基于单片机的交流调压调速系统设计说明.doc

1 / 361 绪论1.1 交流调速的发展状况1直流电机拖动和交流电机拖动在19世纪中先后诞生。在20世纪的大部分年代里,约占整个电力拖动容量80%的不变速拖动系统都采用交流电机,而只占20%的高控制性能可调速拖动系统则采用直流电机。因为调节直流电动机的电枢端电压或励磁电流就可方便地获得较好的调速特性。但是,在电力调速传动系统中使用交流电动机具有更大的吸引力,因为交流电动机与直流电动机相比具有一系列显著的优点:1、交流电机不存在换向器圆周速度的限制,也不存在电枢元件中电抗电势数值的限制,其转速可以设计得比相同功率直流电机的转速更高,因而单位功率重量指标较低。例如,直流电机的单位功率重量指标一般均在5kg/kw上。而鼠笼式异步电动机的仅在kg/kw之间。2、交流电机的电枢电压和电流的数值都不受换向器的限制,因而,其单机功率可以比直流电机的单机功率更大。3、由于交流电机的结构简单,没有换向器那种复杂、精密、耗费制造工时的部件,又由于单位功率重量指标较低,因而其制造成本低廉。4、直流电机在高速围运行时,由于电抗电势数位的限制,一般不能发挥其额定功率,既便是有补偿绕组的直流电动机,就是在最高转速时的输出功率也仅能达到额定功率的80% ,对无补偿绕组的电机就更低,而交流电动机没有这种限制,高速时仍可发挥较大功率,甚至能以额定功率作恒功率运行。、交流电机没有换向器之类需要经常保养、维修的部件、在安装地点受到限制、不易接近的场合下也能可靠地工作。维修费用低廉.虽然交流电机与直流电机相比具有以上许多优点,可是,由于交流电机的调速一直比较困难,所以,长期以来,交流电机只能作恒速运行,而在要求精确、灵活、连续调速的传动系统中,直流电机调速传动一直占主要地位。然而,近年来,一方面随着大功率可控电力电子元件和变频技术的迅速发展,用交流电机的调速传动系统代替直流电机调速传动系统已成为可能,另一方面,从节能的观点要求把原来作恒速运行的交流电机传动系统改为调速传动。因而,在电力传动领域里正在日益重视发展交流电机的调速传动。众所周知,在电力传动系统中,交流电动机具有一些直流电动机无法比拟的优点,如单机容量、电枢电压、额定转速、价格等方面。随着电力电子技术的发展和交流调速理论的深入研究,交流调速方法日益受到人们的重视,成为电动机调速新的发展方向。一个完整的交流调速系统主要由三部分组成:电力变换器、交流电机和控制系统。从60年代初开始,电力电子开关器件日益更新换代。相继出现了大功率晶体管、门极可关断晶闸管、场效应晶体管及静电感应晶体管。80年代初,美国2 / 36成功地研制出第三代电力电子器件绝缘门极晶体管。电力电子器件逐步向高电压、大电流、高频率快关断、低功耗易驱动以及复合化、模块化、智能化方向发展。近年来电动机的设计和制造技术也得到了充分的发展。常用电机的类型有异步电机、同步电机和磁阻电机等。在对电机的设计时,致力于提高电机的功率和效率,加大调速围,降低脉动转矩并减缓绝缘老化。除此之外还可设计相应的逆变器与变频电动机配合使用,从而使整个调速系统的工作效果更为出色。1.2 现代控制理论的发展现代控制理论在传统反馈控制理论的基础上取得了重要的突破,诞生了滑模变结构控制、矢量控制、直接转矩控制等一系列新的控制方法。一般对电力变换器多采用脉宽调制技术,目前该技术比较成熟,已出现专门产生PWN 控制信号的大规模集成电路芯片。近年来普遍采用微机控制,它可高速度、高精度地实现对整个系统的控制,对建立在现代控制理论和复杂控制算法基础上的控制方案进行优化处理,并同时实现系统的监测保护、故障自诊断和自修复。在实用的8位、16位、甚至32位单片机控制系统中,硬件和软件均可模块化。1.3 微型计算机控制系统的发展及其在调速系统中的应用高性能、高精度的调速系统的发展与微型计算机的发展是密切相关的。近年来半导体电路的高度集成化,其运行速度和工作可靠性的提高.成本的不断降低而且功能越来越强大,使得当前一些较复杂、控制要求较高的控制算法,能够由微型计算机来实现。微型计算机控制电机在工业生产过程中的应用主要具有以下特点以及需要发展的方面:1、可靠性和可维修性是两项非常重要的因素,它们决定着来统在控制上的可用程度。特别是在用计算机控制的连续性生产过程中要求高度可靠。可靠性简言之就是指设备在规定的时问运行不发生故障。为此需未用可靠性技术来解决。为实现高度的可用性,可维修性是重要的。设计应该使系统通过相同电子线路的集装件的替换而得到快速修理。