自动门控制装置伺服系统软件设计

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1、 自动门控制装置伺服系统软件设计摘要近年来，自动门己广泛应用于银行、酒店大型商场等场合。在国外，自动门的发展已相对成熟，在国内从事自动门行业的单位不在少数，但大多都是作为国外自动门代理商身份亮相，国内在自动门的自主研发上还处于初级阶段。 直流伺服系统在许多系统的应用日益广泛，而目前国内外的水平也有一定差距。由于永磁直流电机伺服系统的高精度、响应迅速以及大范围的速度伺服与位置伺服控制，因此永磁直流电机控制系统的研究已成为直流伺服系统研究的重点之一。作为自动门控制装置伺服系统的一部分,软件设计是在硬件的基础上构建出系统的主要流程图.本文主要围绕自动门伺服系统的软件设计展开研究，并附带介绍了硬件方面

2、的问题。全文主要分为三个部分，主要内容如下：1、简要描述了直流电机的数学模型，分析了电机的机械特性，并在此基础上大概介绍了PWM控制原理。2、为了更详细的在系统的硬件设计上，使用AT89C52单片机处理芯片，并辅以的专用直流伺服控制芯片HIP4080AIP组成直流伺服系统并详细介绍该系统的硬件设计，包括控制电源部分、检测电路、驱动电路，能耗和保护电路部分。3、详细介绍了自动门的功能以及实现这些功能的软件设计。包括单片机内部资源分配，数据的规格化处理；给出程序流程图和部分详细的子程序。关键词永磁直流电机；AT89C52；PWM控制系统Automatic door control unit ser

3、vo system software designAbstract In recent years, automatic doors have been widely applied in banks, hotels and other major shopping malls occasions. At abroad the development of automatic doors have been relatively mature, the domestic industry in the automatic doors of a few units, but most are a

4、utomatic doors as a foreign agent identity Appearance, automatic doors in the domestic independent research and development is still at an early stage Along with the unceasing development of modernized industry，the servo system is widespread in many systems application day by day .The higher perform

5、ance of the servo system is required .Permanent Magnet DC motor Servo system can achieve the performances of high accuracy, fast response, large-scale speed and position servo control , therefore the research on Permanent Magnet DC motor Servo system turn into the most important one in the study of

6、DC motor servo system Therefore permanent magnet DC motor control system of DC servo system has become one of the focuses of research. As the automatic door control device servo system as part of the software design is in hardware to build on the basis of the main flow chart. The paper will research

7、 the Software Design of Servo System, including three parts:1. Describe the maths model and control theory of Permanent Magnet DC motor, then it introduce the methods of timing and control system of PWM (pules width modulation).2. In this part ,it first describe the application otential and the basi

8、c component of the auto-door control system, and describe the hard ware designs it introduces the basic function and features of AT89C52 and HIP4080AIP , and the harewares , including control department; driving circuit; power-costing Circuit and protection part . It also design digital feed-back ci

9、rcuit.3. This paper describes realization software of the servo system detaily. Including: the design of the regulator , the control , the control strategy and the realization ; implement of roter initialization position to AT89C52 , and so on. In the whole process of software designing , the contro

10、l of power is the key and difficulties. Keywords Permanent Magnet DC motor ; AT89C52 ; PWM control system不要删除行尾的分节符，此行不会被打印43 / 48文档可自由编辑打印目录摘要Abstract第1章 绪论11.1 自动门控制系统概述11.2 课题研究的目的和意义11.3 课题研究的内容2第2章 直流电动机控制系统32.1 直流伺服电动机控制基础32.1.1 直流电动机的机械特性方程32.1.2 直流电动机的调速方法42.2 直流伺服电机的脉冲调宽调速系统42.2.1 PWM调速系统介绍

11、42.2.2 H型双极模式PWM系统52.2.3 型单极模式PWM系统52.3 速度反馈单闭环直流电动机控制系统62.4 本章小结7第3章 伺服系统硬件设计介绍83.1 硬件设计总体架构83.2 控制电路设计93.2.1 单片机的发展趋势93.2.2 AT89C52单片机概述103.3 存储器接口方法113.4 单片机外围电路123.5 驱动电路设计153.6 控制电源设计163.7 保护与制动电路173.8 光电隔离电路203.9 速度反馈电路203.10 本章小结21第4章 伺服系统软件设计224.1 编程思想总结和展望224.2 门宽自学习功能234.3 EEPROM的读写244.4 门

12、的运动过程254.5 电机的控制过程264.6 电机保护程序274.7 软件调试274.8 本章小结28结论29致谢31参考文献32附录33千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 自动门控制系统概述用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来

