基于单片机的模糊控制技术摆动式球磨机控制系统毕业设计论文.doc

摘摘 要要 超微细粉碎技术是在伴随纳米技术和新材料而发展起来的一项新的粉碎加工技 术，随着现代工程技术的发展，许多基础工业对超微细粉末的粒度、粒度分布、粒 形等特性提出了更高的要求。如何突破物料的“粉碎极限”已成为制备超微细粉末 的关键技术。针对被控对像具有非线性、多变量强耦合、不确定性和大滞后以及获 得精确数学模型困难的特点，设计了模糊控制器。本系统经过设计、安装和现场调 试，能够快速的突破物料的“粉碎极限” ，取得较好的加工效果。 关键词关键词 超细粉末加工；模糊控制；单片机控制系统；球磨机 Abstract：The ultrafine comminution technology is a new smashing processing technology which developed with the nanotechnology and the new materialAs the modern institute technology developing ,lots of basic industry missions higher requirement to the ultrafine comminutions granularity 、granularity spread 、graininess and so on .How to breakthrough material the smashing limit” becomes a key technology about making the ultrafine comminution. This article introduced the type of multi-dimensional swings nanometer level ball mill principle of work based on the fuzzy control technologyIn view of controlled the object is non-linearity，the multi-variables strong-coupling，uncertainty and greatly lags as well as obtains the precise mathematical model is difficultHas designed the fuzzy controllerThis system will be able to quickly breakthrough material “the smashing limit”, has obtain the better processing effect Keywords: Superfine Powder Processing； Fuzzy Control；Monolithic Integrated Circuit Control System；Ball Mill 目 录 1 引言1 1.1 摆动式球磨机模糊控制背景分析1 1.2摆动式球磨机模糊控制的提出及研究意义2 1.3 基于模糊控技术摆动式球磨机电气控制系统的研究3 2 摆动式球磨机控制系统方案的确定4 2.1 摆动式球磨机粉碎过程模型解析4 2.2 主电路方案的确定6 2.3 控制系统的确定7 2.4 输入通道的确定7 2.5 系统原理框图9 3 电气控制系统硬件设计10 3.1 电气控制系统的硬件组成10 3.2 89C52 单片机应用介绍10 3.3 输入检测放大电路及 A/D 转换设计13 3.4 变频驱动电路设计17 3.5 人机对话通道设计21 3.6 变频调速主电路的设计26 4 模糊控制算法的设计27 4.1 球磨过程的数学模型解析27 4.2 模糊算法28 4.3 模糊控制器29 4.4 模糊控制器的工作36 5 系统软件设计36 5.1 系统软件设计思路36 5.2 系统主程序流程图38 5.3 中断保护程序42 5.4 软件抗干扰技术42 6 系统测试分析43 6.1 系统测试43 6.2 系统分析44 7 总结44 参考文献45 谢 辞.46 附录 一47 附录 二63 1 引言 1.1 摆动式球磨机模糊控制背景分析 自1893 年球磨机出现以来，它就一直在矿业、冶金、建材、化工及电力部门等若干基础行 业的原料粉碎中得到广泛的应用。随着陶瓷工业的发展，球磨机也成为了陶瓷工业中制粉工序 中不可缺少的机械设备。从长远来看，今后相当长的时期内球磨机仍将是陶瓷工业中原料磨碎 作业的主要设备，因此对球磨机的研究也受到了相关专家的高度重视。1 球磨机是制粉系统中的大型重要设备，其安全可靠地运行与最佳工作状况是设计单位所追 求。但使用中还存在着一些急待解决的问题，最突出的是难以实现自动控制，运动轨迹过于单 一不能有效的粉碎物料。不能运行在最佳经济出力。多变量祸合、多变量时滞和模型时变特性 是球磨机控制的主要困难。由于球磨机运行具有纯滞后、大惯性和非线性的显著特点，事态特 性复杂，数学模型难以建立，采用常规 PID 调节难以奏效，所以，传统的控制方案大多都是建 立在精确测量球磨机存物料为已知量的基础上，并且是人工手动操作，其经济性完全取决于人 员的操作水平、调整能力和工作责任心。这类方法投资大，改装工作量也客观，各制粉系统水 平参差不齐，控制效果并不十分明显，不适合我国采用。模糊控制是本世纪 70 年代才发展起来 的一种新型控制算法，其本质是一种非线性控制。