畢業(yè)設(shè)計---電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　題目電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　系別</p><p>　專業(yè)</p><p>　班級</p><p>　姓名</p><p>　學(xué)號</p>

2、<p>　指導(dǎo)教師</p><p>　日期</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　設(shè)計題目</b></p><p>　　電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　設(shè)計要求：</b></p

3、><p>　　實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的控制，即永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；</p><p>　　要求使用脈寬調(diào)速系統(tǒng)；</p><p>　　單片機(jī)選用芯片要合適；</p><p>　?、?要求有系統(tǒng)電路圖、原理圖、程序圖等。</p><p><b>　　設(shè)計進(jìn)度要求：</b></p&g

4、t;<p>　　第一周：找指導(dǎo)老師，確定設(shè)計題目；</p><p>　　第二周：結(jié)合題目，查閱相關(guān)的資料勾畫調(diào)速系統(tǒng)基本框架；</p><p>　　第三、四周：根據(jù)有關(guān)要求和所查資料的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計；</p><p>　　第五、六周：對所設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)試；</p><p>　　第七周：書寫畢業(yè)設(shè)計論文；</p>

5、;<p>　　第八周：準(zhǔn)備畢業(yè)論文答辯。</p><p>　　指導(dǎo)教師（簽名）：______________</p><p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　單片機(jī)控制的永磁無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)適用于電動自行車等小功率的工作情況，并能將多余的電能回饋。該系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)

6、。</p><p>　　本文從系統(tǒng)要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成四個部分，分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略、實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)討論了系統(tǒng)的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個部分在不同工況的工作狀態(tài)。系統(tǒng)各個部分的控制電路基于Intel公司的控制芯片8051單片機(jī)。根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)的特性實(shí)施脈寬PWM控制，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，通過軟硬件的配合，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。

7、</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)，脈寬調(diào)速系統(tǒng)，三端式穩(wěn)壓器，永磁無刷直流電動機(jī)</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘要II</b></p><p><b>　　1概述1</b></p><p>　　1.1

8、電動車的發(fā)展史1</p><p>　　1.2電動車對電動機(jī)的基本要求1</p><p>　　1.3 永磁無刷直流電動機(jī)的基本性能2</p><p>　　1.4無刷直流電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用2</p><p><b>　　2總體設(shè)計4</b></p><p><b>　　3電

9、路設(shè)計5</b></p><p><b>　　3.1電源電路5</b></p><p><b>　　3.2顯示電路5</b></p><p><b>　　3.3控制電路7</b></p><p>　　3.4驅(qū)動電路及原理8</p><p

10、>　　4主要器件性能及原理11</p><p>　　4.1 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)11</p><p>　　4.2 A/ D轉(zhuǎn)換芯片13</p><p>　　4.3永磁無刷直流電動機(jī)15</p><p>　　4.4 三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理18</p><p>　　4.5集成轉(zhuǎn)速傳感器KMI15

11、-120</p><p><b>　　4.6譯碼器24</b></p><p><b>　　5程序設(shè)計25</b></p><p>　　5.1主程序框圖25</p><p>　　5.2 INT0中斷服務(wù)程序26</p><p>　　5.3部分子程序27</p

12、><p><b>　　結(jié)論29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　1 概 述</b></p><p>　　1.1電動車的發(fā)展史&l

13、t;/p><p>　　電動車的發(fā)展史比燃油汽車更長，世界上第一輛機(jī)動車就是電動車。后來，由于燃油汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，而電動車在能源技術(shù)和行駛里程的研制上長期未能取得突破，從20世紀(jì)20年代初至60 代末，電動車的發(fā)展進(jìn)入了一個沉寂期。進(jìn)入70年代以來，由于中東石油危機(jī)的爆發(fā)以及人類對自然環(huán)境的日益關(guān)注，電動車才再度成為技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。近幾十年來，主要工業(yè)化國家為電動車的開發(fā)投入了大量的人力和財力，電動車的各項相關(guān) 技

14、術(shù)也取得了重大的進(jìn)展。盡管電動車在能源和行駛里程的研制方面，至今尚未取得突破性 的進(jìn)展，但是電動車的美好前景仍然激勵著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動車，改善其性能。 </p><p>　　現(xiàn)代電動車的能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、智能化的能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、車載空調(diào)系統(tǒng)和變速系統(tǒng)，電動車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及未來智能化的交通系統(tǒng)的發(fā)展。根據(jù)各類子系統(tǒng)的不同特點(diǎn).近年來，各種顯示高新技術(shù)的電動車層出不窮，日新月異。</

15、p><p>　　1.2電動車對電動機(jī)的基本要求</p><p>　　電動車的運(yùn)行與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。</p><p>　　（1）電動車用電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大、過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為（3~4），加速性能好、使用壽命長等特點(diǎn)。</p><p>　?。?）電動車用電動機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和

16、恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。</p><p>　?。?）電動車用電動機(jī)能夠在減速時實(shí)現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電動車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)得摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)得。</p><p>　?。?）電動車用電動機(jī)應(yīng)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，應(yīng)具有高得效率，以提

17、高1次充電得續(xù)駛里程。</p><p>　　另外，還要求電動車用電動機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣得環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單并適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時噪聲低，價格便宜等。</p><p>　　1.3 永磁無刷直流電動機(jī)的基本性能</p><p>　　（1）永磁無刷直流電動機(jī)是一種高性能的電動機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永

18、磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗，發(fā)熱的電樞組又裝在外面的定子上，散熱容易。因此，永磁無刷直流電動機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)的情況下運(yùn)行。</p><p>　　無刷直流電動機(jī)因其無電刷和機(jī)械換向器，不需要減速裝置，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動自行車中。</p><p>　?。?

