直流電機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)士學(xué)位論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，程序?qū)⒊鲥e 。若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技 術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運(yùn)行時間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯處理。 下面介紹一種看門狗電路的設(shè)計(jì)方法。 看門狗技術(shù)是一種常用的抗干擾措施 ,和其它抗干擾技術(shù)相比它采用的是一種亡羊補(bǔ)牢的辦法 ,即只在其它抗干擾方法失效后采用的一種補(bǔ)救方法。看門狗的基本功能是這樣的 :在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時 ,獨(dú)立于 CPU 之外的看門狗通過檢測計(jì)算機(jī)的狀態(tài)信號 ,監(jiān)視微機(jī)的運(yùn)行 ,一旦發(fā)現(xiàn) CPU 的運(yùn)行不正常 (出現(xiàn)程序跑飛、死循環(huán)等情況 ),它就會發(fā)出復(fù)位信號 ,強(qiáng)制計(jì)算機(jī)重新 啟動。該直流調(diào)速控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的看門狗電路如圖 21所示。由計(jì)數(shù)器 4060 和一個 NPN 晶體管組成。計(jì)數(shù)器 4046 的技術(shù)周期 T 為 T=*R5*C2= ，如果不對計(jì)時器計(jì)數(shù)進(jìn)行干預(yù)，則 4060 的第 13 位有輸出，需要時間為 左右。單片機(jī)正常工作時，只要在 內(nèi)從 口送出一個負(fù)脈沖，便可復(fù)位看門狗，使看門狗電路對系統(tǒng)不起作用。在兩個負(fù)脈沖間隔內(nèi)， 應(yīng)保持維高電平，這時 4046 的腳 12 由R3 拉低，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。 如果程序跑飛，則最大可能是從 口不能按時發(fā)出復(fù)位計(jì)數(shù)器的脈 沖，4060 便一直計(jì)數(shù)直到 Q13 有計(jì)數(shù)值輸出，其高電平脈沖輸出 2 和上電復(fù)位 1 通過或門電路去復(fù)位 AT89C51 單片機(jī)。電路中晶體管 T1起到反向的作用，用來隔離單片機(jī)復(fù)位時從 口產(chǎn)生的正脈沖，以便使看門狗對系統(tǒng)復(fù)位時，單片機(jī)得到充分的復(fù)位脈沖。用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)看門狗電路的好處在于控制時限定是明確，有利于軟件的編程。本系統(tǒng)的看門狗程序用定時中斷方法實(shí)現(xiàn)，定時間隔為 即在 。 北方民族大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 直流電機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 圖 21 看門狗電路 直流電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì) 直流電機(jī)驅(qū)動 在電機(jī)控制系統(tǒng)中，速度調(diào) 節(jié)主要通過改變電樞電壓的大小來實(shí)現(xiàn)。它采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 常見的 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的主電路 (功率放大器 )結(jié)構(gòu)有： H 型和 T 型。下面以H 型結(jié)構(gòu)為例說明 PWM 單極式驅(qū)動的電路工作原理， 如圖 22 示。 圖 22 直流電機(jī) H 型驅(qū)動電路 圖 22中，“ PWM”標(biāo)號端是可調(diào)脈沖寬度的脈沖序列，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度，北方民族大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 直流電機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 改變電機(jī)兩端電壓的占空比，使電機(jī)兩端的電壓的平均值和流過電機(jī)電流的有效值隨脈 沖寬度的變化而變化。