PIC單片機(jī)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于PIC18F458的直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)張杰（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院學(xué)院 農(nóng)電班06級(jí)）摘要：當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的使用和發(fā)展，而直流驅(qū)動(dòng)控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比較靈活，方法簡(jiǎn)單，易于大范圍平滑調(diào)速，控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。它廣泛使用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等工廠自動(dòng)化設(shè)備中。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大， 各個(gè)行業(yè)對(duì)直流電機(jī)的需求愈益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。為此， 研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)是一套基于PIC單片機(jī)的直流

2、電機(jī)控制器，作為其配套的試驗(yàn)裝置。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了整體方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)選型，針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。硬件部分先作了整體設(shè)計(jì)，然后介紹了以PIC16F458單片機(jī)為核心的硬件構(gòu)成，對(duì)鍵盤電路、測(cè)量電路、顯示電路等作了詳細(xì)闡述；軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，編制了各個(gè)模塊的流程圖。論述了軟件的設(shè)計(jì)思想和方法；實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、 啟動(dòng)、停止、加速、減速和顯示等功能。利用PIC系列芯片進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多使用場(chǎng)合的需要。針對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、

3、軟件設(shè)計(jì)等多方面進(jìn) 行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術(shù)來提高和改善系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)，PIC單片機(jī)，速度控制Abstract Nowadays， automatic control systems have been widely used and developed in Every aspect of life. As the artery in the area of electric drive systems DC drives become more and more importa nt in modem Product

4、 ion. For a long time ， DC motor has Possessed the main role in the areabesides, its control Performanee excellent. DC motor is widely used on the automatic equipments , such as CNC and in dustrial robot. As the scale of Product ion becomes larger and larger , the dema nd and requireme nts become hi

5、gher and higher ,so the research on improvi ng the DC con trolli ng system behavior has importa nt sen se.This design is a system of DC motor multiple speeds Based on PIC MCU is designed , as its n ecessary test equipme nt. It fini shed the total Project desig n of system and model select ion .The h

6、ard ware and software desig n of the system accord ing to the Precedi ng soluti ons are discussed detailed. For the hardware Part after a dissertation on the whole design, the core hardware of the control system is the PIC MCU , the Paper in troduced the details of some hardware Problem , in cludi n

7、g in put circuit of keyboard , measure circuit, display circuit and so on .The method of software Planning for it is also discussed. For the software Part , with the Introduction of modular design concept some Procedure flow charts of main Program subrout ine are offered. The Paper desig ns the soft

8、ware which achieves the fun cti ons , such as in stall Parameters, dow nl oad Parameters, startup, stop accelerate and decelerate. This new family of PIC en ables cost-effective desig n of con trollers for DC motors which can fulfill more conditions , consisting of fewer system component , lower sys

9、tem cost and in creased Performa nces.Aiming at the characteristic of bed environment and serious disturbanee , many kinds of software and hardware tech no logy are applied to improve systematic an ti-i nterfere nee ability , which comprehe nsively improve systematic depe ndability and Practicabilit

10、y.It has been Proved by experiments that this system can make the high Precise and multiplespeed motor con trol come true. Stepp ing out the Performa nee in dex is realize Now this system hasbee n Put into experime nt.Keywords DC Motor ; PICMCU , Speeds Control1緒論1.1引言當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的使用和發(fā)展，而直

11、流調(diào)速控制作 為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用，無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)和辦公設(shè)備、還是在日常生活中的家用電器都大量使用著 各式各樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，其中許多系統(tǒng)有調(diào)速的要求 ：如車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械等 等。為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)、工藝的要求往往需要對(duì)另一類設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵等進(jìn)行控制：為了減少運(yùn)行損耗，節(jié)約電能也需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由控制部分、功率部 分和電動(dòng)機(jī)三大要素組成一個(gè)有機(jī)整體。各部分之間的不同組合，可構(gòu)成多種多樣的電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)。三十多年來，直流電機(jī)傳動(dòng)經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶 閘管整流裝置取代了習(xí)用

12、已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完 成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同 時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的使用，使直流 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，使用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、 完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。隨著微控制器尤其是脈寬調(diào)制PWM專門控制芯片的飛速發(fā)展,其對(duì)電機(jī)控制方面的使用起了很重要的作用，為設(shè)計(jì)性能更高的直流控制系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。本文對(duì)基于PIC單片機(jī)的直流電機(jī) PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)

13、，逐步 建立了單閉環(huán)直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討 一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對(duì)控制對(duì)象全面回顧的基 礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討。在硬件 方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí) 現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。在微機(jī)控制方面，討論了顯示、PWM、光電編碼盤測(cè)速的原理，并給出了軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。該方案以驅(qū)動(dòng)芯片和一些外圍電路。通過實(shí)時(shí)測(cè)試，調(diào) 節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，此調(diào)速系統(tǒng)可獲得快速、精確的調(diào)速效果。1.2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中需要有專