13、逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等伺服技术是跟踪与定位控制技术，是机电一体化技术的重要组成部分，它广泛地应用于数控机床、工业机器人等自动化装备中。随着现代工业生产规模的不断扩大，各个行业对电伺服系统的需求日益增大，并对其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驱动系统是工业先进国家竞相努力的目标，有着十分重要的现实意义。伺服系统的发展与伺服电动机的发展紧密相联。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构式。随着磁性材料的发展，利用稀土材料（铝镍钻、铷铁硼合金）制作的永磁式电动机其性能超过了电磁式伺服电动机。随着单片机技术的发展和提高，用单片机控制

14、的自动门也迅速发展。它是许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备的。自动门不仅仅可以美化出入口环境，还具有节能（空调）、防尘、隔噪音等功能。自动门工程在整个建筑投资中的比例虽然很小，但在建筑的日常使用和管理中却占有很重要的地位，是建筑智能化水平的重要指标。因此，自动门在国内外有很大的市场需求。世界上制造自动门的公司很多，国内常见的产品有德国的BLASL、瑞士的TORMAX、意大利的PA、荷兰的 BOONEDAM、日本的NA等等。欧美国家的产品功能繁多，性能可靠，其中以德国的产品性能最好，但这些产品价格偏高，操作复杂。鉴于以上情况，我们决定研制直流电机自动门控制系统。系统要求既要功能全面，能满足

15、中国用户的要求，又要使用户操作方便，更改设置方便，并且运行可靠，具有完整的自保护系统和故障诊断功能。我主要负责自动门控制中的软件部分，文章主要阐述了软件控制中的编程思想和流程。1.2 课题研究的目的和意义直流伺服控制技术广泛应用在军工、精密机床和机器人等工业部门。脉宽调制方式的直流调速系统可以使调速范围达到万倍以上，并具有优良的性能。随着电力电子技术、集成电路和计算机及微电子技术的日益发展，国际上已经进入一个全新一代技术产品的时代。近年来，我国在电气自动化领域的研究己取得可喜的进展，可是距离国外技术先进的国家还有一段距离。而且，随着各个领域的飞速发展，对伺服系统的要求也日益严格，不同的应用环境

16、对伺服系统的性能要求也不尽相同，对伺服系统又提出了许多特殊的要求：高速、高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力1。本课题的主要研究任务是针对自动门伺服驱动控制器，设计出一种基于单片机控制策略的直流伺服驱动系统。要解决的关键问题包括：驱动系统的实现，调节器的设计等，从而实现对永磁直流电机的控制。1.3 课题研究的内容本文分四个章节系统地阐述了所从事的课题研究工作，各章内容安排如下：（l）第一章绪论主要阐述了直流伺服系统的概况、发展趋势和国内研究状况以及本课题要研究的目的和需要解决的问题。(2) 第二章简要描述了永磁直流电机的数学模型、机械特性以及调速方法、PWM控制系统，闭环控制的稳态特性和动态特性

17、。(3) 第三章是关于系统硬件的设计，概括的论述了直流伺服控制系统的设计和制作。包括硬件设计总体架构、单片机控制电路、驱动电路、控制电源以及保护等各单元的设计。(4) 第四章详细介绍了系统软件设计的原理及实现，包括单片机初始化，控制信号程序，中断服务程序，并给出相应程序流程图，从而实现对永磁直流电机进行控制。在文章最后总结了本文所做的工作，并对下一步工作进行了展望。作为直流伺服系统发展的一种重要趋势，永磁直流电动机伺服系统的研究愈益受到人们的重视。第2章 直流电动机控制系统2.1 直流伺服电动机控制基础2.1.1 直流电动机的机械特性方程直流伺服电动机是系统的关键部件之一。直流伺服电动机有永磁

18、式和电磁式两种结构型式。随着磁性材料的发展，利用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机其性能超过了电磁式伺服电动机，目前已经被广泛的使用于机床电力进给驱动、工业机器人、计算机外围设备以及高精度伺服系统中。他励直流电动机的控制基础是建立在直流电动机的机械特性之上的。机械特性就是在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻都为常数时，电动机产生的电磁转矩和转速之间的函数关系。机械特性是电动机运行机械性能的具体表现，反映系统的静态和动态运行性能。可用转速特性方程式代替机械特性方程式。图2-1永磁直流伺服电动机驱动装置的等效结构圈在直流电动机的电枢绕组加上直流电压，电枢绕组中就有电流流过，则电动机的转子就产生电磁转

19、矩，电磁转矩的大小为： (2-1)式中, TM一电动机转矩，单位为Nm；KT一转矩系数，单位为Nm/A；ia一电枢电流，单位为A。当电机旋转后，转子导体在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，电动势的大小为： (2-2)式中 eg一反电动势，单位为V；Ke一电动势系数，单位为Vmin/rn一转子旋转速度，单位为r/min。由图2一1可知，直流电动机的电压平衡方程式为： (2-3) 式中ua一电枢电压（V）Ra一电枢回路总电阻（）由电压平衡方程和感应电动势公式，就可得到直流电动机的转速特性方程式为： (2-4)2.1.2 直流电动机的调速方法有些机械装置要求工作转速可以变化，例如刨床进刀刨削时，运行