19、）永磁無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)</p><p>　　永磁無刷直流電動機(jī)是一種高性能的電動機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗，發(fā)熱的電樞組又裝在外面的定子上，散熱容易。因此，永磁無刷直流電動機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)的情況下

20、運(yùn)行。由于永磁無刷直流電動機(jī)具有上述一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而，其用途十分的廣泛，特別適合于對性能，體積重量要求很高的場合，如航空航天，電動汽車，精密電子儀器與設(shè)備，工業(yè)自動化和現(xiàn)代家用電器等領(lǐng)域。</p><p>　　1.4無刷直流電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用</p><p><b>　　1．應(yīng)用特點(diǎn) </b></p><p>　　無刷直流電動機(jī)之所以

21、被廣泛應(yīng)用于電動自行車，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)的有刷直流電動機(jī)相比具有以下二方面的優(yōu)勢。</p><p>　?。?）壽命長、免維護(hù)、可靠性高。在有刷直流電動機(jī)中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大，特別是傳動齒輪的潤滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機(jī)就存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題。因此無刷直流電動機(jī)的優(yōu)勢很明顯。</p

22、><p>　　（2）效率高、節(jié)能。一般而言，因無刷直流電動機(jī)沒有機(jī)械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通常可高于85%，但考慮到實(shí)際設(shè)計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設(shè)計為76%。而有刷直流電動機(jī)的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。 </p><p><b>　　2．常見故障 </b></p><p>　　

23、無刷直流電動機(jī)的常見故障通常從其三個組成部分來檢查。在不清楚故障部位時，首先應(yīng)該檢查電動機(jī)本體，其次是位置傳感器，最后檢查驅(qū)動控制電路。在電動機(jī)本體中，可能出現(xiàn)的問題是：A、電動機(jī)繞組接觸不良，斷線或短路。會造成電動機(jī)不轉(zhuǎn)；電動機(jī)在某些位置能夠起動，而在某些位置不能起動；電動機(jī)運(yùn)行不平衡。B、電動機(jī)主磁極退磁，會使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩明顯小，而空載轉(zhuǎn)速高、電流大。在位置傳感器上常見問題是霍爾元件損壞、接觸不良、位置變化，都會使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變小，

24、嚴(yán)重時會使得電動機(jī)不動或在某一點(diǎn)來回振動。在驅(qū)動控制電路中最容易出現(xiàn)故障的是功率晶體管，即由于長期過載、過電壓或短路使功率晶體管損壞。以上是對無刷電動機(jī)的常見故障進(jìn)行的簡單分析，在電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行時問題會是多種多樣的，檢查者應(yīng)注意在沒有確切把握情況時，不能隨意通電，以免造成電動機(jī)的其他器件損壞。</p><p><b>　　2總體設(shè)計</b></p><p>　　對于電

25、動自行車控制系統(tǒng)設(shè)計主要有三個方面:</p><p>　　1．控制電路的設(shè)計；</p><p>　　2．傳感器選擇以及安放設(shè)計；</p><p>　　3．顯示電路的設(shè)計；</p><p><b>　　4．程序設(shè)計。</b></p><p>　　從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機(jī)的信號

26、處理量，但是又必須能使車行駛自如。控制電路要根據(jù)選用的電機(jī)和傳感器來設(shè)計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾?？刂粕喜捎梅謺r復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)了信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖2.1所示：</p><p><b>　　圖2.1總體電路圖</b></p><p><b>　　3 電路設(shè)計<

27、;/b></p><p>　　控制電路主要由電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)接口電路、顯示電路四個部分?？紤]到電機(jī)的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)機(jī)驅(qū)動電路和單片機(jī)以及傳感器電路用光耦隔離 。</p><p><b>　　3.1電源電路</b></p><p>　　傳感器的電源直接

28、使用24V蓄電池，單片機(jī)的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24V電源轉(zhuǎn)換到5V。見圖3.1：</p><p><b>　　圖3.1電源電路圖</b></p><p>　　24V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器78L05輸出即為單片機(jī)所要求的+5V電源。電路中接入C1、C2是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?，可防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓

29、電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時，給輸出電容器C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be解結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。</p><p><b>　　3.2顯示電路</b></p><p>　　顯示部分見圖3.2，采用單片機(jī)串口通訊，以節(jié)省單片機(jī)的端口，單片機(jī)通過中斷的方式為顯示服務(wù)。我們所設(shè)計的采用共陽極連接方式的L

