直流電機的轉(zhuǎn)速檢測與脈寬調(diào)速器

1、摘要: 設(shè)計制作一個脈寬調(diào)速器,使其工作頻率和占空比均可調(diào)節(jié),頻率調(diào)節(jié)范圍3-5KHZ, 占空比調(diào)節(jié)范圍為30-70%,選用額定電壓為12V額定電流為0.5A的小直流電機,根據(jù)其參數(shù)設(shè)計出功率放大器,使之推動直流電動機工作,并用4位數(shù)碼管顯示出電動機每秒所轉(zhuǎn)的圈數(shù), 以監(jiān)視電動機的調(diào)速情況.關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)速檢測 脈寬調(diào)速 功率放大器 數(shù)碼管顯示 引言目前直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，直流調(diào)速的轉(zhuǎn)速比更大，可在全部的調(diào)速范圍內(nèi)都能獲得良好的轉(zhuǎn)矩特性。放眼望去，交流電機占據(jù)了傳動應(yīng)用的絕大多數(shù)地盤，大有取代直流電機的趨勢，但實際在許多場合人們?nèi)栽谑褂弥绷髡{(diào)速。交流電機結(jié)構(gòu)比直流電機簡單，便于

2、維護，價格低。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速的性能越來越接近直流調(diào)速，因而人們更愿意使用交流變頻調(diào)速。眾所周知，許多科學(xué)實驗都離不開電，并且在這些實驗中經(jīng)常會對通電時間、電壓高低、電流大小以及動態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求，.全數(shù)字直流調(diào)速裝置，采用8位單片微機技術(shù)，性能優(yōu)良，運行可靠，并且具極高的性能價格比. 設(shè)計方案的提出，更進一步說明了這類電機的好處直流電機產(chǎn)品是工業(yè)自動化，家庭現(xiàn)代化等各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用不可缺少的基礎(chǔ)產(chǎn)品，與其它類型的電機相比，它具有良好的起動性能，且能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟地調(diào)速，過載能力較強，熱動和制動轉(zhuǎn)矩較大，因此直流電動機在起動和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上廣泛地被應(yīng)用。

3、隨著人們生活水平迅速提高，對視聽設(shè)備品質(zhì)要求也在不斷提高，這類產(chǎn)品為小功率直流電機提供了廣闊市場，因此高精度控制直流電機轉(zhuǎn)速成為發(fā)展的必然趨勢。電動機的轉(zhuǎn)速是一個較為重要的運行參數(shù)，也有很多種用于測量轉(zhuǎn)速的儀表，如：機械軟軸式轉(zhuǎn)速表、頻率-電壓轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)速表、數(shù)字式轉(zhuǎn)速表等，它們中間有的成本很高而且精度較差、有的工藝復(fù)雜而且可靠性不高。本文介紹了一種利用單片機技術(shù)制成的智能轉(zhuǎn)速表，不僅精度高、工藝簡單、線路簡潔，而且可靠性高、功能強。當(dāng)然本文中提到的軟硬件設(shè)計方案，不能代表最佳方案，學(xué)習(xí)和掌握其基本原理，關(guān)心其發(fā)展，對于電機及其控制領(lǐng)域內(nèi)工作和學(xué)習(xí)的人員都是有必要的。在單片機控制電機的理論及應(yīng)用

4、發(fā)展得非常迅速. 因該設(shè)備未經(jīng)過實物硬件的調(diào)試,所以難免存在著一些弊端,望老師給予指點。.轉(zhuǎn)速顯示電路主要由脈沖放大及整形電路、單片機（80C51）、多路動態(tài)掃描LED顯示電路構(gòu)成一、電源簡易穩(wěn)壓電源的制作 課程設(shè)計最基本的電路是+5V/+12電源的取得，依據(jù)所設(shè)計的課題電源負載有不同的方式，基本上有以下幾種：a 使用PC交換式電源：適合用大電流負載。b 使用3只干電池：約4.5V電壓，勉強可以推動8051電路，適合小電流負載。c 使用7805穩(wěn)壓IC，適合用于一般的電流負載。使用7805穩(wěn)壓IC，由市售的15電源調(diào)整器來將市電轉(zhuǎn)換為直流15電源，經(jīng)過7805、7812穩(wěn)壓給信號發(fā)生器和功率放