它不需要知道被控对象的数学模型，并具有 比常规控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。模糊控制是建立在人工经验基础之上的。对于 一个熟练的操作人员，他往往凭借丰富的实践试验，采取适当的对策来巧妙的控制一个复杂过 程。若能将这些熟练操作员的实践试验加以总结和描述，并用语言表达出来，就会得到一种定 性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化，就转化为模糊控制算法，从而形成模 糊控制理论。 模糊控制理论具有的特点： （1）模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据 而设计的控制器，故无须知道被控对象的数学模型。 （2）模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思维中的模糊量， 如“高” 、 “中” 、 “低” 、 “大” 、 “小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理 是人类智能活动的体现。 （3）模糊控制易于被人接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示的， 如“今天气温高，则今天天气暖和”等，易于被一般人所接受。 （4）构造容易。模糊控制规则易于软件实现。 （5）鲁棒性和适应性好。通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象进行有效的控制。 模糊控制策略可以保证球磨机安全、经济运行，可以对球磨机负荷(装物料的量)、球磨机 出口成品的温度、球磨机罐内负压进行调节。调节球磨机负荷的任务就是保证球磨机在最 经济工况下运行，维持球磨机罐内负压稳定，达到球磨机温度量恒定，从而维持粉碎的细度， 还可防止粉末外喷，影响安全和环境卫生。球磨机内粉末混合物的温度反映了物料的干湿度， 同时也是防暴安全性的重要指标。基于模糊控制的这些特点，可以确定为对球磨机的基本控制 策略。2 随着先进控制理论和检测手段以及计算机技术的发展，火电厂热工过程控制水平有了大幅 度的提高，制粉系统球磨机这一较难控制的系统开始受到重视，并取得了一些理论和应用方面 的研究成果。一批以多变量控制理论、模糊控制理论及自适应优化理论为基础，在充分考虑了 制粉系统特点的基础上，针对不同被控过程的具体特性，基于不同控制理论的实用控制策略已 被提出。这对球磨机制粉系统的自动控制和优化运行起到一些积极的指导作用。 1.2摆动式球磨机模糊控制的提出及研究意义 （1） 、摆动式球磨机模糊控制的提出 球磨机制粉系统是一个典型的多变量非线性时变系统，球磨机罐内的存料量、罐内温度、 罐内负压及球磨机转速等之间存在着相当严重的藕合，其运行轨迹单一，基于经典 PID 控制器 的控制系统很难正常投入运行，即使投入也难于保证球磨机处于最佳工况。因此实现球磨机的 自动控制问题尤为关键。而摆动式球磨机的提出解决了这些问题。关于球磨机的运动为多维复 合曲线运动。 随着自动控制技术的广泛应用和自动控制水平的不断提高，国内外对球磨机的自动控制也 在进行着大量的研究。传统的控制方案大多都是建立在精确测量球磨机存料量的基础上，并且 是人工手动操作，其经济性完全取决于人员的操作水平、调整能力和工作责任心。这类方法投 资大，改装工作量也客观，各制粉系统水平参差不齐，控制所带来的经济效益很差，对于用电 量需求巨大而经济技术落后的中国来说，不宜采用。 为了保证球磨机安全运行，降低成本，提高经济效益，提高机组的自动投入率，本文在智 能控制理论的基础上，研究探讨专家模糊控制系统在球磨机自动控制中的应用，即总结归纳传 统控制思想，采用简单的静态解祸网络与动态前馈补偿相结合的解祸方法，采用模糊语言规则， 存储到计算机中进行数值运算，设计出了新型的球磨机智能控制系统。它不需要知道被控对象 的数学模型，且具有比常规控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。实验证明，将它确定为球 磨机的基本控制策略是可行的。 （2） 、球磨机模糊控制的研究意义 目前，国内大部分球磨机控制都是人员手动操作。对于运行经验不足的操作人员而言，长 期手动控制球磨机的运行，不仅容易造成球磨机满料、断料、跑粉、超温事件的发生，而且也 不能使系统长期保持在最佳工况下运行。如何在保证球磨机安全运行的前提下，降低单位球磨 机电耗，提高经济效益，提高机组的自动投入率，己经成为自动控制中的一个非常重要的环节。 此外，在经济全球化、节省能源和保持经济可持续发展的背景下，球磨机这样一个耗电大户进 行行之有效的自动控制也有十分重要的社会意义。 本论文的意义主要表现在以下几个方面: 第一， 提高了机组运行时的安全性，延长了设备的使用寿命； 第二，降低了电耗，减轻了运行人员的劳动强度，提高了经济效益； 第三，磨机控制目前仍是热工过程控制中的一大技术难题，如果对此有较好的解决方案， 必将促进其相关技术的发展，也会为更复杂系统的控制提供行之有效的方法，同时也会促进 控 制理论的进一步发展。 1.3 基于模糊控技术摆动式球磨机电气控制系统的研究 摆动式球磨机的电气控制部分是球磨机的重要组成部分，本设计的电气控制算法采用目前 先进的模糊算法，模糊控制(FC)算法是 20 世纪 70 年代才发展起来的一种新型控制算法，其本 质是一种非线性控制，并具有比常规控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。