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1、数字式直流调速系统的硬件设计控制系统的硬件设计控制系统硬件结构如图3.1所示包括80C196KC单片机、同步信号电路、测速脉冲信号反馈电路、电流反馈电路、显示电路、触发脉冲输出驱动电路。80C196KC单片机80C196KC单片机是Intel公司推出的一款高性能的CHMOS 16位单片机，在其内部“嵌入”了以往被认为是“外围”设备的多种电路，包括：时钟发生器、多功能I/O口、A/D转换器、PWM输出口、串行口、定时/计数器、监视定时器、高速输入输出器、外设事务服务器等。80C196KC的主要技术特点如下： 16K字节片内EPROM； 448字节寄存器阵列；寄存器-寄存器结构； 5个8位I/0口
2、；全双工串行口； 16位监视定时器； 4个16位软件定时器；可动态配置的八位或十六位总线宽度； PWM(脉宽调制)输出； HSI/HSO(高速输入输出口)； 28个中断源，18个中断向量；可以采用16MHz的晶振。图3.1 控制系统硬件结构框图可以看出，80C196KC不但具有丰富的硬件资源，而且运行速度也大为提高。同样使用12MHz的晶振，80C196KC的运算速度要比8096提高1/3，使用16MHz的晶振，将比使用12MHZ晶振的8096快1/2(因为8096最快只能使用12MHz晶振)。此外，80C196KC的六个HSO通道正好可以输出六个触发晶闸管的脉冲，因此我们选用它来构成数字式直
3、流电源的控制系统。1.1 同步信号电路同步信号电路是数字式直流电机调速系统的一个重要的电路。同步信号电路的主要任务是为数字触发脉冲输出提供一个同步信号作为相位基准。根据该基准，通过单片机计算得出移相触发时间，进而确定触发角对应的触发脉冲形成时刻。并通过触发脉冲输出电路将触发脉冲分配输出。同步信号的获取方法有下面二种：（1）同步信号获取方法一是用图3.2所示电路中最后一个异或门输出的脉冲送到单片机的外部中断引脚，实现每3.3ms中断一次。下面介绍具体方法。 图3.2 同步电路图图中，同步变压器与主变压器一样接成Y/Y-12接法，同步电压先由二级RC滤波电路滤除电源干扰，并通过调整R值实现30o移
4、相，使三个相同步电压分别与晶闸管电源三相线电压保持同相位。三个同步电压分别经电压比较器LM339变为S1， S2， S3，三个方波信号，若以“1”表示高电平，以60o为单位时间，则S1， S2， S3的波形在电源一个正弦波周期(6个相带)内分别组成6种态：001-101-100-110-010-011，80C196KC通过P1口读入S1，S2， S3的状态，就可以分析判断当前应该触发的相应主电路的晶闸管触发脉冲的组号。为了便于软件处理，电源状态用字码表示，例如S1， S2， S3为011，则电源状态字码值S1， S2， S3为3. 对于晶闸管三相全控桥电路，一个周波有6个自然换向区。进入每个换
5、向区(60o相带)要同时触发两个晶闸管，并按一定的顺序，每隔60o依次发出脉冲触发晶闸管。因此，要使单片机的触发操作具有与电源严格同步的时序，还得由硬件产生与三相电源自然换向点同步的申请中断的同步脉冲序列信号，这个同步脉冲序列的间隔是60o，它可以在主电路线电压的每个自然换相点通过80C196KC的外部中断引脚EXTINTI向CPU申请中断，结合前述读入的S1，S2，S3状态字码值，实现同步认相判断，可准确地确定当前的自然换向区应该输出哪个脚的脉冲。这个同步中断信号可以利用己经产生的S1，S2，S3信号得到。只要将三个方波信号异或，可以产生一个边沿与线电压自然换向点对齐的方波信号，该信号再经过
6、一个RC电路和异或门处理，或者用一个74LS123单稳态触发器，即可得到一定脉宽的同步中断信号。由同步电路产生的这些有关电压的波形如图3.3（2）同步信号获取方法二与方法一基本相似，把电压比较器后面的异或门电路都去掉即可。该方法用S1， S2， S3输出的脉冲信号作为同步信号。软件用查询方式：单片机每读到S1， S2， S3有跳变，就去触发相应的晶闸管。单片机根据读到的不同的S1， S2， S3的值，来决定该触发哪一个管子，触发顺序如表3.1所示。图3.3 同步电压波形图表3.1 晶轧管触发顺序表S1111000S1011110S3100011被触发晶闸管1#2#3#4#5#6#1.2 触发脉
7、冲输出电路图3.4是单片机与六路晶闸管触发电路的连线图，SCR1为第一路晶闸管触发电路，具体电路见图3.5，其余五路与第一路相同。晶闸管的触发可以采用宽脉冲触发和双窄脉冲触发两种方式。用宽脉冲触发，触发可靠性高，适用面宽，但容易使脉冲变压器饱和，因此要求脉冲变压器的铁心体积比较大。用双窄脉冲电路触发晶闸管，虽然脉冲次数比宽脉冲触发多一倍，但是可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。单片机HSO通道的输出脉冲经光耦隔离，驱动达林顿管来控制脉冲变压器。脉冲变压器的输出分别接晶闸管的门极和阴极，控制晶闸管的开通和关断。图3.4 同步触发结构框图图3.5 晶闸管触发电路1.3 显示电路1