并且,应设计较完善的诊断程序,较快确定故障所在。2、环境的适应性强,在生产现场,环境条件,如强电流、强磁场、腐性性气体、灰尘、温度变化等都会影响系统的可靠性和使用寿命。3、控制的实时性,所谓实时是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时问围完成,亦即计算机对输入信息,以足够的速度进行处理,并在一定的时问作出反应或进行控制,超出了这个时间,就失去了时机,控制也就失去了意义。4、较丰富的软件,要有较完整的操作系统和适合生产过程控制的应用程序,使机器的操作简单,使用合理,控制性能高。5、适当的计算机精度和运算速度,以较少的投入取得较大的成果。随着微型机和微处理器的迅猛发展,芯片的集成度越来越高,半导体存贮器的容量越来越大,控制和计算性能,几乎每两年就提高一个数量级,大量新型接口和专用芯片不断涌现,软件日益完善和丰富；这就必然会导致大规模、功能强、结构合理的微机控制系统能够实3 / 36现。目前,交流调速己经深入到电气传动控制的各个领域,容量从数百瓦的伺服系统到万千瓦级的大功率系统,从工业传动到机车牵引,有关资料显示,调速围达到了1:100000以上,调速精度可达10-4 4的数量级。4 / 362 三相异步电动机交流调速12.1 交流调速方案由电机学已知,异步电动机的转速为 1601nspf21式中,异步电动机定子电压供电频率 1f异步电动机的磁极对数p异步电动机的转差率s所以调节交流电动机的转速有三种方案2.1.1 改变电动机的磁极对数通过改接定子绕组的连接方式来得到不同的极数和转速。这一方法适用与不需要平滑调速的场合。调速时低速的人为特性较硬,静差率较高,经济性较好。变极调速是改变异步电动机的同步转速n=60f1/P,故一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。2.1.2 变频调速通过改变定子绕组的供电频率f1是可以调速的。当转差率s一定时,电动机转速n基本上正比f1,很明显,只要有输出频率可平滑调节的变预电源,就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。变频调速主要用于笼型异步电动机,性能优异,调速围大,平滑性高,低速特性较硬,调速过程中如保证电压频率成正比变化,可实现恒转矩调速,并保持过载能力不变。其缺点是必须要有专用的电源,低速时可能因转矩大为降低而带不动负载。2.1.3 变转差率调速 00Snnn22n0同步转速常用改变转差率的方案有改变异步电动机的定子电压调速、采用滑差电动机调速、转子电路串电阻调速以及串级调速。前两种方法适合于笼型异步电动机,后者适合于烧线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速,但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗,这消耗在转子电路中,使转子发热,系统效率降低。5 / 36在不计定子绕组铜耗条件下,变转差率调速系统最大可能的效率定义为输出机械功率P1和输入电功率PS之比。 21NrssNssMPPM1s 23Mn电动机额定电磁转矩s 定子旋转磁场角速度r 一 转子旋转角速度2 转子转差角速度随着转差率s的增大,系统效率降低。 变极调速对笼型电动机 调压定子电压 调阻转子电阻对绕变极差率 线转子电动机电磁离合器 感应电动机 调速具 转差率 调速 串级调速转差电压 对绕线转子电动机 电压型 交-直-交 电流型交流电动机 变频调速 变频 脉宽调制调速方法 PWM型 交-交变频 他控式 同步电动机调速变频调速 自控式无换向器 发动机绕线转子异步电动机一般采用转子电路串联电阻及串联电动势即串级调速两种调速方法。前者损耗较大,效率低,调速指标都不高,围不大,平滑性差,低速特性较软,但因比较简单,在恒转矩负载下应用较多；后者串级调速可用晶闸管等装置接入转子电路,达到平滑调速的目的。晶闸管串级调速的性能优异,转差功率可反馈至电网,调速效率高,经济性较好,便于向大容量发展,最适用于通风机负载,也可用于恒转矩负载,晶闸管等串级调速与直流调速系统比较,在同等功率条件下,设备、指标差不多。但直流电动机用铜量大得多,维护复杂,价格要贵23倍,在向大功率发展时,直流电动机制造困难,而异步电动机便于制造,且采用铝导线后可节约大量的铜。如将晶闸管串级调速与交流换向器电动机比较,后者用铜量大,换向困难,维护复杂,而且调速性能也不如前者。