FC 采用模糊变量， 具有良好的抗噪性能，而且容易与人工操作经验相结合，它不需要知道被控对象，的数学模型， 可以有效地应付非线性对象。 基于模糊控制技术的多维摆动式球磨机的控制系统，是通过使罐体进行多级复合运动，从 而增加单位时间冲击和接触次数，延长运动轨迹，提高冲击能，减少盲点，显著提高球磨效率 和罐体内粉末度的均匀性。模糊控制技术的介入，将快速的突破物料的“粉碎极限” ，极大提高 了加工效率的同时，解决了超细粉末制备过程中迫切需要解决的难题-被加工物料的保护和保 原问题3。 采用模糊控制实现多维摆动式球磨机的控制要求，本系统研究设计的主要内容： （1）交流电机变频调速电路的设计； （2）气压（真空度）监测电路的设计； （3）工作机温度监测电路的设计； （4）气压（真空度） 、温度数据采集部分程序设计； （5）模糊控制算法的实现； （6）掉电后时间自动记忆功能的实现。 本系统的控制对象是交流异步电机，这一被控对象具有强非线性、多变量耦合、不确定性 和大滞后的特点，而且调速系统是一类不确定的复杂系统，其难以获得精确的数学模型。因而 用模糊控制解决其控制问题。为此设计了模糊控制器，通过对变频器的控制，实现电机转速的 自动调节；以 AT89C52 单片机为控制核心，温度传感器、压力传感器采集信号，并对采集信号 做出相应处理，实现了工作机温度和罐内气体压力的实时监测；设计了时间记忆电路，保证掉 电时间数据不丢失。以提高系统的可靠性；利用看门狗电路，提高系统的抗干扰能力，保证系 统在工业的工作环境下能够稳定工作；设计友好的人机交互界面，使操作简单、快捷。 2 摆动式球磨机控制系统方案的确定 2.1 摆动式球磨机粉碎过程模型解析 2.1.1 球磨机简介 摆动式球磨机它包括曲轴、曲轴支座、缸体支架、轴承、摆动专制、缸体及固定装置，曲 轴置于曲轴支座内，曲轴与罐体支架通过轴承连接，罐体支架与罐体连接，所述固定装置一端 连接在罐体支架上另一端固定，可保证罐体支架及罐体不随曲轴作圆周运动而只作一定幅度的 多维摆动，罐体内的磨球运动轨迹长且复杂，磨介的冲击能量大，罐体内几乎无盲点，可大大 地提高球磨效率和体内粉末粒度的均匀性。 球磨机工作时，研磨体由于重力、离心力、摩擦力作用贴在球磨机筒体内壁上与筒体一道 回转，并被带到一定高度后，由于重力大于离心力和摩擦力的合力，此时研磨体被抛落出去， 下落时将筒体内的物料击碎，并靠磨介与罐壁的研磨作用使物料粉碎。 影响球磨机产量的因素比较复杂，实践证明，球磨机的回转速度、物料粒度、物料水分和 温度、物料的易磨性、衬板结构、筒体研磨体的填充系数、磨介等等都有直接的影响。还有一 点常被忽略的是操作工人对磨机加料的控制，也同样影响到球磨机的产量和质量。10 2.1.2 球磨机的粉碎过程 球磨机制粉系统的特点是工作可靠性高，系统中发生故障不立即影响其它设备的运行，球 磨机的工作与外接设备工况不相牵连。因此，球磨机经常可以保持满负荷工作，以减少电能消 耗，这对低负荷下工作经济性差的球磨机来说是非常重要的;此外运行灵活。球磨机结构图如图 2-1 筒体 转动轴 气孔 筒盖 加料口 浆叶 磨介 图 2-1 球磨机结构图 基于模糊控制技术的多维摆动式球磨机控制系统具体工作流程为：首先由操作者将被加工 物料及磨介放入罐内，固定好后通过控制面板设定工作机罐体的温度上限、罐内压力下限、加 工时间、基本转速、最高转速、升降速时间以及加工类型，然后通过单向阀向罐内注入保护气 体，注入压力由压力表检测，当罐内压力达到要求值时。停止注入保护气体，取下注气管。关 闭机器盖，开启冷却风扇，对罐体进行冷却。按“启动”键，使球磨机进入工作状态。工作时， 球磨机将按照预先设定的值进行工作，系统对执行机构进行智能控制，并实时显示控制时间和 工作情况4 球磨机制粉系统是一个具有纯迟延、强祸合的多变量非线性时变系统。球磨机本身是一个 包含了机械能量转换、热交换和两相流动的复杂过程，任何一个控制变量的改变都会造成所有 被控变量发生变化，因此变量之间的相互干扰十分严重。同时，由于物料的品种不一，物料的 粒度、水份、温度、可磨性系数、挥发份等指标经常发生变化，另外，磨介在运行过程中不断 被磨损，这些原因使得球磨机表现出时变系统的特征。此外，球磨机制粉系统还常受到一些不 确定性干扰的影响，例如给料机断料、堵料及料的自流等。摆动式球磨机被控对象包括 3 个控 制量（罐内负压 p、罐内风粉混和物温度 T 及球磨机的转动速度)。若改进参数检测方法，使用 球磨机前轴瓦垂直振动分量万代替差压信号如表征存物料量， 于是原来的对象就分解为一个祸 合的两输入两输出对象和一个单输入、单输出对象。 对两输入两输出对象按照工艺要求进行变量配对，使用热风量控制温度，再循环风量控制 负压，即输出信号，输入信号，两个回路(温度回路与负压 T PTY T rhF FU 回路)仍有很强的关联，则被控对象可描述为 Y=GU，其中，G 为传递函数矩阵 )( )( )( )( )( 22 12 21 11 sG sG sG sG sG 由于整个建模过程主要是为控制系统的设计作参考，我们并不追求模型具有很高的精度， 只要能反应出制粉系统的特点以便正确设计控制系统。因此， 在建模过程中作了如下简化: 模型仅从整体上反映球磨机特性。 球磨机罐内温度是风和物料混合物的温度; 不考虑制粉系统内热损失。 2.2 主电路方案的确定 本次设计的主电路采用交-直-交变频电路 如图 2-2 D2 D5 D3 D1 D4 D6 UVW 100uF C11 图 2-2 主电路图 通用变频器的主电路主要有两种类型，即交交变频（直接变频）和交直交变频（间接 变频） 。