毕业设计论文-数字式直流调速控制系统设计(编辑修改稿)

毕业设计论文-数字式直流调速控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

且电流不可过大，否则会烧坏发光二极管，由于单片机的 I/O 口不可能输出如此大的电流，所以数码管与单片机相连时需要加驱动电路，可以用上拉电阻或专门的数码管驱动芯片来驱动，本设计采用 74HC573 锁存器。 多位一体的数码管，它们内部的公共端是独立的，而负责显示什么数字的段线全部是连接在一起的，独立的公共端可以控制多位一体的哪一个数码管点亮，而连接在一起的段线可以控制这个能点亮数码管亮什么数字，通常我们把公共端叫做“位选线”，连接在一起的段线称为“段选线”本设计采用 74HC138 译码器作为数码管的位选。 数码管 有 10 个引脚，二位数码管也是 10 个引脚，四位数码管是 12个引脚。 图 24 数码管原理图 9 图 25 显示整体电路图 利用数码管显示时，用六个数码管来显示，其中最高位是标记位，用来显示“运行”状态和“调节”状态，如果是调节状态，则显示“ C” ,如果是运行状态，则显示“ S”。 所有位的显示则通过位选编码和段选编码来实现。 PWM 波驱动电机设计 本设计采用 PWM 波驱动电机的运转，它是按一定规律改变脉冲序列的脉冲信号宽度，以调节输出量和波形的 一种调制方式，我们在控制系统中最常用的是矩形波 PWM 信号，在控制时需要调节 PWM 波的占空比。 如图25 所示，当信号处于高电平时，电机通电转动，由于电机轴具有惯性，当信号处于低电平时，电机仍会继续转动，等待下一个高电平的到来，电机就这样转动下去。 占空比是高电平持续时间在一个周期内的百分比，控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比为100%时，速度达到最快，因为，高电平时间越长，意味着在一个周期内，脉冲给电机加速的时间就越长，电机的转速就越快。 本设计采用 51 单片机和 DAC0832 构 成“单缓冲”电路产生正弦波， 10 与三角波发生器产生的三角波进行合成产生 PWM 波，如图 26 所示。 在正弦波高于三角波的部分，输出高电平，如图 26 的 1， 2， 3， 4 部分。 在正弦波低于三角波的部分，输出低电平，如图 26 的 5,6,7 部分，通过调节正弦波的频率，来调节 PWM 波的频率，进而控制 PWM 波的占空比，达到调速的目的。 占空比越大，速度越快。 图 26 三角波和正弦波合成 PWM波 原理 图 图 27 PWM 驱动电机原理图 11 DAC0832 电路设计 DAC0832 是使用非常普遍的 8 位 D/A 转换器，其转换时间为 1us,工作电压为 +5V 到 +15V,基准电压为正负 10V。 它主要由两个 8 位寄存器和一个 8 位 D/A 转换器组成。 使用两个寄存器（输入寄存器和 DAC 寄存器 )的好处是可以进行两级缓冲操作，使该操作有更大的灵活性，其转换原理与T 型解码网络一样，因为片内存在输入数据寄存器，故可径直和单片机接口相接， DAC0832 输出的是电流，当输出需要转换为电压时，可外接运算放大器。 属于该系列的芯片还有 DAC0830， DAC0831,它们 可以相互代换。 DAC0832 主要特性如下： ； 1us。 、单缓冲和直通方式进行数据输入； ； TTL 电平兼容； （ +5V~+15V）。 ， 20mW。 DAC0832 芯片为 20 管脚直插封装，其引脚分部如图 27 所示， 各引脚定义如下： CS — 片选输入，低电平有效。 1WR — 输入寄存器写选通输入，负脉冲信号有效（脉宽不小于 500ns）。 当CS为 0 时， ILE 为 1， WR1 有效时 DI0 到 DI7 状态被锁存到输入 寄存器。 DI0到 DI7— 数据输入端， TTL晶体管电平，有效时间应该至少 90ns。 Vref— 基准电压输入口，电压范围在 10V 和 10V 之间。 