畢業(yè)設計---電動自行車調(diào)速系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要………………………………………………..…..……..2</p><p>　　1、引言……………………………………………………….2</p><p>　　2、系統(tǒng)要求………………………………………………….3</p><p>　　3、總體規(guī)劃………………

2、…………………………….….…4</p><p>　　4、電路設計………………………………………………….5</p><p>　　5、主要器件性能及原理…………………………………….12</p><p>　　5、1 MCS-51單片機內(nèi)部結構……………………… …………………….…12</p><p>　　5、2 A/D轉(zhuǎn)換芯片………………

3、………………………………….…………..16</p><p>　　5、3 永磁無刷直流電動機………………………………………….………….18</p><p>　　5、4 三端式穩(wěn)壓器78L05………………………………………….…………..21</p><p>　　5、5 集成轉(zhuǎn)速傳感器KMI15-1…………………………………………..…….25</p>

4、<p>　　5、6 譯碼器………………………………..………………………….…………29</p><p>　　6、程序設計…………………………………………….……31</p><p>　　6、1程序框圖…………………………………………………….………..……31</p><p>　　6、2部分子程序………………………………………………….………..……3

5、2</p><p>　　7、結束語…………………………………………..…..….…35</p><p>　　8、致謝…………………………………………………….…35</p><p>　　參考文獻…………………………………………………..….36</p><p><b>　　摘要</b></p><p&

6、gt;　　單片機控制的永磁無刷直流電動機調(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潰。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。</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、實現(xiàn)方法。詳細討論了系統(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)各部分的控制電路基于Intel公司的控

7、制芯片8051單片機。根據(jù)永磁無刷直流電動機的特性實施脈寬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，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的設計要求。</p><p>　　關鍵詞：單片機、脈寬調(diào)速系統(tǒng)PWM、永磁無刷直流電動機、八段數(shù)碼管動態(tài)顯示、轉(zhuǎn)速傳感器</p><p><b>　　abstract</b></p><p>

8、　　The of the single a machine control has no to brush the direct current motive adjusts soon the system is applicable to the work circumstance that electricity move small power in etc. in bicycle. Combining can return th

9、e superfluous electric power This system possesses the advantage of good experimental characteristic, high power factor ,energy-saving ,small volume、etc.</p><p>　　This paper debates the circuit principle, c

10、ontrol method and realization method of into four parts. At the same time, the work condition of every part and the energy transmission direction are discussed .The control circuits of the system are based on Intel compa

11、ny 2051 The single a machine .The system by cooperating the hardware and software harmoniously, according to the feature of the experimental motor.</p><p>　　Key words: The single a machine, vein breadth adju

12、sts soon the system PWM, eight figureses tube development manifestation and turn to spreads to feel soon machine。</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　人類與環(huán)境共存和全球經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展使人們迫切希望尋求到一種既能代替人力又低

13、排放和有效利用資源的交通工具，電動車是一種安全、經(jīng)濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力，因此使用電動車無疑是一種很有希望的方案。     　現(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產(chǎn)品。整體的運行性能、經(jīng)濟性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動車的電機驅(qū)動系統(tǒng)一般由4個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電

14、動車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)要求</b></p><p>　　2. 1  電動車對電動機的基本要求  　電動車的運行，與一般的工業(yè)應用不同，非常復雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。   2.1.1  電動車用電

15、動機應具有瞬時功率大，過載能力強、過載系數(shù)應為(3～4)，加速性能好，使用壽命長的特點。    2.1.2　電動車用電動機應具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(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。 2.1.3　電動車用電動機應能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得

16、電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機的摩托車上是不能實現(xiàn)的。    2.1.4　電動車用電動機應在整個運行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。     　另外還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結構簡單適應大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。   </p><p>　　2.2

17、鑒于電動車對電動機的基本要求采用永磁無刷直流電動機 。  2.2.1永磁無刷直流電動機的基本性能 。 　永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞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沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制，

18、如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉(zhuǎn)運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應用前景。   2.2.2 永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng) 。 典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統(tǒng)非常適合于運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進一步