由于交交变频主电路受到电网频率及整流电路脉冲波数的限制，输出功率较低，调频 范围较窄（一般情况下，输出最高频率为电网的 1/2-1/3） ，主电路元件多且元件利用率低，控 制复杂，只适用于低速大功率拖动的场合。而交直交变频是把一定电压、定额的交流电， 先经过整流器整流成直流电，然后再经过逆变器将此直流电变换成电压和频率都可以调的交流 电。这种方式克服了交交变频的缺点，应用极为广泛，结合控制系统的特点和性能要求，本 设计采用交直交变频电路5。 2.3 控制系统的确定 本次设计选用单片机的控制。其最大特点就是设计者可以根据自己的实际需要开发、设计 一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。其基本方法是在单片机的基础上扩 展一些接口，如用于 A/D、D/A 转换接口，用于人机对话的键盘处理接口，LED 和 LCD 显示接口 等。然后开发一些应用软件。即可组成完整的单片机系统。6 根据摆动式球磨机的工作模型和对目前单片机市场的调查，本次设计选用的单片机 AT89C52，选用单片机的原因是其经济易用，性能可靠，易扩充，控制功能强。内部配置 8KB 的 Flash Memory，无需扩展外部存储器，可点擦写，便于编程调试。AT89C52 内部带有存储器件， 不用扩展程序存储器，减少硬件线路连接。其最大特点就是设计者可以根据自己的实际需要开 发、设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。根据多维摆动式球磨机的 特点及实现的功能，微机控制系统实现的功能主要有以下几点： （1）实现对交流电机的速度控制； （2）实现数据采集并做出相应处理； （3）实现实时记忆功能，保证时间数据掉电不丢失； （4）实现简单、直观的人机交互界面。 2.4 输入通道的确定 2.4.1 温度传感器的确定 由于摆动式球 磨机在研磨物料过程中，球磨机内的物料受磨介和罐体的作用，其物理形状 发生改变，释放出能量，球磨机内物料碰撞周围物体，由于压力作用使物体表而产生微小的形 变，球磨机内部产生很高的温度。所以需要传感器的稳定性和耐高温的要求要很高。根据设计 要求本设计采用热电偶温度检测。 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即 两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现 象。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到- 269（如金铁镍铬） ，最高可达+2800（如钨-铼） 。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限 制，外有保护套管，用起来非常方便。 热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回 路，如图 2-3 所示。当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动 势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工 作。 加热点 金属 b 金属 a + 图 2-3 热电偶 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规 定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显 示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统 一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。本次设计使用标准热电偶。标准化热电偶我国从 1988 年 1 月 1 日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。11 热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 由于摆动式球磨机测量高温所以本次设计采用热电偶温度传感器。 2.4.2 气体压力传感器 罐内气体压力检测系统来监测罐体的安全状况是很必要的。机械法加工超细粉末的保护和 保原问题，是超细粉末制备技术迫切需要解决的难题。当罐内气体压力低于要求时，系统采用 紧急停车，并且报警，避免了被加工物料的氧化和事故的发生。 这里选用 PTP708F 压力传感器，其工作原理是：阳极相对于阴极施加正向电压，在阴极形 成电场，使阴极产生电子发射。当敏感阳极膜受压变形时，阴阳极间距变化，阴极发射的电流 发生变化。从而通过阴极发射电流的变化反映阳极膜所受压力的变化。该传感器上的施加在传 感器上的压力在 25g100g 范围内，其压力与输出电压的曲线呈线性关系，从而反映出施加在 传感器上的压力与传感器发射的电流成线性变化关系 2.5 系统原理框图 在主电路和控制电路的基础上加上必需的辅助和驱动电路，就构成了本次设计的整个系统， 其系统原理图如图 2-4 所示。由图可知，本次设计以 AT89C52 单片机为控制器，以交流电动机 为控制对象，以直流测速发电机为速度传感器，构成了闭环控制系统；针对交流电动机具有非 线性、多变量强耦合以及获得精确数学模型困难的特点，设计了模糊控制器，通过对变频器的 控制，实现电机转速的自动调节；通过人机交互界面的设计，实现了加工时间、间歇时间、最 高转速、升速时间、降速时间、允许温升范围、超强加工、柔性加工等设置；通过温度传感器、 压力传感器，实现了工作机温度和罐内气体压力的监测。 