一种基于8031单片机

摘要：采用单片机８０３１，定时器／计数器８２５４，ＨＥＦ４７５２等器件设计了ＳＰＷＭ变频调速系统，并对系统的工作原理，系统能达到的功能及其设计的方法进行了讨论。

关键词：变频;调速; ＳＰＷＭ; 逆变器; 频率; 电动机１系统组成与主电路简介(１)主电路：由三相桥式整流器、滤波器、三相逆变器及电流传感器ＩＥＭ组成三相交流电源经三相桥式整流后，得到脉动直流电压再经电容器Ｃ１，Ｃ２和均压电阻Ｒ１，Ｂ２组成储能滤波后，获得直流电压作为三相桥式逆变器的直流电源Ｖｄｃ。

ＳＰＷＭ驱动信号驱动逆变器的ＧＴＲ，逆变器输出频率电可调的三相ＳＰＷＭ波电压作为异步电动机的电源实现变压变频调速，在本设计中频率变化０－５０Ｈｚ对额定功率７．５Ｗ的异步电机供电。

电动机为三角形或星形接法额定电压２２０Ｖ／３８０Ｖ，额定电流２２．４ｖ／１７Ａ，过载能力＝２。

无滤波电容时Ｖｄｃ＝１．３５?觹３８０＝５１３Ｖ加滤波电容时Ｖｄｃ＝１．４１?觹３８０＝５３７Ｖ考虑电网波动＋或－０．１，Ｖ，ｄｌ＝５１９Ｖ在这种情况下，如果再出现电动机再生制动，则直流电压Ｖｄｃ＞５９１Ｖ，如果直流电压高于５１９Ｖ则直动电阻接通维持电压低于５１９Ｖ,电动机在星形接法时最大过载电流为３４Ａ采用ＨＥＦ４７５２产生ＰＷＭ。

要求逆变器的开关频率在６７５ＨＺ－１０００Ｈｚ之间，由上计算：三相桥式整流器选用ＲＭ２０７Ａ－２Ｈ功率整流模块，输出直流电流额定值为４０Ａ，重复峰值反压Ｖｒｒｍ为１６００Ｖ。

逆变器为２单元ＧＴＲ模块ＱＭ５０Ｄｙ－２Ｈ电流５０ＡＶｃｅｘ为１０００Ｖ，滤波电容器的选择。

理论上电容器的值越大越好直流电压Ｖｄｃ越平稳但容量大，体积大价格高、综合考虑选用两个２２００ｕＦ，若在电容两端的电阻Ｒ１Ｒ２各为２０Ｋ起均起作用。

同时电源关断。

起了电容器放电回路的作用。

（２）系统框图略可向作者索取。

２逆变器触发模块设计本触发模块考虑使用８０３１单片机作为中央单元，于８２５３型１６位可编程计数器／定时器８２５５可编程ＲＡＭ扩展器及ＥＰＲＯＭ待组成ＨＥＦ４７５２Ｖ的支持电路，如图所示。

８０３１主要完成控制工作，并向８２５３送时间常数、控制字。

８２５３分别产生ＨＥＦ４７５２所需要的Ｆｆｃｔ、ｆｖｃｔ、ｆｏｃｔ、和ｆｒｃｔ。

８２５５用于键盘输入和数码管显示。

控制系统采取开环控制，对于输出进度要求不高的系统，开环控制就够了。

特别是使用了ＰＷＭＩＣ，采用开环控制，使系统的硬件、软件设计均很简单，而且本系统还可以完成一些保护，检测功能，系统最后输出的鞋波次数很高，很容易率掉，因此，本触发模块具有很大的使用价值。

ＨＥＦ４７５２Ｖ各端口的连接ＨＥＦ４７２Ｖ的三个时钟输入、有８２５３的三个计数器给出，计数器“０”的输出端，接到ＨＥＦ４７５２Ｖ的ＦＣＴ时钟输入端，计数器“１”的输出端，接到ＨＥＦ４７５２Ｖ的ＯＣＴ和ＲＣＴ时钟输入端（以经济考虑，让ＯＣＴ频率等于ＲＣＴ频率）；计数器“２”的输出端杰到ＨＥＦ４７５２Ｖ的ＶＣＴ时钟输入端。