5、大器供電，,其中的電容器作為濾波電容用,LED作為電源指燈,一來指示+5V電源的存在,而來如果電源接到8051控制板上電源端如果一不小心短路了,馬上可以檢查出來,免得過久燒毀單片機8051.由于穩(wěn)壓IC上的電壓降有4V,在電流負載稍大的使用場合時,IC外殼溫度會上升,因此必須外加熱片來散熱.此外市售的電源調(diào)整器的插頭輸出端的正負極性及轉(zhuǎn)接頭的搭配需要特別注意,這是自制穩(wěn)壓電源時要注意的地方自制穩(wěn)壓電源及IQ51單片機的電源調(diào)整的插頭輸出端,正極性在中間,外端金屬的部分是負極性,自制時可以三用電表確認一下. 穩(wěn)壓管V1電阻R2給直流放大管V3的發(fā)射極提供穩(wěn)壓的基準(zhǔn)電壓。R3、R4組成分壓（取樣）

6、電路，從輸出電壓UL中取出變化的信號電壓，使UB3=（R4/R3+R4）UL，并把它加到放大管V3的基極，于是V3的基極和發(fā)射極間電壓UBE3=UB3-UZ=（R4/R3+R4）UL-UZ。由于UB3是UL的一部分，故稱為取樣電壓，它和基準(zhǔn)電壓UZ比較后的電壓差值即UBE3經(jīng)V3放大后，加到三極管V2的基極上，使V2自動調(diào)整管壓降UCE2的大小，以保證輸出電壓穩(wěn)定。R1是放大管V3的 電極負載電阻，又是調(diào)整管V2的基極偏置電阻。該電路的穩(wěn)壓過程如下：如果輸入電壓Ui增大，或負載電阻RL增大。輸出電壓UL也增大，通過取樣電路將這個變化加在V3管的基極上使UB3增大。由于UZ是一個恒定值，所以UB

7、E3增大。導(dǎo)致IB3和IC3增大，R1上電壓降增大，使調(diào)整管基極電壓減小，基極電流減小，管壓降UCE2增大，從而使輸出電壓保持不變。上述穩(wěn)壓過程表示為： UiULUB2UBE3IB3IC3 UB2UBE2UCE2UL同理，當(dāng)輸入電壓Ui減小或負載電阻RL減小，引起輸出電壓UL減小時，三極管V3的基極電壓減小，V2的基極電壓增大，從而基極電壓增大，從而使調(diào)整管管壓降減小。維持輸出電壓不變。由于UBE3=（R4/R3+R4）UL-UZ，而電路中UZ是恒值，UBE3也基本不變，因此在保證一定輸入電壓Ui條件下，穩(wěn)壓電路的輸出電壓UL應(yīng)該滿足： UL=R3+R4/R4（UBE3+UZ）此式表明在一定的

8、條件下，UL與取樣電阻有關(guān)，改變R3、R4數(shù)值，可變輸出電壓數(shù)值但UL不可能超過Ui，另外從圖1可看出，UL=Ui-(IB2+IC3)R1-UBE2.由于RL減小時，IL增大，UL降低IC3減小，IB2增大，當(dāng)IC3為零時IB2最大此時UL=Ui-IB2R1-UBE2.又由于IB2IE2/2IL/2，代入上式則額定輸出電流為：IL=2（Ui-UBE2-UL)/R1 二、 脈沖信號發(fā)生器1作為實驗裝置脈寬信號處理我們采用555集成塊和外圍電路組成， 555集成定時器是模擬功能和數(shù)字邏輯功能相結(jié)合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。外加電阻、電容可以組成性能穩(wěn)定而精確的多諧振蕩器、單穩(wěn)電路、施密特觸發(fā)器等

9、，應(yīng)用十分廣泛。 555定時器的外引線排列圖和內(nèi)部原理框圖如圖1-1、1-2所示，功能見表1-3。它是由上、下兩個電壓比較器、三個5k電阻、一個RS觸發(fā)器、一個放電三極管 T以及功率輸出級組成。比較器 C1的反相輸入端接到由三個5 k電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)的2/3Vcc處（也稱控制電壓端），同相輸入端為閥值電壓輸入端。比較器C2的同相輸入端接到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的1/3Vcc處，反相輸入端為觸發(fā)電壓輸入端，用來啟動電路。兩個比較器的輸出端控制RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器設(shè)置有復(fù)位端，當(dāng)復(fù)位端處干低電平時，輸出為低電平。控制電壓端是比較器C1的基準(zhǔn)電壓端，通過外接元件或電壓源可改變控制端的電壓值，即可改變比較器

