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實(shí)驗(yàn)一轉(zhuǎn)速測量與控制(一)
由速度傳感器可以將測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)整形
放大后送到CPU。CPU將采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的算法處理后，送給D/A轉(zhuǎn)換芯片，該芯片將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出，模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大后，由弱電變?yōu)閺?qiáng)電，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。另外CPU與外界的交互通過I/O接口來實(shí)現(xiàn)。
硬件電路設(shè)計(jì)原理
1）信號(hào)產(chǎn)生與放大整形
①速度傳感器
轉(zhuǎn)速傳感器將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，作為輸入。
本實(shí)驗(yàn)中采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，其工作原理是：利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)圓周上有均勻分布小孔的圓盤來控制發(fā)光二極管的光強(qiáng)，使光的強(qiáng)度呈周期性變化。光電二極管的回路電流也呈周期性變化，頻率f=N/60×360=6N Hz，其中N為轉(zhuǎn)速，單位為 R/min。
②信號(hào)整形放大
信號(hào)整形放大部分用于將傳感器輸出的幅值較小的電壓信號(hào)進(jìn)行放大整形，使其信號(hào)電壓與芯片驅(qū)動(dòng)電壓相匹配，并除去部分干擾，使輸出波形為方波的形勢。
本實(shí)驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)、光電傳感器、信號(hào)放大整形電路都集成在一起，封裝于一個(gè)圓柱形容器內(nèi)。輸出的信號(hào)經(jīng)過經(jīng)過反向器和緩沖器后輸送給82C50單片機(jī)T0管腳。
2）數(shù)據(jù)采集與處理
電路板上有一個(gè)由555集成定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，提供1秒鐘的定時(shí)，來控制74HC244緩沖器的通與斷，這樣單片機(jī)計(jì)數(shù)器一次所累積的數(shù)即為脈沖頻率，經(jīng)換算后可得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
①單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
555定時(shí)器是一種多用途的時(shí)基電路，只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮�、電容，就可以�?gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。
輸出電壓高電平的時(shí)間取決于RC的充電時(shí)間。
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號(hào)，控制緩沖器74244的通斷，測得的電壓信號(hào)通過緩沖器接到8052的T0端口。在這里緩沖器起到了增加驅(qū)動(dòng)、消除干擾的作用。
②單片機(jī)
本實(shí)驗(yàn)所用CPU為8052，如上圖，當(dāng)為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器命令。當(dāng)為低電平時(shí)，CPU實(shí)行片外程序存儲(chǔ)器命令。
在本實(shí)驗(yàn)中單片機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、與鍵盤顯示的交互控制、以及直流電機(jī)的控制。
3）鍵盤與顯示部分
①I2C串行總線接口7290
ZLG7290芯片功能強(qiáng)大，I2C 串行接口提供鍵盤中斷信號(hào)方便與處器接口并可驅(qū)動(dòng)8 位共陰數(shù)碼管或64 只獨(dú)立LED 和64 個(gè)按鍵。因?yàn)閆LG7290采用I2C串行總線，而AT89C52內(nèi)部沒有集成I2C總線接口，因此利用軟件模擬I2C總線接口功能。本實(shí)驗(yàn)中采取的是24個(gè)管腳的封裝形式。
如前所述， 7290的SDA、 SCL管腳與8052P10、P11口相連，中斷管腳與8052的INT0相連，Dig0—Dig8連接LED 顯示位驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描線；Seg0—Seg8連接LED 顯示段驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描線 OSC1、OSC2管腳接外部晶振，RES腳接上電復(fù)位電路。
②鍵盤及數(shù)碼管
數(shù)碼管的左四位顯示數(shù)值為當(dāng)前所處狀態(tài)，右四位顯示數(shù)值為對(duì)應(yīng)狀態(tài)的數(shù)值。以數(shù)值表示的狀態(tài)含義如下：