14、門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過改變電樞 回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率 低、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)（也稱為旋轉(zhuǎn)變流組），配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可 獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍 （十比一至數(shù)十比一）、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào) 速平滑等。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量 反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的

15、損耗，提高 效率。但發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)和調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電 機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積設(shè)備較多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需要地基、 運(yùn)行有噪聲、維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)一電 動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn)：維修還是不太方便，特別是水銀蒸 汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，和其它 變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大 的生命力。由于它具有體積

16、小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采 用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也 顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機(jī)組（放大倍數(shù)10）高1000倍，比汞弧變流器（1000）高10倍;在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置 為毫秒級(jí)。因此，目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)備而且供電電路容量較小 的情況下，仍有采用機(jī)組供電、晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控 整流供電了。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)功能的不斷提高以及電力電子、計(jì)算機(jī)控制技 術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字

17、控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展可 以使復(fù)雜的控制規(guī)律較方便的實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng) 域的主流，也給直流電氣傳動(dòng)的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動(dòng)進(jìn)入了更新的 發(fā)展階段。1.3直流電機(jī)基本調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流 電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè) 備制造方便，價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低，機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。 該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。 近年來，隨著電力電子的迅速發(fā)展， 有晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以取代了發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，

18、它的調(diào)速性 能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā) 展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度，動(dòng)態(tài)性能，可靠性有了更大的提高。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為U a_l aRaCE 一（）（1）式Ua 電樞供電電壓（V）Ia -電樞電流（A）'-勵(lì)磁磁通（Wb）R -電樞回路總電阻（i I ）Ce -電勢(shì)系數(shù)，Ce=：PN，P為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。60a由式1可以看出，式中Ua Ra 三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量, 就可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法：（1）改變電樞回路總電阻Ra（2）改變電樞

19、供電電壓Ua（3）改變勵(lì)磁磁通 o（4）采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法本設(shè)計(jì)采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法其方法就是相當(dāng)于直流電電壓降低，功率及轉(zhuǎn)速降低。脈寬調(diào)制（ PWM ）是調(diào)整脈沖 的寬度而不是頻率?！懊}沖寬了”指的是高電平時(shí)間長(zhǎng)了，低電平時(shí)間短了，是通過改變 電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值（即占空比）來控制電機(jī)速度，這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）簡(jiǎn)稱PWM。即供電電壓是寬度可調(diào)的脈沖電壓，當(dāng)脈 沖最寬時(shí)，相當(dāng)于直流電，功率最大，轉(zhuǎn)速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒有變。脈寬調(diào)制并不是直接調(diào)整電機(jī)的速度，而是改變電機(jī)

20、的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉(zhuǎn)速 就提高了。調(diào)速原理如圖1所示。通過控制脈沖占空比來改變電機(jī)的電樞電壓。改變占空比的方 法有3種：（1） 定寬調(diào)頻法，這種方法是保持不變，只改變t2，這樣周期（即頻率）也改變；（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持t2不變，而改變，這樣也使周期（即頻率）改變；（3）定頻調(diào)寬法，這種方法是使周期（即頻率）不變，而同時(shí)改變t1和t2由于前二種方法是改變周期（或頻率），當(dāng)控制頻率和系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)， 速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，轉(zhuǎn)速逐漸減小。只有按一定規(guī)律，改變通電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn) 速的控制。轉(zhuǎn)速

21、脈沖信號(hào)會(huì)reT1.4 PWM調(diào)速方案的優(yōu)越性自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器一直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，PWM的H型屬于調(diào)壓調(diào)速，PWM的H橋能實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速；國(guó)內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí)現(xiàn)可控整流來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī) 的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式 PWM變換器。和V-M系統(tǒng)相比在很多方面 有較大的優(yōu)越性：1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2）開關(guān)頻率咼，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:20000左右。4）若是和快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)

22、態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高6）直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)使用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中。 已完全取代了 V-M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制 下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線直流電機(jī)將電能Pel，（電流I和電壓U）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能Pmech （速度門。和轉(zhuǎn)矩M）。其中損 耗可分為摩擦損耗和熱損耗（熱損耗是由于線圈電阻R產(chǎn)生）。余下的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能幾Pm

23、ech， 如圖2.1所示。因此電機(jī)的功率守恒可表述為：巳1 = Pm e c h R更詳細(xì)的敘述為：U *In M R «I230 0 0 0Pj=RT圖2.1直流電機(jī)能就轉(zhuǎn)換圖在這能量轉(zhuǎn)化過程中，有兩個(gè)特性參數(shù)是至關(guān)重要的，他們是速度常數(shù)kn。和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kM。速度常數(shù)是指速度n和線圈感應(yīng)電壓 樹之間的關(guān)系，是指在忽略摩擦的情況下的每個(gè)單位電壓下的速度變化。Uind和速度是成正比的，公式如下：n - kn * U ind轉(zhuǎn)矩常數(shù)所聯(lián)系的是機(jī)械轉(zhuǎn)矩M和電流I之間的關(guān)系，是指轉(zhuǎn)矩和有效電流之比。公式如下：速度常數(shù)kn。和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kM有如下關(guān)系：,30000kn *kM =JIkM如果用轉(zhuǎn)