6 / 36笼型异步电动机采用改变定子电压、滑差离合器及脉冲调速等调速方法,都属于能耗转差的调速方法,其共同的特点是转差功率都消耗在笼型转子或滑差离合器的电枢电路中,调速时发热；较为严重,效率不高。它们只能在功率不高的生产机械上。以上三种调速方案,变极对数P调速和变频调速属于改变同步转速n0的调速方案,在调速过程中,转差率s是一定的,故系统效率不会因调速而降低,而变转差率调速属于不改变同步转速的调速方案,存在着调速围愈宽,系统效率愈低的问题,经济性较差。2.2 调压调速原理和机械特性通过改变异步电动机的定子电压进行调速,是一种比较简单的调速方法。早在二三十年以前,人们就已经开始采用在感应电动机定子上接如调压变压器或饱和电抗器等方式对感应电动机进行调压调速了,以饱和电抗器为例,它有一些重大的缺点：比较笨重,成本较高,动态响应慢等等。电力电子技术的发展,开辟了调压调速的新途径。由于晶闸管调压电路用闭环系统可实现平滑调速,得到低速硬特性与较大的调速围,且具有结构紧凑、轻便、成本较低,动态响应较快等优点,它已经取代了笨重的饱和电抗器等。在中小容量。且对性能指标的要求不十分高的场合,得到了广泛的应用。异步电动机的电磁转矩为: 22112202112sTN msrUmrxxr24式中: s 一一电机转差率 m1 一一电机定子的相数 0 一一转子同步机械角速度r1 一一定子绕组电阻 x1 一一定子绕组漏电抗 r21 一一折算到定子边的转子电阻x21 一一折算到定子边的转子漏电抗n0AMZMM1432ACBBC7 / 362.1 改变异变电动机定子电压的人为机械特性从式中可知,当转差率s一定时,转矩T正比于U的平方,对应于不同的定子电压,可以得到一组不同的机械特性,如图2.1。从图2.1可以看到,在同一负载转矩下,如果改变电机的定子电压则必然得到不同的转差率s。因此,改变定子电压可以调节转速。但转速低于点4的机械特性部分,对恒转矩负载不能稳定运转,因此不能用以调速,调速围很小。0 a b c U1 1 U2 M U2.2 转子电路电阻较高时改变定子电压的人为机械特性对于恒转矩调速,如果能增加异步发动机的转子电阻如绕线转子异步电动机或高转差率笼型异步电动机,则改变定子电压可得较宽的调速围,如2.2所示。但此时特性太软,其静差率常不能满足生产机械的要求,而且低压时的过载能力较低,负载的波动稍大,电动机就有可能停转。若采用闭环系统,则既能提高低速时的机械特性硬度,又能保证一定的过载能力。图2.3中的调压装置过去用饱和电抗器,目前都采用晶闸管等电力电子器件组成的交流调压装置。它可根据控制信号e的大小将电源电压U1改变为不同的可变电压Ux。控制信号为给定信号弹e0与来自测速发电机的测速反馈信号em之差。由图2.3可见,当输出电压Ux=U1时对应于某一控制信号e,对应于额定负载TN时的转速为n2；当负载增至TN后,如无反馈则转速将沿着对应于U1有人为机械特性下降到n2,转速下降极为严重。但在图2.3所示的闭环系统中,负载稍有增加引起转速的下降,正比于转速的en也将减小,e=e0-en的数值自动变大,使输出电压Ux增高,电动机将产生较大转矩以与负载转矩平衡。如负载增至Tm,Ux增到U1,则此时转速仅降到n1,显然闭环系统中机械特性的硬度大大提高。为了调节转速,可改变给定信号e0,得到一些基本平行的特性族,如图2.4所示。调压装置MTGU1UXEne0n8 / 36图2.3 异步电动机改变定子电压调速的闭环系统在闭环系统中,如能平滑的改变定子电压,就能平滑调节异步电动机的转速；低速的特性较硬,调整围可较宽。图2.4 异步电动机改变定子电压调速的系统特性由于T3I22R2/s,为使调速时电动机能被充分利用,则I22=恒值,R2也为恒值。可见,这种调速方法是既非恒转矩又非恒功率的调速方法,显然最适用于T随n降低s增加而降低的负载如通风机负载,对于恒功率最不适应,能勉强用于恒转矩负载,如纺织、印染及造纸等机械。改变定子电压调速方法的缺点是,调速时的效率较低,功率因数比转子串联电阻是更低。由于低速时消耗转子电路的功率很大,电动机发热严重。因此,改变定子电压的调速方法一般适用于高转差笼型异步电动机,也可用于绕线转子异步电动机,在其转子电路中可串联一段电阻。如果用于普通的笼型异步电动机,则必须在低速时欠载运行,或短时工作。在低速时可用他扇冷却方式,以改善电动机的发热情况。 调压调速也称为降压调速,因为异步电动机的工作电压不允许超过额定值,调节电压需在额定电压以下进行。