传感器 单片机 人机接口看门狗 A/D 装换 时钟 电 路 报 警 变频驱动电路 电机检测 电 路 图 2-4 系统的原理框图 3 电气控制系统硬件设计 3.1 电气控制系统的硬件组成 系统的硬件组成主要由五部分：单片机最小系统，时间记忆电路，检测放大电路，变频驱 动电路以及人机交互电路。本系统的实现对多维摆动式球磨机整个工作流程的智能控制，单片 机选用 AT89C52，经济易用，性能可靠，无须扩展外部存贮器，可多次修改程序，便于编程调试。 控制对象是一台功率为 3kW 鼠笼式三相交流异步电动机，使用的主要元器件为 SA8282 和 IGBT。 控制系统采用的是闭环，运用了 SPWM 正弦脉宽调制方式进行交流电机的调速，提高粉末的加工 细度。 3.2 89C52 单片机应用介绍 3.2.1 单片机 98SC52 介绍 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8kbytes 的可 反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256bytes 的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 MCS51 指令系统及 8052 产品引脚兼容， 片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较 为复杂控制应用场合7。 单片机芯片的管脚描述如图 3-1 和表 3-1 所示。 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 INT1 13 INT0 12 T0 14 T1 15 X0 18 X1 19 EA/VP 31 RESET 9 WR 16 RD 17 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 AT89C52 图 3-1 AT98C52 管脚图 表 3-1 AT89C52 管脚详尽功能描述 助字符名称和功能 Vss 接地 Vcc 电源 P0.0-P0.7 P0 口 P1.1-P1.7 P1 口 P2.0-P2.7 P2 口 P3.0-P3.7 P3 口 RXD（P3.0)：串行输入口 TXD（P3.1)：串行输出口 INT0（P3.2)：外部中断 INT1（P3.3）：外部中断 T0 （P3.4）：TIMER0 的外部输入脚 T1 （P3.5）：TIMER1 的外部输入脚 WR （P3.6）：外部数据存储器的写入控制信号 RD （P3.7）：外部数据存储器的读取控制信号 RST 复位端 ALE 地址锁存使能端 PSEN 程序存储器使能端 EA/Vpp外部访问使能编程电压提供 XTAL1 晶振 1 XTAL2 晶振 2 功能特性概述： AT89C52 提供以下标准功能：8k 字节 Flash 闪速存储器，256 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线， 3 个 16 位定时/计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟 电路。同时，AT89C52 可降至 0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲 方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式 保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.2.2 单片机最小系统 单片机最小系统包括：时钟电路、复位电路、看门狗电路以及使单片机正常工作的电源电 路。时钟电路为单片机提供时钟控制信号，本系统采用了 6M 的晶振作为 CPU 的内部时钟源；复 位电路可以在单片机正常工作中如需要一个复位信号，以便使单片机上电或按下复位开关时能 从头开始工作，它的复位信号低电平有效；看门狗电路 MAX813L 在单片机受外界干扰时，保证 单片机程序不跑飞。提高系统可靠性12。其具体电路如图 3-2： p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 INT1 13 INT0 12 T0 14 T1 15 X0 18 X1 19 EA/VP 31 RESET 9 WR 16 RD 17 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 AT89C52 VCC 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 2 MAX813L 20pF C4 20pF C3 12 Y1 6MHZ 10uF C39 S1 10K R25 VCC 图 3-2 单片机最小系统 3.2.3 时间记忆电路设计 本次设计的时钟芯片采用 DS1302。如图 3-3 32.768KHZ Y3 C22 5.6p C21 5.6p 3V RST 5 I/O 6 SCL 7 X1 2 X2 3 Vbat 8 VCC 1 GND 4 U2 DS1302 R4 10k R5 10k R6 10k +5v 图 3-3 时间记忆电路 DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟和31字节静RAM，通 过简单的串行接口与单片机进行通信。