24、矩M和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kM來表示電流，可得如下關(guān)系:MkMjinM亠R3 0 0 00考慮到kn。和kM之間的關(guān)系，我們可將上式進(jìn)一步化為:kM上式便是直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電阻、轉(zhuǎn)矩常數(shù)和速度常數(shù)之間的關(guān)系。這里轉(zhuǎn)矩 單位是N.m;電流單位是A;速度單位是rpm;電壓?jiǎn)挝皇荲。直流電機(jī)可以運(yùn)行在額定范圍 內(nèi)的任何電壓下，速度一轉(zhuǎn)矩曲線表述的是在一恒定電壓U下電機(jī)的機(jī)械表現(xiàn)，該曲線可由兩點(diǎn)法給出：空載轉(zhuǎn)速n。和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Mh（空載轉(zhuǎn)速:電機(jī)在額定電壓、空載的情況下的轉(zhuǎn) 速;堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩:它是電機(jī)在堵轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)矩值，也叫起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ），如圖所示?？蛰d轉(zhuǎn)速和堵 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將隨著給定電壓的改變而成線性關(guān)系。它相當(dāng)于速

25、度一轉(zhuǎn)矩曲線在特性曲線上平 移，如圖2.2所示?？蛰d轉(zhuǎn)速和電壓有如下關(guān)系：n0 kn * U速度一轉(zhuǎn)矩曲線走勢(shì)是由斜率來表述的， 和電壓無關(guān)要，它是一項(xiàng)體現(xiàn)電機(jī)性能的重參數(shù)， 如下關(guān)系：丄二出AM Mh直流電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系可用下式表示：n 二 n0. M0 M2.2系統(tǒng)總體方案根據(jù)1.3節(jié)系統(tǒng)功能要求和技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如下圖所示圖2.3直流電機(jī)多速控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為控制核心，通過鍵盤設(shè)置各段運(yùn)行參數(shù)，也可通過電腦設(shè)置下載到單片機(jī)。單片機(jī)輸出二進(jìn)制控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路將對(duì)應(yīng)模擬電壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。放大器根據(jù)輸入的模擬電壓而輸出對(duì)應(yīng)的電壓來

26、控 制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號(hào)送到整形電路，通過整形電路送到單片機(jī)用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。不斷比較設(shè)定值和實(shí)際值，根據(jù)比較獲得的誤差 調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設(shè)定的時(shí)間值、轉(zhuǎn)速值和測(cè)量的轉(zhuǎn)速值；單片機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測(cè)量、參數(shù)顯示和控制輸出等功能。2.3系統(tǒng)器件選型光電數(shù)字編碼器選型光電數(shù)字編碼器選用maxon集團(tuán)的數(shù)字 MR旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)1024通道數(shù)3最高工作頻率320HzVCCSV士 5%輸出信號(hào)TTL兼容零位脈沖寬度（額疋）900e工作溫度范圍一25°C 85 T編碼盤慣量2-1.7g cm放大器選用的芯片IR2111 驅(qū)動(dòng)電路

27、，該電路中，采用 MOSFET和IGBT專用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2111對(duì)IRF530進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)。IR2111內(nèi)置自舉工作單元，柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍寬，單通道施密斯 邏輯輸入，輸入和TTL和CMOS!平兼容，高端輸出和輸入相同，低端輸出經(jīng)死區(qū)時(shí)間調(diào) 整后和輸入反向，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂上的兩只功 MOSFETIR2111的懸浮自舉技術(shù)是指，不管功率開關(guān)器件源極電壓多少，通過自舉電容和自舉 二極管的工作，總能保證待驅(qū)動(dòng)功率器件的柵極和源極之間的電壓為 10-20V，即能驅(qū)動(dòng)該 功率器件正常工作。IR2111內(nèi)置的自舉工作工作單元本質(zhì)上是電荷泵電路， 電荷泵電路的 簡(jiǎn)單自舉原理介紹如下：Vin+VccVc

28、c 口V°L_VccVin0T&"Vin圖4自舉原理如圖4所示，電容C的a端通過二極管D接Vcc，電容C的b端接幅值的方波。當(dāng) b點(diǎn)點(diǎn)位為O時(shí)，D到通，Vcc開始對(duì)電容C充電，直到節(jié)點(diǎn)a的電位達(dá)到 Vcc （假設(shè)二極 管D為理想二極管）；當(dāng)匕點(diǎn)電位上升至高電平 Vin時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，此時(shí)a點(diǎn)電位上升為Vin Vcc，所以，a點(diǎn)電壓就是一個(gè)方波，最大值是VinVcc,最小值是Vc ,可見輸出端電壓平均值將高于Vcc，其波形就跟隨輸入波形的變化而變化，但始終維持一 個(gè)穩(wěn)定的差值，實(shí)現(xiàn)自舉。2.4單片機(jī)選型由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)控制，其中一個(gè)首要的工作就是選擇合適

