机构，再通过齿轮和皮带部分，将电机的圆周运动转换成皮带的水平运动。3．指示部分皮带水平运动的位移量用指针和刻度尺来量化表示。刻度尺分为16大格，17每大格长度为1厘米；每大格分为10小格，每小格长度为1毫米。皮带移动同时带动右端的一只多圈线绕电位器转动，通过改变电位器的接入阻值而改变反馈回的电压值，并送入控制接口插座的IN0脚。该反馈电压值可用于计算当前的位移量。皮带在16大格的行程范围内，位置反馈电压值在0～范围内线性变化。用户可以通过该电压值来计算或控制指针的当前位置。步进电机轴上圆盘的角度刻度和面板上的定位箭头配合使用可以定量地表示电机的角位移量。4．限位和断位机构为了防止指针移出正常工作范围，造成皮带机构卡死或损坏，皮带的两端设有左右限位和断位机构。当指针到达左右限位或断位光敏管位置时，光敏管将产生左右限位或断位信号。机构产生的断位信号为平台控制电路使用。断位信号有效时，平台控制电路将强行切断电机的输出并点亮故障指示灯，启动故障蜂鸣器报警。这时，只能使用左移或右移键将指针移回正常工作范围，电机才会再次启动。机构产生的左右限位信号分别送入控制接口的PI0和PI2口，并将左右限位信号的逻辑“与”结果送入控制接口PI6。用户可以灵活使用这几个信号来控制电机的行为。5．测速部分直流电机的轴连接一个测速圆盘，配合测速光敏管，根据电机的转速，产生一定频率的脉冲信号。该脉冲信号被送入控制接口插座的PI4脚，可采集用于计算电机的转速。6．控制部分如图所示18图?直流伺服测速电机部分正常状况下，实验仪D/A转换器0832送出0～5V的模拟信号，经功率放大器放大输出为+12～-12V电压，加在直流电机两端，驱动直流电机。经一系列传动，带动指针左右移动，同时还带动多圈线绕电位器，使之输出端的电压同步变化。当D/A转换器输出为0V时，功放将输出+12V，直流电机以最大速度转动，带动指针以最快的速度左移；当D/A转换器输出逐步增加时，功放输出逐渐减小，直流电机转速减小，指针左移速度变慢；当D/A转换器输出为时，直流电机停转，指针停止移动；当D/A转换器输出逐渐增加，功放输出负电压，直流电机开始反向转动，指针右移。?步进电机部分正常状态下，控制芯片接收上位机传来的步进脉冲经缓冲驱动后输出给步进电机。当检测到急停、左移、右移、左断位、右断位信号时，控制芯片中的控制程序将作用，控制步进电机分别作出相应的处理。步进电机的速度可以调节脉冲宽度控制，步进电机正转时应送出的脉冲顺序为：A?AB?B?BC?C?CD?D?DA?A。?按键部分19“左移”、“右移”按键按下时，当前工作的电机将强制执行左移和右移。用户可使用这两个按键调整指针的位置。如前所述，当指针到达断位光敏管位置时，将硬件强行使电机停转，同时故障报警。而此时，只有用左、右移位键才能将指针移动，且右断位时只有左移键有效，左断位时只有右移键有效。“急停”按键按下后，当前工作电机将强制停转，同时点亮报警指示灯。此时，“左移”“右移”按钮仍有效。再次按下“急停”按键，则解除急停状态，报警指示灯熄灭，电机恢复原工作状态。?I/O信号部分如图所示：图D/A：为直流电机驱动电压输入端，输入电压范围为0～+5V。IN0：为多圈线绕电位器中心抽头电压输出，可采样计算当前指针的位置。正常工作电压范围为0～+。PI0：左限位信号，当指针移到左端限位光敏管处时有效。低电平有效。PI2：右限位信号，当指针移到右端限位光敏管处时有效。低电平有效。PI4：测速光敏管产生的计数脉冲信号，用户可采集用以计算电机的转速。PI6：为左限位信号和右限位信号经逻辑“与”操作的结果信号，低电平有效。可将PI6脚信号引入中断或查询PI6脚状态来判断限位信号产生，再通过读入PI0和PI2来区分左右限位，用于实际编程。PO4：向此脚输出低电平可点亮报警指示灯并激发蜂鸣器报警，提供给编程者使用。PO6：向此脚输出高电平，可立即切断直流电机的驱动电压。用户可以用此脚信号，控制直流电机急停。此脚电平对步进电机无影响。A、B、C、D：为四相步进电机驱动信号输入端。用户可以通过编程产生步进码，20

送入此四脚来控制步进电机的运转。GND：为电源地。+5V、+12V：为电源电压引出脚。其通断控制板电源引出开关控制。7．调节部分位于平台面板的右部，零位调节和满度调节两个微调电位器组成。零位调节用于调节指针处于零刻度线时，IN0返回的位置反馈电压值，标准值应为0V。满度调节用于调节指针处于满刻度线时，IN0返回的位置反馈电压值，标准值设应为+。为了保证实验的精度，在使用一段时间后，用户应及时校准零度值和满度值。8．控制板电源引出开关DVCC-DJ4机电平台使用自带电源。控制板电源引出开关的四位拨动开关拨到“ON”的位置，则机电平台的电源电压+5V、+12V通过25芯接口的12、22和13脚引出，向外部电路供电。于实验仪使用单独电源供电，当和DJ4机电平台连接时，应将控制板电源引出开关的四位拨动开关拨到“OFF”的位置。出厂时，控制板电源引出开关的四位拨动开关的位置为“OFF”。源程序及其说明CODESEGMENTASSUMECS:CODEORG0040HDAPORTEQU0020HIOCONPTEQU0FF2BHIOAPTEQU0FF28HIOBPTEQU0FF29HIOCPTEQU0FF2AH21START:MOVDX,IOCONPT;INAX,99H;B口方式0,数据输入OUTDX,AX;将控制字写入控制端AGAIN:MOVDX,0040HINAX,DX;读取8255A中的数据到AXMOVDX,DAPORTOUTDX,AX；输出数据给DAC0832，控制电动机速度MOVAX50000WT:DECAXJNZWT;设置时间延时，便于电动机速度的改变