0101――當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速
0102――設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速
4ⅹ4鍵盤布鍵如下：
測量當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，則按一下“電機(jī)”鍵，數(shù)碼管右四位即表示當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速；若要改變轉(zhuǎn)速，則按一下設(shè)置鍵，這時(shí)，數(shù)碼管左四位顯示“0102”，即可進(jìn)行設(shè)置轉(zhuǎn)速，設(shè)置好后再按“確定”鍵。再按一次“電機(jī)”鍵，即可看到電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，再按一次又回到設(shè)置轉(zhuǎn)速；設(shè)置時(shí)如想修改，按“取消”，即可重新輸入設(shè)置值（設(shè)置值500－2500R/M，否則無效）。
4）、控制電路
①D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5618
12位雙通道串行接口；可編程設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)間，高速模式下為2.5us，低速模式下為12us；89C52將保存的設(shè)置預(yù)期轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出到5618的SDI端，從SDI端輸入的數(shù)字信號(hào)經(jīng)TLV5618轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，由OUTB端輸出，經(jīng)放大后作用于直流電機(jī)，達(dá)到閉環(huán)控制目的。
②信號(hào)放大器
直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流和電壓都比較大，而D/A輸出的信號(hào)電壓和電流比較小，電壓范圍為0－5V，不能直接驅(qū)動(dòng)，中間要經(jīng)過電壓、電流放大。原理圖如下：
針對(duì)ZLG7290的I2C總線讀寫程序如下：
/*頭文件說明*/
#include <AT89x52.h>
#include <Intrins.h>
#include <math.h>
/*定義8052的端口*/
#define iscl P1_1
#define isda P1_0
#define sdi P1_2
#define sdo P1_3
#define sclk P1_4
#define rd1 P3_5
/*指針定義*/
unsigned char xdata *p=0x8001;
unsigned char xdata *adp=0x8004;
unsigned char s=1,num=1,need=1,new=0,lp=1; /*the number of project */
unsigned char display[]= /* display array */
{0,0,0,0,1,1,3};
unsigned int r1,r2=0,r3=0x0; /*rotate speed r1測量所得溫度,r2設(shè)置所得溫度*/
unsigned char f1=0; /* times and congiguration flag ,設(shè)置完溫度完成標(biāo)志 f1=1*/
unsigned int bri=0; /* the value of configuration 設(shè)置值*/
unsigned char m1=0; /* 設(shè)置值的最大位數(shù) */
/*延時(shí)*/
void delay_ms(unsigned int x)
{
unsigned int i,j;
for (i=0;i<x;i++)
{j=108;
while (j--);
};
}
/*延時(shí)*/
/*I2C總線的操作*/
void i2cwait(void) reentrant
{
_nop_();
}
void i2cinit(void) /*i2c總線的初始化*/
{ isda=1;
iscl=1;
}
void i2cstart(void) /*i2c總線啟動(dòng)，在串行時(shí)鐘iscl為高電平時(shí)，串行數(shù)據(jù)isda出現(xiàn)一個(gè)下降沿*/
{
isda=1;
iscl=1;
i2cwait();
isda=0;
i2cwait();
iscl=0;
}
void i2cstop(void) /*i2c總線停止，在串行時(shí)鐘iscl為高電平時(shí)，isda出現(xiàn)一個(gè)上升沿*/
{
isda=0;
i2cwait();
iscl=1;
i2cwait();
isda=1;
//i2cwait(); /*加兩條語句，保證串行時(shí)鐘iscl為低電平，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，即isda只能在iscl為低電平期間改變*/
//iscl=0;
}
unsigned char i2csentbyte(unsigned char b) /*發(fā)送一個(gè)字節(jié)*/
{
unsigned char i,ack=1;
for (i=0;i<8;i++)
{
if (b & 0x80) /*i2c總線，先發(fā)送最高位（總共八位），通過&運(yùn)算測試最高位*/