導(dǎo)通的脈沖寬度與平均電壓和有效電流成正比。脈沖調(diào)制的調(diào)制周期為 10ms。 圖 22中，電阻 R3 和 R4為拉電阻，起上拉電流的作用，由于“ PWM”端輸入的電壓和電流難以驅(qū)動兩個功率三極管，所以必須采用 R R4 上拉電阻。“ N1”、“ N2”端口是直流電動機(jī)用旋轉(zhuǎn)編碼器測出來的兩個脈沖序列，它們的相位有一定的相位差如圖 23 所示。把“ N1”、“ N2”端口輸出的兩個脈沖序列經(jīng)過與門可以得到一個脈沖序列 N，然后接到單片機(jī)的 INT0 中斷口，再經(jīng)過軟件處理就能測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 當(dāng)編碼脈沖序列 N 的下降沿 到達(dá) INT0 中斷口，單片機(jī)發(fā)生中斷，進(jìn)入中斷程序，先停止定時器 T0 計(jì)數(shù)，讀出 TH0 和 TL0 的計(jì)數(shù)值，然后重新給 TH0、 TL0 賦值為 0，并啟動定時器 T0，最后退出中斷，等待下一次中斷。 圖 23 編碼脈沖 本文單片機(jī)的晶振頻率 fosc = ，采用定時器 T0 對旋轉(zhuǎn)編碼脈沖序列 N的兩個相鄰脈沖計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)時周期為 Tosc，定時器 T0 的計(jì)數(shù)個數(shù)為 m，由于旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù) Z為 5，則可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速與計(jì)數(shù)個數(shù) m 的關(guān)系。 12oscosc fT ? (21) oscT mT? (22) 15os mT? (23) 由式 (21)、 (22)、 (23)可得電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 5*12oscfn m? (24) 即： 1843200n m? (25) “ ” 、 “ ” 、 “ ” 、 “ ” 標(biāo)號端分別連接單片機(jī) (98C51)北方民族大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 直流電機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 的 、 、 、 輸出口，“ GATE0”是 與 的異或門輸出。 為電機(jī)正轉(zhuǎn)控制口， 為電機(jī)反轉(zhuǎn)控制口， 為電 機(jī)正轉(zhuǎn)到停止時的控制口， 為電機(jī)反轉(zhuǎn)到停止時的控制口。 下面來介紹一下電機(jī)的工作原理 電機(jī)正轉(zhuǎn)時， 為 ” 1” ,也就是高電平， 、 、 為“ 0”，也就是為低電平。則 GATE0 就為高電平，此時， Q Q的三極管的門極端都為高電平， Q3 三極管導(dǎo)通，當(dāng) PWM 為高電平時， Q2三極管也導(dǎo)通，電流由電源正極經(jīng) Q3 三極管，然后經(jīng)電機(jī)，再經(jīng) Q2 三極管，最后到達(dá)電源負(fù)極，形成回路。 電機(jī)從正轉(zhuǎn)到停止時， 為高電平， 、 、 為低電平。 GATE0就為低電平，時 8253 定時 器 /計(jì)數(shù)器的 T/C1 停止計(jì)時， OUT1 就輸出高電平使 PWM一直為高電平。此時， Q4 三極管的門極端為高電平，在電機(jī)反電動勢的驅(qū)動下Q4 三極管導(dǎo)通，電流由電機(jī)的正極，經(jīng) Q4 三極管，再經(jīng) D2 續(xù)流管，最后到達(dá)電機(jī)負(fù)極，形成回路，起到制動作用。 電機(jī)反轉(zhuǎn)時， 為高電平， 、 、 為低電平。則 GATE0 就為高電平，此時， Q Q的三極管的門極端都為高電平， Q1 三極管導(dǎo)通，當(dāng) PWM為高電平時， Q4 三極管也導(dǎo)通，電流由電源正極經(jīng) Q1 三極管，然后經(jīng)電機(jī)，再經(jīng) Q4 三極管，最后到達(dá)電源負(fù)極，形成回路。 電機(jī)從反轉(zhuǎn)到停止時， 為高電平， 、 、 為低電平。 GATE0就為低電平，時 8253 定時器 /計(jì)數(shù)器的 T/C1 停止計(jì)時， OUT1 就輸出高電平使 PWM一直為高電平。