10、C1、C2的參考電壓。不用時可將它與地之間接一個O01F的電容，以防止干擾電壓引入。555的電源電壓范圍是+4.5+18V，輸出電流可達100200mA，能直接驅(qū)動小型電機、繼電器和低阻抗揚聲器圖 1-1 555集成電路引腳排列圖圖1-2 時基電路555電路結(jié)構(gòu)圖表1-3 555芯片功能表觸發(fā)閾值復(fù)位IS放電端輸出H導(dǎo)通LH原狀態(tài) H截止H L導(dǎo)通L2、 諧振蕩器的電路圖和波形圖如圖1-4所示。電源接通后，Vcc通過電阻R1、R2向電容C充電。當(dāng)電容上電vC=2/3Vcc時，閥值輸入端受到觸發(fā)，比較器C1翻轉(zhuǎn)，輸出電壓Vo=0，同時放電管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電；當(dāng)電容上

11、電壓Vc=1/3Vcc，比較器C2工作，輸出電壓Vo變?yōu)楦唠娖?。C放電終止、又重新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期與充放電的時間有關(guān)：充電時間：放電時間：振蕩周期：T=tPH+tPL0.7(R1+2R2)C振蕩頻率：f=1/T=占空系數(shù)： 當(dāng)R2>>R1時，占空系數(shù)近似為50。圖1-4 多諧振蕩器的電路圖和波形圖由上分析可知： a）電路的振蕩周期T、占空系數(shù)D，僅與外接元件R1、R2和C有關(guān)，不受電源電壓變化的影響。 b）改變R1、R2，即可改變占空系數(shù)，其值可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 c） 改變C的值，可單獨改變周期，而不影響占空系數(shù)。 另外，復(fù)位端也可輸入1個控制信號。復(fù)位端

12、為低電平時，電路停振。三、 脈沖計數(shù)與顯示電路 轉(zhuǎn)速檢測采用紅外發(fā)射和接收管，在電動機的轉(zhuǎn)盤上開有一小口，電動機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)就接收到一次脈沖信號。信號經(jīng)過緩沖、零壓比較、反相電路到單片機計數(shù)脈沖輸入端T1，P0口輸出信號經(jīng)過74HC373地址鎖存器構(gòu)成動態(tài)顯示電路，顯示電動機的轉(zhuǎn)速。8051基本的硬件設(shè)計：1.8051的基本知識：a.8051的引腳40接+5V（VCC）電源，引腳20接電源地線。b.傳統(tǒng)8051工作時鐘最高為12MHZ。c.EA引腳接地，由外部程序ROM來執(zhí)行程序。d.EA引腳接高電平或+5V電源，由8051內(nèi)部程序ROM來執(zhí)行程序。e.8031EA引腳必須接低電平，由外部程序RO

13、M來執(zhí)行程序。f.89C51 89C52 引腳接高電平后，是由內(nèi)部程序ROM來執(zhí)行程序。g.開機時必須加入芯片重置（RESET）信號。h.RESET 信號高電平動作，高電平時產(chǎn)生芯片重置。I.RESET 信號低電平時，則由程序ROM地址0起開始執(zhí)行程序。2.幾種8051基本的設(shè)計框架a.8051標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)計：使用89C51b.8051擴充型設(shè)計：使用89C51外加EPROM，SRAM，I/O組c.8051極小型設(shè)計：使用89C20513.8051標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)計說明 8051的程序代碼可以外接程序ROM來執(zhí)行，也可以使用內(nèi)部4KB的空間（如8751，89C51），當(dāng)程序長度超過4KB時可以使用89C5

14、2（內(nèi)含8KB），若程序長度超過8KB時可以使用89C55（內(nèi)含20KB）。若是采用IO51控制板做設(shè)計則程序代碼可以長達64KB的空間。 8051EA引腳是接至5V電源，表示由內(nèi)部程序ROM來提供程序代碼，此電路可以使用的單芯片有8751及89C51，而程序的測試方法可以使用ICE，使用89CXX燒錄模擬器EPM89或是直接燒錄單芯片。當(dāng)然直接燒錄單芯片，做測試較麻煩還會花費許多時間，如果控制程序簡單還可以，要是做課程設(shè)計程序就變得復(fù)雜了，相當(dāng)浪費時間，所以手上有ICE的話就相當(dāng)方便了。如果想將項目設(shè)計得更復(fù)雜，使用更多的I/O或是功能擴充，我們建議使用8051外接程序ROM及數(shù)據(jù)RAM的控