20、速度要慢；退刀时速度要快。又如电车进站时，速度要慢；正常行驶时速度要快，等等，这就要求电动机能够调速。所谓调速就是自动的或人为地改变和控制电动机的转速，以满足工作机械变速的要求。对于调速的基本要求包括三个方面：l）调速范围，通常以最大转速对最小转速的比值来表示，称为调速比；2）调速的平滑性，如果在调速范围内，能在任意转速下稳定运行，称为无级调速，否则称为有机调速；3）经济性，包括设备投资和运行费用的高低，调速方法是否简单，运行是否可靠。从图2-1及公式（2-4）可知，直流电动机的调速方法有三种2：（l）改变电枢电压调速。保持磁通不变，改变电动机的电枢电压。该调速方法可以实现额定转速以下大范围平

21、滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。（2）弱磁调速。保持电枢电压不变，改变励磁磁通。弱磁调速对普通电动机的调速范围很小，不能超过2倍，一般只在额定转速以上调速时才采用此方案，而且往往与调压调速方法配合使用。（3）改变串接于电枢回路中的附加电阻。对于普通系统的电动机，可在电枢回路串电阻调速，理想空载转速不变，特性曲线斜率增加，电枢电阻越大，特性越软，因此不能实现平滑调速，而且调速过程中能量损耗特别大。2.2 直流伺服电机的脉冲调宽调速系统2.2.1 PWM调速系统介绍调节电枢电压调速是直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法。为了获得可调的直流电压，利用电力电子元件的可控性，利用脉宽调制

22、技术，将整流后的恒压直流电源，转换成幅值不变、频率不变，但是脉冲宽度（持续时间）可调的高频矩形波，给伺服电机的电枢回路供电，实现直流电动机电枢电压平滑调速，构成直流脉宽调速系统。通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的3。PWM调速系统的特点：（l）开关频率高：其频率可至2KHZ，比机械部件固有频率高很多，可以避开机械部分的共振点，不至于引起共振。（2）纹波系数低：即电流的有效值与平均值之比低，一般为1.005一1.01，几乎接近1。电枢回路的电抗，就足以将脉冲滤平，接近于纯直流。这样，以电流有效值计算的电机的发热量很小。（3）频带较宽：即系统能够响应的频率范围较宽，

23、因此，系统的动态特性好，有良好的线性，尤其是接近于零点时线性度好。（4）可在高峰值电流下工作：晶体管可以承受比较大的峰值电流，但必须限制在额定电流的两倍以内，这样可以保护永磁电机不至于退磁，延长电机电刷的寿命，减少电机发热。2.2.2 H型双极模式PWM系统 H型双极模式PWM的功率转换电路如图2-2所示。 它由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成。四个大功率管分为两组，v1和v4一组，v2和v3一组。同一组中的两个晶体同时导通，同时关断，两组晶体管之间是交替地轮流导通和截止的。亦即基极驱动信号Ub1= Ub4，Ub2=Ub3=Ub1。由于允许电流方向，所以双极模式工作时电枢电流始终是连续的4

24、。 H型双极模式PWM功率转换电路只需要单一电源供电，晶体管的耐压相对要求较低，缺点是电枢电压悬浮，不便于引出反馈。高压伺服电动机普遍采用H型电路。图2-2H型双极模式PWM功率转换电路2.2.3 型单极模式PWM系统图2-3 H型单极模式PWM功率转换电路图2-4 H型单极性驱动器波形 单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，电动机电枢只承受单极性的电压，图2-3是单极性可逆PWM驱动系统，Ub1-Ub4是四个晶体管的控制电压。从图2-4中可以看出开关管V1、V4并不时时导通，时间t从零到t1，Ub1与Ub4同为高电平，VI、V4导通，此时，Ub2，Ub3为低电平，V2、V3截至。从t1到t2

25、，Ub1与Ub3同为高电平，但此时V3不能直接导通，电枢电压通过VD3和V1续流，从而使V3承受反向的集电极一发射极电压。从t2到t3，Ub1与Ub4同为高电平，V1还导通，V4又导通，电枢电压为正；从t3到t4，Ub2与Ub4同为高电平，但V2不能导通，电枢反电动势使VD2导通，电流流经V4和VD2，电流下降。一个周期内，电流两次上升，两次下降。在每一个周期内有四个脉冲。2.3 速度反馈单闭环直流电动机控制系统 电动机开环运行时，静差率和调速范围很难满足生产机械和控制系统的要求，为了扩大调速范围，必须减小静态转速降落。按反馈控制原理组成转速闭环系统就是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速闭