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行 通信仅需用到三个口线，1 RES复位，2 I/O数据线，3 SCLK串行时钟。RAM 的读/写数据以一个 字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时，功率 小于1Mw 表 3-2 MAX813L 管脚功能表 X1，X2 晶振管 脚 GND 地 RST 复位脚 I/O 数据输 入/输 出引脚 SCLK 串行时 钟 Vcc1，Vcc2 电源供 电管脚 3.3 输入检测放大电路及 A/D 转换设计 检测放大电路在整个控制系统中都具有重要作用，其检测精度可以直接影响系统控制精度。 在本系统中检测放大电路可分为真空压力检测放大电路、温度检测放大电路和测速发电机检测 放大电路三部分组成。 3.3.1 压力检测电路 压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证其正常运行，必须对压力进行监测和控制， 但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。 在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介 质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号 pj 表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力 表。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差，称为表压力。用符号 pb 表示。即 pb=pj-pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力） ，此负压力值 的绝对值，称为真空度，用符号 pz 表示。 PTP708F 压力传感器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广 泛用于工业设备、化工、医疗、空调等压力测量与控制，综合精度: 0.5%FS、1.0%FS。 表 3-3 PTP708F 功能表 供电电压24DCV(936DCV) 介质温度-20200 环境温度-2095 负载电阻电压输出型：大于 50K 绝缘电阻大于 2000M 长期稳定性能0.1%FS/年 振动影响在机械振动频率 20Hz2000Hz 内，输出变化小于 0.1%FS 电气接口(信号接口)四芯屏蔽线、紧线螺母 本设计使用的 PTP708F 空气压力传感器，电路如图 3-4 所示，本电路测量压力范围为- 1.5MP4MP。传感器到输入放大器 A1 之间用双绞线联结，可避免干扰，并可提高测量精度。当 PTP708F 上的压力发生变化时，其两端的电压降随之线性变化（约 1.66V/MP）。经 A1 放大后， 送入 A2。A2 接成反相放大器。将被测信号送给 AD574。通过调节 R6，使压力 P=-1MP 时，A2 端 输出为 0V。当压力变化范围为 0MP-4.99MP 时，A2 输出电压变化范围为 0-4.98V。从而实现了压 力、电压转换。 10K R20 10K R19 10K R18 10K R15 10K R16 10K R14 0.01uF C172 3 1 84 A U11A +12V -12V 1K RP4 -12V 2 3 1 84 A U10A +12V +12V -12V PTP708F上上上上上上 PTP708F 上 图 3-4 压力检测放大电路 3.3.2 温度检测放大电路 本次设计采用的热电偶温度传感器，型号为 WRB（铂铑 13-铂） ，它采用恒流源电路来获取 温度信号。本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理想。 随着近年来微电子技术的发展，出现了不少专用的高性能放大芯片，AD620、AD623 都具有 运放结构，在本设计中我选用了 AD620 作为放大器电路的首级放大。AD620 是低价格、低功耗放 大器，它只需要一只外部电阻就可设置 11000 倍的放大增益，它具有较低的输入偏置电流、 较快的建立时间和较高的精度。 - 3 + 2 8 6 5 1 4 7 AD920 - 3 + 2 8 1 4 7 * op09 - 3 + 2 8 1 4 7 OP07 10K R11 10K R7 20K R13 +5 1K R58 RPot 5k R21 0.01uFC1 0.01uFC2 10K R10 10K R12上上上 1K R9 d17 500 R8 +5 +5 -5 10K RP3 RP4 +5 -5 图 3-5 为温度检测放大电路 3.3.3 电机速度检测电路 由于多维摆动式球磨机中的电机在工作过程中是随罐体摆动而运动的，工作过程中震动较 大。这里采用测速发电机对交流电机进行测速，可以构成闭环调速系统。测试电路采用高精度 放大电路，使得即便是在电动机低速运转时，也有足够的测速精度。 电阻网络R2R4组成分压器，分别供给A1、A2同相端以基准电压。A1组成恒流源电路，其电 流Io等于V3/（R7+R6）=2V/（R7+R6） 。