单片机直流伺服系统设计 毕业设计

1、目 录 摘摘 要要i abstract1 第 1 章 绪论1 1.1 电力电子技术1 1.2 伺服控制技术1 1.3 控制电机2 1.4 单片机2 1.4.1 单片机的发展2 1.4.2 单片机的应用3 1.5 pwm 技术4 1.6 设计的任务和要求5 第 2 章 硬件电路设计6 2.1 总体方案6 2.2 单片机系统设计6 2.2.1 mcs-51 单片机简介7 2.2.2 mcs-51 单片机的内部结构7 2.2.3 功能模块的设计9 2.3 功率驱动模块设计14 2.3.1 功率驱动模块方案的选择14 2.3.2 pwm 伺服放大器简介15 2.3.3 kxa 结构及接线15 2.4

2、测量电路设计16 2.4.1 光电编码器16 2.4.2 整形辨相电路17 第 3 章 直流伺服电动机19 3.1 对直流伺服电动机的要求19 3.2 直流伺服电动机的分类19 3.2.1 高速直流伺服电动机19 3.2.2 低速大扭矩宽调速电动机20 3.3 直流电动机转矩平衡方程式21 3.4 电动机的电压平衡方程式22 第 4 章 单片机直流伺服系统的软件设计24 4.1 主程序设计24 4.2 监控管理程序设计25 4.2.1 键盘/显示器基本程序设计 25 4.2.2 功能键处理程序设计26 4.3 t0 中断服务（控制）程序设计28 4.4 pid 控制算法子程序29 结束语31

3、参考文献32 致 谢33 附录 单片机直流伺服系统原理图34 单片机直流伺服系统设计 摘摘 要要：随着数字技术的高速发展和新型执行机构的出现、大功率电力电子器件的诞 生以及数字技术的快速发展，伺服控制系统的优势在国民生产中发挥得淋漓尽致。通 过调节电枢电压可以很方便地实现对转速的控制，并能在一定范围内实现位置控制， 直流伺服系统因此被应用于对系统性能要求较高的场合。 本文详细介绍了单片机直流伺服控制系统的组成和原理。着重介绍单片机直流伺 服控制系统的硬件电路设计，同时详细介绍了模块化 pwm 功率驱动的结构和应用及其 相关的保护电路。认真分析了各个模块的功能及作用，较系统的介绍了模块化程序设

4、计。 关键字：直流伺服；kax；模块化功率驱动；单片机；整形变相； the design of single-chip dc servo control system abstract: with the rapid development of digital technology and the emergence of new implementing agencies, high-power power electronic devices, as well as the birth of the rapid development of digital technology, the

5、 advantages of servo-control system of the national product on its head. by adjusting the armature voltage can be easily controlled to achieve speed, and can achieve a certain position control, dc servo system was used in higher performance requirements on the system to do so. this paper describes a

6、 single-chip dc servo control system and principles of composition. focused on single-chip dc servo control system hardware circuit design, while details of pwm power-driven modular structure and the application and its associated protection circuitry. a careful analysis of the various modules of th

7、e function and role, a more systematic introduction of a modular program design. keywords: dc servo；kax；modular power-driven；singlechip；plastic disguiser； 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 电力电子技术 电力电子技术广泛用于电气工程中，各种电力电子装置广泛应用与高压直流输电、 静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直 流电源等电力系统和电气工程中。电力电子技术是电气工程学科中的一个最活跃的分 支。控制理论广泛

8、用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人 们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强 电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。另外，控制理论 和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。 电力电子学是随着电力半导体器件的发展而发展的。1948 年晶体管的发明，使电 子工业产生了一次革命。1957 年晶闸管的出现和在电力领域中的应用，实质上就是电 力电子学的开端（晶闸管雏形再 1956 年由贝尔电话研究所 john moll 研制出来，1958 年由通用电气公司的 ra york 等完成了其生产

9、工艺，并开始将其应用于电力控制） 。 1980 年可关断晶闸管 gto 的商品化（2500v/1000v）,使电力电子学向前推进了一大步。 1975 年美国 siliconix 公司制造出 v 型沟道的金属氧化物半导体场效应功率晶体管，即 mosfet。1988 年 igbt 的出现，它集功率晶体管 bjt 和场效应功率晶体管的优点于一体， 这是电力半导体器件向理想化方面迈进的最重大事件，使电力电子学的发展进入到一 个日新月异的阶段。 1.2 伺服控制技术 伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。 自从第二次世界大战期间雷达和火炮伺服系统出现以来，在近半个世纪中，