26、环反馈是调速系统的基本反馈形式。根据反馈控制理论，采用负反馈控制可以有效地改善系统的控制性能。在电机的闭环控制中，调节器一般采用PI调节器。常规的模拟PI控制系统原理框图见图2-5。该系统由模拟PI调节器和被控对象组成5。图中，r(t)是给定值，y(t)实系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t) e(t)=r(t)-y(t) (2-5) e(t)作为PI调节器的输入，u(t)作为Pl调节器的输出和被控对象的输入。所以模拟PI控制器的控制规律为： (2-6)式中，为比例系数，为积分常数。图2-5 PI控制系统原理图比例调节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产

27、生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分调节的作用是消除静态误差。但它也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。2.4 本章小结本章从永磁直流电动机的数学模型入手，系统地论述了永磁直流电动机机械特性，介绍了直流电机调速的方法，在此基础上，重点介绍了PWM调速系统原理和闭环控制的性能和组成，为控制系统的设计打下基础。第3章 伺服系统硬件设计介绍单片机又称为微控制器，或称为嵌入式微控制器。单片机依靠其高的可靠性能和极高的性价比，在自动门控制系统中得到广泛的应用。下面详细介绍自动门控制装置的硬件设计。

28、3.1 硬件设计总体架构 自动门控制系统的功能，开关按键按下，自动门打开；开门传感器检测到开门信号，自动门打开：防夹传感器检测到信号，自动门打开。根据自动门的工作过程，可以得出自动门的状态。 无物体靠近门时，如果门处于开启状态，延时适当的时间以后以最佳速度曲线关闭门；如果门处于关闭状态，维持此状态。有物体靠近门时，控制器根据门的位置状态，获取相应的作用信号，决定门的动作： 1.门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度曲线打开门。 2.门处于半开状态，控制器应根据门当前所在的位置，以适当的速度驱动执行电机开门。 3.门处于开启状态，控制器使门保持开启状态。 正常开门关门过程中，我们把电机运

29、动都分成四个阶段：加速、高速匀速、减速、低速保持。电机首先从0初速度加速，直至最高速度V，维持一段距离，就开始减速，最后以超低速运动到终点，以尽量减少门对门框或对另一扇门的撞击。67相应的开门速度曲线如图3-1所示。图3-1自动门的开关门速度曲线 开门时：OA为低电压起动段，AB为低速运行段，BC为升压加速开门段，CD为快速开门段，DE为降压减速段，EF为低速运行段，FG为关电停车段。 关门时：GF为低电压起动段，FE为低速运行段，ED为升压加速关门段，DC为快速关门段，CB为降压减速段，BA为低速运行段，AO为关电停车段。 控制系统主要由单片机控制电路及其外围器件、电源部分、驱动电路部分组成

30、。系统框图如图3-2。 开关按键：检测开门信号电路。 红外信号：检测红外信号电路。 控制器部分：主要是单片机 驱动电路：扩大驱动功率以驱动270W的直流电机。 反馈电路：光电编码器，形成闭环控制电路。图3-2 系统原理框图3.2 控制电路设计3.2.1 单片机的发展趋势 自单片机诞生至今，单片机技术己经走过了20多年的发展历程。纵观20多年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。 目前，单片机内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上都有了很大的技术进步，表现出如下几大趋

31、势：1:可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是一种明显的走向。2:所集成的部件越来越多。NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象等部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了，如果从功能上它可以讲是万用机。原因是其内部己集成上各种应用电路。3:电压功耗越来越低。允许使用的电源电压范围也越来越宽。4:低噪声，速度快，最高达100MHz，可靠性高。为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。5:模拟电路结合越来越多。 单片机应用的意义不仅限于它的广阔的范围以及带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根

32、本上改变了传统的控制系统的设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已用单片机通过软件的方法实现了，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的推广和普及，微机控制技术必将不断发展，日益完善。更加充实8。3.2.2 AT89C52单片机概述 ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于推出Flash存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术，它率先将独特的Flash存储技术注入于单片机产品中。其推出的AT89系列单片机，在世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户欢迎9。AT89C52是美国ATMEL公司生产

33、的低电压，高性能。cmos8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256k byte随机存取数据存储器（RAM）。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51的指令系统及8052产品引脚兼容，32个可编程I/O口线、3个16位定时/计数器、三级加密程序存储器、低功耗空闲和掉电模式、片内置通用8位中央处理器（cpu）和Flash存储单元10。 引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：地 P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写

34、“1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。 P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸 收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4