恒流源大小可通过R6控制，恒流电流Io流过传感器，其 输出电压V=12V-IoRt。A1为比例放大器，外接+15V电源,A为直流测速发电机，输出电压限制在 5V8。其电路图如3-6所示： A - + B1 上上上上上上上 5K R24 1000uF/300V C35 0.1uF C10 0.1uF C9 47K R26 2 3 1 84 A U11A 5K R23 10K R22 -12 +12 图 3-6 电机速度检测电路 3.3.4 A/D 转换器接口 在单片机的应用系统中，被测量的对象上的有关变量，如温度、压力、速度、的非物理量， 需经过传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流） ，这些模拟电信号必须转换成数字量 后才能在单片机中用软件进行处理。单片机处理完毕的数字量，也常常需要转换为模拟信号。 实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器。实现数字量转换模拟量的器件称为D/A转换器。 如下图3-7及表3-4。 REF-IN 10 REFOUT 9 BIPOFF 12 10vspn 13 -Vs 11 +Vs 7 GND 8 CS 3 A/SC 4 DB0 16 DB1 17 DB2 18 DB3 19 DB4 20 DB5 21 DB6 22 DB7 23 DB8 24 DB9 25 DB10 26 DB11 27 CE 6 R/C 5 12/8 2 STATUS 28 VCC 1 AD574 20vspn 14 AD574 图3-7 AD574管脚图 表 3-4 AD574 功能表 分辨率12 位非线性误差小于1/2LBS或 1LBS 转换速率25us 模拟电压输入范围 05V和0 10V两档四种 数据输出格式12位/8位 全速工作模式 和单一工作模 式 本设计使用的是 AD574 是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速 12 位逐次比较型 A/D 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特 点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的 A/D 转换器，其管脚及主要特性。 3.3.5 多路开关 多路开关也称为多路转换器或采样开关，它的作用是将输入信号按一定顺序送到放大器或 采样保持器。为了提高过程参数的测量精度，系统对多路开关也提出了较高的要求。理想的多 路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还应具备切换速度快、噪声小、寿 命长、工作可靠等特点。 在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其种类、型号较多，有 8 通道、16 通道、 32 通道等多种。常用的多路开关有 CD4051(或 MC14051)、AD7501、LF13508 等。 CD4051 是 8 通道多路开关，由逻辑电平转换、二进制译码器和 8 个开关电路组成。CD4051 的引脚如图 3-8 所示，图中 A、B、C 是二进制的控制输入端，INH 是允许输入端。当 INH 为高电 平时，不论从 A、B、C 端输入何值，8 个通道均不通；当 INH 为低电平时，允许由 A、B、C 端输 入 3 位二进制数，在 8 路通道中选择一路将输入和输出接通。图 3-8 CD4051 为管脚图。 VEE 7 I/O0 3 I/O1 14 I/O7 4 I/O6 2 I/O5 5 I/O4 1 I/O3 12 I/O2 15 B 9 A 8 INH 11 O/I 13 C 10 CD4051 图 3-8 CD4051 管脚图 3.4 变频驱动电路设计 近十多年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透， 变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统。几乎可以说， 有交流电动机的地方就有变频器的使用。其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控 制特性。现在通用型的变频器一般包括以下几个部分:整流桥、逆变桥、中间直流电路、预充电 电路、控制电路、驱动电路等。一台变频器的好坏，驱动电路起着至关重要的作用 本次设计的变频驱动电路采用SA8282驱动模块， SA8282是英国Mitel公司推出的高精度 PWM脉冲发生器，它在实现高精度方面采取了以下措施。 （1）调制波形采用 16 位数度(以前的产品为 12 位精度)，这样用户可以获取更高的控制数 度。 （2）每相输出波形的幅值可以单独控制。这样用户可以对三相不平衡负载，通过三个独立 闭环分别控制，有效地实施补偿，使三相电压在不平衡负载下输出精度大大提高，尤其适用于 静止逆变器及不间断电源（UPS） 。13 （3）内部集成“看门狗”定时器，加强了监控，提高了运行的可靠性。 3.4.1 由 SA8282 组成的变频调速电路 SA8282 为 28 引脚，有双列直插式和贴片式两种封装，引脚如图 3-9 所示。其中 AD0-AD7为 位地址与数据复用总线，用来从微处理器接收地址和数据。