此時， Q2 三極管的門極端為高電平，在電機(jī)反電動勢的驅(qū)動下Q2 三極管導(dǎo)通，電流由電機(jī)的負(fù)極，經(jīng) Q2 三極管，再經(jīng) D4 續(xù)流管，最后到達(dá)電機(jī)正極極，形成回路，起到制動作用。 脈寬的調(diào)制變換器 脈 寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成周期一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均電壓的 大小，一調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。這里需要兩個定時器，一個用于脈沖固定周期定時，一個用于脈沖寬度調(diào)節(jié)定時。雖然 89C51 單片機(jī)有兩定時器 /計(jì)數(shù)器，但一個要用來做波特率發(fā)生器，一個用來做電機(jī)測轉(zhuǎn)速時的計(jì)數(shù)。所以需要擴(kuò)展定時器。本文采用8253 定時器 /計(jì)數(shù)器，它有 3個獨(dú)立的 16位 定時 /計(jì)數(shù)器。 1 8253 定時器 /計(jì)數(shù)器 [2] 8253 芯片加電后，其工作方式是不確定的，為了正常工作，要對芯片進(jìn)行初始化。初始化的工作有兩點(diǎn)： ，以選擇計(jì)數(shù)器北方民族大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 直流電機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 (三個之一 )，確定其工作方式 (六種方式之一 )，指定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值的長度和裝入順序以及計(jì)數(shù)值的碼制 (BCD 碼或二進(jìn)制碼 )。 字的要求寫入計(jì)數(shù)初值。 工作方式命令字的格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SC1 SC0 RL1 RL0 M2 M1 M0 BCD D7D6(SC1CC0):用于選擇計(jì)數(shù)器 : a) D5D4(RL1RL0)：用來控制計(jì)數(shù)器 /寫的字節(jié)數(shù)及讀寫高低字節(jié)的順序； b) D3— D1(M2— M0):用來選擇計(jì)數(shù)器的工作方式； c) D0(BCD)：用來指定計(jì)數(shù)器的碼制，是按二進(jìn)制數(shù)還是按 BCD 碼計(jì)數(shù)。 (1) 方式 1的工作特點(diǎn)： a) 可重復(fù)觸發(fā)。計(jì)數(shù)到零后，不用再次送計(jì)數(shù)值，只要給它觸發(fā)脈沖，即可產(chǎn)生一個同樣寬度的單穩(wěn)脈沖。 b) 計(jì)數(shù)過程中，若裝入新的計(jì)數(shù)初值，則當(dāng)前輸出不受影響。只有再次觸發(fā)后，計(jì)數(shù)才開始按新值 輸出脈沖寬度。 c) 計(jì)數(shù)過程中，外部的 GATE 觸發(fā)沿提前到來，則下一個 CLK 脈沖下降沿，計(jì)數(shù)器開始重新計(jì)數(shù)，這將使輸出單穩(wěn)脈沖比原先設(shè)定的計(jì)數(shù)值加寬了。 圖 24 8253 的方式 1 時序波形 圖 25 8253 的方式 2 時序波形 (2)方式 2的工作特點(diǎn)： a) 計(jì)數(shù)器寫入控制字和計(jì)數(shù)初值后，如 GATE 一直處于高電平，那么，在下一個脈沖開始計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 不用重復(fù)置數(shù)。計(jì)數(shù)器能夠連續(xù)工作，輸出 OUT 是輸入 CLK 的 n(初值 )分頻。 北方民族大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 直流電機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 b) 計(jì)數(shù)過程可由 GATE 信號控制。 GATE 變低將使計(jì)數(shù)暫停且 OUT 立 即為高；在 GATE 變高后的下一個 CLK 下降沿計(jì)數(shù)器重新從初值開始計(jì)數(shù)。 c) 計(jì)數(shù)過程中可改變初值。如果 GATE 一直處于高電平，則重裝計(jì)數(shù)初值不影響現(xiàn)行計(jì)數(shù)過程；下一個過程，才按新值計(jì)數(shù)。 2 脈寬調(diào)制電路 脈寬調(diào)制電路是采用 8253 定時器 /計(jì)數(shù)器中的兩個定時器 /計(jì)數(shù) (T/C0 和T/C1)。