三个控制输入ｕ、ｖ、ｗ是为了生产器件做试验用的，在通常操作期间不用，因此把他们均接到数字地上。

相叙输入ＣＷ用来控制输出电压的相序，ＣＷ置高电平，相序为Ｕ、Ｖ、Ｗ，是正序，ＣＷ置低电平，相序为Ｗ、Ｖ、Ｕ是负序。

把８０３１的Ｐ１．４铜ＣＷ输入端相连，就可以利用软件来选择相序。

控制输入Ｉ的功能是决定逆变器的驱动输出是用于晶体管模式，还是晶闸管模式。

控制输入Ｉ（脚２５）的输入端接到８０３１的Ｐ１．５端，利用软件来选择是工作于晶体管模式还是工作于晶闸管模式。

控制输入Ｌ用来控制启动和停止，控制Ｌ的输入端接到８０３１的Ｐ１．３端。

Ｌ的高低电平也利用软件程序来选择。

在晶体管模式下Ｌ置低电平时，所有的主输出和换相输出全被封锁；而Ｌ置高电平时，解除封锁。

Ｌ的功能仅是封锁输出，所以当Ｌ置低电平时，产生输出信号的内部电平仍然继续运行。

１、８０３１寄存器结构８０３１内有多种专用寄存器。

专用寄存器主要用于表示当前要执行的内存地址、存放操作数和指示指令执行后的状态等等。

①程序计数器程序计数器ＰＣ是一个二进制１６位的程序地址寄存器，专用来存放下一条需要执行指令的内存地址，当一个指令码被取出执行后，ＰＣ自动加１，以执行下一条指令。

８０３１的ＰＣ的寻址范围是００００Ｈ－ＦＦＦＦＨ，共６４ＫＢ。

②累加器Ａ(Ａｃｃｕｍｕｌａｆｏｒ)累加器Ａ又记作ＡＣＣ，用来存放８位操作数与运算结果。

③通用寄存器Ｂ(ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＲｅｇｉｓｔｅｒ) 通用寄存器Ｂ是专门为乘、除法设置的寄存器，也是个二进制的８位寄存器，由８个触发器组成，当用于乘法或除法前，用来存放乘数或除数，在乘法或除法完成后用于存放乘积的高８位或除法的余数。

④状态寄存器ＰＳＷ(ＰｒｏｇｒａｍＳｔａｔｕｓｗｏｒｄ)ＰＳＷ是一个８位标志寄存器，用来存放执行指令后的有关状态。

ＰＳＷ通常是在指令执行后自动形成的，但同时也可以根据用户需要来加以改变。

⑤堆栈指针ＳＰ(ＳｔａｃｋＰｏｉｎｔｅｒ)ＳＰ是一个８位寄存器，能自动加１或减１，专门用来存放堆栈的栈顶地址。

它遵守“先进先出”或“后进后出”的规律。

我们用ＰＵＳＨ与ＰＯＰ命令来控制堆栈和出栈。

８０３１片内ＲＡＭ共有１２８字节，寻址范围为０００Ｈ－７ＦＨ，在这个区域的任何子域都可以用作堆栈区。

栈底地址是不变的，而栈顶地址是变化的。

当堆栈的数据越多，栈项地址越往ＲＡＭ后走。

在程序设计时应主动给可能的堆栈区空出若干区间。

要考虑堆栈的位置，以免与部分数据发生冲突。

⑥数据指针ＤＰＴＲ(ＤａｔａＰｏｉｎｔｅｒ)ＤＰＴＲ是一个１６位的寄存器。

ＤＰＴＲ可以用来存放片内ＲＯＭ的地址，也可以存放片外ＲＯＭ的地址和片外ＲＡＭ的地址。

２、８０３１存储器结构(１) 片内ＲＯＭ存储器８０３１内部没有ＲＯＭ存储器。

因此只能用片外ＲＯＭ。

(２) 片内ＲＡＭ存储器８０３１片内ＲＡＭ又称数据存储器。

８０３１片内有１２８字节的片内ＲＡＭ，地址范围是ＯＯＨ－７ＦＨ。

片内ＲＡＭ分为工作寄存器区、位寻址区和便笺区。

● 工作寄存器区(００Ｈ－１ＦＨ)这３２个ＲＡＭ单元共分为四组，每组占８个ＲＡＭ单元，分别用代号ＲＯ－Ｒ７表示。

由ＰＳＷ中的ＲＳ１与ＲＳＯ的状态决定工作在何组。

● 位寻址区(２０Ｈ－２ＦＨ)这１６个ＲＡＭ单元具有位寻址功能。

操作方便（表略）。

● 便笺区(３０Ｈ－７ＦＨ)便笺区共有８０个ＲＡＭ单元，用于用户存放数据和堆栈。

（３）特殊功能寄存器ＳＦＲ(ＳｐｅｃｉａｌＦｕｎｃｔｉｏｎＲｅｇｉｓｔｅｒ)８０３１的ＳＦＲ有２１个，如表略可向作者索取。

带?觹号的是表示可以位操作的寄存器。

３、片外程序存储器本设计采用２７６４作为片外程序存储器。

２７６４是６４Ｋ的ＥＰＲＯＭ存储器，可以紫外光擦写，可用编程器编入程序，因此应用比较方便。

当使用外部存储器时，应使８０３１的ＥＡ接地。

由于２７６４没有锁存功能，而Ｐ０口又是地址与数据双向总线，因此需要用７４ＬＳ３７３锁存器。

４、８２５５扩展芯片８０３１的Ｉ／Ｏ有Ｐ０－Ｐ３扩展接口，考虑到本系统需要监控的房间较多，所以需要扩展Ｉ／Ｏ口。

本试验采用８２５５Ａ芯片，可提供２４个扩展端，每组８位，共三组。

８２５５的Ａ、Ｂ、Ｃ口均为８位Ｉ／Ｏ数据口。

８２５５有以下三种工作方式：方式Ｏ(基本Ｉ／Ｏ方式)：方式０是一种基本的输入／输出方式，适用于无条件地传送数据的设备。

８２５５的三个口都可以方式０输入／输出。

方式０输出具有锁存功能，输入没有锁存。

ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ４－ＰＣ７可分别定义为方式０输入／输出，共有１６种不同的组合。