19、擴充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。  </p><p>　　2.2.3永磁無刷直流電動機的不足 。  永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永

20、磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套復雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高。</p><p><b>　　3 總體規(guī)劃</b></p><p>　　對于電動自行車控制系統(tǒng)設計主要有三個方面：一、控制電路的設計；二、傳感器選擇以及安放設計；三、顯示電路的設

21、計；四、程序設計。從總的方面來考慮，傳感器的使用應該盡量減少單片機的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如。控制電路要根據(jù)選用的電機和傳感器來設計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1單片機，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復用技術，僅用一塊單片機就實現(xiàn)了信號采集，電機控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖3-1所示</p><p><b>　　圖 3-1</b></p>

22、;<p><b>　　4 電路設計</b></p><p>　　控制電路主要有電源電路、電機驅(qū)動電路、單片機接口電路、顯示電路四個部分?？紤]到電機的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機驅(qū)動電路和單片機以及傳感器電路用光耦隔離。傳感器的電源直接使用24V蓄電池，單片機的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24V電源轉(zhuǎn)換到5V。 &

23、lt;/p><p><b>　　4．1 電源電路</b></p><p><b>　　圖 4-1-1</b></p><p>　　24V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)牙器74L05輸出即為單片機所要求的+5V電源。電路中接入電容C1、C2是用來實現(xiàn)頻率補償?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

24、減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當輸入端意外短路時，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結，造成調(diào)整管be結擊穿而損壞。</p><p><b>　　4．2 顯示電路</b></p><p>　　顯示部分采用單片機串口通訊，以節(jié)省單片機的端口，單片機通過中斷的方式為顯示服務。直流電動機的額定轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)每分大約

25、需要三位數(shù)碼顯示。驅(qū)動器采用74LS164串接510歐的限流電阻。</p><p><b>　　4．3 控制電路</b></p><p>　　打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機轉(zhuǎn)速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被轉(zhuǎn)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”電路便能把IN0線上模擬電壓送入8位A/D轉(zhuǎn)換器此時，若單片機使STA

26、R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)字量送入它的三態(tài)輸出緩沖器另一方面又使EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C提出中斷請求。單片機檢測和響應該中斷請求后就通過使rd非變?yōu)榈碗娖蕉筄E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。單片機根據(jù) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出相應的巨型脈沖信號。脈沖信號經(jīng)74LS245放大后經(jīng)光電藕荷控制繼電器。</p>

27、<p>　　4．4驅(qū)動電路及原理 </p><p>　　下面主要對驅(qū)動電路進行一下介紹：</p><p>　　電動自行車使用24V直流電機， 對于這種小功率直流電機的調(diào)速方法一般有兩種。一種線性型：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。另

28、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)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點。因此決定采用PWM方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調(diào)速原理 永磁式直流電動機電機轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電UD越高電機轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機就停轉(zhuǎn)。直流電機的具體調(diào)速過程是：先讓它啟

29、動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時使電動機再次接通電動機因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號） 就可以使電動機的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖4-4-1所示：</p><p><b>　　脈沖信號：t</b></p><p><b>　　T</b></p><p>

30、;<b>　　轉(zhuǎn)速：VMAX</b></p><p><b>　　VD</b></p><p><b>　　VMIN</b></p><p>　　圖 4-4-1 </p><p>　　VMAX為電動機的最大轉(zhuǎn)速值。VMI

31、N為電動機的最小轉(zhuǎn)速值。VD為二者的平均值。VD=D * VMAX 式中D=t/T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之間的關系如4-4-2圖：</p><p><b>　　VD（平均速度）</b></p><p>　　00.51D（占空比）</p><p><b>　　圖 4-4-2&l

32、t;/b></p><p>　　由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此電動機的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種</p><p>　　一種雙向式在一個脈沖周期內(nèi)(T=Ta＋Tb)，T1和T3導通的時間為Ta，T2和T4導通的時間為Tb，這樣在Ta這段時間內(nèi)，電機通過的是正向電流，在Tb這段時間內(nèi)為反相電流