30、ED七段顯示數(shù)碼管如圖3.3所示。</p><p><b>　　圖3.2顯示電路圖</b></p><p>　　圖3.3七段顯示數(shù)碼管</p><p><b>　　靜態(tài)顯示原理：</b></p><p>　　MCS-51單片機(jī)串行口方式0為移位寄存器方式，外接6片74LS164作為6位LED顯示器的

31、靜態(tài)顯示接口，把8051的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時鐘脈沖。74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號，共一個輸入信號時可并接。T（第8腳）為時鐘輸入端，可連接到串行口的TXD端。每一個時鐘信號的上升沿加到T端時，移位寄存器移一位，8個時鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。R（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)R=0時，移位寄

32、存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1時，時鐘脈沖才起作用。Q1…Q8（第3-6和10-13引腳）并行輸出端分別接LED顯示器的hg···a各段對應(yīng)的引腳上。</p><p><b>　　段碼控制：</b></p><p>　　如送段碼73H時，顯示P以此類推，如表3.1所示：</p><p><b>　　表3.1段

33、碼表</b></p><p>　　直流電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)/分大約需要三位數(shù)碼管顯示。驅(qū)動器采用74LS164串接510Ω的限流電阻。</p><p><b>　　3.3控制電路</b></p><p><b>　　圖3.4控制電路</b></p><p>　　打開系統(tǒng)電源后由電位

34、器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被換成數(shù)字量由ADDA-ADDC線上的地址決定。ADDC0809內(nèi)部“地址鎖存與譯碼”電路便把IN0線上模擬電壓送入8位A/D轉(zhuǎn)換器。此時，若單片機(jī)使STRA線處于高電平，則ADC0809便開始A/D轉(zhuǎn)換，一旦A/D轉(zhuǎn)換完成，ADC0809一方面把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入它三態(tài)輸出緩沖器，另一方面又使EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C(jī)提出中斷請求。單片機(jī)檢測和響應(yīng)該中斷請求后就通過使RD非變?yōu)榈?/p>

35、電平而使OE線變高，以便可以從2.1——2.8引線上取走A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出相應(yīng)的巨型脈沖信號。脈沖信號經(jīng)74LS254放大后經(jīng)光電耦合控制繼電器。</p><p>　　3.4驅(qū)動電路及原理</p><p>　　電動自行車使用24V直流電機(jī)，對于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)速方法一般有兩種。</p><p>　　一種是線性型：使用功率三級管作為功率放大器的輸出控制直流

36、電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。</p><p>　　另一種脈寬調(diào)制型:脈寬調(diào)速（PULSE WIDE MODULATION—PWM）較常用的 一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用PWM方式控制直流電機(jī)

37、。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理：永磁式直流電動機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電壓UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機(jī)就就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時使電動機(jī)再次接通，電動機(jī)因此而再次加速，不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號）就可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖3.5所示：</p><p><b&g

38、t;　　圖3.5脈沖信號圖</b></p><p>　　Vmax為電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值，Vmin為電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)速值，VD為二者的平均值。VD=D*max式中D=t/Tc稱為占空比，D越大VD就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比D之間關(guān)系如圖3.6所示：</p><p>　　由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此，電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)速V

39、D就可以有占空比D加以控制。</p><p>　　圖3.6 VD/D關(guān)系圖</p><p>　　PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：</p><p>　　雙向式：在一個脈沖周期內(nèi)（T=Ta+Tb）,T1和T3導(dǎo)通時間為Ta,T2和T4導(dǎo)通時間為Tb，這樣在Ta這段時間內(nèi)，電機(jī)通過的是正向電流，在Tb這段時間內(nèi)為反相電流。當(dāng)Ta=Tb時電機(jī)停轉(zhuǎn)，Ta>Tb電機(jī)正轉(zhuǎn)

40、，Ta<Tb電機(jī)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　單向式：單向式的電路和雙向式相同，同的是在電機(jī)正轉(zhuǎn)時，Tb這段時間內(nèi)不通過反相電流；電機(jī)反轉(zhuǎn)時，Ta內(nèi)不通過正向電流。其調(diào)速原理基本與雙向相同，單向式與雙向式相比，三極管的開關(guān)頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導(dǎo)通而造成電源短路的情況，故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差;外特性、低速性也不如雙向式好。</p><p>　　綜合以上兩

41、種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并考慮到電動自行車對調(diào)速精度要求不太高，以及省電、器件損耗等方面因素，決定采用單向式PWM；考慮到編程時可能會產(chǎn)生使T1、T2、T3、T4都導(dǎo)通的情況，以致電源短路，燒毀器件。為了避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)計了圖3.7所示的電路:</p><p>　　此電路只用一個三極管控制電路的通斷，用四個繼電器控制電流流向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。這樣無論如何，都不會出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。</p&g

42、t;<p>　　由于采用單片機(jī)控制電機(jī)，如果單片機(jī)的電源采用與電機(jī)同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但單片機(jī)仍然容易受到電機(jī)以及繼電器的干擾。為了避免干擾，采用光電隔離，單片機(jī)和電機(jī)采用兩套電源，4N26光耦一般需要2mA以上的驅(qū)動電流，由于單片機(jī)的輸出電流只有幾百毫安，故需要先接74LS245或者接一個三極管增加驅(qū)動能力（74LS245的高電平驅(qū)動能力為15mA）。光耦的輸出再接給達(dá)林頓管，考慮到電機(jī)的短路電流有2A，故選用