3 条控制线(引脚 6 ，7 ，8)在采用 Intel 模式时为，在 Motorola 模式为，为片选输入；， WRRDALE/R WCSRPHTRPHB ，为三相(以、标记)信号的六个输出端，指YPHTYPHBBPHTBPHBRYBPWMTRIP 示输出封锁状态、为关断触发信号输入端，为内部计数器复位输入端；为SETTRIPRSTCLK 外部时钟输入端；、MUX、RS、分别为三相的零相位脉冲，为波形采样同频信号， ZPPRWSS 、分别为电源和接地端。 DD V SS V AD0 26 AD1 27 AD2 28 AD3 1 AD4 2 AD5 3 AD6 4 AD7 5 WR 6 RD 7 ALE 8 RST 9 CLK 10 CS 11 RPHB 13 YPHB 14 BPHB 15 RPHT 20 YPHT 18 BPHT 17 ZPPR 22 RS 23 MUX 24 SET TRIP 19 TRIP 12 WSS 21 VDD 25 Vss 16 U6 SA8282 图 3-9 SA8282 管脚图 由 SA8282 构成的变频调速系统如图 3-10 所示。首先由键盘输入给定的转速 nO(rpm)，单片 机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字，写入到 SA8282 的控制寄存器，启动 SA8282。从 RTBB 的 6 个引脚输出相应频率和电压的 SPWM 控制信号，经驱动芯片 IR2136S 分别 控制智能功率模块 IPM 的 6 个 IGBT 的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三相 SPWM 电压，以驱动交流电动机运转。利用测速发电机可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精度。 IPM 的故障检测信号接到 SA8282 的 SET TRIP 端，一旦 IPM 发生过流、过热、短路和欠压等情况， 将立即切断 SA8282 的 6 路输出信号，使 IPM 得以保护。故障检测信号通过或门连接到 SA8282 的 SET TRIP 端上，只要有一个故障发生，就会使 SETTRIP 端为高电平，起动 SA8282 内部的故 障保护动作，瞬时封锁 PWM 脉冲输出，同时拉低端电平，向单片机发中断4。TRIP0INT AT89C52 SA8282 IR21365 IGBT 逆变 （IPM ） 电机 时钟 测速放大电路 图 3-10 由 SA8282 构成的变频调速系统 3.4.2 智能功率模块IPM 目前已有许多厂商把该电路与整流电路、控制电路、驱动电路、保护电路及传感电路等集 成为一个模块，称为智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）这样使主电路结构紧 凑，避免了分布参数的影响。IPM 的特点为： （1）含驱动电路，设定最佳 IGBT 驱动条件； （2）含过流、过热、欠压、短路保护电路，出现异常时给出报警信号，以控制逆变器停止 工作； （3）含制动电路，可直接外接制动电阻 RB； SA8282 输出的 6 路控制信号是 TTL 电平的，它们不能直接驱动 IPM 中的 6 个 IGBT。原因有 两个：1）IGBT 需要的开关信号幅值约为10V，TTL 电平不能胜任；2）逆变桥中三个下桥臂是 共地的，而三个上桥臂是悬浮的，SA8282 输出的 6 路信号均是共地的，必须加以隔离。因此驱 动电路的任务有两个：电平转换和隔离。 VB1 28 HO1 27 VS1 26 NC1 25 VB2 24 HO2 23 VS2 22 NC2 21 VB3 20 HO3 19 VS3 18 NC3 17 LO1 16 LO2 15 VCC 1 HIN1 2 HIN2 3 HIN3 4 LIN1 5 LIN2 6 LIN3 7 FAULT 8 EN 10 ITRIP 9 RCIN 11 VSS 12 COM 13 LO3 14 IR2136S U14 图 3-11 IR2136S 管脚图 如图 3-11，IGBT 的管脚图，IGBT 一般用集成电路芯片来驱动，这里使用 IR2136S 驱动芯片， IR2136S 是功率半导体专家国际整流器公司 (International Rectifier，简称 IR) 推出的三相 逆变器驱动器集成电路，适用于变速电机驱动器设计。IR2136S 芯片集成了 6 个 MOSFET 或 IGBT 高电压栅驱动器，并融合多元化的保护功能，采用 28 脚的 DIP 封装。 IR2136S 集成电路系列适 用于省电节能的电子驱动式变速电机，有助降低成本和简化电路结构。IR2136 集成电路能兼容 CMOS 输出或 LSTTL 输出，提供低至 3.3V 的，可直接接入微控制器或其它逻辑器件，并提供 120mA/250mA 输出源/承电流。此外，全新集成电路支持坚固耐用的设计，提供高达 50V/ns dV/dt 的耐量和较低的 di/dt 驱动电流，防止噪音干扰。输入端光耦的隔离电压达到 3000V，输 入电流为 5-10mA，可以驱动 100A/600V 的 IGBT12。 IR2136S 集成电路的性能超过光耦和变压 器，并支持高频工作，死区时间低至 250ns，一般接通/关断时间为 400ms。 输出驱动器设有专 为降低驱动器交叉传导的大脉冲电流缓冲级。该集成电路集成了交叉传导防护逻辑，以消除短 路情况。单一集成电路封装内 6 个通道的传播延迟可互相配合，确保稳定的高频工作，从而在 低速下发挥更完善的电机转矩性能，并降低可闻噪音。 还可在过电流时切断 6 个输出电流，这 项功