10、伺服控制 技术及其系统在工业、农业、国防等各个领域都得到了广泛的应用。伺服控制经历了 发电机-电动机系统、交磁电机扩大机控制、磁放大器控制、晶闸管控制、晶体管控制、 集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已经进入一个全新的鼎盛时期。反映这 一时期的现代伺服控制技术及其系统的主要特征可以概况为：全控型电力电子器件组 成的脉宽调制技术在伺服功率驱动中的广泛应用；微处理机特别是单片数字信号处理 器（dsp）在伺服系统中的普遍应用，使得现代控制理论逐渐工程使用化；各种伺服控 制原件与线路向着集成化、数字化、功能化、模块化、智能化，以便于计算机控制的 方向发展；伺服系统的可靠性设计及其自诊断技术伴随着

11、系统功能、性能以及复杂化 程度的升级而受到人们的普遍重视。 1.3 控制电机 在各类自动控制系统、遥控和解算装置中，需要用到大量的各种各样的元件。控 制电机就是其中的重要元件之一。它属于机电元件，在系统中具有执行、检测和解算 的功能。虽然从基本原理来说，控制电机与普通旋转电机没有本质上的差别，但后者 着重于对电机的力能指标方面的要求，而前者则着重于对特性、高精度和快速响应方 面的要求，满足系统对它提出的要求。控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代 科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件。它的应用范围非常广泛，例如，火 炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置

12、的显 示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、电子计算机、 自动记录仪表、医疗设备、录音录像设备等中的自动控制系统。 1.4 单片机 随着大规模集成电路的发展，可以将 cpu、ram、定时器/计数器以及输入/输出 （i/o）接口电路等计算机部件，集成在一块电路芯片上。这样所组成的芯片级的微型 计算机称为单片微型计算机（single chip microcomputer） ，直译为单片微机或单片机。 虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上，它已具有了微机系统的含义。由于单 片机从功能和形态来说都是应控制领域应用的要求而诞生的，并且发展到新一代 80c51、m68hco5、

13、m68hc11 系列单片机时，在其中扩展了各种控制功能，如 a/d、pwm、pca、计数器的捕获/比较逻辑、高速 i/o 口、wdt 等，已突破了微型计算机 的传统内容，所以，更准确地反映单片机本质的叫法应是微控制器。 1.4.1 单片机的发展 单片机发展到今天，经历了五个发展阶段： 第一阶段（19741976）：单片机的初级阶段。由于生产工艺水平和集成度的限 制，单片机采用双片形式，且功能比较简单。 第二阶段（19761979）：为低性能单片机阶段。此时的单片机是真正的 8 位单 片微型计算机，体积小，功能全。在单块芯片上已经集成有 cpu、并行口、定时器、 ram 和 rom 等器件。 第

14、三阶段（19791982）：为高性能单片机阶段。此时的单片机品种多，功能强， 一般片内 ram、rom 都相对增大，寻址范围可达 64kb，并有窜行输入/输出口，还可以 进行多级中断处理。 第四阶段（19821990）：16 位单片机和 8 位高性能单片机并行发展阶段。它们 最大的特点是实时处理能力强，生产工艺先进，集成度高、内部功能强，而且允许用 户采用工业控制的专用语言编程，如 pl/m、c 语言、basic 语言等。 第五阶段（1990 至今）：1990 年 2 月美国推出的 i80860 超级单片机轰动了整个计 算机界，它的运算速度为 1.2 亿次/秒，可进行 32 位整数运算、64

15、位浮点运算，同时 片内具有一个三维图形处理器，可构成超级图形工作站。随着半导体技术的发展，巨 型计算机但片化将成为现实。 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是 8 位单片机由于它具有价 格低廉、应用软件齐全、开发应用方便等特点使它成为当前单片机中的主流，16 位单 片机和专用单片机也进入普及应用阶段。 1.4.2 单片机的应用 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能 化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： （1）在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点， 广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型

16、的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿 度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采 用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电 路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。 （2）在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能 化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 （3）在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、 电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所

17、不 在。 （4）在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计 算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现 了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列 车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 （5）单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超 声诊断设备及病床呼叫系统等等。 1.5 pwm 技术 脉宽调制(pwm:(pulse width modulation)是利用微处理器的数

18、字输出来对模拟 电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换 的许多领域中。 pwm 控制的基本原理很早就已经提出 ,但是受电力电子器件发展水平的制约 ,在 上世纪 80 年代以前一直未能实现 .直到进入上世纪 80 年代,随着全控型电力电子 器件的出现和迅速发展 ,pwm 控制技术才真正得到应用 .随着电力电子技术 ,微电子 技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法 ,如现代控制理论 ,非线性系统 控制思想的应用 ,pwm 控制技术获得了空前的发展 .到目前为止 ,已出现了多种 pwm 控制技术。 pwm 控制方法有以下几种: (1) 等脉宽 pwm 法 vv