29、的單片機(jī)。目前國(guó)內(nèi)在使 用單片機(jī)作控制系統(tǒng)的微處理器時(shí)多選擇51系列或Motorola系列單片機(jī)，而本系統(tǒng)選用的PIC系列單片機(jī)在多個(gè)方面較其它系列單片機(jī)更有優(yōu)越性。下面對(duì)PIC單片機(jī)作較詳細(xì)介紹。2.4.1 PIC單片機(jī)和其他單片機(jī)的比較當(dāng)今世界上涌現(xiàn)出各種各樣的單片機(jī)，目前使用較廣的主要有美國(guó)In tel公司開發(fā)和生 產(chǎn)的MCS 51,MCS 96系列、臺(tái)灣ICSI公司的8051系列、美國(guó)Motorola公司的MC68 系列和美國(guó)Microchip公司的PIC系列等，其中各個(gè)系列的單片機(jī)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，和 其它系列相比，美國(guó)Microchip公司近幾年推出的系列PIC單片機(jī)，它的最大優(yōu)點(diǎn)

30、表現(xiàn)在 引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶LED負(fù)載:具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外圍 配置簡(jiǎn)單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性；并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了抵御外界的 電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業(yè)電腦自動(dòng)控制器的適應(yīng)能 力，以下分幾個(gè)方面通過和其它類型單片機(jī)的比較來說明它的優(yōu)越之處。（l）哈佛總線結(jié)構(gòu)PIC系列單片機(jī)在架構(gòu)上采用了和眾不同的設(shè)計(jì)手法，PIC系列單片機(jī)不僅采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)（也就是兩種存儲(chǔ)器位于不同的邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、 數(shù)字信號(hào)處理器或者微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為哈佛體系結(jié)構(gòu)），而且還采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)。在PIC系列單片機(jī)中采用的

31、這種哈佛總線結(jié)構(gòu)，就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分 離，并且采用不同的寬度，這樣做的好處是，便于實(shí)現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行取指令操作；便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。在一般的單片機(jī)中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是 共用的（即分時(shí)復(fù)用）Motorola公司開發(fā)的MC68HC05/08系列單片機(jī)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址（也就是兩種存儲(chǔ)器位于同一個(gè)邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或者微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為普林斯頓體系結(jié)構(gòu)），早期在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最流行的單片機(jī)產(chǎn)品In tel開發(fā)生產(chǎn)的MCS

32、 51系列單片機(jī)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器雖 然獨(dú)立編址；但是它們和CPU之間傳遞信息必須共用同一條總線，仍然擺脫不了瓶頸效應(yīng) 的制約，于是影響到CPU運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高。見圖2.6。圖2 一匸種結(jié)構(gòu)比較(2) 指令單字節(jié)化因?yàn)閿?shù)據(jù)總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的尋址空間(即地址編碼空間)是互相獨(dú)立的，而且存儲(chǔ)器度也不同。這樣設(shè) 計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運(yùn)行速實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。在此所說的字 節(jié)，特指PIC單片機(jī)的指令字節(jié)，是常說的 8位字節(jié)。例如，PIC12C50X/PIC16CSX系列單片機(jī)的指令字節(jié) 12位，PIC16C

33、6X/PIC16C7X/PIC16CSX 系列的指令字節(jié)為 14 位;PIC18FXXX系列的字節(jié)為16位。它們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器全為8位寬。而MCS 51系列單 片機(jī)的ROM和寬度都是8 位,指令長(zhǎng)度從一個(gè)字節(jié)(8位)到3個(gè)字節(jié)長(zhǎng)短不一。另外，PIC 微控制器的取指令和執(zhí)行指令采用指令流水線結(jié)構(gòu)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)允一條指令同時(shí) 被取出，使得在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以獲得的最高效率。其指令線結(jié)構(gòu)見圖2.7。取指1執(zhí)行1取指2執(zhí)行2取指3執(zhí)行2執(zhí)行4取指EI圖2 7指令流水銭結(jié)構(gòu)圖(3) 精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)(就是該單片機(jī)所能識(shí)別的全部指令的集合，叫做指令系統(tǒng)或者指令集)只

34、有35條指令。PIC系列單片機(jī)不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來很大的好 處，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流都帶來極大的便利，真可謂“易學(xué)好用”。而MCS- 51單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有In條指令，MC68HCO單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有89條指 令。(4) 尋址方式簡(jiǎn)單尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。PIC系列單片機(jī)只有4種尋址方式(即寄存器間接尋 址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址)，容易掌握，而MCS- 51單片機(jī)則有7種尋址方式， 68HC05單片機(jī)有6種尋址方式。(5) 代碼壓縮率高IKB的存儲(chǔ)器空間，對(duì)于PIC系列