15、制電路，那就是8051擴充型模式設(shè)計。四.功率放大器采用集成功率放大器LM386集成電路（IC）按其功能，分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類，本課題采用的LM386是一種模擬集成電路，它具有功率放大功能，其外形封裝為雙列直插式，屬塑封類集成電路。其引腳排列方式見圖：LM386是美國國家半導(dǎo)體公司系列功放集成電路中的一個品種，因其有功耗低、工作電源電壓范圍寬、外圍元件少和裝置調(diào)整方便等優(yōu)點，故廣泛應(yīng)用通信設(shè)備、收錄機、電子琴和各類電子設(shè)備中，其典型參數(shù)如下：工作電壓范圍412V，靜態(tài)電流4mA，輸出功率660mW（最大），電壓增益為46dB(最大)，帶寬300kHz,諧波失真0.2%，輸入阻抗

16、50K，輸入偏置電流250nA。該電路有同相、反相兩個輸入端，即：從5腳輸出電壓信號的極性與3腳（同相端）輸入極性相同，而與2腳（反相端）輸入信號的極性相反。1腳與8腳之間接入一個幾十微法電容時，電路增益達到最大值。電路增益可根據(jù)實際需要調(diào)整。 五.控制程序1、控制程序說明：在1S之內(nèi)計數(shù)外部脈沖的頻率。由定時器0進行1S的定時（定時方式），定時器1對外部脈沖進行計數(shù)（計數(shù)方式）借鑒windows 編程的原理，在單片機編程中引入消息的概念，將中斷產(chǎn)生的標(biāo)志作為消息，而數(shù)據(jù)處理則放在消息循環(huán)中進行。在這個例子中中斷服務(wù)程序中只進行數(shù)據(jù)的采集和標(biāo)志位的設(shè)置（發(fā)送消息），而將數(shù)據(jù)的處理放到運行時間要

17、求不很精確的中斷服務(wù)程序之外的主程序循環(huán)中（消息循環(huán)）。這樣一方面減少了中斷服務(wù)程序的長度，縮短了中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時間，提高了中斷處理的實時性，另一方面又不影響數(shù)據(jù)的處理。從而很好地解決了數(shù)據(jù)采集的實時性和數(shù)據(jù)處理耗時多而影響時間累計之間的矛盾。    和PC機相比，單片機資源十分有限。因此，單片機系統(tǒng)不可能象windows系統(tǒng)那樣建立龐大的消息循環(huán)機制，將消息分發(fā)給各個程序并行處理。在基于消息的單片機編程中，采取一種簡化的方式，消息可以這樣來定義：當(dāng)某個事件(例如中斷)發(fā)生時，事件處理程序（例如中斷服務(wù)程序）設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志，不同的標(biāo)志即代表不同的消息；而主程序

18、所進行的消息循環(huán)就是主程序不斷地判斷這些標(biāo)志，以決定啟動哪一個處理函數(shù)（即將消息發(fā)送給特定的消息處理函數(shù)）。這種方法在多中斷系統(tǒng)中使用，可以明顯地提高中斷的實時性；另外，由于在中斷服務(wù)程序中不需要調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序，也有效地防止了代碼重入帶來的問題。2、程序流程圖： 3、 程序清單： ORG 0000H LJMP MIAN ORG 000BH LJMP T0SEV ORG 0100H0MAIN: MOV SP,#60H CLR F0 MOV R1,#20H MOV R2,#30HD1: MOV R1,#00H INC R1 DJNZ R2,D1；內(nèi)存單元初始化，清0 MOV 50H,#32H ；

19、記時中斷20MS/次，共中斷50次 CLR EA CLR ET0 CLR TR1；關(guān)閉計數(shù)器 CLR P2.0 CLR P2.1；關(guān)顯示鎖存器 MOV TMOD,#51H；向TMOD中送控制字 MOV TL0,#0E0H MOV TH0,#0B1H；向定時器送初值 SETB EA SETB ET0；開啟中斷 SETB TR0 SETB TR1；啟動定時器和計數(shù)器DISPLAY: LCALL DIS ；調(diào)顯示 JBC F0,LOOP SJMP DISPLAY；等待中斷LOOP: LCALL CHULI SJMP DISPLAY ;有關(guān)子程序T0SEV： LCALL DIS；定時器0中斷子程序 D

20、JNZ 50H，TT；記時1S是否到？ CLR TR1；關(guān)計數(shù)器 SETB F0TT： RETICHULI： MOV 28H，TL1 ；數(shù)據(jù)處理子程序 MOV 29H，TH1；將計數(shù)器中的值讀出，放在28H，29H里 MOV TH0，#0B1H MOV TL0，#0E0H ;向計數(shù)器里送初值 MOV TH1，#00H MOV TL1，#00H ；將計數(shù)器置0 SETB TR1 ；開啟計數(shù)器 MOV 50H，#32H ；重新向50H里裝50 MOV R2，29H MOV R3，28H LCALL BIANH ；調(diào)數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序 MOV 31H，R5 MOV 32H，R6 LCALL READ ；