43、TIP132型號的達(dá)林頓管（允許通過的最大瞬時</p><p><b>　　圖3.7電源電路</b></p><p>　　電流為8A）。另外，在達(dá)林頓管的C極和電源的正極之間接一個耐流為2A的二極管，這樣在關(guān)斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機(jī)放電，這樣停時車不至于因?yàn)閼T性滑行太遠(yuǎn)而浪費(fèi)能源。因此，切斷電源后要將電動車停下來而采取的無謂制動不能將電能回饋給蓄電池。<

44、;/p><p>　　考慮到電動自行車對電機(jī)轉(zhuǎn)速距離控制要求不高，為了簡化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán)PWM控制，用開環(huán)PWM控制和就可以實(shí)現(xiàn)自行車的功能。</p><p>　　圖3.8脈沖信號波形圖</p><p>　　工作時Ta為高電平，通過光耦驅(qū)動復(fù)合管T導(dǎo)通，此時Tb為高電平通過光耦使三極管導(dǎo)通，繼電器各線圈被短路。K1、K2為常閉觸點(diǎn)，所以電動機(jī)加正向電

45、壓。當(dāng)Tb為低電平電壓時所有繼電器得電，常開觸點(diǎn)閉合常閉觸點(diǎn)斷開，K1、K3斷開K2、K4導(dǎo)通。電動機(jī)加反向電壓。如果保證Ta>Tb則電動機(jī)正轉(zhuǎn)。通過改變Ta、Tb的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。</p><p>　　4主要器件性能及原理</p><p>　　4.1 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　8051是MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性

46、的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：</p><p>　　中央處理器(CPU)</p><p>　　中央處理器(CPU)是整個單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮

47、和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器（RAM）</p><p>　　8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表</p&

48、gt;<p>　　程序存存儲器（ROM）</p><p>　　8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。</p><p>　　定時/計數(shù)器（ROM）</p><p>　　8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。</p><p>　　并行輸入輸出(I/O)口

49、</p><p>　　8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p><b>　　全雙工串行口</b></p><p><b>　　中斷系統(tǒng)</b></p><p>　　8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，

50、可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇</p><p><b>　　時鐘電路</b></p><p>　　8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容。</p><p>　　8051的引腳說明：</p><p>　　8051引腳如圖4.1所示：<

51、;/p><p>　　圖4.1 8051引腳圖</p><p>　　Pin20:接地腳。</p><p>　　Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM讀寫程序時，接+5V電源。</p><p>　　Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸

52、出端。</p><p>　　輸入輸出(I/O)引腳：</p><p>　　Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內(nèi)容闡述。</p><p>　　Pin9:RESE

53、T/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如表4.1所示:</p><p

54、>　　表4.1 8051初始狀態(tài)</p><p>　　Pin30: ALE/當(dāng)訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更有一個特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。</p>

55、<p>　　Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，CPU讀入并執(zhí)行。</p><p>　　Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。

56、如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。</p><p>　　4.2 A/ D轉(zhuǎn)換芯片</p><p><b>　?。?）內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　ADC0809芯片是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼近型，芯片由單個+5V電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，典型的A/D轉(zhuǎn)換時間為1

57、00微秒左右。在同類產(chǎn)品中，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價位都居首位。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖4.2：</p><p>　　圖4.2 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>　　由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行

58、轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　?。?）引腳結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖4.3 ADC0809引腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　IN0－IN7：8條模擬量輸入通道</p><p>　　ADC0809對輸入模擬量

59、要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。</p><p>　　地址輸入和控制線：4條</p><p>　　ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和

60、C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表4.2所示：</p><p>　　表4.2 通道選擇表</p><p>　　數(shù)字量輸出及控制線：11條</p><p>　　ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；

61、否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。</p><p>　　CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。</p><p>　

62、　4.3永磁無刷直流電動機(jī)</p><p>　　1．無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)</p><p>　　無刷直流電動機(jī)（BLDCM）由電動機(jī)本體和驅(qū)動器構(gòu)成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。</p><p>　　定子繞組做成三相對稱星行接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生N-S級相間的方波磁場，所以也把這種電動機(jī)稱為“方波電

63、動機(jī)”。為了使電動機(jī)繞組準(zhǔn)確換向，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號。</p><p>　　驅(qū)動器組成： 作為控制中樞的單片子；作為電子換向的由IGBT或MOSFET構(gòu)成的逆變橋；作為電壓型交一直一交主電路的整流、濾波單位；作為人機(jī)接口的鍵盤和數(shù)字顯示單位；作為控制、驅(qū)動電源的開關(guān)電源。</p><p>　　2．無刷直流電動機(jī)的主要特點(diǎn)</p><p>