35、單片機(jī)則能夠存放的指令條數(shù)可達(dá) 1024條。對(duì)于像 MCS- 51這樣的單片機(jī)，大約只能存放 600條指令，而和幾種典型的單片機(jī)相比， PIC系 列單片機(jī)是一種最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)。(6) 尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔PIC系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址(或地址編碼)空間， 而且前兩者的地址安排不需要用戶操心，這會(huì)受到大家的歡迎。而MC68HC0僑口 MC68HCn單片機(jī)的尋址空間只有一個(gè)，編程時(shí)需要用戶對(duì)程序區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和1/0端口所占用的地址空間作精心安排，這樣給開發(fā)人員在設(shè)計(jì)上帶來很大的麻煩。外接電路簡(jiǎn)潔和MCS- 51系列及其它單片機(jī)相比，PIC單片機(jī)內(nèi)集成了

36、上電復(fù)位電路、1/0引腳上 拉電路、看門狗定時(shí)器，尤其是集成了 ADC模塊和CCP模塊(輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào) 制)，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”化，這樣，不僅便于開 發(fā)，而且還可以節(jié)省電路板空間和制造成本。(8) 存儲(chǔ)器容量大PIC18F458系列單片機(jī)具有多達(dá)1536字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),多達(dá)256的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另外還有多達(dá)SKxl4字節(jié)的可多次重復(fù)寫入的閃速 FLASHg序存儲(chǔ)器。而MCS 一 51單片機(jī)只有4K字節(jié)的EEPROM128字節(jié)RAM以及64K的外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器空間， 無FLASH程序存儲(chǔ)器。(9) 定時(shí)器數(shù)目多、功能全PIC

37、系列單片機(jī)具有3個(gè)定時(shí)器：帶有8位預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0帶有 預(yù)分頻器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1并且在休眠期間外部晶振/時(shí)鐘可以工作；以及帶有8位周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的 8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR3而MCS- 51只有兩個(gè) 16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。(10) 獨(dú)特具有的功能PIC系列單片機(jī)具有兩個(gè)捕獲(Capture)、比較(Compare)、脈寬調(diào)制(PWM模式、多通 道10位A/D轉(zhuǎn)換器、帶有SPI和IZC的同步串行端口 SSR帶有9位地址檢測(cè)的同步異步 接收發(fā)送器USART(USART/SCJ) 8位寬并行從屬端口 (PSP)、有節(jié)電鎖定復(fù)位的節(jié)電檢測(cè) 電路等;而

38、MCS- 51系列單片機(jī)沒有。242 PIC18F458單片機(jī)的其它優(yōu)點(diǎn)(1) CPU的性能特點(diǎn)它有16位指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，高達(dá)2MB的程序存儲(chǔ)器，4kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高 達(dá)10MIPS的執(zhí)行速度。DC-40MHZ寸鐘輸入，4-10MHZ帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時(shí)鐘輸入； 帶優(yōu)先級(jí)的中斷和8 8單周期硬件乘法器。外圍功能模塊特性捕捉/比較/脈寬調(diào)制(PWM (CCP模塊；CCP引腳配置如下：捕捉輸入:16位，最大 分辨率為6.25ns ;比較單元：16位，最大分辨率為100ns；脈寬調(diào)制(PWM輸出：分辨 率為1-10位；最高PWM頻率：88位分辨率時(shí)為156kHz, 10位分辨率時(shí)為39

39、kHz。增強(qiáng)型 CCP莫塊具有標(biāo)準(zhǔn)型CCP模塊的所有特性，但它在先進(jìn)的電機(jī)控制時(shí)還有如下特性： 1, 2, 4路的PW輸出；可選擇PW啲極性；可編程的PW死區(qū)時(shí)間。(3)運(yùn)行速度高PIC18F458由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式，使得PIC18F458單片機(jī)運(yùn)行速度大大提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它相同檔次的單片機(jī)。功耗低PIC18F458單片機(jī)的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機(jī)之一。 在8MHZ寸鐘下工 作時(shí)耗電不超過mA在睡眠模式下耗電可以低到1mA以下。(5) 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)I/0端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達(dá)到 2mA 和20m

40、A能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 LED光電禍合器或者微型繼電器等。(6) 獨(dú)特的C語言開發(fā)環(huán)境對(duì)于PIC18F458單片機(jī)，Microchip公司提供了“ C語言編譯程序”，這樣用C語言這 樣高級(jí)語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可大大的提高了工作效率。和一般的C語言版本如Turbo C 相比，作為單片機(jī)的開發(fā)語言，PICC增加了針對(duì)PIC單片機(jī)硬件本身的操作，如端口、引 腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。產(chǎn)品系列齊全、擁有高性能的高端產(chǎn)品另外，必須說明的是，PIC系列單片機(jī)品種齊全、根據(jù)其指令的位數(shù)可分為初級(jí)產(chǎn)品、 中級(jí)產(chǎn)品和高級(jí)產(chǎn)品，在以后的開發(fā)過程中，可根據(jù)具體需要選擇單片機(jī)的型號(hào)。其高級(jí) 產(chǎn)品一 16位指令