19、vf(variable voltage variable frequency)装置在早期是采用 pam(pulse amplitude modulation)控制技术来实现的 ,其逆变器部分只能输出频率可调的方波 电压而不能调压 .等脉宽 pwm 法正是为了克服 pam 法的这个缺点发展而来的 ,是 pwm 法中最为简单的一种 .它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为pwm 波, 通过改变脉冲列的周期可以调频 ,改变脉冲的宽度或占空比可以调压 ,采用适当控 制方法即可使电压与频率协调变化 .相对于 pam 法,该方法的优点是简化了电路结 构,提高了输入端的功率因数 ,但同时也存在输出电压中除基

20、波外 ,还包含较大的谐 波分量。 (2)等面积法 该方案实际上就是 spwm 法原理的直接阐释 ,用同样数量的等幅而不等宽的矩形 脉冲序列代替正弦波 ,然后计算各脉冲的宽度和间隔 ,并把这些数据存于微机中 , 通过查表的方式生成 pwm 信号控制开关器件的通断 ,以达到预期的目的 .由于此方 法是以 spwm 控制的基本原理为出发点 ,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻 ,其 所得的的波形很接近正弦波 ,但其存在计算繁琐 ,数据占用内存大 ,不能实时控制的 缺点。 (3)软件生产法 由于微机技术的发展使得用软件生成spwm 波形变得比较容易 ,因此,软件生成 法也就应运而生 .软件生成法其实

21、就是用软件来实现调制的方法 ,其有两种基本算 法,即自然采样法和规则采样法。 以正弦波为调制波 ,等腰三角波为载波进行比较 ,在两个波形的自然交点时刻 控制开关器件的通断 ,这就是自然采样法 .其优点是所得 spwm 波形最接近正弦波 , 但由于三角波与正弦波交点有任意性 ,脉冲中心在一个周期内不等距 ,从而脉宽表 达式是一个超越方程 ,计算繁琐,难以实时控制。 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法 ,一般采用三角波作为载波 .其原 理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波 ,再以阶梯波与三角波的交点时刻控 制开关器件的通断 ,从而实现 spwm 法.当三角波只在其顶点 (或底点)位置对正弦

22、 波进行采样时 ,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽 ,在一个载波周期 (即采样周 期)内的位置是对称的 ,这种方法称为对称规则采样 .当三角波既在其顶点又在底点 时刻对正弦波进行采样时 ,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽 ,在一个载波周 期(此时为采样周期的两倍 )内的位置一般并不对称 ,这种方法称为非对称规则采样 。 规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其 中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制 范围较小。 1.6 设计的任务和要求 (1) 本课题的主要任务 以 8051 单片机为控制核心，以直流伺服电机为控制

23、对象，设计一个以键盘给定为 输入，以转角为输出的位置伺服控制系统。 (2) 技术参数及性能参数 控制系统的性能指标要求 控制精度：无差 最大超调量：25 调节时间：0.3s 系统控制功能要求： 单片机控制对键盘输入的给定转角（0360），实现快速、准确的输出转角定位。 原系统对象参数 直流伺服电机型号 s221d；额定电流 in=1.5a；额定电压 un=24v；额定功率 pn=13w； 额定转速 nn=3600rpm；减速器速度比 i=100：1。 第第 2 章章 硬件电路设计硬件电路设计 2.1 总体方案 本次设计课题是个位置随动控制系统，它要求系统能够准确快速的跟踪给定，给 定变化了，系

24、统也要随之快速变化。由于本课题是要求控制伺服电机的输出转角，控 制转角可以通过控制电机电枢电流控制电机转速，从而达到控制电机转角的目的。电 机的转速很高（nn=3600rpm） ，而控制对象是电机的角度，这就要求电机不能运行在 高速状态下，所以要用减速器对电机减速。反馈检测部分采用光电编码器进行检测， 考虑到转角有正反转，增量式光电编码器可以方便的检测出电机的正反转，并且可以 根据光电编码器的输出脉冲数计算出转角，所以增量式光电编码器是很好的选择。因 此可以将系统设计为如图 2-1 所示的位置闭环控制系统。 单 片 机 a/d 转换 运放 转换 pwm 调制 及 功率 驱动 m 减 速 机 构

25、 光电 编码 器测 速 整形 及 辨向 可逆 计数 键盘 给定 显示 输出 ui a相脉冲 b相脉冲 cp+ cp- 图图 2-12-1 单片机直流伺服系统框图单片机直流伺服系统框图 单片机模块主要实现给定转角输入、输出转角显示；大功率驱动模块将实现 pwm 波形产生、电机输入信号的产生；测量检测模块作为反馈部分，它要完成一下几点要 求：首先，它必须要检测出当前系统输出的转角以便与给定做比较；其次，转角检测 出来后要经过一些变换为单片机能够处理的数字信号。 主要的控制思想如下： 系统以 stc89c51 单片机为控制核心，由键盘输入给定量（要求的转角） ，给定量 经过单片机处理送入 d/a 转