33、。當Ta=Tb時電機停轉(zhuǎn)，Ta>Tb時電機正轉(zhuǎn)， Ta <Tb時電機反轉(zhuǎn)。另一種單向式單向式的電路更雙向式相同。不同的是，在電機正轉(zhuǎn)時，Tb這段時間內(nèi)不通過反向電流，電機反轉(zhuǎn)時，Ta內(nèi)不通過正向電流。其調(diào)速原理基本與雙向式相同。單向式與雙向式相比，三極管的開關頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導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、低速性能也不如雙向式好。</p>&l

34、t;p>　　圖 4-4-5電路 </p><p>　　如上圖4-4-5左所示為雙向式調(diào)速方式下速度與占空比關系曲線，圖3-1-5右為單向式調(diào)速方式曲線。 綜合以上兩種方式的優(yōu)缺點，并考慮到電動自行車對調(diào)速精度要求不太高，以及省電，器件損耗等各方面因素，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都導通的情況，以至電源短路，燒毀器件。由于采用單片機控制電機，如果單片機的電源采

35、用與電機同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但是單片機仍然容易受到電機以及繼電器的干擾，為了避免干擾，采用光電隔離，單片機和電機采用兩套電源。4N26光耦一般需要2mA以上的驅(qū)動電流，由于單片機的輸出電流只有幾百微安，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林頓管，考慮到電機的短路電流有2A，故選用TIP132型號的達林頓管（允許通過的最大瞬時電流為8A）。另外在達林

36、頓管的C極和電源的正極之間接一個耐流為2A的二極管，這樣在關斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機放電，這樣停車時車不至于因為慣性滑行太遠而浪費能源。因此時以關斷了電源，要將電動車停下來而采取的無謂制動不能將電</p><p>　　考慮到電動自行車對電機轉(zhuǎn)速，距離控制的要求不高，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控制就可以實現(xiàn)自行車的功能。</p><p>&

37、lt;b>　　脈沖信號 Ta</b></p><p><b>　　Tb</b></p><p>　　工作時Ta為高電平，通過光耦驅(qū)動復合管T導通，此時Tb為高電平通過光耦使三極管導通，繼電器各線圈被短路。K1、K3為長閉觸點，所以電動機加正向電壓。當Tb為底電平時所有繼電器得電，常開觸點閉合常閉觸點打開，K1、K3 斷開K2、K4導通。電動機加反向

38、電壓。如果保證Ta>Tb則電動機正轉(zhuǎn)。通過改變Ta 、Tb的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。</p><p>　　5 主要器件性能及原理</p><p>　　5．1 MCS-51單片機內(nèi)部結構 </p><p>　　8051是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。 8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器

39、(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>　　5.1.1中央處理器 中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。5.1.2 數(shù)據(jù)存儲器(RAM) 8051內(nèi)部有128個8

40、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)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。</p><p>　　5.1.3 程序存儲器(ROM) 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。5.1.4  定時/計數(shù)器(ROM) 8

41、051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。5.1.5并行輸入輸出(I/O)口 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。5.1.6 全雙工串行口  8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 5.1.7中斷系統(tǒng)  8051

42、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，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>　　5.1.8時鐘電路  8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。</p><p>　　單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvar

43、d)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。    下圖是MCS-51系列單片機的內(nèi)部結構示意圖。</p><p>　　5.1.9MCS-51的引腳說明 MCS-51系列單片

44、機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：</p><p>　　Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。    Pin19:時鐘XTAL1腳

45、，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。    Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。    8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。</p><p>　

46、　MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：    Pin20:接地腳。    Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序

47、時，接+5V電源。    Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。    Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 </p><p>　　8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外

48、一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。</p><p>　　·輸入輸出(I/O)引腳：    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

49、將在以下內(nèi)容闡述。</p><p>　　·Pin9:RESET/Vpd復位信號復用腳，當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，初始復位不改變RAM（包括工

50、作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表：</p><p>　　8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下圖。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。</p><p>　　5. 2 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809芯片是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼進型，芯片由單個＋5V電源