其中 T/C0 采用方式 2— 脈沖發(fā)生器，用于定時調(diào)制周期， T/C1 采用方式1— 程序可控單穩(wěn)，用于定時可調(diào)的脈寬。如圖 26 所示， CLK 是 10kHZ 的方波，由于調(diào)制周期 T 為 10ms，所以計(jì)數(shù)器 T/C0 的初值應(yīng)賦值 100。通過 改變計(jì)數(shù)器T/C1 的計(jì)數(shù)值可以改變調(diào)制脈沖的寬度，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果計(jì)數(shù)器 T/C1的計(jì)數(shù)值為 n是時，設(shè)對應(yīng)定時器時間為 Ton，當(dāng)計(jì)數(shù)值 n 越大， Ton 也越大，計(jì)數(shù)值 n 越小， Ton 也越小。由于計(jì)數(shù)器 T/C1 采用方式 1，在計(jì)數(shù)期間 OUT1 輸出地電平，計(jì)數(shù)完后才輸出高電平，所以在一個脈沖周期 T 內(nèi) 0 到 Ton 時間內(nèi)OUT1 輸出低電平， Ton 到 T 時間內(nèi)輸出高電平。這里值得注意的是：計(jì)數(shù)器 T/C1的計(jì)數(shù)值 n不應(yīng)大于 100，也就是說定時時間 Ton 不可以大于脈沖周期 T，否則會使 OUT1 一直輸出低電平，從而使電機(jī)失去控制。 圖 26 脈寬調(diào)制電路 下面介紹一下工作原理： 不管電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)， 和 的異或門輸出 GATE0 都是高電平，此時，計(jì)數(shù)器 T/C0 開始對 10kHZ 的方波計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 T/C0 從 100 減到 1 之前，OUT0 一直為高電平，當(dāng)減到 1后， OUT0 出現(xiàn)一個周期的低電平，然后回到高電平，計(jì)數(shù)器 T/C0 又從 100 開始減，周而復(fù)始的循環(huán)。當(dāng) OUT0 從低電平到高電平北方民族大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 直流電機(jī)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 的上升沿時，計(jì)數(shù)器 T/C1 就開始計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)期間 OUT1 輸出為低電平，從計(jì)數(shù)完到下一個上升沿到來之前， OUT1 輸出為高電平。如圖 27所示，計(jì)數(shù) 器 T/C0計(jì)數(shù)初值 10，計(jì)數(shù)器 T/C1 調(diào)制值為 2。 圖 27 脈寬調(diào)制電路時序波形 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 上一節(jié)我們介紹了直流電機(jī)驅(qū)動的硬件圖 (PWM變換器 )和 PWM脈寬調(diào)制電路及其工作原理。這一節(jié)將介紹單片機(jī)程序流程圖及匯編程序代碼，也稱軟件。硬件和軟件是本系統(tǒng)的最重要組成部分。只有硬件沒有軟件就如同是 一個人 只有身體沒有 思想 ，什么事都干不了。 如果 只有軟件沒有硬件 ，再好 的 創(chuàng)意 也沒法實(shí)現(xiàn)，所以 硬件與軟件 之間不可分割的一個整體。 這節(jié)我們介紹單片機(jī)的程序主要包括：主程序、串口中斷程序、外部 INT0 中斷程 序、定時器 T0 中斷程序。 主程序 主程序主要功能： (1) 程序初始化； (2) 接收上位機(jī) (PC)發(fā)到單片機(jī)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理翻譯成控制命令； (3)實(shí)現(xiàn)隨時對直流電動機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的兩個相鄰脈沖之間的時間進(jìn)行定時，并調(diào)用一個子程序，算出轉(zhuǎn)速大，然后根據(jù)要求發(fā)送到上位機(jī)； (4)根據(jù)控制命令對直流電動機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。 1 主程序流程圖 主程序流程圖，如圖 28所示： 北方民族大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 直流電機(jī)遠(yuǎn)程