８０９８單片機調速系統

王清良

有很多場所對轉速的精度要求較高，譬如，某些精密儀器、精密機床等。那末，怎樣解決轉速精度問題呢？除選用硬度特性較好的電動機外，電動機控制系統也是應該考慮的問題。比如，生產中常采用的滑差電動機調速系統、變頻變壓調速系統等。本文介紹的8098單片機直流電機調速系統，就是一種經濟實用的電動機控制系統。

整個電路組成框圖如圖1所示，其中晶振單元、復位單元、程序存儲與地址、數據分割單元是保證8098系統能夠運行的必要附屬部分；8255擴展單元是為8098更好地實現其功能而進行的擴展；其它各單元電路與8255擴展單元共同實現調速功能。

系統的控制原理

圖2為系統硬件圖。系統通過撥盤輸入給定轉速，由高速輸入口HSI1進行現行速度檢測，現行速度通過顯示器顯示。本系統通過現行轉速與給定轉速的差值占給定轉速的比例實現比例調節。通過外部輸入中斷EXINT口獲得同步輸入脈沖，計算出移相角和HSO各口的輸出時間，從而調節電動機的電壓。8255A接口的PA6控制運行，當PA6腳為高電位時系統即運行；PA6腳為低電位時系統處于等待狀態。系統通過檢測8255A接口的PA7腳電位的高低感知過電流，PA7腳為高電位時即進行過電流時間計算，把掃描PA7腳一次所用的時間進行累加，與給定允許過電流時間比較，累積時間大于允許時間，PWM即輸出高電位，使繼電器J1失電，斷開主電路；累積時間不到允許時間，即過流消失，系統將對時間累加寄存器清零。

1.系統的運行過程

系統給電后即工作，此時，接觸器J1閉合，主電路接通，系統掃描PA6腳的狀態，當開關K閉合時，電動機啟動，達到給定轉速。本系統能夠顯示電動機的現行轉速，需要改變轉速時，只需改變撥盤輸入值即可。整個運行過程中，系統一直對PA6腳的狀態掃描檢測，需停車時，斷開開關K即可。整個運行過程中，系統同樣對PA7腳掃描檢測，當PA7腳為高電位時，系統即認為過流故障，當故障時間超過允許時間時，系統通過PWM口輸出信號，并通過接觸器J1斷開主回路。

2.硬件電路簡介

（1）HSI1接口電路當電動機運行時，紅外發光二極管發出的紅外線經過電動機輪上的孔，照射在光敏三極管上，使光敏三極管飽和導通，輸出一個脈沖波形，經施密特觸發器整形，利用積分式單穩態觸發器使周期不等、脈寬不等的信號整形為周期不等、脈寬相等的一系列方波，由反相器輸出脈沖信號，這種積分式單穩態觸發器，具有較高的抗干擾能力，能很好地抑制尖峰脈沖。其原理框圖如圖3所示。

（2）PWM口輸出電路給定直流電源，接觸器J1的線圈即得電，接通主電路。7407是一個具有驅動功能的跟隨器。當系統停車或發生過電流時，PWM腳輸出高電位，7407接到PWM信號后，驅動發光二極管發光。TIL117是一個光電隔離元件，二極管發出的紅外線使光敏三極管飽和導通，接觸器J1失電，斷開主電路。圖中的二極管為接觸器J1的線圈提供一個快速放電通道，有利于保護電子元件。

(3)EXINT接口同步整形電路同步整形電路如圖4所示。當同步變壓器的Uuo作為同步電壓輸入至同步整形電路時，波形由正變負的瞬間，同步整形電路輸出一個脈沖。由于采用正反饋電路，使脈沖在過零點附近迅速形成，系統產生的信號接近同步信號，并以此作為六個晶閘管所需觸發脈沖的基準。由于兩個反向并聯二極管的作用，輸入電壓始終在0.7V以下，有利于減少功耗和延長電子元件的使用壽命。

（4）HSO口脈沖的產生和移相六路脈沖的波形如圖5所示，系統的輸出脈沖為寬脈沖，脈沖寬度為80度。六路脈沖分別由高速輸出端HSO.0～HSO.5產生。每個輸出端先輸出一個高電平，延時80度再變成低電平。每個脈沖的上升沿的電角度對應相應晶閘管的角。對于VT1管，上升沿位于同步脈沖的α+30度，下降沿則位于同步脈沖的α+30+80度。依此類推，C點為α+30+60度；D點為α+30+60+80度；E點為α+30+120度；F點為α+30+120+80度；G點為α+30+180度；H點為α+30+180+80度；I 點為α+30+240度；J點為α+30+240+80度；K點為α+30+300度；L點為α+30+300+80度。為了減少累積誤差，每次VT1管脈沖時間的計算以同步脈沖為基準，而不采用VT6管上升沿為基準。在設定觸發事件時，由于中斷屏蔽寄存器容納不下12個觸發事件，首先在EXINT產生同步中斷時，設定7個觸發事件，使第7個觸發事件既是圖中G點又產生中斷，帶出后面的5個觸發事件，從而使12個觸發點連貫起來，實現較準確的全控橋整流。CD4049是一個驅動功能的反相器。8098單片機通過HSO高速輸出端口輸出脈沖信號后，經CD4049提高驅動電流，再經TIL117光隔離，從LM386低頻功率放大器得到最后的輸出脈沖，這樣可以提高輸出脈沖上升沿陡度。