Rfb— 反馈电阻端，芯片内部此端与 Iout1 接有一个 15k ohm 的电阻。 Iout1—— 电流输出口，当输入全为 1 时，其电流最大。 Iout2—— 电流输出口，其值与 Iout1 端电流之和为一个常数。 XFER—— 数据传控信号输入口，低电平有效。 2WR —— DAC 寄存器的写选通输入口，负脉冲有效 (脉冲宽度应大于500ns)。 当 XFER=0 且 WR2 有效时，把输入寄存器的数据传到 DAC 寄存器中。 ILE—— 数据锁存控制信号输入口，高电平有效。 Vcc—— 电源电压端，电压范围 +5V 到 +15V。 12 GND—— 模拟地和数字地，模拟地为 模拟信号与基准电源参考地；数字地为工作电源地与数字逻辑地（两地最好在基准电源处一点共地）。 图 27 DAC0832 管脚图 DAC0832 是采用 CMOS 工艺制成单片直流输出型 8 位数 /模转换器。 由倒 T 型 R— 2R 电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压 VREF 四大部分组成。 输出电压 RDDDRVVo nnnnnfr e f 2 1)222( 002211  。 由 上 式 可 见 ， 输 出 的 模 拟 量 与 输 入 的 数 字 量 002211 222   DDD nnnn 成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。 8 位 D/A 转换器有 8 个输入口（每一个输入口是 8 位二进制数中的一位），一个模拟输出端。 输入可有 25628 个不同的状态，输出为 256 个电压中的一种。 DAC0832 输出的是电流，一般要求输出的是电压，所以必须外接运放转换成电压。 本设计采用“单缓冲”方式输出模拟正弦波信号，通过连接 ILE、 1WR 、 2WR 、 CS 和 XFER引脚，使得两个锁存器中的一个处于直通状态，另外一个处于受控制状态，或者两个同时被控制， DAC0832就工作于“单缓冲”方式，连接线路如图 28 所示。 13 图 28 DAC0832构成“单缓冲” 电路图 光电编码器原理 本设计采用的测速装置为对射式光电传感器，其型号为 ITR9608 ITR9608 DIP4 槽型光耦 ，它可实现 快速响应 ，光敏感性高，结电容小，功耗低，抗干扰，分辨率高 ， 符合 国际通用 标准。 反射式光电开关也属于光电传感器 的一种 ，它主要的 原理 是发射端和接收端之间光的强弱变化转化成电流 的 变化 达到被检 测 的目的。 由于光电开关输出回路和输入回路是电 气 隔离的，所以它可以在许多场合得到应用。 如 传真机、打印机、车载导航、出卡机、车辆检测器 等场 合。 它的检测原理是：电机主轴带动光电码盘转动，码盘上的 4个间隙将依次通过对射式光电传感器中间的狭缝，如图 ，当光束通过间隙射到光敏三极管上，使三极管能够导通，使通过 R3的电流变大，从而使R3两端的电压增大，输出电压变为低电平，当光束被码盘挡住时，光敏三极管处于截止状态，通过 R3的电流很小， R3两端的电压相应很小，从而输出电压为高电平。 这样便在测量电路的输出端 OUT端输出矩形波，电机 14 的转速越快，矩形波的频率也越高，相应的每秒获得的计数脉冲就越多，当狭缝数目增加时，同一时间内，采集的脉冲数目变 大，计数误差变小 从而数码管的示数就变大 ，。 图 29 电机驱动电路图 本系统采用的驱动芯片 L9110。 它的特点：低静态工作电流；宽电源电压范围： ~12V。 每通道可以输出连续电流 ；饱和压降比较低； TTL/CMOS 输出电平均可，能径直接 CPU。 输出口有内置钳位功能的二极管，使用于感性负载的情况；单片 IC 涵盖控制功能和驱动功能；高压时具备管脚保护功能； L9110 是为控制和驱动电机的电路元件，把分立的电气元件安装在单片 IC 之中，是外围电路 成本降低，整体可靠性高，电平输入可兼容TTL/CMOS，抗外界干扰；两个 out 端驱动电机正反转，电流驱动能力强，L9110 芯片电气特性如表 21 所示。 