51、供電，可以分時對8路輸入模擬量進行A／D轉(zhuǎn)換，典型的A／D轉(zhuǎn)換時間為100微妙左右。在同類型產(chǎn)品中，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價位都屬于居中位置。</p><p>　　內(nèi)部邏輯結構，如圖5-2-1所示。</p><p>　　圖 5-2-1 ADC0809內(nèi)部結構</p><p><b>　　引腳功能說明：</b></

52、p><p>　　·D7～D0：8位數(shù)字量輸出，A／D轉(zhuǎn)換結果。</p><p>　　·IN0～IN7：8路模擬電量輸入，可以是：0～5V或者－5V～＋5V或者－10V～+10V。</p><p>　　·+VREF：正極性參考電源。</p><p>　　·－VREF：負極性參考電源。</p>&

53、lt;p>　　·START：啟動A／D轉(zhuǎn)換控制輸入，高電平有效。</p><p>　　·CLK：外部輸入的工作時鐘，典型頻率為500KHz。</p><p>　　·ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接收3位地址碼，低電平鎖存地址。</p><p>　　·CBA：3位地址輸入，其8個地址值分別選中8路輸入模擬量IN0～I

54、N7之一進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。C是高位地址，A是最低位地址。</p><p>　　·OE：數(shù)字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出A／D轉(zhuǎn)換結果D7～D0。</p><p>　　·EOC：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。當模數(shù)轉(zhuǎn)換未完成時，EOC輸出低電平；當模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時，EOC輸出高電平。EOC輸出信號可以作為中斷請求或者查詢控制。</p><p>　　·V

55、cc：芯片工作電源＋5V。</p><p>　　·GND：芯片接地端。</p><p>　　5．3 永磁無刷直流電動機</p><p>　　5.3.1 稀土永磁無刷直流電動機的基本工作原理    無刷直流電動機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。

56、電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(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成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、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；提供保護和顯示等等。</p><p>　　無刷直流電動機的原理簡圖如圖5-3-1所示：&l

57、t;/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，結合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導通、T1-T6導通、T3-T6導通、T3-T2導通、T5-T2導通、T5-T4導通，也就是說將直流

58、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)動60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當于60°電角度空間位置，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通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進

59、60°電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因為無刷直流電動機的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。    無刷直流電動機</p><p>　　電路如圖5-4-1所示，三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹</p>&

60、lt;p>　　5.4.1啟動電路 在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當輸入電壓V1接通后，這些恒流源難以自行導通，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DZ2達到和DZ1相等的穩(wěn)壓

61、值，整個電路進入正常工作狀態(tài)，電路啟動完畢。與此同時，T2因發(fā)射結電壓為零而截止，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電壓源。</p><p>　　5.4.2基準電壓電路 基準電壓電路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2組成，電路中的基準電壓為</p><p>　　式中VZ2為DZ2的穩(wěn)定電壓，VBE為T3、D1、D2發(fā)射結（D1、D2為由

62、發(fā)射結構成的二極管）的正向電壓值。在電路設計和工藝上使具有正溫度系數(shù)的R1、R2、DZ2與具有負溫度系數(shù)的T3、D1、D2發(fā)射結互相補償，可使基準電壓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，從而保證基準電壓不受輸入電壓波動的影響。</p><p>　　5.4.3取樣比較放大電路和調(diào)整電路。 這部分電路由T4～T11組成，其中T10、T11組成復合調(diào)整管；R12、R13組成取樣電路；T7、T

63、8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載。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，當調(diào)整管滿載時IB10最大，而IC8最小；而當負載開路時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，為此接入由T9、R9級成的緩沖電路。當IO減小時，IB10減小，IC8增大，待IC8增大到 >0.