64、;　　無刷直流電動機(jī)有效率高；功率因子高；啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小；電動機(jī)出力高；適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。此外，無刷直流電動機(jī)是一種自控式調(diào)速系統(tǒng)，它無需像普通同步電動機(jī)那樣需要啟動繞組；在負(fù)載突變時，不會產(chǎn)生振蕩和失步；無刷直流電動機(jī)具有直流電動機(jī)特性、交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)；無刷直流電動機(jī)適合長期低速運(yùn)轉(zhuǎn)、頻繁啟動的場合，這是變頻調(diào)速器拖動Y系列電動機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　3．永磁無刷直流電動機(jī)的基本工作原

65、理 </p><p>　　無刷直流電動機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的

66、通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。無刷直流電動機(jī)的原理簡圖如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4無刷直流電動機(jī)的原理圖</p><p>　　主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信

67、號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組建處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)

68、動60°電度角，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(dāng)于60°電度角空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn)60°電度角，如此循環(huán)，無刷直流電動機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)闊o刷直流電動機(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱作自控式同步電動機(jī)。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)</p><

69、;p>　　電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流: TM=Ktlav(N/M)</p><p>　　電動機(jī)兩相組反電勢的差比于電動機(jī)的角速度: ELL=Keω(V)</p><p>　　所以電動機(jī)繞組中的平均電流為：Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A)</p><p>　　其中，Vm=δ?VDC是加在電動機(jī)線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，

70、Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：Tm=δ×(VDC×Kt/2Ra)-Kt×(Keω/2Ra)Kt、Ke是電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動機(jī)的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω時，改變占空比δ，就可以線性地改變電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵支流電動機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。</p><p>　　無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度

71、指令最大值為+5V對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc(max)ón max,那么，+5V以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。</p><p>　　當(dāng)Vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)

72、速高時，δ減小，Tm減小。發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，無刷直流電動機(jī)在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。由于無刷直流電動機(jī)的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機(jī)高10%左右，一般來說，無刷直流電動機(jī)的能力指針（ηcosθ）比同容量三相異步

73、電動機(jī)高12%-20%。電動機(jī)采用無錫市日弛電機(jī)有限公司生產(chǎn)的永磁無刷直流電動機(jī)，電動機(jī)各參數(shù)如表4.3所示：</p><p>　　表4.3電動機(jī)各參數(shù)表</p><p>　　4.4 三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理</p><p>　　現(xiàn)以具有正電壓輸出的78L××系列為例介紹它的工作原理。</p><p>　　電路如圖

74、4.5所示，三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹。</p><p>　　圖4.5三端式穩(wěn)壓器工作原理</p><p>　　注 圖中R11由輸出電流檔次決定，R12由輸出電壓檔次決定</p><p><b>　　4.4.1啟動電路</b></p><p

75、>　　在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當(dāng)輸入電壓V1接通后，這些恒流源難以自行導(dǎo)通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動電路由T1、T2、DZ1組成。當(dāng)輸入電壓V1高于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升而導(dǎo)通，同時恒流源T4、T5也工作。T4的集電極電流通過DZ2以建立起正常工作電壓，當(dāng)DZ2達(dá)到和DZ1相等的穩(wěn)壓值，整個電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)，

76、電路啟動完畢。與此同時，T2因發(fā)射結(jié)電壓為零而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯(lián)系，從而保證T2左邊出現(xiàn)的紋波與噪聲不致影響基準(zhǔn)電壓源。</p><p>　　4.4.2準(zhǔn)電壓電路</p><p>　　基準(zhǔn)電壓電路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2組成，電路中的基準(zhǔn)電壓為</p><p>　　式中VZ2為DZ2的穩(wěn)定電壓，VBE為T3、D1、D2發(fā)射結(jié)（D1

77、、D2為由發(fā)射結(jié)構(gòu)成的二極管）的正向電壓值。在電路設(shè)計和工藝上使具有正溫度系數(shù)的R1、R2、DZ2與具有負(fù)溫度系數(shù)的T3、D1、D2發(fā)射結(jié)互相補(bǔ)償，可使基準(zhǔn)電壓VREF基本上不隨溫度變化。同時，對穩(wěn)壓管DZ2采用恒流源供電，從而保證基準(zhǔn)電壓不受輸入電壓波動的影響。</p><p>　　4.4.3取樣比較放大電路和調(diào)整電路</p><p>　　這部分電路由T4～T11組成，其中T10、T11

78、組成復(fù)合調(diào)整管；R12、R13組成取樣電路；T7、T8和T6組成帶恒流源的差分式放大電路；T4、T5組成的電流源作為它的有源負(fù)載。</p><p>　　T9、R9的作用說明如下：如果沒有T9、R9，恒流源管T5的電流IC5=IC8+IB10，當(dāng)調(diào)整管滿載時IB10最大，而IC8最?。欢?dāng)負(fù)載開路時IO=0，IB10也趨于零，這時IC5幾乎全部流入T8，使得IC8的變化范圍大，這對比較放大電路來說是不允許的，為此接

79、入由T9、R9級成的緩沖電路。當(dāng)IO減小時，IB10減小，IC8增大，待IC8增大到 >0.6V時，則T9導(dǎo)通起分流作用。這樣就減輕了T8的過多負(fù)擔(dān)，使IC8的變化范圍縮小。 </p><p><b>　　4.4.4保護(hù)電路</b></p><p>　　減流式保護(hù)電路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4組成，R11為檢流電阻。保護(hù)的目的主要是使調(diào)整管