26、换器，输出模拟量控制信号，该模拟量控制信号再经过功 率驱动模块的 pwm 调制、功率放大输出控制电机运转的电压信号 u，经过减速器减速后， 通过增量式光电编码器检测，输出可以反映电机转向的两路相差 1/4 周期的方波信号， 该信号经过辨向电路和用来检测转角变化的测量电路反馈给单片机。 2.2 单片机系统设计 单片机将 cpu、ram、rom、定时器/计数器、输入/ 输出（i/o）接口电路、中 断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，组成单片微 型计算机。虽然它的形态只是一块芯片，但它已具有了微型计算机的结构和功能，由 于单片机的结构特点，在实际应用中常常将它完全融入应用

27、系统之中。 单片机的特点除了体积小、功耗底、价格便宜外，还有通用性强；面向控制；可 靠性高、抗干扰能力强；具有掉电保护； i/o 接口功能很强，便于扩展；应用研制周 期短，开发效率高等特点。 由于我们是以 mcs-51 系列单片机为学习对象学习认识单片机的，对该系列单片机 较为熟悉，再者，根据系统的功能要求，mcs-51 单片机足以胜任，所以我选用的是 mcs-51 系列单片机的 stc89c51 单片机。 2.2.1 mcs-51 单片机简介 通用型单片机的种类很多，且适合不同应用场合的新产品不断出现。就目前我国 的应用情况看，以 8 位中档 mcs-51 系列单片机的应用最为普遍，并把它作

28、为实现实时 监测及控制等应用领域中的优选机种。mcs-51 系列单片机的主要性能如下： （1）8 位字长 cpu 和指令系统。 （2）1 个片内时钟震荡器和时钟电路。 （3）64k 外部数据存储器的地址空间。 （4）64k 外部程序存储器的地址空间。 （5）32 条双向且分别可位寻址的 i/o 口线。 （6）128 的片内 ram。 （7）两个 16 位定时器/计数器。 （8）具有 2 个优先级的 5 个中断源结构。 mcs-51 系列不同类型的单片机除上述主要特性外，还有一些不同的附加属性。 2.2.2 mcs-51 单片机的内部结构 mcs-51 单片机的功能模块框图如图 2-2 所示。

29、由图可见，mcs-51 单片机是由 8 位 cpu、只读存储器 eprom/rom、读写存储器 ram、并行 i/0 口、串行 i/0 口、定时器/计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部 分组成，各部分之间通过内部总线相连。 sfr和 ram 时钟电路rom 定时/计数 器 cpu 并行i/o口串行i/o口中断系统 系统总线 时钟源 t1t0 int0int1txdrxd p0p3p2p1 图图 2-22-2 mcs-51mcs-51 单片机的功能模块框图单片机的功能模块框图 单片机的主要管脚是：数据总线；地址总线；控制总线 wr、rd、ale、psen、rst；外部中断请求信号 int0、i

30、nt1；串行通信线 rxd、txd；插口译码线 ps；电源 vcc、gnd 各两根。都是采用 40 管脚双列直插式 封装。 图 2-3 所示为 mcs-51 的内部结构框图。 ram 地 址 寄 存 器 ramp0口锁存器p2口锁存器 p0口驱动器p2口驱动器 ram 4k8 acc tmp2tmp1 alu psw 中断 串行口定时器 定时 与 控制 指 令 寄 存 器 dptr pc 加法器 程序计数 器（pc) 程序地址 寄存器 缓冲器 pc p1口锁存器p3口锁存器 p1口驱动器p3口驱动器 振荡器 psen ale ea rst p1.0p1.7p3.0p3.7 p0.0p0.7p2

31、.0p2.7 图图 2-32-3 mcs-51mcs-51 的内部结构框图的内部结构框图 mcs-51 单片机的核心部分是中央处理器 cpu，它由运算器和控制器两大部分组成。 运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，由算术逻辑单元（alu） 、位处理 器、累加器 acc、寄存器 b、暂存器 tmp1 和 tmp2 等组成，与一般运算器的作用类似。 控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由定时和控制逻辑、内 部震荡电路 osc、指令寄存器及其译码器、程序计数器 pc 及其增量器、程序地址寄存 器、程序状态字寄存器 psw、ram 地址寄存器、数据指针 dptr、堆栈指针 sp

32、等部分组 成。 2.2.3 功能模块的设计 mcs-51 单片机在简单的场合下应用，几乎不需要增加其他的硬件资源，就可构成 一个最小的应用系统，使用非常方便。但是对于一般应用系统，必须在片外扩展相应 的硬件。我们以单片机的引脚为基础设计了多种 i/o 接口通用模块如：存储器扩展模 块（通过跳线可选择用于程序存储器或数据存储器的扩展） 、a/d 转换模块 （adc0809） 、d/a 转换模块（dac0832） 、键盘与显示器控制模块（8255） 、与 pc 通 信的串行通信模块（经 rs232 接口） 、定时/计数器模块（8253） 、可编程接口模块等， 在实际应用中使用者可根据需要选择不同的