8、.3.1 LCD 液晶显示简介液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本系统采用深圳市天助科技有限公司的液晶显示器FM-1602，它是字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块 ，外型尺寸：122*44，黄绿屏，LED背光，IC：KS0076。（一）1602采用标准的16脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，
9、接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令第714脚：D0D7为8位双向数据线第1516脚：空脚1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字，英文
10、字母的大小写，常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A” 。（二）1602 的指令系统 1602液晶模块内部的控制器的控制指令，现分别介绍如下：表3.2 开/关指令RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000001DCB（1）开/关指令： D屏幕的ON/OFF设定，C光标的ON/OFF设定，B光标闪烁设定。当 D=1 时屏幕ON，D=0时屏幕OFF；C=1时光标ON，C=0时光标OFF；B=1时光标闪烁，B=1时光标不闪烁。表3.3 光标返
11、回第一字符位置RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000000001X（2）光标返回第一字符的位置：但是所有屏幕上字符并不会被清除。表3.4 清显示RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000000001（3）清显示：清除屏幕并回到屏幕左上角。表3.5 进入模式设定RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000000001I/DS（4）进入模式设定：设定进入模式为移动光标或是移动显示字符，这个设定在数据的写入/读取时进行。设I/D=1时光标向右移动，设定I/D=0时光标向左移动。S设为1光标跟显示字符一起移动，光标跟字符在同一位置；设
12、为0则光标会移到下一个位置。移动光标或是移动显示字符（光标不动）并不会改变RAM中的内容。S/C=1时移动显示字符光标不动，S/C=0时光标跟着显示字符一起移动；R/L=1时向右移，R/L=0时向左移。表3.6 功能设定RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000001DLNFXX（5）功能设定：设定数据的长度（DL），显示的行数（N），每个字符的点数（F）。DL=1时为每个字符8位，DL=0时为每个字符4位；N=1时为两行，N=0时为一行；F=1时为5*10点，F=0时为5*7点。表3.7 置字符发生存贮器地址RSR/WDB7DB6DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 D
13、B00001字符发生存贮器地址（ACG）（6）置字符发生存贮器地址：设定CG RAM的地址，CG RAM的数据在地址设定后送出数据或接收数据。表3.8 置字数据存贮器地址RSR/WDB7DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0001显示数据存贮器地址（ADD） （7）置字数据存贮器地址：设定DD RAM的地址，当地址设定后则下一个数据将会显示在刚才设定的地址上，屏幕上两行的的起始地址分别从80及C0开始。1.3.2 LCD 接口设计本测控仪采用 80C196KC单片机作为 MCU 来控制 1602液晶显示，如图 3.6所示。该模块与 MCU 的接口采用间接访问方式，就是通过单片机
14、的 I/O口来控制液晶的显示。利用 80C196KC 单片机的 RD 口作为液晶显示的数据口。图3.6 液晶与 MCU 的硬件接口图由于该液晶模块是2行16个字的显示模块，第一行用来显示给定速度，第二行用来显示实际转速。1.4 速度给定电路速度给定采用一个44键盘输入。键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。按其结构中分为独立式键盘和矩阵式键盘。键盘的扩展也可以通过一些特殊功能的数字芯片，如各种移位寄存器等实现。虽然程序较为复杂，但占用的单片机的接口较少。简单的键输入电路每一个键都要占一位I/O线，当按键较多时，显得I/O利用率不高。在这种情况下，可采用矩阵式键盘机构。本文采用这种非编
15、码44矩阵式键盘，结构简单，且使用灵活。图3.7 键盘与单片机接口电路原理图1.5 看门狗MAX813L工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种 “跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。1.5.1 MAX8