80、（主要是T11）能在安全區(qū)以內(nèi)工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值PCM。首先考慮一種簡單的情況。假設(shè)圖4.5中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15兩端短路。這時，如果穩(wěn)壓電路工作正常，即PC<PCM并且輸出電流IO在額定值以內(nèi)，流過R11的電流使 =IOR11<0.6V，T12截止。當(dāng)輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時，輸出電流超過極限值（IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）時，即當(dāng) >0.6V時，使T

81、12管導(dǎo)通。由于它的分流作用，減小了T10的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護(hù)電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內(nèi)。由于調(diào)整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降VCE值，又使PC<PCM，才能全面地進(jìn)行保護(hù)。圖4.10中DZ3、DZ4和R14、R15所構(gòu)成的支路就是為實(shí)現(xiàn)上述保護(hù)目的而設(shè)置的。電路中如果（VI–IOR11–VO）>（VZ3+ VZ4），則DZ3、DZ4擊穿，

82、導(dǎo)致T12管發(fā)射結(jié)承受正向電壓而導(dǎo)通。V</p><p><b>　　經(jīng)整理后得</b></p><p>　　顯然，（VI –VO）越大，即調(diào)整管的VCE值越大，則IO越小，從而使調(diào)整管的功耗限制在允許范圍內(nèi)。由于IO的減小，故上述保護(hù)稱為減流式保護(hù)。</p><p>　　4.4.5過熱保護(hù)電路</p><p>　　電路

83、由DZ2、T3、T14和T13組成。在常溫時，R3上的壓降僅為0.4V左右，T14、T13是截止的，對電路工作沒有影響。當(dāng)某種原因（過載或環(huán)境溫升）使芯片溫度上升到某一極限值時，R3上的壓降隨DZ2的工作電壓升高而升高，而T14的發(fā)射結(jié)電壓VBE14下降，導(dǎo)致T14導(dǎo)通，T13也隨之導(dǎo)通。調(diào)整管T10的基極電流IB10被T13分流，輸出電流IO下降，從而達(dá)到過熱保護(hù)的目的。</p><p>　　電路中R10的作用

84、是給T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一條分流通路，以改善溫度穩(wěn)定性。</p><p>　　值得指出的是：當(dāng)出現(xiàn)故障時，上述幾種保護(hù)電路是互相關(guān)聯(lián)的。</p><p>　　4.5集成轉(zhuǎn)速傳感器KMI15-1</p><p>　　集成轉(zhuǎn)速傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級換代產(chǎn)品。轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電

85、測參數(shù)。測量轉(zhuǎn)速時經(jīng)常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進(jìn)行非接觸性測量，傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構(gòu)成的，亦可用耳塞機(jī)改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點(diǎn)：第一，靈敏度低，傳感器與轉(zhuǎn)動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應(yīng)距離）只有零點(diǎn)幾毫米；第二，在測量高速旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速時，因安裝不牢固或受機(jī)械振動，容易與齒輪發(fā)生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產(chǎn)生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需要經(jīng)過放大、整形后變成沿口陡直的數(shù)字

86、頻率信號，才能送給數(shù)字轉(zhuǎn)速儀或數(shù)字頻率計測量轉(zhuǎn)速，而且外圍電路比較復(fù)雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@時磁阻式傳感器可能檢測不到轉(zhuǎn)速信號。</p><p>　　目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展，典型產(chǎn)品有飛利浦（Philips）公司生產(chǎn)的KMI15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，是分立式轉(zhuǎn)速傳感器理想的升級換代產(chǎn)品。KMI15-1系列包

87、括KMI15-1、KMI15-2、KMI15-3、KMI15-3等型號，它們的工作原理相同，僅性能指標(biāo)略有差異。下面就以KMI15-1為例來介紹該系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與具體應(yīng)用方法。</p><p>　　4.5.1 KMI15-1型傳感器的性能特點(diǎn)</p><p>　　KMI15-1芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC。它利用IC來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉(zhuǎn)

88、速成正比，電流信號的變化幅度為7mA～14mA電流信號的變化幅度為7mA～14mA。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉(zhuǎn)速。</p><p>　　KMI15-1器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動頻率范圍是0--25kHz，而且即使在轉(zhuǎn)動頻率接近于零時，它也能夠進(jìn)行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為2.99mm（典型值），由于與齒輪相距較遠(yuǎn)，因此使用比較安全。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，同時具有方向

89、性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾（EMI）濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。</p><p>　　KMI15-1的體積較小，其最大外形尺寸為8×6×21 mm，能可靠固定在齒輪附近。KMI15-1采用+12V電源供電（典型值），最高不超過16V。工作溫度范圍寬達(dá)-40——+85℃。</p><p><b>

90、　　4.5.2工作原理</b></p><p>　　KMI15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形如圖4.6所示：</p><p>　　圖4.6 KMI15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形圖</p><p>　　它的兩個引腳分別為UCC（接＋12V電源端）和U-（方波電流信號輸出端）。為使IC處于較低的環(huán)境溫度中，設(shè)計時專門將IC與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性