33、模块进行配置。 根据本系统的控制要求，cpu 主板上选用了 stc89c51 芯片，片内有 4k flash 程序 存储器已可以满足需要，另还须配置数/模转换、键盘/显示器控制、定时器/计数器以 及控制程序存储器等模块。 （1）定时/计数器模块 由于 stc89c51 中仅有两个计数器，而系统采样定时需占用一个计数器。本系统中 要求伺服电动机可以正反向转动，在转角测量要求能进行可逆计数，所以必须进行计 数器扩展。可编程定时/计数器芯片的型号类型多种多样，大部分的外型引脚及功能设 置都相差无几，只是在工作的最高频率上有些差别，例如：8253-5 型为 5mhz，5254-2 型为 10mhz，另

34、外还有其它频段的兼容芯片。本设计采用了可编程定时/计数器芯片 8253 作为可逆计数器。 定时/计数器 8253 是 24 脚双列直插式芯片，+5v 电源供电。每个芯片内部有 3 个 独立的计数器，每个计数器都有自己的时钟输入 clk、计数输出 out 和门控制信号 gate。通过编程选择计数器和设置工作方式，计数器既可以作计数器用，也可作定时 器用。 error!error!、error!error!读写引脚，低电平有效，是 cpu 对 8253 进行读写操 作的命令输入端；a1 和 a0 是地址线，它们和片选信号error!error!一起确定了 8253 的命令寄存器和 3 个计数器的端

35、口地址。通过编程可设置计数器的工作方式和选择哪 个计数器工作。 定时计数模块的功能： 要了解计数模块的工作情况，先要了解下其基本的计数原理，然后加以利用。 图 2-4 为计数器结构示意图。它包括：16 位的计数初值寄存器 cr，16 位的计数 执行部件 ce 和 16 位的输出锁存器 ol。计数器的基本操作过程如下：cpu 对计数器 初始化，写入控制字和计数初值，计数初值写入计数初值寄存器 cr。触发计数工作时， cr 内容送入计数执行部件 ce，由计数执行部件 ce 对 clk 端输入的脉冲进行减一计 数，减一结果同时送入 ol 锁存。cpu 用 out 指令向 cr 预置计数初值，用 in

36、 指令读出 ol 的数值。 计数初值寄存器 cr 计数执行单元 ce 输出锁存器 ol clk gate out 内部总线 图图 2-42-4 计数器结构示意图计数器结构示意图 由上面的计数器操作过程可以看出 cpu 可以读出输出锁存器 ol 中的值，也即可以 得到计数初值寄存器 cr 中初值的变化情况，所以我们可以把给定量存放在 cr 中，每 个采样周期读取 ol 中的值，计算出偏差，从而调整输入量。clk0/clk1 分别接收来 自整形变相电路送来的两个脉冲信号 cp+/cp-，ol 中的值随着这两个脉冲信号而改变。 因此设计了如图 2-5 所示的计数电路。 a1 a0 rd wr cs

37、d7 d0 clk0 clk1 cp+ cp- d7 d0 a1 a0 rd wr cs stc89c518253 图图 2-52-5 定时定时/ /计数模块电路计数模块电路 （2）键盘/显示器控制模块 在单片机应用系统中，为了了解控制系统的工作状态以及向系统输入数据和控制 命令，一般都需要设置人机交互界面，即键盘/显示器电路。 本系统的键盘/显示器控制模块是以 8255 接口芯片为核心构成的。 键盘模块键盘模块 单片机应用系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘除了按键外， 还包括产生键码的硬件电路、去抖动电路和多键串键保护电路。每按下一个键，能自 动产生这个键的键码，与此同时，产

38、生一个脉冲信号，通知 cpu 接收。这种键盘使用 方便，接口程序简单，但需要较多的硬件。非编码键盘仅由排成行列矩阵形式的按键 组成，其大小可在单片机内存范围内进行任意设定。按键的作用只是简单的实现接点 的接通和断开，键的去抖动、键的编码的形成和键的识别等均由软件实现。非编码键 盘的硬件电路简单，构成所需要组成元件经济,但程序较复杂。为了降低系统硬件的复 杂程度，采用的是非编码键盘。由于本系统所需的按键较多所以键盘的接口方式采用 的是矩阵方式。 本系统由 8255 芯片和单片机组成矩阵式键盘接口。8255 是个典型的可编程通用并 行接口芯片，它有三个 8 位的并行口 pa、pb、pc 口。有三种