其一般采用笼式交流异步电动机,用晶闸管可控硅调压电路调节其定子电压,从而实现调速。2.3 基于单片机的的交流调压调速系统总体设计单片机控制调压调速控制器应能实现如下功能:。能够在部产生可由用户选择的理想速度指令曲线,以数字化方法实现速度给定；。晶闸管触发；。对起动加速和制动减速全过程进行闭环调压调速控制；TNTn 09 / 36。对电机电机速度进行检测；。提供必要的保护；。使用单片机控制；。具有显示转速的功能；。具有良好的抗干扰性能。基于单片机的具有以上功能的调压调速控制器的功能结构应如图2.5所示。图2.5 调压调速控制器的结构380V显示电路MCS-51 单片机D/A 转换器速度给定A/D 转换器速度检测电动机触发电路功放与隔离过流信号电路同步信号电路稳压电源10 / 363 交流调压主电路设计3.1 主电路及其工作原理3.1.1 主电路装置2需要调压调速的电动机可以利用三相自耦变压器供电,也可以采用晶闸管进行交流调压,但使用三相自耦变压器供电不利于实现自动调节电压。图3.1所示是交流调压装置主要部分组成框图,其主回路由6只普通晶闸管两两反并联组成三相三线式,其优点是可适用于Y或接法的电机且谐波分量较少。图3.1 交流调压装置主框图3.1.2 主电路原理3一般使用的异步电动机都是三相电机。供电电源直接取自工频50Hz的三相380V交流电网, 它的电压是不变的。为了获得可以调压的三相交流电源,必须加上调压器。下面以晶闸管三相调压电路来分析三相调压工作原理。三相接入反并联之晶闸管VT,负载可以是Y接,也可以是接,图示3.1为Y接。VT承受正向电压时,其导通时刻受门极触发脉冲控制,触发脉冲的触发时刻以相电压过零点时为0算起,相隔的电角度用A表示,A称为控制角,A的围为0180。而且A越大,说明VT在承受正向半周导通的时刻就越晚,加在该相负载上的电压越小,起到了降压的作用。为使RRR4512VT63ABC11 / 36三相电流形成通路,在一相VT导通时,须有一个相邻的反向VT导通。为了保证在电路起始工作时能有两个VT同时导通,以及在感性负载和控制角较大时仍能保证不同的正、反相两个VT同时导通,要求采用大于60的宽脉冲的触发电路。为保证输出三相对称电压,且有一定的调节围,要求触发信号与交流电源有一致的相序和相位差。如图a电路,要求以电源频率和周期确定的电角度依次触发VT1,VT2, ,VT6,互相间隔为60电角度。若以相电压起点,A=0时触发VT1导通,而后相隔60依次触发VT2,VT3,VT6,VT1循环下去。如图a所示,这种情况相当于每个VT在承受正电压瞬间即导通,而承受负电压时自然关断,使电源电压全部通过VT加到负载上。可见A= 0提供负载最高电压。图中电压波形与触发信号之间的数字是表示虚线区间导通的VT号。当控制角A=30时,见图b,每个VT的导通都滞后30,输出给A相负载的电压波形如阴影部分所示。图3.2三相交流调压电路输出波形波形中Xt=030时没有电压输出；Xt=3060时,VT1触发导通。与此同时三相都有VT触发导通,A相输出为原电源电压波形。但在Xt=6090区间,由于VT5关断,而VT2尚未触发导通,相当于C相断电。因而A相负载上的电压为A、B相电源线电压的一半,所以电压波形出现缺口。 5 5 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 2 3 4 5 6 1 A=30tB0CAtt1354261234561612123456345561B0CAt A=012 / 36当Xt=90120时,VT2触发导通,负载又得到电源相电压。同理,当Xt=120150区间,VT6关断,负载上电压为A、C相线电压的一半,所以输出波形升高一块,输出电压为图中阴影所包面积。波形的其余部分依次类推。由以上波形分析可以看出,A= 0时,调压电路输出最大电压,A增大则输出电压减小。可以分析出,当A=150时输出电压为零。只要控制角A由0150变化,输出交流电压即可连续地由最大调到零,实现了调压目的。3.2 交流调压调速控制主回路设计图3.3调压调速控制主回路的线路原理图。在反馈速度与给定速度不同时,即可改变晶闸管的移相控制电压,从而改变晶闸管的触发角,达到调压调速目的。由速度负反馈构成闭环控制及软件PID调节,可以改善调压调速特性。