isda=1;
else
isda=0;
b<<=1;
i2cwait();
iscl=1; /*在串行時(shí)鐘iscl為高電平期間，串行數(shù)據(jù)isda線上的數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，否則被認(rèn)為是啟�？刂菩盘�(hào)*/
i2cwait();
iscl=0;
i2cwait();
};
isda=1; /*代替接收方發(fā)送一個(gè)應(yīng)答位，這種情況出現(xiàn)在CPU發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)*/
i2cwait();
iscl=1;
i2cwait();
ack=isda;
iscl=0;
i2cwait();
return ack ;
}
void sendacknowlege(unsigned char ack) /*在每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答位,由接收方發(fā)送*/
{
isda=ack;
iscl=1;
i2cwait();
iscl=0;
i2cwait();
}
unsigned char i2creceivebyte(void) /*接收一個(gè)字節(jié)*/
{unsigned char i,a=0;
for (i=0;i<8;i++)
{
iscl=1; /*在正常數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)下，iscl的高電平都對(duì)應(yīng)于isda的穩(wěn)定數(shù)據(jù)狀態(tài)*/
i2cwait();
a<<=1;
if (isda==1)
a|=0x01; /*通過按位或|和按位與&及循環(huán)運(yùn)算，將數(shù)據(jù)讀出并賦給變量a*/
else
a=a&0xfe;
iscl=0;
i2cwait();
};
return a;
}
void writecmd7290(unsigned char i,unsigned char k) /*ZLG7290寄存器映象控制*/
{
EA=0; /*CPU屏蔽所有的中斷申請(qǐng)*/
delay_ms(1);
i2cinit();
i2cstart();
i2csentbyte(0x70); /*ZLG7290的從地址為70H*/
i2csentbyte(i);
i2csentbyte(k);
i2cstop();
EA=1; /*CPU開放所有的中斷申請(qǐng)*/
}
void writedata7290(unsigned char i,unsigned char k) /*ZLG7290命令解釋控制*/
{
EA=0; /*CPU屏蔽所有的中斷申請(qǐng)*/
delay_ms(1);
i2cinit();
i2cstart();
i2csentbyte(0x70); /*ZLG7290的從地址為70H*/
i2csentbyte(0x07); /*命令緩沖區(qū)0地址*/
i2csentbyte(i); /*寫命令緩沖區(qū)0*/
i2csentbyte(k); /*地址自動(dòng)增加，寫命令緩沖區(qū)1*/
i2cstop();
EA=1; /*CPU開放所有的中斷申請(qǐng)*/
}
unsigned char read7290(unsigned char i)
{unsigned char x=0;
EA=0; /*CPU屏蔽所有的中斷申請(qǐng)*/
delay_ms(1);
i2cinit();
i2cstart();
i2csentbyte(0x70); /*ZLG7290的從地址為70H*/
i2csentbyte(i);
i2cstart();
i2csentbyte(0x71); /*71H ?*/
x=i2creceivebyte();
sendacknomlege(0x1);
i2cstop();
return x;
// EA=1; /*中斷開放在后邊的中斷子程序執(zhí)行完之后才開放*/
}
/*I2C OPERATION 2*/
/* 5618 operation */
void write5618(unsigned int k)
{unsigned int i,j;
EA=0; j=k; /*CPU屏蔽所有的中斷申請(qǐng)*/
P1=P1&0x5f; /*5618地址，使能芯片*/
_nop_();
for (i=0;i<16;i++) /*發(fā)送2字節(jié)數(shù)據(jù):高四位是編程位，低12位是需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)*/
{
if (j&0x8000)
sdi=1;
else
sdi=0;
j<<=1;
sclk=0;
_nop_();
sclk=1;
};
_nop_();
_nop_();
P1=0xff; /*使能結(jié)束*/
EA=1; /*CPU開放所有的中斷申請(qǐng)*/
}
/* 5618 operation */
/*initial COUNTER0*/
void init_time0() /*初始化計(jì)數(shù)器0*/
{ TMOD=0x85; /*T0:不受外部引腳控制，外部事件計(jì)數(shù)方式，工作方式為方式1，16位計(jì)數(shù)器*/
TH0=0; /*加計(jì)數(shù)寄存器高八位為0*/
TL0=0; /*加計(jì)數(shù)寄存器低八位為0*/
TCON=0x10; /*中斷控制寄存器：計(jì)數(shù)器運(yùn)行控制位TR0=1;外部中斷源觸發(fā)方式控制位IT0=0,電平觸發(fā)*/