39、工作方式。通过编程可以 选择其工作方式，并且可以使三个口作为输出口或者输入口。该键盘是由 8255 的 pb0pb4 口作为输入口线及 pc0pc3 口作为输出口线构成的 5 行 4 列矩阵式键盘。 在接口方面，8255 是通过片选端、端口地址选择信号 a0、a1、读写控制信号cs 、，来实现 cpu 与芯片间命令字或数据传送。rdwr 键盘接口电路如图 2-6 所示。 ps wr rd a1 a0 d7 d0 d7 d0 a0 a1 rd wr cs pb0 pb1 pb2 pb3 pb4 pc0 pc1 pc2 +5v +5v +5v +5v +5v stc89c51 8255 8 pc3

40、 图图 2-62-6 系统键盘接口电路系统键盘接口电路 显示模块显示模块 单片机应用系统显示电路一般都采用点阵式或是数码管（led）或者是液晶 （lcd）显示方法。lcd 显示器具有体积小、质量轻，低电压、微功耗、抗干扰能力强 等优点，但其价格较贵，而且显示需要相应的字模程序，较为麻烦。数码管具有既省 电、成本低，而且配置灵活、接口方便等优点，相比较而言，本系统选用数码管显示 方法更为合适。 对于多位 led 显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个地循环点 亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉 残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。

41、为了实现 led 显示器的动态 扫描，除了要给显示器提供段的输入之外，还要对显示器选择位的控制，这就是通常 所说的段控和位控。因此，多位 led 显示器接口电路要有两个输出口，其中一个用于 输出 8 条段控线（含有小数点显示） ；另一个用于输出位控线，位控线等的数目等于显 示器的位数。 为了减小 cpu 资源占用率，减少软件的设计量，显示模块选用了 intel 公司开发的 接口芯片 8255。8255 作为输出锁存口。a 口作为段空口，输出 8 位字形代码。段控线 的负载电流约为 8ma，为提高显示亮度，通常用 74ls244 进行段控输出驱动。c 口作 为位控口，以 pc0pc7 输出位控线

42、。由于位控线的驱动电流较大，8 段全亮时约为 4060ma，因此位控信号加集电极开路门 74ls06 进行反向和提高驱动能力，然后再接 各 led 显示器的位控端。 在接口方面，8255 是通过片选端、端口地址选择信号 a0、a1、读写控制信号cs 、，来实现 cpu 与芯片间命令字或数据传送。 rdwr 图 2-7 所示为 8255 显示器接口电路。 cs wr rd a1 a0 d7 d0 d7 d0 a0 a1 rd wr cs 74ls244 74ls06adpl0l7 +5v stc89c51 8255 led0led7 8 8 8 8 8 pa0 pa7 pc0 pc7 88 图图

43、 2-72-7 82558255 显示器接口电路显示器接口电路 （3）d/ad/a 转换电路模块转换电路模块 系统中从单片机出来的是数字信号，而控制电机运行的是电压模拟信号，因此系 统必须要用到 d/a 转换电路将数字量控制信号转换为模拟量控制信号。 由于本人在学习 d/a 转换电路时，是以 intel 公司 d/a 转换芯片 dac0832 为对象 学习 d/a 转换电路，对该芯片比较熟悉，所以在本系统设计中 d/a 转换电路中的数模 转换芯片采用的是 dac0832 芯片。 dac0832 是双列直插式具有两个输入寄存器的 8 位 d/a 转换器，可以直接与 8 位微 处理器直接相连。其主

44、要技术特性：分辨率为 8 位；基准电压工作范围+10- ref u 10v；供电电源为+5+15v，电源稳定时间为 1us，功耗为 20mw；所有引脚的逻辑电平 与 ttl 电平兼容。 由于 dac0832 具有两级寄存器，因此有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和 双缓冲方式。两级寄存器锁存控制信号为：输入锁存允许信号、片选信号、写ilecs 信号 1、写信号 2和传送控制信号，将它们与单片机进行不同的连接wr1wr2xfer 时可获得三种不同的工作方式。 dac0832 是电流输出型的数模转换器，而控制电机的信号是电压信号，因此需要相 应的转换电路将电流信号转换为电压信号。因此设计了图 2

45、-10 右半部分的运算放大器 转换电路。 图 2-8 所示为 d/a 转换模块的原理图，dac0832 的两个寄存器同时选通和锁存，即 采用的是单缓冲型工作方式，双极性输出方式可以满足系统的双极性控制。 cs wr d7 d0 d7 d0 wr1 cs stc89c51 dac0832 8 rfb iout1 iout2 +5v + + u 5k 10k10k wr2 xfer 图图 2-82-8 d/ad/a 转换模块转换模块 （4）译码电路设计 在单片机系统中为了使系统正常工作，在每次对存储器及接口操作时只能选中一 个芯片。因此，在设计单片机系统时，要让每个芯片具有独立的地址范围或地址，也