91、能。</p><p>　　該傳感器的簡化電路如圖4.7所示。其內(nèi)部主要包括：（1）磁敏電阻傳感器；（2）前置放大器A1；（3）施密特觸發(fā)器；（4）開關(guān)控制式電流源；（5）恒流源；（6）電壓控制器。</p><p><b>　　4.7傳感器簡化圖</b></p><p><b>　　4.8測量原理圖</b></p>

92、;<p>　　實(shí)際上，該傳感器是由4只磁敏電阻構(gòu)成的一個橋路齒輪的地方，其測量原理如圖4.8所示。當(dāng)齒輪沿Y軸方向轉(zhuǎn)動時，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產(chǎn)生電信號。此外，該傳感器具有很強(qiáng)的方向性，它對沿Ｙ軸轉(zhuǎn)動的物體十分敏感，而對沿Z軸方向的振動或抖動量很不敏感。這正是測量轉(zhuǎn)速所需要的。工作時，傳感器產(chǎn)生的電信號首先通過EMI濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經(jīng)過前置放大器，再利用施密特觸發(fā)

93、器進(jìn)行整形以獲得控制信號UK，并將其加到開關(guān)控制式電流源的控制端。KMI15-1的輸出電流信號ICC是由兩個電流疊加而成的，一個是由恒流源提供的7ｍA恒定電流IH，另一個是由開關(guān)控制式電流源輸出的可變電流IK。它們之間的關(guān)系式為：ICC＝IH＋I(xiàn)K</p><p>　　當(dāng)控制信號UK＝0（低電平）時，該電流源關(guān)斷，IK＝0，ICC＝IH＝7mA。當(dāng)UK＝1（高電平）時，電流源被接通，IK＝7mA，從而使得ICC＝

94、14mA。圖4.9給出了從U-端輸出的方波電流信號的波形，其高電平持續(xù)時間為T1，周期為T。輸出波</p><p>　　形的占空比D＝t1/t＝50％±20％。上升時間和降時間分別僅為0.5μｓ和0.7μｓ。</p><p>　　圖4.9從U-輸出的方波電流信號的波形</p><p>　　KMI15-1芯片中的電壓控制器實(shí)際上是一個并聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，可用于

95、為傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓UC。而電阻R3、穩(wěn)壓管VDZ和晶體管VT1則可構(gòu)成取樣電路，其中VT1接成射極跟隨器。A2為誤差放大器，VT2為并聯(lián)式調(diào)整管。這樣，1H在經(jīng)過R1、R2分壓后可給A2提供基準(zhǔn)電壓UREF，從而在UCC發(fā)生變化時，由A2對取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓Ur，同時通過改變VT2上的電流來使UC保持不變。</p><p>　　4.5.3 KMI15-1的應(yīng)用</p>

96、<p>　　安裝方法KMI15-1應(yīng)當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)動齒輪的旁邊。若被測轉(zhuǎn)動工件上沒有齒輪，亦可在轉(zhuǎn)盤外緣處鉆一個小孔，套上螺扣，再擰上一個螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動后松動，并以此代替齒尖獲得轉(zhuǎn)速標(biāo)記信號。</p><p>　　圖4.10 KMI15-1的典型應(yīng)用電路</p><p>　　KMI15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的典型應(yīng)用電路如圖4.10(a)所示。工作時，轉(zhuǎn)速傳感<

97、;/p><p>　　器輸出方波電流信號，從而在負(fù)載電阻ＲＬ與負(fù)載電容CL上形成電壓頻率信號UO(f)，并送至二次儀表。通常取RL＝115Ω、CL＝0.1μＦ。需要指出：KMI15-1輸出的是齒輪轉(zhuǎn)動頻率ｆ（單位是Hz，即次/S）信號，欲得到轉(zhuǎn)速n（r/min），還應(yīng)將ｆ除以齒輪上的齒數(shù)N，并將時間單位改成分鐘，公式如下：n＝60f／N</p><p>　　圖4.10(b)所示電路是由二極VD、

98、穩(wěn)壓管VDZ和電C1構(gòu)成的靜電放電(ESD)保</p><p>　　護(hù)電路，該電路可吸收2KV的ESD電壓，因而可對芯片起到保護(hù)作用。此外，還需注意，在存放KMI15系列產(chǎn)品時，不要將多個芯片放在一起以防磁化。</p><p><b>　　4.6譯碼器</b></p><p>　　串行移位譯碼器74LS164內(nèi)部功能圖見圖4.11所示，其邏輯符

99、合表如表4.4：</p><p>　　圖4.11 74LS164內(nèi)部功能圖</p><p>　　表4.4 74LS164邏輯符合表</p><p>　　74LS164為串行移位譯碼器，它主要由時鐘線控制，時鐘線每來一個上升弦，數(shù)據(jù)線將把一位數(shù)移進(jìn)去，移八次就進(jìn)一個字節(jié)，同時在數(shù)碼管顯示出來。</p><p>　　譯碼器是實(shí)現(xiàn)組合邏輯的功能部