35、个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在此期

36、间，当访问外部数据存储器时，将跳过两次信号。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。（）/Vpp：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H一FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。须注意的是，如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部存储器

37、中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上编程允许电源Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器的/内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器输出端11。3.3 存储器接口方法 门机控制系统需要将门宽参数长期可靠保存，即使重新加电工作，也能保证系统正常运行。早期普遍采用的是电池维持RAM供电以实现整机掉电后的数据保存。但这样做会由于电池本身的原因。如电池的使用寿命相对较短及某些恶劣环境高湿高温等）导致电池失效，而引起数据丢失的情况出现。同时电池体积相对较大，会严重限制某些电子产品的微型化设计。目前非易失性的数据保存方法多采用EEPROM。但EEPROM也有其弱点，一是擦次数有限（多为

38、10万次），二是定入速率慢，这样就限制了其在许多需要频繁更新数据且需高速传输数据场合中的应用。 要满足上述参数设置和保存的要求，系统参数应保存于电可擦除存储器EEPROM中，EEPROM采用Xicor公司的X24C44存储器。X2C44是Xicor公司开发的一种设计思想独特的非易失性存储器。这种器件将RAM和EEPROM制作在同一块芯片上。RAM存储阵列的各个bit与EEPROM存储阵列的各个bit一一对应，通过软件指令或外部输入能够使数据在两个存储阵列之间相互传送。其中的RAM存储阵列正常工作时能实现数据与外部芯片的随机存取功能，X24C44是一个8脚EEPROM芯片，内部共有32字节存储空

39、间，其内容通过三线串行接CI读写，写入的内容可保存十年，且可重写十万次以上。由于X24C44读写接口仅用三个引脚：时钟、数据输入和数据输出，存储空间足以满足本系统参数的容量要求，因而使用相当方便。单片机与EEPROM的硬件接线如图3-3所示。其中，引脚1为CS，是X24C44芯片的片选信号，为高电平有效；引脚2为CK，是芯片的时钟同步信号；引脚3为D1，是向芯片输入数据的信号线；D0是芯片输出数据的信号线。其操作过程可分为读出和写入的操作过程：首先，在时钟信号的同步下，单片机按串行位向芯片的Dl信号线发送操作命令和地址；然后，X24C44芯片按相应的命令进行处理，将数据输出到D0信号线，在时钟

40、信号的同步下，单片机可按位读入数据。图3-3 单片机与EEPROM的接口电路3.4 单片机外围电路 1.时钟电路。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互时间关系。 在AT89系列单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。可以利用单片机内部的振荡器产生时钟，只要在XTAL1和XTAL2两个引脚跨接晶体振荡器和电容，就构成了一个完整的振荡信号发生器。 2.复位电路。AT89C52单片机在

41、启动时需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作，因此要求系统的复位电路必须能够准确、可靠地工作。复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式，在本设计中采用具有上电自动复位和按键复位两种功能的复位电路，电路图如图3-4所示：AT89C52单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内部的施密特触发器中。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并且维持2个机器周期（24个振荡周期），则CPU就可以响应并将系统复位。因此要想保证单片机能够可靠的复位，在应用系统的电路设计中，就要使RST引脚保持10ns以上的高电平，使AT89C52能循环到复位

42、状态。当单片机复位后，也就是RST从高电平变成低电平后，AT89C52单片机就从0000H地址开始执行程序12。图3-4 复位电路复位以后AT89C52单片机的复位状态见表3-1。表3-1单片机复位状态表专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态 PC000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTH000H PSW00HTL000H SP07HTH100HDPTR000HTL100HP0-P3FFHSCON00HIPXXX0 000BSBUFXXXX XXXXBIE0XX0 00OBPCON0XXX 000B复位以后，P0口P3口输出为高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态；串行口S

43、BUF内为不定值，堆栈指针SP的值为07H，同时将程序计数器PC和其它特殊功能寄存器清0。但是，复位并不影响单片机内部的RAM状态。3.红外感应电路。根据传感器应用场合不同，感应的距离范围不同，可从几毫米到几米。对于自动门开关传感器，反射距离设定在几十厘米左右，因此探测的传感器选用FS-359F反射红外传感器，048W型封装。该封装形状规则，便于安装。红外传感器的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号。在使用约40mA的发射电流，没有强烈日光干扰探测距离能达20cm，基本满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了如图3-5的电路

44、形式：图3-5 红外传感器连接图图中红外传感器1作为开门信号检测器件，当检测到有物体时，给单片机开门信号；红外传感器2作为在关门过程中，检测是否有物体靠近。如果有信号，停止关门过程，重新打开。4.开关按键电路。门开关按键选用一般的按键开关，实现三个功能。A.优先开门按键：当触点1闭合时，优先开门信号有效。此信号有效时，即使关门信号有效也将控制门打开；若正在关门，则反开门至最大并保持在该位置。B.快关门按键：当触点2闭合时，快关门信号有效。此信号有效时，除优先开门信号有效外，不管其它信号是否有效，都将控制门机以最快速度关门。D.慢关门按键：当触点3闭合时，慢关门信号有效。此信号有效时，将不受光电