21、調(diào)更新數(shù)據(jù)子程序 LCALL DIS ；調(diào)顯示子程序 RETREAD： MOV 20H，#00H ；將組合BCD碼分開放入顯示緩沖區(qū)更新數(shù)據(jù) MOV 21H，#00H MOV 22H，#00H MOV 23H，#00H MOV R0，#20H MOV A ，31H SWAP A XCHD A，R0 INC R0 SWAP A XCH A,R0 MOV A,32H INC R0 SWAP A XCHD A,R0 INC R0 SWAP A XCH A,R0 MOV A,20H；高位為0不顯示 JNZ FF MOV 20H,#0BH MOV A,21H JNZ FF MOV 21H,#0BH MO

22、V A,22H JNZ FF MOV 22H,#0BHFF: RET DIS: MOV R0,#20H；顯示子程序 MOV R1,#08H MOV R3,#04HDIS1: MOV DPTR,#TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR SETB P2.0 CPL A MOV, P0 ,A INC R0 CLR P2.0 MOV A,R1 SETB P2.1 MOV P0,A RR A MOV R1,A CLR P2.1 LCALL DIR1 DJNZ R3,DIS1 RETDIR1: MOV R4,#09H；延時子程序MEN1: MOV R5,#00HMEN2: DJNZ R5,M

23、EN2 DJNZ R4,MEN1 RETBIANH: CLR A；將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)化成組合BCD碼 MOV R4,A MOV R5,A MOV R6,A MOV R7,#10HIBTL2: CLR C MOV A,R3 RLC A MOV R3,A MOV A,R2 RLC A MOV R2,A MOV A,R6 ADDC A,R6 DA A MOV R6,A MOV A,R5 DA A MOV R6,A MOV A,R5 ADDC A,R5 DA A MOV R5,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A DJNZ R7,IBTL2 RET ;數(shù)制轉(zhuǎn)換結(jié)束，出口在R

24、4（舍棄），R5，R6TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,7FH,00H,0FFH,END六、結(jié)束語在整個畢業(yè)論文設(shè)計過程中，我主要圍繞著如何用單片機計數(shù)顯示的控制，從方案的制定到軟件的編寫我都經(jīng)過反復(fù)的思考，并且查看了很多的參考書籍和參考資料，以及得到了指導(dǎo)老師的從旁指導(dǎo)和大力支持。在本次畢業(yè)設(shè)計中，我進一步加強了自己的動手能力和應(yīng)用專業(yè)知識的能力，從中學(xué)習(xí)到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方向去設(shè)計方案；特別是深刻了解到的是軟件和硬件結(jié)合的重要性，以及兩者的聯(lián)系和配合的作用。通過畢業(yè)設(shè)計，我即鞏固了專業(yè)知識，又學(xué)到了在程序

25、設(shè)計中的許多流程和注意的事項，增強了產(chǎn)品開發(fā)的意識，是我在技校時期很好的一次實踐和鍛煉機會。七、參考文獻1、8051單片微型計算機原理與機課程設(shè)計實訓(xùn)教材陳明熒編著：清華大學(xué)出版社2、8051 單片機課程設(shè)計實訓(xùn)教材陳明熒編著：清華大學(xué)出版社3、 8051單片機實踐與應(yīng)用無金戊、沈慶陽、郭庭吉編著：清華大學(xué)出版社4、電子技術(shù)實踐與訓(xùn)練郝軍、謬先蕓編著：高等教育出版社5、附錄A 設(shè)計工作小結(jié)2005年春學(xué)期，我面臨電工技師考核，對于學(xué)校提出的直流電動機轉(zhuǎn)速檢測與脈寬調(diào)速的設(shè)計要求，我們詳細查找有關(guān)參考資料，上網(wǎng)游覽相關(guān)網(wǎng)站，認真完成課題設(shè)計。在設(shè)計過程中由于設(shè)計需要，我們有針對性地接觸各方面知識、技術(shù)方面的要求內(nèi)容。在這次設(shè)計中我們應(yīng)用了單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子自動控制技術(shù)等多個學(xué)科，這些學(xué)科技術(shù)都是我們平時所掌握的弱點，使我們更加深入的、系統(tǒng)的的從新學(xué)習(xí)這些知識。我們了解了一些不甚明了的專業(yè)重點，還學(xué)到了一些最新技術(shù)知識。經(jīng)過我們刻苦鉆研，不懈的探索和求證最終完成了畢業(yè)設(shè)計。從這次畢業(yè)設(shè)計我們深刻的認識到：我們在學(xué)習(xí)和工作