41、字系列的PIC17CXX)和PIC18CXXX 16位指令字系列是8位單片機(jī)中運(yùn) 行速度最快的，它具備一個(gè)指令周期內(nèi)完成 8位二進(jìn)制乘法的能力，可以在一些需要高速 運(yùn)算的使用場(chǎng)合取代DSP數(shù)字信號(hào)處理器。再加上PIC17CXXX5具有豐富的I/O控制功能， 并可以外接擴(kuò)展EPRO和RAM使它成為目前8位單片機(jī)中性能最高的品種之一，可被廣 泛的使用于高中檔的電子設(shè)備中。而PIC18CXXXK列是一款高性能、全靜態(tài)設(shè)計(jì)、內(nèi)帶A/D 轉(zhuǎn)換器的CMOS1位單片機(jī)，可使用于各種復(fù)雜和高性能的電子及工業(yè)控制。正因?yàn)槿绱吮菊n題選用PIC18F458單片機(jī)，為以后產(chǎn)品升級(jí)及個(gè)人能力的進(jìn)一步提高 都將帶來便利。

42、2.5本章小結(jié)本章分析了直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線；依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì) 分析了系統(tǒng)工作原理；依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和方案對(duì)直流電機(jī)、放大器、光電數(shù)字編碼器、 PIC單片機(jī)等進(jìn)行了選型。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1引言本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)主要從以下原則出發(fā)：(1) 硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。一些由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可用軟件 來實(shí)現(xiàn)，反過來一些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能時(shí)， 其響應(yīng)時(shí)間比用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，還要占用 CPU時(shí)間。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡(jiǎn)化硬 件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，在滿足可 行性和實(shí)時(shí)性的

43、前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實(shí)現(xiàn)。(2) 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平 均無故障時(shí)間越長(zhǎng)，而且所用芯片數(shù)量越少，地址、數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性 就越少，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿足功能的情況下力爭(zhēng)使用較少數(shù)量的芯 片。(3) 靈活的功能擴(kuò)展。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要不斷 完善，需要進(jìn)行功能升級(jí)。功能擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該在原有設(shè)計(jì)不需要很大改變的情況下，修 改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重 要指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個(gè)硬件設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)以單片機(jī)PIC18F458為中央

44、處理單元，由鍵盤輸入電路，LCD顯示，放大器連接電路等組成。下面對(duì)主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì) 介紹。3.2 H橋電路PWM控制電路橋工作原理當(dāng)開關(guān)Qi和Q4閉合時(shí)，負(fù)載電流從電源由 A流向B。此時(shí)負(fù)載端A點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)是 正電位，電機(jī)兩端承受正向電壓。開關(guān)Q,和Q4由控制邏輯來同步工作，在開關(guān)Q,和Q4閉 合期間，控制邏輯使另一對(duì)開關(guān) Q2和Q3處于斷開狀態(tài)。反之，當(dāng)開關(guān) Q2和Q3閉合時(shí)， 開關(guān)Qi和Q4斷開，此時(shí)，負(fù)載電流從電源 U由B流向A,負(fù)載端B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)是正電 位，電機(jī)兩端承受反向電壓。通過調(diào)節(jié) PWM&號(hào)的占空比就可以改變電機(jī)電樞兩端的平均 電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或方向。當(dāng)

45、PWM&號(hào)占空比:50100時(shí)，電樞兩端電壓平均 值為正，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng):：50100時(shí)，電樞兩端電壓平均值為負(fù)，電機(jī)平均值為負(fù)， 電機(jī)反轉(zhuǎn)；- 50100時(shí)，電機(jī)電樞電壓平均值為0,電機(jī)停轉(zhuǎn)，但此時(shí)電樞兩端電壓的順 時(shí)值并不為0,而是幅值接近電流電源電壓 U的方波。和功率開關(guān)并聯(lián)的二極管為快會(huì)恢復(fù)二極管，作為續(xù)流二極管使用。當(dāng)Q,、Q4的PWM信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅β使躋,、Q4關(guān)斷而Q2、Q3飽和導(dǎo)通。電樞兩端所加電壓為-U，此時(shí)，電樞電流方向不能立刻改變，必須通過二極管VD 2和VD 3續(xù)流。同理，當(dāng)Q2、Q3的PWM&號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，電機(jī)通過二極管 VD,、VD 4續(xù)流