45、检测结果影响，控制门机慢速关闭。电路接线图见图3-6。图3-6 开关按钮检测电路3.5 驱动电路设计一:大功率开关管:常用的大功率可控开关管主要有大功率双极型晶体管（GTR）、大功率电力效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。功率MOSFET器件是一种单极性的电压控制器件，不但有自关断能力，而且有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全区域宽等优点。根据载流子的性质可以将功率管MOSFET器件分为两类，一类是N沟道类型；另一种是P沟道类型。为了提高功率MOSFET器件的耐压和电流容量，采用垂直导电的结构制作功率MOSFET器件，称为VMOSFET：VMOSFET的结构使得

46、器件实现了下述三项突破：1、垂直安装漏极，实现了垂直导电。这样不仅使硅片的面积得到充分的利用，基本实现了垂直传导漏源电流，而且有效降低了导通电阻，为获得较大的电流容量提供了前提保证。2、设置高电阻率的N型漂移区以帮助提高器件的耐压性能，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定。3、采用两次扩散技术代替光刻工艺实现高精度短沟道的制造，根据目前的水平，获得1-2m的沟道长度是可行的。短沟道能够降低栅极下端二氧化硅层的栅沟本征电容和沟道电阻，从而提高器件的工作频率和开关速度，并使输出特性具有良好的线性。本设计采用的功率MOSFET开关管为IR公司出品的IRF 530，该款器件的耐压为100V，电流容量为

47、17A，具有工作频率高、驱动容易的特点。二.驱动芯片介绍:现在的电机驱动电路往往要求体积小、重量轻、效率高、易操作，通常在苛刻的环境条件下，尤其在军工产品中，设计者非常希望尽可能地减少器件数量。HIP4080A以其自身的高集成度和完善功能成为组成电机驱动控制系统的理想选择方案。HIP4080A是高频H桥驱动控制电路家族H4080A中的一员，大部分设计都采用它的全桥布局技术，在绕线电机、步进电机、功放、电源逆变器驱动等领域有广泛的应用，电机驱动和功放能够有效利用H4080A内置比较器，HIP4080A是目前许多电机驱动方式中一种较先进驱动模式。三.驱动电路设计设计性能良好的驱动电路，可以使MOS

48、FET工作在比较理想的开关状态、缩短开关时间、减小开关功耗、提高功率转换电路的运行效率。MOSFET栅极驱动方式主要有变压器驱动法、直接驱动法和光祸隔离驱动法。变压器驱动法有利于驱动信号的隔离、驱动功率损耗很小，但限制了使用频率，不利于PWM信号的传输。直接驱动法适用于小容量的不加保护的MOSFET的场合。光祸隔离驱动法对光祸的要求较高，要求光祸速度快，绝缘耐压高于电源电压，共模抑制比大。3.6 控制电源设计电源模块的稳定可靠性是整个系统正常工作的重要保证，它的不稳定直接影响整个系统的无法正常工作甚至烧毁整个系统。本设计所需要的直流电源是小功率电源，将频率50HZ、电压220V的三相交流电转换

49、成幅值稳定的直流电压。单相直流电经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电源电压。设计中所要用到的电源有：单片机、7404、7408、FS-359F，X24C44等芯片供电电压5V；光电耦合器中的光敏三极管集电极上拉电阻的给定电压5V；HIP4080AIP的供电电压12V；直流电机的电枢供电电压42V。因此，电源设计的任务就是得到两个+5V，一个12V和一个+42V电压。 输入电压为220V/5OHZ，考虑安全因素，在整流滤波之前添加一个开关和保险丝。由于市电电压经常不稳定，这对整个系统带来不可靠因素，为此，在电源两端并接磁片电容和阻频电容，这个可以减少电压波动的影响。然后在整

50、个电路中串接一个遏流圈，不仅可以做低通滤波器，可以滤除输入电压中的高频部分，而且还可以起限制电流的作用，当电流过高时，遏流圈会烧毁。然后再串接一个热敏电阻，它的作用是，当电流增大时，电阻的阻值迅速增大，以限制电流的增大，然后再并接一个压敏电阻，它对后面的电路起着分流的作用，当电压增大时，它的电阻反而减少，从而分去的电流增大，使工作电流减少。如图3-7。图3-7电源部分电路图整流电路采用不可控整流桥整流，电路完全由不可控二极管组成，其直流整流输出电压和交流电源电压值的比是固定不变的；稳压电路采用集成化的三端稳压管7812和7805芯片稳压，分别稳压输出+12V和+5V的稳定电压；7812和780