46、 就是对每个芯片的片选信号能独立控制。本系统用到了 8253、8255、0832 这三个芯片， 因此要确定它们各自的地址范围或地址。通常确定地址，也即控制片选的方法有线选 法和译码法两种。 线选法是利用单片机高位没有用到的地址线直接作扩展芯片的片选信号。此法结 构简单，易理解。在确定地址时，只要将接至该芯片的片选位取“0” ，其他位取“1” 即可。但这种方法得到各个芯片的地址不是唯一地，也可能使各芯片的地址不连续。 在设计单片机系统时，利用单片机高位没有用到的地址线经过译码器后与扩展的 芯片的片选连接，此种方法称为译码法。译码法通常要用到译码器，例如： 74ls139(两组 2-4 译码器)、

47、74ls138（3-8 译码器） 、74ls154（4-16 译码器）等。 虽然译码法要用到译码器，而线选法不用，但线选法确定的芯片的地址不是唯一 的，而且芯片的地址不连续，为了译码方便，决定还是用译码法。译码器选用 74ls138 译码器。74ls138 译码器是用 ttl 与非门组成的 3 线-8 线二进制译码器。根据输入端 的电平信号，8 个输出只有一个输出低电平，其他的输出高电平。具体译码电路如图 2-9 所示。 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3

48、p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 u? 8051 a 1 b 2 c 3 e1 4 e2 5 e3 6 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u? 74als138 vcc vcc 8253 8255 0832 图图 2-92-9 译

49、码电路译码电路 由图 2-9 可以看出，译码器 138 的输入端分别接 stc89c51 的 p2 口的 p2.5、p2.6、p2.7。输出端的 y0、y1、y2 分别接到芯片 8253、8255 和 0832 的片选端。 因此很容易得到这三个芯片的端口地址分别是：1fffh、3fffh 和 5fffh。 2.3 功率驱动模块设计 2.3.1 功率驱动模块方案的选择 （1）h 型双极模式 pwm 控制 h 型双极模式 pwm 功率驱动电路主要由 pwm 功率转换电路、脉宽调制电路、基极 驱动电路和保护电路组成，而控制核心是 pwm 功率转换电路。 h 型双极模式 pwm 的功率转换电路如图 2

50、-10 所示。它由四个大功率晶体管 gtr 和四个续流二极管组成。四个大功率晶体管分为两组，v1 和 v4 为一组，v2 和 v3 为一 组。to 同一组中的两个晶体管同时导通和关断，两组晶体管之间是交替的轮流导通和 截止的。也即基极驱动信号 ub1=ub4，ub2=ub3=-ub1。由于允许电流反向，所以双极模 式工作时电枢电流始终是连续的。 1234 a b c d 4321 d c b a title numberrevisionsize b date:22-may-2001sheet of file:d:program filesdesign explorer 99 se8051.dd

51、bdrawn by: v1 v2 v3 v4 vd1 vd3 vd2 vd4 m ub2 ub4 ub1 ub3 图图 2-102-10 h h 型双极模块式型双极模块式 pwmpwm 功率转换电路功率转换电路 （2）模块化 pwm 功率驱动控制 随着微电子技术和电力电子技术的发展以及工业界对系统可靠性和小型化的要求， 许多厂商相继推出了各种伺服电机控制的驱动模块。这类模块化驱动控制器件的相继 出现，不仅减小了驱动装置的尺寸和成本，且大大方便了使用，用户可灵活地构成直 流模拟式或数字式的小型化/高可靠运行的伺服系统。由美国 kollmorgen 公司生 产的型号为 kxa-48-8-16/m

52、/aux 的 pwm 伺服放大器（pwm servo amplifier）就是这 种模块化的驱动控制器件。它集功率放大器模块、pwm 调制模块、电路保护模块和电源 模块于一体，不需要使用者再具体设计这些模块，为设计者带来了极大的便利。 对比上面两种方案，可以看出:h 型双极模式 pwm 控制需要分别设计各个模块，而 模块化 pwm 功率驱动控制则不需要，因此本系统就是用 kax 作为功率驱动模块的。 2.3.2 pwm 伺服放大器简介 kxa 是专为多种直流伺服电机设计的伺服驱动器。它是一款采用模块化结构设计 驱动性能优良的 pwm 伺服放大器，具有结构紧凑、功能完善等特点。kxa 有两种组装

53、形 式，一种是单独的伺服放大器组装形式，另一种是具有电源模块组装形式。kxa 的主要 部分为 pwm 调制和功率放大器模块，它内部还包含有主回路电流检测传感器，已经具 有一个电流控制回路。在模块中还有辅助电源，可以为其他外围设备提供供电电源。 选用不同的组装形式时，放大器模块可以由外部提供的直流电源供电或电池供电，也 可以由外部提供交流电源到一个附加的变压器，经电源模块整流滤波后供电。对于具 有电源模块组装形式，只须在电源输入模块中增加一个变压器，就可以使 kxa 成为一 个独立的放大器。 kxa 具有强大的短路、过流和电源保护、主回路电流限定值的设定和保护电机的 功能。在 kxa 伺服放大器