64、6V時，則T9導通起分流作用。這樣就減輕了T8的過多負擔使IC8的變化范圍縮小。 </p><p>　　5.4.4減流式保護電路 減流式保護電路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4組成，R11為檢流電阻。保護的目的主要是使調(diào)整管（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。假設圖1中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15兩端短路。這時，如果穩(wěn)壓

65、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 >0.6V時，使T12管導通。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

66、，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降VCE值，又使PC<PCM，才能全面地進行保護。圖1中DZ3、DZ4和R14、R15所構成的支路就是為實現(xiàn)上述保護目的而設置的。電路中如果（VI–IOR11–VO）>（VZ3+ VZ4），則DZ3、DZ4擊穿，導致T12管發(fā)射結承</p><p><b>　　經(jīng)整理后得</b></p><p>　　顯然，（VI –VO）

67、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，故上述保護稱為減流式保護。</p><p>　　5.4.5過熱保護電路 過熱保護電路電路由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

68、發(fā)射結電壓VBE14下降，導致T14導通，T13也隨之導通。調(diào)整管T10的基極電流IB10被T13分流，輸出電流IO下降，從而達到過熱保護的目的。</p><p>　　電路中R10的作用是給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：當出現(xiàn)故障時，上述幾種保護電路是互相關聯(lián)的。</p><p>　

69、　圖 5-4-2三端穩(wěn)壓器的典型接法</p><p>　　圖5-4-2是應用78L05輸出固定電壓VO的典型電路圖。正常工作時，輸入、輸出電壓差應大于2～3V。電路中接入電容C1、C2是用來實現(xiàn)頻率補償?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。C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當輸入端意外短路時，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

70、管的be結，造成調(diào)整管be結擊穿而損壞。</p><p><b>　　三端穩(wěn)壓器的參數(shù)</b></p><p>　　5．5 集成轉(zhuǎn)速傳感器KMI15-1 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、外圍電路簡單等優(yōu)點，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級換代產(chǎn)品。下面是KMI15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與典型應用。轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電測參數(shù)。測量轉(zhuǎn)速時經(jīng)

71、常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進行非接觸性測量，傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構成的，亦可用耳塞機改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點：第一，靈敏度低，傳感器與轉(zhuǎn)動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應距離）只有零點幾毫米；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)字頻率信號，才能送給數(shù)

72、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雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉(zhuǎn)速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉(zhuǎn)速信號。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5.5.1?。耍停桑保担毙蛡鞲衅鞯男阅芴攸c ＫＭＩ１５－１芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和ＩＣ。</p><p>　　4.5.2　工作原理 KMI15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形如圖１所示，它的兩個引腳分別

73、為ＵCC（接＋12V電源端）和Ｕ－（方波電流信號輸出端）。為使信號變換器ＩＣ處于較低的環(huán)境溫度中，設計時專門將ＩＣ與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性能。 其內(nèi)部主要包括以下六部分：磁敏電阻傳感器；前置放大器A1；施密特觸發(fā)器；開關控制式電流源；恒流源；電壓控制器。</p><p>　　實際上，該傳感器是由4只磁敏電阻構成的一個橋路，可固定在靠近齒輪的地方。    當齒輪

74、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)器進行整形以獲得控制信號ＵＫ，并將其加到開關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

75、流疊加而成的，一個是由恒流源提供的7ｍA恒定電流ＩH，另一個是由開關控制式電流源輸出的可變電流1K。它們之間的關系式為： ＩCC＝1H＋1K　當控制信號UK＝0（低電平）時，該電流源關斷，ＩＫ＝0，ＩＣＣ＝1Ｈ＝7ｍA。當KK＝1（高電平）時，電流源被接通，ＩＫ＝7ｍA，從而使得ＩCC＝14ｍA。圖4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。輸出波形的占空比Ｄ＝t1／T＝50％±20

76、％。上升時間和下降時間分別僅為0.5μｓ</p><p>　　譯碼器是實現(xiàn)組合邏輯的功能部件。它的輸入是二進制的代碼，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　　低電平　 低電平　　　　 B數(shù)據(jù)到A總線　　低電

77、平　 高電平　　　　 A數(shù)據(jù)到B總線　　高電平　 懸空　　　　　 隔離</p><p><b>　　5.程序設計</b></p><p><b>　　5.1主程序框圖</b></p><p>　　5.2 INT0中斷服務程序</p><p>　　5.3部分子程序延時子程序：定時功能。PWM子程