51、5的输入端所加的电容，其作用是抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于1F，这里取0.1F；7805输出端所加的电容，其作用是消除输出电压中高频噪声，可取小于1F，也可取几微法甚至几十微法的电容。3.7 保护与制动电路控制板上的硬件保护电路主要包括过流保护、欠压保护以及过压保护电路，温度监测电路。1.能耗制动电路:由于主回路采用二极管整流桥产生直流电源，不可能将制动时电动机产生的能量回馈到电网，因此采用能耗制动方式。可以用一个与电动机并联连接的电阻，调整电机的制动特性。电阻中流过的电流最大值应大于电动机的额定电流。当改变电阻的大小时，电阻越小，制动电流越大，制动

52、转矩越大，从电源切断到电动机停止所用的时间也就越短。图3-8的能耗制动电路。当泵升电压达到一定值时，由单片机从P2.7口输出高电平信号触发Q1导通，使电动机制动时产生的能量消耗在制动电阻R1上。图3-8电机能耗制动电路2.过压欠压保护电路介绍:对于过压与欠压保护，都是通过检测直流母线电压，送单片机做判限处理，若电压高于或低于直流母线电压限值，则单片机停止PWM输出同时给出报警信号。其原理如图3-9所示。当母线电压正常时，经电压采样后，Udc大于基准电压值Uin，并经比较器和三极管Q2输出低电平信号，继电器线圈吸合，触点闭合把热敏电阻短接，主回路工作正常。当主回路发生欠压时，通过对母线电压采样后

53、，Udc小于基准电压值Uin，经比较器和三极管Q2后输出高电平信号使继电器线圈不吸合，触点断开，使主回路的电流流经热敏电阻，在短时间内把主回路断开，主回路不工作并向单片机发送高电平过压报警信号停止PWM输出，从而起到欠压保护作用。当主回路发生过压时，其原理与上述类似。图3-9 过压检侧电路 3.温度监测电路： 在功率驱动部分设置了温度监测电路监测驱动电路的工作温度。温度监测电路主要包括一片温度传感器和电压比较器，电路如图3-10所示。温度传感器LM45C，其封装为SOT-23，输出电压线性正比于环境温度（摄氏度）。LM45C无需任何外部校准或修正元器件就可以在一20到100全工作范围内达到士3

54、的精度，在室温下其精度为士20。它可以使用单电源供电，供电电压从4V到10伏，而消耗的电流仅为120A，因而其发热量非常小，在静止的空气中自身造成的温升不超过0.2。其输出线性因子为10mv/，即LM45C的输出电压为Vo=10mv/Xt，其中t为环境温度。LM45C的输出接到比较器LM2903的反相输入端，与一个固定参考电压相比较。环境温度较低时，传感器输出电压也较低，小于参考电压，比较器输出为高电平，反之，当温度升高到一定程度，传感器输出电压高于参考电压由电阻R18和R19分压得到，=R19/(R18+R19)=5X10/66=0.76V，对应的温图3-10温度监测电路度传感器温度为76。

55、也就是说当传感器周围的环境温度超过76将会采取保护措施，保障系统的安全。为了保证参考电压的准确，分压电阻R18和R19采用精度为1%的高精度电阻。4电源监测电路：电源是门机控制系统正常工作的重要保障，除了要产生稳定可靠的电源外，还要监视电源电压，防止电压过高或者过低。本门机控制系统中需要两个电源监视电路：一要监视MOSFET的供电电源，二要监视数字电路的电源，前者通过取采样电压输入到AT89C52芯片的A/D转换口来监视，还需要软件的支持。后者采用如图3-11为专用电源监视电路。 图3-11 5V电压检测电路MAX809L是一种专用于微处理器监视电源的芯片，它具有很好的可靠性和很高的性价比。当

56、Vcc的电压低于门限电压时，MAX809L输出一个复位信号到AT89C52的复位引脚RESET，使系统复位。MAX809L的门限电压为4.63V。这样可以监视电源，当电源电压过低时系统自动复位，保存现场的一些重要参数，如开、关门位置，门宽，开、关门速度等参数，以备电源恢复正常时使用，同时也可以防止系统突然调电对系统造成的损害。3.8 光电隔离电路 设计中，由于电机的控制信号直接由单片机产生，而直流电机的驱动电路直接引入42V的电压，而且电机的电枢电流脉动很大、电机起动冲击电流很大，如果电路发生问题，电流会直接流入单片机，对单片机造成损害，所以所有的控制信号必须由光电隔离器件进行隔离，实现弱电和