过流、过压检测同步信号INT0 触发电路控制电压UkMACB图3.3 调压调速控制主回路的线路原理图3.3 同步输入电路及移相触发脉冲的产生13 / 36T1T2T3UVWU1V1W1图3.4 同步信号输入电路3.3.1 同步信号输入电路 如图3.4所示,电动机三相异步电压U、V、W经图所示的同步变压器电路后变成U1、V1、W1同步电压。3.3.2 触发脉冲线路与驱动电路4考虑到实际系统的工作环境,提高运行稳定性与抗干扰能力,晶问管采用单片机控制下的硬件触发。本论文采用的是KC系列的KCZ6集成化三相全控桥六脉冲触发组件。该组件采用三块KC04移相触发器,一块KC41六路双脉冲形成器,一块KC42脉冲列调制形成器组成。图3.5是触发线路的结构及工作原理图,从图中可以看出触发线路主要由同步滤波环节、过零检测及锯齿波形成单元、脉冲形成单元、脉冲发生器、双脉冲形成与分配环节、脉冲功放环节六部分组成。acbacb过零检测及锯齿波形成脉冲形成电路双窄脉冲形成分配脉冲形成电路脉冲形成电路过零检测及锯齿波形成过零检测及锯齿波形成脉冲发生器脉冲功率放大与隔离同步滤波同步滤波同步滤波ABC14 / 36图3.5 触发线路的结构及工作原理图来自同步变压器的三相电压信号,经同步滤波环节滤去波形上叠加的高次谐波成分,并使同步电压过零点即为自然换流点,提供给过零检测及锯齿波形成单元,过零检测单元检测出每一相同步电压正负半波的过零点,在相应的过零点经充电电源给锯齿波电容充电,随着同步电压的周期性变化,便可在三路过零检测及锯齿波形成单元的输出得到三路周期性变化且线性度很好的锯齿波,该三路锯齿波提供给脉冲形成单元与输入的移相电压控制信号比较,比较器输出控制脉冲形成单元形成触发脉冲,并经脉冲形成环节的调制器根据脉冲发生器输出的高频脉冲频率调制成脉冲列,该三路脉冲列提供给双脉冲形成与分配环节形成补脉冲,分配成六路彼此互差60的双脉冲列,该六路脉冲列经脉冲功率放大电路进行功率放大后输出,直接带动脉冲变压器来触发三相三线式交流调压电路中的六个晶闸管。图3.6 过零检测与锯齿波形成线路基本单元12345678VVVR21C同步信号锯齿波baaaabbbccc+c+tttuAuBuC15 / 36图3.7 补脉冲形成原理图3.6是过零检测与锯齿波形成线路的基本单元。集成电压比较器LM311的管脚1GND接地,当检测每一相的正半波过零时,将同步信号接比较器的正向输入端,反向输入端接地,这样正半波过零时在输出端应为高电平。但由于LM311输出级是集电极开路的,只有在输出端与电源之间接一电阻才可能输出高电平,否则,在输出逻辑1时实际上输出端为高阻抗状态。图中不接上拉电阻,利用高阻状态电源为电容充电,形成锯齿波,在负半波到来时快速放电。在检侧负半波过零时,将比较器正向输入端接地,同步信号接反向输入端。双窄脉冲形成当晶闸管门极上的触发脉冲为双窄脉冲时,可满足电阻、电感或反电动势负载对触发脉冲宽度的不同需要,采用补发脉冲的方式,即当要求某一晶闸管导通时,除了给它本身发出一个触发脉冲外,还要给前一个换流的晶闸管发一个触发脉冲。在一个周期对每个晶闸管须要连续触发两次,两次脉冲中间间隔为60。图3.7中A相的补脉冲由C相产生,B相的补脉冲由A相产生,C相的补脉冲由B相产生。输出六路双脉冲触发信号,触发电路相对于移相控制电压为反极性,即移相电压增大,移相角增大,导通角减小,其输出波形为调制脉冲列,因而可极减小外接脉冲变压器的体积及尺寸。采用三相同步变压器获得同步信号,使六路脉冲的均衡度较高。KCZ6在三相全控桥式变流装置中使用。它将触发脉冲控制电压的幅度转化为相应的控制角,使电动机可靠的工作。每一相输出脉冲能可靠的驱动一只功率晶闸管元件。3.4 主电路参数及元器件选型53.4.1 主电路参数要求,45NPKW580 /minNnr380NUV89NIA0.90cos0.85,Y 接法,调速围 D=5,低速时静差率,S0.01。根据以上要求,2.5m222.4GDkg m选择 Y315S-10 笼型三相异步电动机。3.4.2 晶闸管选择选择功率模块时,需要考虑到电机的过载要求,功率器件的电流定额为I= nm= 289 2.5=A 3-16 / 361式中：1.22表示安全裕量要求直流侧电源电压Ud=380v/0.866438.8v 3-2考虑到大功率晶闸管的管压降等,取 Ud=450V,则大功率晶闸管的极限参数为Uceo=Ud=V 3-3根据上述计算,选取晶闸管元件 KP60010,计 6 只。3.4.3 滤波电容的选择取,其耐压。综合考虑滤波电容的体积、价格和滤波FC44000VU93162效果,结合经验,在变频器的滤波环节处采用了两个滤波电容：2 只 2200、耐压在 500VF以上的电容器并联使用。