54、中，为了防止转速过大和反馈超过额定值，内部电路中有一 个并联的速度调节器。由电路板上的跳线，可选择 kxa 工作在有测速或无测速闭环控 制模式。 kxa 系列的开关频率为 40khz，在这样的频率下，电流环具有很宽的频带，能满足 大部分伺服应用场 2.3.3 kxa 结构及接线 kxa 伺服放大器方框图（block diagram）如图 3-11 所示 速度 调节器 电流 调节 器 pwm 调制 功率 放大 器 电流检测 故障 逻辑 控制 v 电源 模块 v v ac 输入 电 动 机 sw-2 过温 dc-dc 转换器 v v 15v 15v 1 3 4 5 9 1 1 2 2 6 10 v

55、 v tb1 tb2 tb3 11 过电流 过电压 故障 tach 5 in14 3in2 gnd gnd fault ena 输 入 测 速 故 障 m m sw-1 图图 2-112-11 kxakxa 模块结构示意图模块结构示意图 由图可见，kax 主要由功率放大器模块、pwm 调制模块、具有主回路电流检测及电 流调节器构成的电流控制回路、故障逻辑控制电路和电源模块。kax 的最大特点是它的 故障逻辑控制模块，它包括故障检测、过电流检测、过电压检测和过温检测。这些保 护措施是设计人员在设计产品时必须考虑的，而且往往较为麻烦。kax 的这种设计为工 程设计人员带来了极大的方便。 设置开关和

56、在不同位置以及不同的输入信号时，可以得到已经具有sw1sw2 电流控制回路的不同结构的直流伺服控制系统。 当开关 sw-1 处于下位、sw-2 处于上位时，可以构成一个具有电流环和速度环的双 闭环直流调速系统。 当开关 sw-2 处于下位，不经过速度调节器时，可以构成一个具有位置环和电流环 的位置控制系统。 本系统就是利用它的位置环和电流环位置控制构成方式来控制电机的输出转角，因 此 kax 的接线方式是：d/a 模块输出的模拟量控制信号由 in2（tb1 的 3 端）输入 kax，开关 sw-2 处于下位，v-（tb2 的 4 端）接地、v+（tb2 的 3 端）接+24v 直流电压， m-

57、、m+接电机。 2.4 测量电路设计 位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件之一，它的作用是检测位移（角位移 或线位移）并发出反馈信号，起着相当于人眼的作用。一个完善的闭环伺服系统，其 定位精度和加工、测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度伺服系统对测量元件 的质量要求相当高。光电编码器是现代伺服系统中必不可少的一种数字式速度和位置 测量元件，被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统中。本系统使用的是沈阳光机 研究所生产的增量式光电编码器。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万 小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输它的优点是原理构造简单， 机械平均寿命可在几万小时以上，抗干

58、扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 2.4.1 光电编码器 增量式光电编码器由光源、光电转盘、光敏元件、光电整形放大电路四部分组成。 光电转盘与被测轴联接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时， 光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号。为了适应可逆控制以及转向的判别，光电 编码器输出两路（a 相、b 相）相隔脉冲周期的正交脉冲。若转盘顺时针转时 a 相4t 超前 b 相，则逆时针转时 b 相超前 a 相，如图 2-12 所示。因此可以利用它的输出的 a、b 两相脉冲波形判断电机的正反转。 顺时针转 逆时针转)a)b 图图 2-122-12 光电编码器的输出波形光电编码器的输出

59、波形 增量式光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数， 也就是用脉冲数/转表示的，并以此定义编码器的分辨率，因此光电转盘上的槽或窗口 数目等于编码器的分辨率。为了提高测量精度，本系统中选用了分辨率为 2048编码p/r 器。 2.4.2 整形辨相电路 为了实现可逆控制，用光电编码器的波形实现可逆位置检测时，必须将 a、b 两相 方波形进行的整形和辨相处理，产生出反映电动机转向的脉冲信号。 虽然我们可以通过图 2-12 可以很快的判断出电机是正转还是反转，但我们需要的是系 统自己作出判断。因此需要设计一个系统能够判断电机正反转的辨相电路。 在实际运用中，由光电编码器输出的

60、 a、b 两路脉冲波形很不“理想” ，需要加工成比 较规则的脉冲波形，因此需要设计脉冲整形电路。脉冲整形电路主要是由 lm339 芯片 和辅助电路构成。lm339 是四个电压比较器集成的芯片，本系统的整形电路就是根据 电压比较器的单相比较电路设计的。单相比较电路如图 2-13 所示。 1/4lm339 上上上上 ur uin uo +vcc -vcc 0ur uo uin uoh uol (a) 单限比较电路 (b) 输出特性 图图 2-132-13 单限比较电路及其输出特性单限比较电路及其输出特性 uin 为待比较电压，ur 为门限电压，当 uinur 时，uo 输出高电平 uoh，否则，