（5）8098單片機的功能擴展電路由于8098單片機內部功能部件不能滿足系統使用，所以，通過8098單片機的P3口、 P4口和WR腳、RD腳分別擴展了一片2732EPROM、1片8255A并行接口，2732用于存放程序，其片選端由P4.4給定。8098單片機又通過8255A接口擴展了撥盤輸入電路、控制信號電路和過電流檢測電路以及現行速度顯示電路。集成電路74LS373是一個8位數據鎖存器，用于8098單片機P3口的地址和數據分割，P4.6是8255A的片選，BCI 8718、74LS145在電路中起隔離和驅動作用，所選用的撥盤開關為8421制，撥盤1、撥盤2、撥盤3分別代表給定輸入的個位數、十位數、百位數，它們組合的最大數據為999，最小數據為零。開關K為一個單刀雙擲開關。當K擲于電源端時，系統開始運行；當K擲于接地端時，系統即停止運行。與PA7腳相連的是過流繼電器J2的一對接點。當系統過電流時，J2的常開接點閉合，常閉接點斷開，系統記錄過電流時間；當系統不出現過電流時，J2的常開斷開，常閉接地，PA7腳為低電位，系統正常運行。用七段碼顯示器來顯示現行速度，七段碼顯示器組合的最大顯示值為999 n/min，最小顯示值為0。

（6）8098單片機的振蕩電路、復位電路 本系統的復位電路具有上電自動復位和按鍵AN復位的功能。它能使8098單片機和8255A接口同步復位。按鍵復位原理如下：正常情況下1μF電容器的正極充電，使與它相連的7406輸入端為正，即處于高電位，于是它的輸出端為低電位，再經過一個7406非門電路后，輸出為高電位，此時復位無效。當按下AN鍵時，1μF電容器迅速放電，使7406輸入端接地，處于低電位狀態，經兩個7406非門電路后，RST仍處于低電位狀態，此時復位有效。自動復位電路原理為：正常情況下，RST處于高電位，即復位無效狀態，斷開后，RST仍保持原狀態，當重新上電時，由于51kΩ電阻的影響，1μF電容器需要較長的充電時間，使第一個7406輸入端暫時處于低電位，它經非門輸出一個低電位至RST端，使系統復位，二極管1N4148為復位電容在掉電的情況下提供一條迅速放電的通路，這樣可使芯片在反復上電的情況下得到可靠復位的保證。8098單片機的外部振蕩電路設定為12MHz晶振，由于8098內部不設程序存儲器。因此EA腳接地。

主電路簡介

KK開關是一個刀熔開關，在主電路中，當設備長期不運行或停電檢修時，KK開關可以斷開主電源與其它部分的連接，起安全隔離作用。同時，由于KK開關帶有熔斷器，在設備運行中，又有短路保護的作用。J1為接觸器，在給定12V直流電源后，接觸器J1的線圈得電，常開觸點閉合，接通主電路；當得到PWM輸出的高電平信號時，接觸器J1的線圈失電，常開接點斷開，同時斷開主電路。J2是一個過電流斷電器，它的線圈并接于CT的端子上，當系統過電流時，一次電流反應到電流互感器CT的二次側，使過電流繼電器J2動作，PA7腳處于高電位，這時程序開始積累過電流時間，隔離變壓器主要是將直流電路與系統以外的其它電路隔離開來，以免影響其它電路的供電質量，同時，當主電源的電壓不符合直流電動機的額定電壓時，可以通過選擇變壓器來實現電動機所需要的直流電壓。采用的整流電路為三相全控橋式，每個晶閘管的觸發電路直接接于8098單片機高速輸出口給出的觸發端上。加裝平波電抗器，由于大感負載的存在，使系統在制動過程中呈現逆變狀態，這有利于快速制動，也有利于實現系統的跟隨性。

系統抗干擾措施

本系統為常年運行的控制裝置，采用轉速反饋控制的閉環系統，本身具有良好的抗擾性，為保證系統的可靠性和穩定性，又采取了其它一些抗干擾措施，具體有以下幾點：

（1）適當布局，合理走線和正確接地，對強電輸出部分進行隔離和屏蔽，現場輸出信號也采用了光電隔離和驅動措施。

（2）交流電源使用雙層隔離變壓器，對各主要芯片采用獨立穩壓電源供電。

（3）系統在斷電后，能夠自動復位，重新運行。

軟件編程

圖6、7、8、9給出了軟件流程圖，在本刊的網站上給出了源程序，供讀者參考。