57、强电隔离，保证系统工作稳定，使系统有较强的抗干扰能力。这样即使电机电路出现问题，也不会对整个系统造成很大的损害。光耦的基本结构是将光发射器（红外发光二极管、红外LED）和光敏器（硅光电探测敏感器件）的芯片封装在同一外壳内，并用透明树脂灌封充填作光传递介质，通常将光发射器的管脚作输入端，光敏器的引脚作为输出端，当输入端加电信号时，光发射器发出的光信号通过透明树脂光导介质投射到光敏器后，转换成电信号输出，实现了以光为媒介的电光电信号转换传输，实现了电的完全隔离。3.9 速度反馈电路为了提高系统控制的精度，系统采用了闭环控制，用光电编码器作为反馈元件，它被安装在电机从动轮的转轴上，通过计算将门的实际

58、运动位置和运行速度反馈给单片机，单片机发现门的实际运动位置没有达到预定值，就补发脉冲，直到门的实际位置和预定值一致或相当接近为止。光电编码器是一种编码式数字传感器，它将测得的角位移转换为脉冲数字信号输出。光电编码器在电动机控制及机器人的位置检测等方面被广泛地利用。光电编码器的代码产生方式分成绝对式及增量式。实际中广泛采用的是增量式光电编码器。设计中用了安华高公司生产HEDS型光电编码器，输出两路正弦增量信号A和B，两路信号之间相差为90，直流电平4.5V。光电编码器安装在电机的轴上，通过计算脉冲的个数可以得出自动门的位置以及确定加速点、减速点的位置。通过计算脉冲的频率可以得出电机的当前速度。通

59、过判别A、B相位的超前或是滞后可以判断电机的运行方向。增量式光电编码器的计数鉴向方法很多，可通过软件方式，也可通过硬件电路实现。其鉴向计数原理基本一致，当编码器正转时，A相超前于B相90，当光电编码器反转时，B相超前于A相90。根据信号的状态转化可以判别出编码器的转向。计数有3种分频方式：不倍频（1）方式、二倍频（2）方式、四倍频（4）方式，1方式每个周期计数值加（减）1，2模式只在某一相上的任一次状态转换计数值加（减）1，4任一相的任一次状态的翻转，计数值加（减）11314。在实际低速工作状态下，由于编码器在光窗边缘停滞时间长或发生方向改变，可能会引起在某一相信号上的抖动。这种抖动脉冲脉宽时

60、间短，频率高。采用分频的方式不仅鉴向精度高，而且可以消除这种干扰。3.10 本章小结本章概述了永磁直流电机伺服系统的硬件设计，该系统使用了AT89C52处理芯片，并辅以英特索公司的高频H桥驱动控制芯片HIP4080组成直流伺服控制系统。本章详细描述了该系统的硬件设计，包括硬件设计总体架构、单片机控制电路、功率驱动电路、控制电源以及保护、采样电路、反馈电路等各单元的设计，以上所有工作为接下来的软件设计打下了基础。第4章 伺服系统软件设计伺服系统软件设计在系统的调试过程中使用的仿真系统是南京伟福公司的E200O，相应的仿真软件是伟福公司专门为单片机仿真系统设计的软件WAVE，它运行在Window操

61、作系统下，可以进行源程序输入、编译、下载、断点设置、逐步运行以及内部存储器监视等功能。我们整个系统的软件都采用汇编语言编写。汇编语言面向硬件，具有效率高，定时精确等特点，但是它的使用过于复杂，可移植性差。在软件设计方面，主要采用巡检的方式，对各个输入端口进行检测，检测到相应的信号时进行相应的处理。对一些重要信号（如电源、紧急停）的检测，采用定时中断方式，定时检测这些信号的情况。4.1 编程思想总结和展望 开始 读EEPROM 初始化N 全自动开门否Y 控制信号输入Y 是否光电检测清光电标志位YN 自学习 是否自学习NY 是否检测 测试N 运行相应程序4-1主程序流程图主程序流程图如图4-l所示

62、。首先是控制系统的状态初始化，如设置中断，设置堆栈，特别需要初始化HIP4O8O，防止开机时，由于控制电压欠压可能处于故障状态，所以需先使HIP4O8O禁止输出脉冲，再解除故障状态然后才进入保护状态。然后读出EEPROM中所设定的运行参数，EEPROM是一种特殊的非易失性静态ROM，它可以在系统掉电的情况下保存一些重要参数和存储一些非易失性数据，比如自学习过程中记录门的宽度等，并在系统掉电的情况下也能永久性保存下来。每次开机都要判断门机系统工作的场合。进入正常工作状态，首先判定控制系统是否接有阻碍光电检测，并进一步确定门机控制系统是自学习状态还是正常的开关门状态。这两种状态是门机运行的最基本和最重要的状态，其中的自学习功能，主要是自学习门宽的