方式１(选通输入／输出方式)：方式１为选通输入／输出方式（具有握手信的Ｉ／Ｏ方式)，Ｃ口的某些位为状态控制线，剩下的线作为Ｉ／Ｏ线。

ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ口分为两组：Ａ组包括ＰＡ口和ＰＣ口的高４位，ＰＡ口可出编程设定为输入或输出ＰＣ口的高４位(ＰＣ４－ＰＣ７)则用来作为输入／输出操作的控制和同步信号，Ｂ组包括ＰＢ口和ＰＣ口的底４位，ＰＢ口可由编程设定为输入或输出，ＰＣ口的低３位(ＰＣＯ－ＰＣ２)则用来作为输入／输出操作的控制和同步信号。

ＰＡ口和ＰＢ口的输入或输出数据都被锁存。

方式２(双向选通Ｉ／Ｏ方式)：在方式２下，ＰＡ口为８位双向总线口，ＰＣ口的ＰＣ３－ＰＣ７用米作为ＰＡ口输入／输出的控制同步信号。

８２５５有２种控制字，即方式控制字和ＰＣ口置位／复位控制字。

１、方式控制字方式控制字的特征是最高位为１。

（表略）２、Ｃ口置位／复位控制字８２５５的ＰＣ口具有位（ｂｉｔ）操作功能，ＰＣ口置位／复位控制字是一种对ＰＣ口的位操作命令，直接把ＰＣ口的某位置成１或清０。

（表略）本设计中，为了使Ａ、Ｂ、Ｃ口均为输入，工作方式Ｏ，故其控制字为９ＢＨ。

５．８２５４控制芯片概述：８２５４具有三个独立的１６位计数器通道，使用单一５伏电源，是２４个引脚的双例直插式器件。

主要功能有：１．一片上有３个独立的１６位记数通道。

２．每个记数器都有可以按照二进制或二十一进制记数。

３．每个计数器的计数数率可高达２ｍｈｚ。

４．每个通道有６钟工作方式。

５所有的输入输出都与ＴＴＬ兼容。

６、ＨＥＦ４７５２Ｖ的工作原理ＨＥＦ４７５２Ｖ是英国Ｍｕｌｌａｒｄ公司采用ＬＣＭＯＳ技术制造的具有２８个引脚的芯片，他是用来产生ＰＷＭ逆变器的驱动信号的。

ＨＥＦ４７５２Ｖ的基本功能是提供输出驱动波形，以适当的次序区开笔逆变其中的开关器件。

这是靠交替的切换ＰＷＭＩＣ没橡树出口的上、下著述初步同时接通，使用一个互锁推迟间隔时间隔开上、下主输出的接通。

互锁推迟间隔时间的长短，由输入时钟ＯＣＴ和Ｋ来控制，二上、下主输出的切换被一个内部产生的控制信号控制，这个控制信号的电平变化引起原来输出高电平的著述出关掉，而发推迟间隔时间后，引起原来输出低电平的主驱动输出接通。

如图给出了ＨＥＦ４７５２Ｖ的引脚排列图。

它有１２个逆变驱动输出，３个控制输出，４个时钟输入，７个控制输入。

ＨＥＦ４７５２Ｖ各引脚的功能：(１)逆变器驱动输出引脚名称功能８ＯＡＭｌＡ相主输出１９ＯＡＭ２Ａ相主输出２１０ＯＡＣｌＡ相换相１１１ＯＡＣ２Ａ相换相２２２ＯＣＭｌＣ相主输出１２１ＯＣＭ２Ｃ相主输出２２０ＯＣＣｌＣ相换相ｌ９ＯＣＣｌＣ相换相２３ＯＢＭｌＢ相主输出ｌ２ＯＢＭ２Ｂ相主输出：１ＯＢＣ１Ｂ相换相１２７ＯＢＣ２Ｂ相换相２(２)控制输出引脚名称功能２３ＡＳＹＮＡ相同步信号２６ＶＡＶ模拟平均输出电压１８ＣＳＰ指示理论上的逆变开关频率(３)控制输入引脚名称功能２４Ｌ允许／禁止ＨＥＦ４７５２Ｖ输出２５１晶体管／晶闸管选择７Ｋ互锁推迟间隔时间选择５ＣＷ相序选择１３ａ试验信号１５ｂ试验信号１６ｃ试验信号（４）时钟输入及其它引脚名称功能１２ＦＣＴ控制输出频率率１７ＶＣＴ控制输出电压４ＲＣＴ控制最高开关频率６ＯＣＴ决定推迟时间间隔或最小脉冲宽度２８Ｖｏｄ电源１４Ｖｓｓ地参考文献[１]沈毅，韩瑶香，单片机控制变频调速系统，郑州纺织工学院学报，１９９９[２]胡乾斌等，单片微型计算机原理[３]薛钧义等，ＭＣＳ－５１／９６系列单片机微型计算机及其应用，西安交大出版。