78、序：用于控制馬達轉(zhuǎn)速。89C51芯片沒有PWM輸出功能，需要通過編程實現(xiàn)。為了在輸出PWM波時，單片機仍能執(zhí)行其他程序，可以利用單片機內(nèi)部的定時器溢出中斷來實現(xiàn)。占空比占用一個字節(jié)的RAM，占空比D=N/256。（脈寬調(diào)速是使用單片機內(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行改變電機的轉(zhuǎn)速）利用單片機輸出PWM信號.實現(xiàn)了從0%——100%線性可調(diào)。 </p><p>　　源碼如下：

79、 ;單片機串口通信+PWM輸出程序</p><p>　　;在P1.3輸出調(diào)寬信號。 ;定時器0工作在方式3，TL0為調(diào)寬值，TH0為脈沖頻率。 ;定義：TH0=30H ，TL0=31H ;TH0DAT EQU 30H  ;脈沖頻率 ;TL0DAT EQU 31H  

80、;脈沖寬度        ORG 0000H            AJMP START          

81、  ORG 000BH     AJMP PWM_TUN ;調(diào)寬子程序      ORG 001BH     AJMP PWM     ;脈頻率子程序S

82、TART:           CLR P1.3      MOV TCON,#00H      MOV TMOD,#03H  ;T0工作在方式3定時。

83、      MOV TH0,#56    ;200uS 頻率為50KHz      MOV TL0,#186   ;70uS 脈沖寬度為35% 用示波儀實測相合。  

84、0;  SETB TR1     SETB TR0     SETB ET0     SETB ET1     SETB EA   

85、;  AJMP MAIN1MA</p><p><b>　　6、結束語 </b></p><p>　　在系統(tǒng)的設計中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應充分考慮抗干擾性能的要求，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施。因此設計時從抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能等方面采取各種措施來提高系統(tǒng)性能。在抗干擾設計中，軟件抗干擾

86、是被動措施，而硬件抗干擾是主動措施，只要認真分析系統(tǒng)所處環(huán)境的干擾來源以及傳播途徑，采用兩者相結合的方法，就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。 </p><p><b>　　7、致謝</b></p><p>　　在論文即將完成之際，我的心情無法平。</p><p>　　首先應感謝的就是我的指導老師劉金華老師。從開始選題到論文的順利完 得到

87、了劉老師的精心指導。劉老師治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力，與無微不至、感人至深的人文關懷，令人如沐春風，倍感溫馨。同時感謝包老師為我們提供了寬松的機房

88、環(huán)境，感謝圖書館給我們提供了豐富的參考資料。</p><p>　　在文章寫作過程中，同組同學與本人的切磋和爭鳴，以及同學們從頭至尾的支持和鼓勵，也是我無法忘卻的。愿我的感激之情化作一道虔誠的祝福：愿老師和同學合家歡樂，一生平安。同時，也將祝福送給每一位參考書的作者。</p><p>　　參考文獻： [1] 胡漢才 編著《單片機原理及其接口技術》清華大學出版社2003.7[2] 余永權

89、 李小青 陳林康 編著〈〈單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術〉〉北京航空航天大學出版社 1992年9月第1版[3] 河北科技大學信息科學與工程學院 沙占友 薛樹琦 范世奇 KMI15系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的原理與應用[4]王曉明 編著〈〈電動機的單片機控制〉〉北京航空航天大學出版社 2002年5月[5] 趙晶, 編著 《電路設計與制版Protel 99高級應用》 人民郵電出版社[6] 孫涵芳 徐愛卿，《MCS-51/96系列單片機

90、原理及應用》（修訂版） 北京航空航天大學出版社[7] 吳金戍 沈慶陽 郭庭吉，《8051單片機實踐與應用》 清華大學出版社網(wǎng)上資料[8] http://www.beifangheli.com/cgi-bin/bbs/printpage.cgi?forum=7&topic=823電動車論壇[9] 上海交通大學：錢真彥 蘇稚英 走迷宮機器人——控制系統(tǒng)的設計http://engtc.sjtu.edu.cn/PageG3/