3.4.4 阻容吸收电路参数计算按照晶闸管三相电路支流侧阻容吸收电路参数算式进行估算 3-lOCdfUIIKC2200221004 3-5 200222100IIUKOlRdR电流有效值为 3-6 电压定额为 3-7 而VUUmnD)16121074(3802)32()32(, , 370000CdK31 . 0RdK5 . 6002OIdII816. 02所以 mDIwtdII31)(36011200217 / 36 3-26.50.816 8910070000 3348503 192FFC8 3-23 1920.1 3136.50.816 89100R 9C2选择400F的CZJ系列低价电容,R2选择15的RJ系列金属电阻。3.4.5 压敏电阻的选择压敏电阻的额定电压：1mAU10.8 0.9mAU 压敏电阻承受的额定电压峰值1.122780.8 0.9 3-10480 540V选择MY31-560/1型压敏电阻3个,其额定电压为560V,通流容量1Ka。4 控制电路设计4.1 单片机控制线路单片机控制线路主要由单片机AT89C52、地址锁存器74LS373,A/D变换器ADC0809, D/A变换器DAC0832、键盘显示器8279等芯片所组成。AT89C52单片机带8K E2PROM,不用另外扩展外ROM,接线简洁,程序可加密,价格便宜。图4.1是单片机控制电路原理图。面板上的电位器W：电压信号W2与速度传感器W3,经ADC0809转换变成8位数字量后,分别作为速度的给定值与反馈值输入单片机。经单片机软件PID调节处理后,从P0口输出移相控制电压数字量,由DAC0832转换成控制电压模拟量,在通过由运放4558组成的反相器输入到硬件触发板上。调节反相器中的可调电位器W1,可以扩大控制电压的围,改善电压变化率。通过改变外部的电位器W4和W5、W6,将软件PID调节比例系数和积分系数都设置成为可调的,以适应不同对象参数的分散性,提高装置的适应围。18 / 365VuKR3R4W1W3声光报警保护电路6MHZC1C2W25V5V键盘R1R2C35V P2.0 P0 WRINT0P1.0 P1.1 P2.3 RD89C52XTAL1XTAL2 ALEVCCEARST INT1 P2.7CS 0832 VREFXFER ILEDI07 RfbWR1 IOUT1WR2 IOUT2ALESTART IN0OE IN1D07 IN2 IN3ADDC IN40809CLKA0 RL07CLKDB07 SL07RDWR 8279IRQCS OUTA03 OUTB03373GCL40202592803LED2803触发电路W4W6W5图 4.1 单片机控制电路原理图4.1.1 单片机 89C52 的组成及引脚6ATMEL 公司生产的 MCS-51 系列的 AT89C52,其部资源主要有：8 位 CPU8KB 字节掩膜 ROM 程序存储器256 字节部 RAM 数据存储器3 个 16 位的定时器/计数器1 个全双工的异步串行口6 个中断源两级中断优先级的中断控制器时钟电路,外接晶振和电容可产生1.2MHz12MHz的时钟频率单片机的引脚如图 4.2 所示。1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD P3.0TXD P3.1INT0 P3.2INT1 P3.3 T0 P3.4T1 P3.5WR P3.6RD P3.7XTAL2XTAL1VSS19 / 36图 4.2 89C52 单片机的引脚图包括三大部分的引脚：电源及时钟引脚,控制引脚,输入/输出引脚,总共是 40 个引脚。其中 P0、P1、P2、P3 四个 I/O 口,通过这四个口使单片机与外部交换信息,达到采集、处理、控制等各项工作。1电源及时钟引脚Vcc：接+5 电源。Vss：接地。时钟引脚18、19 脚：外接晶体与片的反相放大器构成一个震荡器,它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可以外接晶体震荡器。2. 控制引脚RST/VPD9 脚：当震荡器运行时,在此引脚加上两个机器时钟周期的高电平将使单片机复位RST 。复位后应使此引脚电平为0.5V 的低电平,以保证单片机的正常工作。ALE/30 脚：当单片机访问外部存储器时,ALE地址锁存允许输出脉冲的PROG下降沿用于锁存 16 位地址的低 8 位。