電動(dòng)自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)-機(jī)械注塑模具(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 451 5 主要器件性能及原理 5． 1 MCS51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051 是 MCS51 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(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(chǔ)器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、定時(shí) /計(jì)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(shuō)明： 中央處理器 中央處理器 (CPU)是整個(gè)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、指揮和調(diào)度整個(gè)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。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM) 8051 內(nèi)部有 128個(gè) 8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 128個(gè)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(wèn)，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(gè)，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。 畢業(yè)論文 13 程序存儲(chǔ)器 (ROM) 8051 共有 4096 個(gè) 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (ROM) 8051有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 并行輸入輸出 (I/O)口 8051 共有 4 組 8 位 I/O 口 (P0、 P P2或 P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。 全雙工串行口 8051 內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)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(dāng)同步移位器使用。 8051具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。 8051內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但 8051 單片機(jī)需外置振蕩電容。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓 (Princeton)結(jié)構(gòu)。 INTEL 的 MCS51系列單片機(jī)采用的是 哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS96 系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。 下圖是 MCS51 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 畢業(yè)論文 14 的引腳說(shuō)明 MCS51系列單片機(jī)中的 803 8051及 8751均采用 40Pin封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置， 40 個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器 的時(shí)鐘線兩根， 4 組 8 位共 32 個(gè) I/O 口，中斷口線與 P3口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說(shuō)明： 畢業(yè)論文 15 Pin20:接地腳。 Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 燒寫程序時(shí)，接 +5V電源。 Pin19:時(shí)鐘 XTAL1 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 Pin18:時(shí)鐘 XTAL2 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出 端。 8051 的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體 (212MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取 10p30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將 XTAL1 接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從 XTAL2 腳輸入。 MCS51系列單片機(jī)中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置， 40 個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根， 4 組 8位共 32 個(gè) I/O口，中斷口線與 P3口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說(shuō)明： P in20:接地腳。 Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 燒寫程序時(shí)，接 +5V電源。 Pin19:時(shí)鐘 XTAL1 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 Pin18:時(shí)鐘 XTAL2 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 8051 的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體 (212MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取 10p30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將 XTAL1 接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從 XTAL2 腳輸入。 畢業(yè)論文 16 輸入輸出 (I/O)引腳： Pin39Pin32 為 輸入輸出腳， Pin1Pin1 為 輸入輸出腳， Pin21Pin28為 輸入輸出腳， Pin10Pin17 為 輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說(shuō)明將在以下內(nèi)容闡述。 Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng) 8051 通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)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(jì)數(shù)器 PC 指向 0000H， P0P3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(kāi)始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài)， 8051 的初始態(tài)如下表： 8051 的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以 是手動(dòng)復(fù)位，見(jiàn)下圖。此外， RESET/Vpd 還是一復(fù)用腳， Vcc 掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。 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(jìn)型，芯片由單個(gè)＋ 5V 電源供電，可以分時(shí)對(duì) 8 路輸入模擬量進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換，典型的 A／D 轉(zhuǎn)換時(shí)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(jià)位都屬于居中位置。 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖 521 所示。 特殊功能寄存器 初始態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPH 00H TH0 00H 畢業(yè)論文 17 圖 521 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 引腳功能說(shuō)明： 178。 D7～ D0： 8 位數(shù)字量輸出， A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 178。 IN0～ IN7： 8路模擬電量輸入，可以是： 0～ 5V或者－ 5V～＋ 5V或者－ 10V～ +10V。 178。 +VREF：正極性參考電源。 178。－ VREF：負(fù)極性參考電源。 178。 START：?jiǎn)?dòng) A／ D 轉(zhuǎn)換控制輸入，高電平有效。 178。 CLK：外部輸入的工作時(shí)鐘，典型頻率為 500KHz。 178。 ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開(kāi)啟接收 3位地址碼，低電平鎖存地址。 畢業(yè)論文 18 178。 CBA： 3位地址輸入，其 8個(gè)地址值分別選中 8路輸入模擬量 IN0～I(xiàn)N7 之一進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 C 是高位地址， A是最低位地址。 178。 OE：數(shù)字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出 A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果D7～ D0。 178。 EOC：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換未完成時(shí)， EOC 輸出低電平；當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時(shí)， EOC 輸出高電平。 EOC 輸出信號(hào) 可以作為中斷請(qǐng)求或者查詢控制。 178。 Vcc：芯片工作電源＋ 5V。 178。 GND：芯片接地端。 5． 3 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接 受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)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(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。 畢業(yè)論文 19 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖 531所示： 圖 531 主電路是一個(gè)典型的電壓型交 直 交電路，逆變器提供等幅等頻 526KHZ調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。 永磁體 NS交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差 120176。 的 U、 V、 W方波，結(jié)合正 /反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào)： 10 100、 1 0 01 001，通過(guò)邏輯組件處理產(chǎn)生 T1T4導(dǎo)通、 T1T6導(dǎo)通、 T3T6導(dǎo)通、 T3T2導(dǎo)通、 T5T2導(dǎo)通、 T5T4導(dǎo)通，也就是說(shuō)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(guò)一對(duì) NS極， T1T6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(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng) 60176。電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于 60176。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(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn) 60176。電角度，如此循環(huán)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)畢業(yè)論文 20 子磁場(chǎng)軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就 會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。 由于定子磁場(chǎng)軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流 轉(zhuǎn)矩特性。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流： Tm=KtIav （ N178。 m） 電動(dòng)機(jī)兩相繞組反電勢(shì)的差正比于電動(dòng)機(jī)的角速度： ELL=Keω （ V） 所以電動(dòng)機(jī)繞組中的平均電流為： Iav=（ VmELL） /2Ra （ A） 其中， Vm=δ178。 VDC是加在電動(dòng)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， Ra為每相繞組電阻。 由此可以得到直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩： Tm=δ178。（ VDC178。 Kt/2Ra） Kt178。（ Keω /2Ra） Kt、 Ke是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動(dòng)機(jī)的角速度（ rad/s），所以，在一定的ω時(shí)，改變占空比δ，就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令 Vc的高低，如果速度指令最大值為 +5V對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速： Vc（ max）243。 n max，那么， +5V以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速 n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。 當(dāng) Vc設(shè)定以后，無(wú)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(shí)，反饋電壓 Vfb變小，調(diào)