同时输出饱和压降不高；内置的充当钳位的作用的二极管能够放出感性元件的反向的冲击电流，使之安全地驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管。 L9110 常应用于驱动模型车电机，步进电机、开光功率管等电路上。 管脚定义如下： A 端输出 电源电压 电源电压 B 端输出 地 15 A 端输入 B 端输入 地 器件管脚图如图 210所示： 图 210 L9110芯片管脚图 L9110 芯片电气特性表、真值表如表 21和表 22所示。 表 21 L9110驱动芯片电气特性表 表 22 L9110驱动芯片真值表 符 号 参 数 范 围 单 位 最小 最大 典型 Vcc 电 源电压 6 12 V Idd 静态电流 —— 0 2 uA Iin 操作电流 200 350 500 uA IC 持续输出电流 750 800 850 mA IMax 电流峰值 —— 1500 2020 mA IA IB OA OB H L H L L H L H L L L L 16 三角波发生器工作原理 555 定时器 结构组成 和 工作原理 如图 图 211 三五定时器电路组成图 图 212 三五定时器引脚图 的工作原理 电压比较器 内置其中 ，一个 是 RS 触发器，一个 是 放电开关 T，三 个 5KΩ的电阻构成分压 从而得到 比较器的参考电压，高电平比较器 C1 同相端和低电平比较器 C2 的反相端的电平为 和 Vc31。 C1和 C2的输出控制 RS触发器状态和放电管状态。 当输入 电压 输入 且 超过 Vcc32 时，触发器 恢 复 原 位， 555 的输出端 3脚输出低电平，同时放电，开关 管 被自动 导通；当输入 电压从 2 脚输入 且小 于Vcc31 时，触发器 被自动 置位， 555 的 3 脚输出 高电平 ，同时放电，开关管截止。 DR 是复位 口 ，当其为 0时， 555 输出低电平。 平时该 口断 路或 者 接 到 Vc。 Vco 是控制电压 口 （ 5 脚），平时输出 充当 比较器 A1 的参考电平，当 5 脚外接一个 inV ，比较器的参考电 平就 改变 了 ，实现另一种控制 下的 输出，不 加 外界 电压， 就把 一个 F 的电容 接 到地， 可以起到 滤波 的功能 ， 抵消 外 界 干扰，H H L L 17 从而 确保参考电平的稳定。 T 为放电管，当 T导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电电路 . 电路的引脚功能 如表 23所示 表 23 555电路引脚功能表 三角波发生器工作原理 三角波发生器是由 IC1（ NE555）及周围元件所构成的一个多谐振荡器，通过对定时电容 C2（或 C3）的充放电，形成三角波形。 调节电位器RP1可以改变波形的周期及占空比，从而使得输出的三角波形左右对称。 开关 S1 可以选择不同容量的定时电容，实现频率的切换。 它的工作原理是：如图 ， 刚接通电源 时 ，定时电容 C2（或C3）上 没有 电压， IC1的第 6脚 输出的是 低电平，第 3脚输出 的是 高电平，VT1导通，集电极输出低电平， VT2导通， VT3截止，于是 12V 电源通过 VT2向定时电容充电，电压 慢慢 上升，形成三角波上升沿 脉冲。 当定时电容上的电压达到 （ 2/3） VCC 时， IC1的第 3脚输出低电平， VT1截止，集电极输出高电平， VT3导通，定时 的 电容通过 VT RP1和 D4放电，电压 慢慢 下降，形成三角波的下降沿 脉冲。 当定时电容上的电压降到（ 1/3） VCC 时， IC1第 3脚又输出高电平，重复上述过程。 这种三角波发生器结构简单，输出信号稳定，功耗低，比较适合在一——TR 触发 TH 阈值 —R 复位 DIS放电端 OUT输出 Vcc31 Vcc32 H 导。