即使不访问外部存储器,ALE 端仍有周期性正脉冲输出,起频率为振荡器频率的 1/6。但是,每当访问外部数据存储器时,在两个机器周期中 ALE只出现一次,即丢失一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱动 8 个 TTL 负载。对于片具有 EPROM 型的单片机 8751,在 EPROM 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。PROG29 脚：此输出为单片机访问外部程序存储器的读选通信号。在从外部存储器PSEN取指令或常数期间,每个机器周期 PSEN 两次有效。但在此期间,每当访问外部数据存储器时,这两次有效的 PSEN 信号将不出现。PSEN 同样可以驱动 8 个 TTL 负载。/Vpp31 脚：当 EA 保持高电平时,单片机访问的是部程序寄存器对EA8051、8751来说,但当 PC程序记数器值超过某值如 8751 部含有 4KB EPROM。值为 0FFFH时,20 / 36将自动转向执行外部程序存储器的程序。当 EA 为低电平时,则不管是否有部程序寄存器而只访问外部程序寄存器。对 8031 来说,因其无部程序存储器,所以该引脚必须接地,即此时只能访问外部程序存储器。对于片有 EPROM 型单片机,在 EPROM 编程期间,此引脚用于施加编程电压 Vpp。3. 输入/输出引脚 P0 口P0.0P0.7：为双向 8 位的三态 I/O 口,当作为 I/O 口使用时,可直接连接外部 I/O 设备。它是地址总线低 8 位及数据总线分时复用口,可驱动 8 个 TTL 负载。以便作为扩展时地址/数据总线口使用。 P1 口P1.0P1.7：为 8 位准双向 I/O 口,它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线作为输入时,口锁存器必须置 1,可驱动 4 个 TTL 负载。P2 口P2.0P2,7：为 8 位准双向 I/O 口,当作 I/O 口使用时,可直接连接外部 I/O设备。它是与地址总线高 8 位复用,可驱动 4 个 TTL 负载,一般作为扩展时地址总线高 8 位使用。P3 口P3.0P3.7：为 8 位准双向 I/O 口,是双功能复用口,可驱动 4 个 TTL 负载。4.1.2 A/D 芯片 ADC0809 及其工作原理 在单片机的实时控制和智能仪器仪表等应用系统中,被控制或被测量对象的有关参数往往是一些连续变化的模拟量,如温度、压力、流量、速度等等。这些模拟量必须转换成数字量才能输入到计算机进行处理。实现模拟量向数字量的转换的器件就称为 A/D 转换器,常用的 A/D 转换器有 ADC0809,MC14433,本文采用常见的 ADC0809。ADC0809 是一种逐次比较法的 A/D 芯片,它是通过最高位至最低位的逐次检测来逐步逼近被转换的输入电压,整个过程是个试探的过程。它是以 D/A 转换为基础,加上比较器、N 位逐次逼近寄存器和控制逻辑电路组成。启动信号控制下,控制逻辑电路置 N 位寄存器的最高位为 1,其余为 0,经过 D/A 转换后得到一个占一半量程的电压 Vs,比较器将此电压与模拟输入量 VX 相比较,若 VsVX,则保留最高位为 1,否则置最高位为零；依次从寄存器的最高位起重复上述过程,得出最后的数字量。转换的速度由时钟频率决定,可以设计成较高的转换速度,一般在几微秒到上百微秒之间,其 ADC0809 原理图如下图 4.3 所示。转换结束 8模拟输入3 位地址ALE8 位A/D比较器ADC08098路模拟开关控制与时序S.A.R树状开关256R 电阻三 锁态 存输 缓出 冲 器地址 与锁 译存 码 起动 时钟8位输出VCC GND REF REF 输出允许21 / 36图 4.3 ADC0809 的原理结构图IN0IN7：8 路模拟量输入线；A、B、C：模拟通道选择输入线；ALE：通道锁存控制信号线,正跳变可锁存信息；CLOCK：转换时钟输入线,频率围是 101200kHz,一般取 640Hz转换速度为 100s ；START：启动转换控制信号输入线,上升沿清除寄存器,下降沿启动转换；EOC：转换结束输出信号,输出为宽为 8 的 CLK 周期的正脉冲；OE：输出允许控制信号输出线,为高电平时把转换结果送数据线；Vcc：主电源 +5V；GND：数字地；Vref+：参考电压输入线,Vref+Vcc；Vref-：参考电压输出线,Vref-GND,应保证 Vref+Vref-=Vcc。