46、。3.2.2 H橋器件選擇本系統(tǒng)中，選擇功率MOSFE作為開關(guān)器件。功率MOSFE是壓控元件，具有輸入阻抗 大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)。此處，選取N溝道的功率MOSFET IRF53作為開關(guān)器件。R2和C4則組成放電回路，消耗電感中存儲(chǔ)的能量。其中，R2要用阻值在千歐級(jí)、功率在5W的水泥電阻，阻值的具體大小要在不同的電路使用中調(diào)整確定。工作頻率選擇要使電路穩(wěn)定的工作，需要合適地選擇 PWM勺頻率。如果頻率選擇過低，輸出到電機(jī) 兩端電壓的低頻紋波較大，會(huì)對(duì)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行造成影響，而且低頻的PWMI號(hào)會(huì)使直流電機(jī)在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生很大的噪聲，極大影響轉(zhuǎn)臺(tái)操作人員的工作環(huán)境；如果頻率選擇

47、過高，由于光耦、IR2111、MOSFE等器件的開關(guān)特性的限制，不可能輸出較為理想的方波， 這會(huì)使輸出的PWM波形發(fā)生畸變，無法有效的控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過多次實(shí)踐證明， 此電路的PWM工作頻率選擇32KHZ為宜。此頻率在超聲波頻段范圍內(nèi)，可以消除電機(jī)在工 作過程中的噪音。3.3放大電路的連接電路IR2111外圍電路如圖所示。單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)經(jīng)光耦PC817后，輸出至IR2111輸入端，此處的光耦對(duì)PW信號(hào)起到隔離、電平轉(zhuǎn)換和功率放大的作用。圖中，R1、r2為光耦上拉電阻，其值根據(jù)所用光耦的輸入和輸出地電流參數(shù)決定：C1為電容濾波電容，C2為自舉二極管，R3、R4為柵極驅(qū)動(dòng)電阻。+12

48、V圖3.2 IR2111驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET3.4鍵盤輸入電路本系統(tǒng)采用鍵盤，如圖3.4所示+5WAR1X ION DH圖3.4為按鈕電路3.5電源電路控制系統(tǒng)需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作，本系統(tǒng)的IR2111放大器要士 12V;PIC單片機(jī)、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、顯示電源需要+5V;考慮到本系統(tǒng)的情況，采用了直接從市場(chǎng)上 購買開關(guān)電源來滿足要求，如圖 3.3所示。C電源開關(guān)電源O +12V° +5VQ 圖3.5所需電源3.6復(fù)位和時(shí)鐘電路為了預(yù)防系統(tǒng)在突然情況下出現(xiàn)死機(jī)等問題，特設(shè)計(jì)復(fù)位電路進(jìn)行對(duì)程序計(jì)數(shù)器的 PC 重新賦值并重新開始工作，根據(jù)PIC18F458系列單片機(jī)的特點(diǎn)，采用

49、典型的復(fù)位電路接法， 不僅可以在上電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，還可以在程序運(yùn)行中手動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位只需要按下復(fù)位電 路中的按鍵即可。如圖3.6 。* 5-B02:14QSCVCLKIRco/TiosorricwMCLRA/PFRCVT10SIRC2/CCP1RAD/AN0/CVREFRC3/SCK/SCLR A1 /AN1RC4/SDI/SDARA2/AN2/VREFRC5/SDORA3JAN3A/REF+RCB/TXCKRAATTOCKIRC7/RXA>TRA5/AN4/SSAJ/DinRA&/OSC2/CLKORDO/PSPa/ClltIQ 口OIIHTTiRD1/PSP1/C1IHKc?

50、U/l|n| IUK yz/r r £#站|砒RB-1/INT1RD3/PSP3/C2IN-RB27INT2/CANTXRID4TP SF4；EC CPW1ARB3/CANRXRD5/PSP5/P1BRB4RD6/F'SP6JF1CRB5/PGMRD7/PSP7>P1DRB6/PGCR077PODRE1/W/C10UTjWNBRE2 兀 S/C2OL7W472101723242520192021222728308010GND2圖3.6復(fù)位和時(shí)鐘電路3.7顯示電路3.7.1 LCD 介紹液晶顯示模塊（LCM由于其具有功耗低、無電磁輻射、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、接口方便 等一系列顯

51、著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用和各種儀表儀器、測(cè)量顯示裝置、計(jì)算機(jī)顯示終端等方面。 其中，字符液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。 TS1620字符液晶顯示模塊以ST7066和ST7065為控制器，其接口信號(hào)功能和操作指令和 HD44780空制器具有兼容性。字符液晶有 8 1、16 2、20 2、40 2等20多種規(guī)格型號(hào)齊 全的字符液晶顯示模塊，均具有相同的引線功能和編程指令，和單片機(jī)的接口具有通用性。 下圖為外觀機(jī)構(gòu)。LCD3.7.2 TS1620引腳和功能TS1620的引腳和功能表下圖所示引腳好引腳符號(hào)名稱臺(tái)匕 冃匕1GND電源地接5V電源地端2VDD電源正端接5V電源