}
/*initial COUNTER0*/
main()
{ unsigned int temp,t3=0xc100;
unsigned char i=0;
IE=0x95;IP=0x01; /*IE:EA=1中斷開放，ES=1允許串口中斷，EX1=1,EX0=1外部中斷1,0允許*/
/*IP:PX0=1 外部中斷0定義為高優(yōu)先級(jí)中斷*/
P1=0xff;P3=P3|0x30; /*端口初始化：P1為高電平；P3_5＝1讀AD7865信號(hào)無效，P3_4＝1*/
init_time0();
/*initiate 5618*/
write5618(0x4000); /*設(shè)置DAC B為輸出，選擇快速模式*/
write5618(0xc000); /*設(shè)置DAC A為輸出，選擇快速模式*/
/*initiate 5618*/
/* motor measure start */
P1=P1&0x3f; /* triger 555 電機(jī)測速使能*/
_nop_();
P1=0xff;
/* motor messure start */
/*7290*/
writedata7290(0x65,0); /*按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令：第五位顯示'0'，不閃爍，小數(shù)點(diǎn)不點(diǎn)亮*/
writedata7290(0x67,0); /*按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令：第七位顯示'0'，不閃爍，小數(shù)點(diǎn)不點(diǎn)亮*/
/*7290*/
while(1)
{
/*display*/
if (need==1) /*初始need=1，被顯示的數(shù)據(jù)更新后need=1，做為顯示更新標(biāo)志need=1*/
{ writedata7290(0x64,display[4]); /*按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令：初始第四位顯示'1'，不閃爍，小數(shù)點(diǎn)不點(diǎn)亮*/
writedata7290(0x66,display[5]); /*按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令：初始第六位顯示'1'，不閃爍，小數(shù)點(diǎn)不點(diǎn)亮*/
writecmd7290(0x13,0x0); /*初始向顯示緩存寄存器DpRam3寫0，即第三位不點(diǎn)亮*/
writecmd7290(0x12,0x0); /*初始向顯示緩存寄存器DpRam2寫0，即第二位不點(diǎn)亮*/
writecmd7290(0x11,0x0); /*初始向顯示緩存寄存器DpRam1寫0，即第一位不點(diǎn)亮*/
for (i=0;i<display[6];i++)/*初始第零、一、二顯示'0'，不閃爍，小數(shù)點(diǎn)不點(diǎn)亮*/
writedata7290((0x60+i),display[i]);
need=0;
};
/*display*/
/* read speed and temperature and electricity*/
i=*p; /*7865狀態(tài)地址（只讀）：0x8001 */
if(!(i&0x08)) /*電機(jī)一次測速完成時(shí)執(zhí)行*/
{
r1=TH0;r1=(r1<<8)+TL0; /*將計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)值賦給r1*/
r1=(int)(r1*3/10); /*?*/
TH0=0;TL0=0;EA=0; /*將計(jì)數(shù)器清零，為下次計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備；關(guān)閉中斷*/
P1=P1&0x3f; /* triger 555 電機(jī)測速使能*/
P1=0xff;EA=1; /*測速使能完成；開放中斷*/
if(!(new&0x80)) /*初始new=0*/
if(num==1) /*初始num=1*/
new|=0x01; /*new=1*/
};
if(f1) /*初始f1=0；設(shè)置完溫度后 f1=1 */
{f1=0; r3=(3*r2/2);
if(r3>0x0fff) /*D/A變換器是12位的*/
r3=0x0fff;
};
if ((r2>r1)&&(r3<0x0ff9))
r3=r3+4;
if ((r2<r1)&&(r3>0x05))
r3=r3-4;
write5618(r3+0x4000); /*轉(zhuǎn)速控制,設(shè)置DAC B為輸出，選擇快速模式*/
/*update display array*/
switch(s) /*初始 s=1*/
{
/*測速情況*/
case 1:display[5]=1;
if(num==1) /*num=1 0101――當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速*/
if (new&0x01) /*（初始new=0x03；）設(shè)定轉(zhuǎn)速后new=0x01*/
{new&=0xfe;i=0; /*將new清零*/
display[4]=1;
display[0]=0;
need=1; /*數(shù)碼顯示更新標(biāo)志，下次循環(huán)時(shí)，將改變數(shù)碼管顯示的值*/
temp=r1;