4.1.3 D/A 芯片 DAC0832 及其工作原理DAC0832 是采用 CMOS 工艺制造的 8 位单片 D/A 转换器,它主要由四部分组成：8 位输入寄存器,8 位 DAC 寄存器,采用 R-2R 权电阻网络的 8 位 D/A 转换器,以及输入控制电路。由于它有两个可以分别控制的数据寄存器,使用时有较大的灵活性,可根据需要接成不同输入工作方式。另外芯片部有电阻 RFB,它可用作运算放大器的反馈电阻,以便于芯片直接与运算放大器连接,其 DAC0832 原理图如下图 4.4 所示。DAC0832 的分辨率为 8 位,电流输出,稳定时间 1s。采用 20 脚双立直插式封装,各引脚功能如下：DI0DI7：数据输入线；CS：片选信号,WR1：写信号；ILE：允许输入锁存信号；WR2：写信号 2；XFER：传送控制信号；IO1：DAC 电流输出端 1,此输出信号信号作为运算放大器的差动信号之一；IO2：DAC 电流输出端 2,此输出信号信号作为运算放大器的另一个差动信号；RFB：外部运算放大器的反馈电阻；VREF：基准电压源端, 10V DC10VDCVCC：工作电压源端, 5V DC15VDC22 / 36图 4.4 DAC0832 的结构功能图4.1.4 键盘/显示器接口芯片 8279键盘和显示器是人机交流的窗口,键盘用来输入命令及数据,显示器则用来监视计算机的工作状态,并显示结果。因此,它们是计算机不可缺少的重要组成部分本系统键盘输入与显示部分设计成30键小键盘和8位8段数码显示管显示。8279是Intel公司生成的可编程通用键盘和显示接口部件,它本身可以产生对键盘扫描和对显示器刷新显示的信号,代替CPU工作,减轻了主机的负担。键值的读取采用中断方式,一旦有按键按下,经双键锁定功能确认后,向CPU申请中断。CPU响应中断后读取8279 FIFO RAM中的容。若FIFO RAM寄存器中仍有数据,则再次申请中断。8279解决了用CPU管理键盘、显示器与工控实时性或程序计算量大的矛盾,故在有关键盘管理的设计中得到了广泛应用,8279的结构如图4.5所示。 8279 主要部件为：1 I/O 控制和数据缓冲器；2 控制逻辑；3 扫描计数器；4 键输入控制；5 FIFO RAM 和显示缓冲 RAMRL0-7 移位 控制/选通显示地址寄存器时序和控制显示寄存器键盘去抖动和控制控制和时序寄存器88 FIFO/传感器 RAM168显示用RAM回 送扫描计数器FIFO/传感器 RAM 状态I/O 控制数据缓冲器848OUTAn-3OUTBn-4BDSL0-3DB0-7RD WR CS A0RESETCLKIRQLELED Q8 位输入寄存器D QD Q8 位DAC寄存器D Q8 位D/A寄存器DI7DI0 ILE CSWR1XFERWR2VREFIO1IO2DGNDVCCAGNDRFBRFB23 / 36图 4.5 8279 的结构功能图4.1.5 LED 显示器常用的 LED 显示器为 8 段。每一段对应一个发光二极管,这种显示器有共阳极和共阴极 2 种。共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应的段被显示,同样,共阳极 LED 显示器的发光二极管的阳极连接在一起,通常此公共阳极接正电压,当某个发光二极管的阴极接低电平时,发光二极管被点亮,相应的段被显示。为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字,就是呆板不同段的发光二极管点亮,这样就是为 LED 显示器提供代码,因此这些代码可使 LED 相应的段发光,从而显示不同字型,因此该代码称之为段码。图4.6 LED显示器共阳极和共阴极的外形图和引脚图7 段发光二极管,再加上一个小数点位,共计 8 段。因此提供给 LED 显示器的段码正好是 1 个字节,LED 显示器的外形如图 4.6 所示。4.2 单片机的几个外围电路4.2.1 时钟电路时钟电路是单片机的心脏,它控制着计算机的工作节奏,。单片机的时钟产生方法有两种,部时钟方式和外部时钟方式,在这里我们采用的是部时钟方式。MCS-51 最常用的部时钟电路是采用外接晶体瓷震荡器的频率定性不高和电容组成的并联谐振回路,MCS-51 单片机允许的震荡晶体可在 1.2MHz24MHz 之间选择,一般取11.0592MHZ。两个的电容的选择对震荡