52、正端3VEE液晶驅(qū)動(dòng)電壓端電壓可調(diào)，一端接地, 一端接可調(diào)電阻4RS寄存器選擇段RS-1為數(shù)據(jù)寄存器,RS=0為指令寄存器5RW讀/寫選擇端RW-偽讀數(shù)據(jù)，RW-C為寫數(shù)據(jù)6EN讀/寫使能端寫時(shí)，下降沿觸發(fā)； 讀時(shí)，高電平有效7至14DB0- DB78位數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù) 總線3.7.3 TS1620 和 PIC18F單片機(jī)接口TS1620模塊和單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，PIC18F單片機(jī)的連接圖如總圖所示。PIC18F458的 RD0-RD7端口直接和TS1620-1的DB0-DB7相連接，TS1620-1的控制信號(hào) RS RW EN分別 和 PIC18F458的 RE0-RD2相連接。3.8轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)

53、計(jì)一個(gè)完善的閉環(huán)系統(tǒng)，其定位精度和測(cè)量精度主要由測(cè)量元件決定，因此，高精度的 測(cè)量轉(zhuǎn)速對(duì)測(cè)量元件的質(zhì)量要求相當(dāng)高。光電編碼器是現(xiàn)代系統(tǒng)中必不可少的一種數(shù)字式 速度測(cè)量元件，被廣泛使用于微處理器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。光柵盤光柵盤是在圓盤邊刻有很多光柵。當(dāng)光源照射到光柵部分時(shí)，沒有被光柵擋住的光源 就透射過去。本系統(tǒng)中采用了一個(gè)圓面上刻有60個(gè)均勻光柵格的光柵盤。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)-周時(shí)，會(huì)產(chǎn)生60個(gè)光脈沖信號(hào)。光電傳感器光電傳感器原理是有一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)由光信號(hào)控制放大的三極管組成。由發(fā)光 二極管發(fā)出紅外光線通過3mm寬的氣隙透射到另一端的三極管上，使得該三極管導(dǎo)通。其 特征如下：氣隙是3mm分辨率

54、達(dá)到0.5mm大電流傳輸比Ic30100 o暗電流為：0.25 JA在#=10mA寸，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線的波長(zhǎng)為 940nm安裝時(shí)將光柵盤圓面鉗到溝槽中，光電傳感器的發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線通過3mm氣隙照射到光柵盤，光通過光柵盤面上透光的光柵氣隙可以使得光傳感器的三極管導(dǎo)通，從 C極會(huì)輸出一個(gè)低電平，被光柵擋住的光不能透過去，使得光電傳感器的C極會(huì)輸出一個(gè)高電平。653.8 .1光電傳感器原理圖光電傳感器在硬件電路設(shè)計(jì)上很簡(jiǎn)單，如圖。在光電傳感器的1引腳上接一個(gè)限流電阻R,限制流過發(fā)光二極管的電流lF=10mA左右。計(jì)算公式如下：If（ Vcc -Vf）/R其中，VF =1.15V，Vcc

55、= 5V，lF hOmA，計(jì)算出 R =390"左右R5390U4R61K> RC11B光電傳感器設(shè)計(jì)圖3.9本章小結(jié)本章討論了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的原則 ；依據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)了各功能模塊電路；說明各模塊電路的連接方法；著重分析了放大電路、復(fù)位、LCD電路、轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的原理。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1引言隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，利用軟件代替和簡(jiǎn)化硬件，利用基本的硬件電路和軟件技術(shù)達(dá) 到系統(tǒng)多功能集成和容易修改的要求。一個(gè)較為簡(jiǎn)單的硬件電路，系統(tǒng)功能的主要實(shí)現(xiàn) 是依靠軟件的設(shè)計(jì)來完成的。本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為若干個(gè)模塊，分 別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，這樣在系統(tǒng)軟件的調(diào)試過程中，各個(gè)模塊的

56、獨(dú)立調(diào)試有助于問題的發(fā)現(xiàn) 和解決，在一定程度上節(jié)約了程序的調(diào)試時(shí)間。4.2系統(tǒng)使用程序設(shè)計(jì)微芯公司為PIC18F458系列的集成和調(diào)試提供的工具包括：軟仿真器，集成開發(fā)調(diào)試 軟件MPLAB PIC系列單片機(jī)可采用匯編語言或 C語言編寫源程序代碼。MPLA是一個(gè)完整 的PIC單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，也是目前最優(yōu)秀、最流行的PIC單片機(jī)開發(fā)軟件，大部分的PIC系列的單片機(jī)都可以采用該軟件工具進(jìn)行開發(fā)。MPLA包括下列功能：集成可視化編輯界面，可直接編寫 C、匯編等文件。集成代碼生成工具，包括匯編器、連接器等等。基本 調(diào)試工具，支持調(diào)試斷點(diǎn)工具走。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是用PIC的匯編語言在MPLAB!成環(huán)境下運(yùn)行、調(diào)試、完成的運(yùn)行。4.3直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計(jì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能的開發(fā)和完善是一個(gè)循序漸進(jìn)過程，本文 所作的軟件開發(fā)是基