100、件。它的輸入是二進(jìn)制的代碼，輸出是一組高低電平信號，每輸入一組不同的代碼，只有一個輸出端呈現(xiàn)有效信號。</p><p>　　74LS245芯片是一個八位的總線收發(fā)器，其輸入\輸出引腳分成兩組，其工作原理如下：允許E 方向控制DIR 操作</p><p>　　低電平 低電平 B數(shù)據(jù)線到A數(shù)據(jù)線</p><p>　　

101、低電平 高電平 A數(shù)據(jù)線到B數(shù)據(jù)線</p><p>　　高電平 懸空 隔離</p><p><b>　　5程序設(shè)計</b></p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)程序主要由主程序、INT0中斷服務(wù)程序、子程序等組成；主程序控制整個調(diào)速系統(tǒng)；INT0中斷服務(wù)程序控制系統(tǒng)中的中斷；子程序包括

102、延時子程序和PWM子程序，延時子程序具有定時功能，PWM子程序用于控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　5.1主程序框圖</b></p><p>　　圖5.1 主程序框圖</p><p>　　在執(zhí)行主程序時，首先要將棧針初始化分配顯示緩沖，然后設(shè)置中斷開CPU中斷允許INT0，接著掃描鍵盤，若按下則掃描IN7接著啟動A/D轉(zhuǎn)換，調(diào)用顯示子

103、程序；若未按下則需要掃描后啟動A/D轉(zhuǎn)換，接著調(diào)用調(diào)寬子程序并循環(huán)直至返回。主程序框圖如圖5.1所示:</p><p>　　5.2 INT0中斷服務(wù)程序</p><p>　　在執(zhí)行INT0中斷服務(wù)程序時，首先要保護(hù)現(xiàn)，場然后讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其送至顯示緩沖區(qū)，接著啟動A/D轉(zhuǎn)換，最后回復(fù)現(xiàn)場后返回。INT0中斷服務(wù)程序框圖如圖5.2所示：</p><p>　　圖

104、5.2 INT0中斷服務(wù)程序框圖</p><p><b>　　5.3子程序設(shè)計</b></p><p>　　延時子程序：定時功能</p><p>　　PWM子程序：用于控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。80C51芯片沒有PWM輸出功能，需要通過程序來實(shí)現(xiàn)。為了在輸出PWM波時，單片機(jī)仍能執(zhí)行其它程序，可以利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器溢出中斷來實(shí)現(xiàn)。占空比占用一個字節(jié)的

105、PAM，占空比D=N/256。（脈寬調(diào)速是使用單片機(jī)內(nèi)部中斷產(chǎn)生周期約為8ms的方波，通過改變高電平的寬度來進(jìn)行改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速）</p><p>　　利用單片機(jī)輸出PWM信號。實(shí)現(xiàn)了從0%—100%線性可調(diào)。</p><p><b>　　源碼如下：</b></p><p>　　單片機(jī)串口通信+PWM輸出程序；</p><p

106、>　　在P1.3輸出調(diào)寬信號；</p><p>　　定時器0在工作方式3，TL0為調(diào)寬值，TH0為脈沖頻率；</p><p>　　定義：TH0=30H ，TL0=31H;</p><p>　　TH0DAT EQU 30H ;脈沖頻率</p><p>　　TL0DAT EQU 31H ;脈沖寬度</p><p&

107、gt;　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP START</p><p>　　ORG 000BH</p><p>　　AJMP PWM-TUN ;調(diào)寬子程序</p><p>　　ORG 001BH</p><p>　　AJMP PWM ;脈頻率子程序</p><

108、;p><b>　　START:</b></p><p>　　CLR P1.3</p><p>　　MOV TCON,#00H</p><p>　　MOV TMOD,#03H ;T0工作方式3定時</p><p>　　MOV TH0,#56 ;200um頻率為50KHZ</p><

109、p>　　MOV TL0,#186 ;70us脈沖寬度為35%用示波儀實(shí)測相和</p><p>　　SETB TR1 </p><p>　　SETB TR0</p><p>　　SETB ET0</p><p>　　SETB ET1</p><p><b>　　SETB EA<

110、;/b></p><p>　　AJMP MAIN1</p><p><b>　　......</b></p><p><b>　　PWM子程序</b></p><p>　　定時值通過串口接收，在P1.0輸出調(diào)寬信號</p><p>　　定時器0工作在方式3，TL0為

111、調(diào)寬值，TH0為脈沖頻率</p><p>　　定義：TH0=30H, TL0=31H</p><p>　　程序入口PWM輸入：TH0DAT、TH0DAT</p><p>　　PWM: TH0使用T1的中斷標(biāo)志。本段為脈沖頻率</p><p>　　MOV TCON,#00H</p><p>

112、;　　CLR ET0 ;暫停中斷以防干擾</p><p>　　SETB P1.3</p><p>　　MOV TMOD,#03H</p><p>　　MOV TH0,#56 ;12MHZ晶振時PWM為50KHZ,脈寬35%</p><p>　　MOV TL0,#186 ;</p><p>　　

113、SETB TR1</p><p>　　SETB TR0</p><p>　　SETB ET0</p><p><b>　　SETB EA</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p><b>　　PWM-TUN</b&g