while (temp!=0) /*將個(gè)、十……為依次放入數(shù)組display[i]的前幾位*/
{display[i]=temp-(int)(temp/10)*10;
temp=(int)(temp/10);i++;
};
if(i==0) i=1;
display[6]=i; /*數(shù)組的第六位代表所存數(shù)字的位數(shù)*/
};
if (num==2) /*0102――動(dòng)態(tài)顯示設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程*/
{if (new&0x08) /*設(shè)置速度時(shí)new=0x88*/
{need=1;new=0x80; /*顯示更新標(biāo)志need置1*/
/*將new置0x80,防止設(shè)置間隙時(shí)，此段程序繼續(xù)執(zhí)行，提高效率*/
display[4]=2;
display[0]=0x40; /*?*/
temp=bri;i=0;
while (temp!=0)
{display[i]=temp-((int)(temp/10))*10+0x40;
temp=(int)(temp/10);i++;
};
if(i==0)
i=1;
display[6]=i;
};
if (new&0x01) /*顯示設(shè)置結(jié)果：“確定”顯示新設(shè)置的值，“取消”顯示上次設(shè)置的值*/
{need=1;new&=0xfe; /*將new清零，顯示更新標(biāo)志need置1*/
display[4]=2;
display[0]=0x0;
temp=r2;i=0;
while (temp!=0)
{display[i]=temp-(int)(temp/10)*10;
temp=(int)(temp/10);i++;
};
if(i==0)
i=1;
display[6]=i;
};
};
break;
};
/*update display array*/
};
}
void ext0() interrupt 0 using 3 /*外部中斷0中斷服務(wù)函數(shù)：鍵值處理*/
{
unsigned char b=0;
delay_ms(40);
{
b=read7290(0x01); /*讀鍵值寄存器的值*/
switch(b)
{/*鍵盤：電機(jī)鍵*/
case 33:new=0x01;//new=new&0x67;
if(s==1)
{if (num==1)
num=2;
else
num=1;}
else
{s=1;num=1;
};
break;
/*鍵盤：溫度鍵*/
case 34:new=0x02;//new=new&0x67;
if (s==2)
{if (num==1)
num=2;
else
num=1;}
else
{s=2;
num=1;
};
break;
/*鍵盤：電量鍵*/
case 35:new=0x04;//new=new&0x67;
if (s!=3)
{s=3;
num數(shù)： A=K2/K1=4.89
轉(zhuǎn)速曲線：Vm+ = 0.0077R + 0.87
VoutB =0.0016R + 0.52
1、轉(zhuǎn)速R與控制電壓VoutB關(guān)系曲線
2、轉(zhuǎn)速R與電機(jī)控制電壓Vm關(guān)系曲線
實(shí)驗(yàn)心得
通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使我對(duì)測速傳感器的工作原理有了一定的了解，并掌握了硬件電路的基本原理，以及軟件的設(shè)計(jì)方法。
硬件電路中，用到了許多以前沒有接觸的芯片，如7865，7290，5618等等，對(duì)于它們的使用方法，必須從頭學(xué)起，閱讀英文的說明書，雖然頗費(fèi)一番工夫，但在了解芯片的用法的同時(shí)，更提升了我閱讀英文參考資料的能力。
從老師所提供的完整的電路圖中，抽取出各個(gè)部分的電路圖，就是建立在
對(duì)實(shí)驗(yàn)原理框圖的掌握和對(duì)芯片的了解的基礎(chǔ)上的。
分析軟件電路時(shí)，用到了單片機(jī)的知識(shí)，由于程序均為用C51編程的，這就不得不在溫習(xí)、學(xué)習(xí)一下這方面的知識(shí)。C51特定的函數(shù)，以及一些控制字的寫入，中斷程序的設(shè)定，與外部器件的接口，都必須叫熟練的掌握，為此我在寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，又參閱、學(xué)習(xí)了一些單片機(jī)的書籍。通過學(xué)習(xí)使我對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用有了更深一步的了解。
最后，將實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，用MATLAB語言畫出擬合的曲線，從曲線上可以明顯看的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否。
感謝張老師的指導(dǎo)，老師在講解實(shí)驗(yàn)原理時(shí)是那么的清晰、細(xì)致，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)
時(shí)是那么的耐心，這為我完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告、掌握知識(shí)，提供了極大的幫助。
這次實(shí)驗(yàn)使我受益匪淺
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