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基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统设计 摘 要 挖掘机等工程用设备各个控制环节大多由电机控制，学生在进行电机控制练习时，由于线路太 多，很容易出错，但排错却非常困难。本文设计一套基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统。 系统主要由模拟接线前面板、后面板检测电路构成。本系统充分利用了单片机强大的控制功能，接 线状态的检测全部由单片机软件完成。学生接线完毕后，起动错误检查系统，能根据学生的接线判 断连线中存在的严重故障，发出错误警报，对不会引发严重事故的逻辑错误则根据学生接线逻辑驱 动直流电机，模拟挖掘机工作。学生可通过观察挖掘机模型的工作情况，发现存在的逻辑问题，具 体认识在实际的系统中三相电动机的运动状态和工作状况。本系统基本解决了典型错误排查报警 的难题，能够提高实践效率，又避免了接线错误造成电机不必要的损坏。 关关键键字：字：单片机；电机控制；故障检测 System Design of Grab Electromotor Training Based on Single Chip Abstract Normal enginery machine is controlled by electromotor. Due to the complexity and multiformity of connection, its easy to make mistakes for students when they practise to control the electromotor. But its very difficult to find out the mistakes. The article designs a system of grab electromotor training based on single chip. It contains the simulative connection front panel and the examination circuit. It makes good use of the strong controlling function of single chip. All the tests of the connection are completed by the software. After finishing connections, the process can find out the typical error and make a alarm. If the connection is all right, it can drive the electromotor of the model to simulate real grab. Students can know the real grab how to work in practice by observing the working condition of model. The system can find out the typical errors, improve the practice efficiency and avoid damnify caused by mistakes. Keywords: single chip；electromotor；error test 目 录 摘 要.I ABSTRACT.I 第一章 绪论.1 1.1 基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统研究目的及意义 .1 1.2 基于单片机的教学用挖掘机训练系统研究现状及存在问题 .2 1.2.1 基于基于单单片机的片机的训练训练系系统统研究研究现现状状 .2 2 1.2.2 电电机机驱动诊驱动诊断系断系统现统现状状 .3 3 1.2.3 挖掘机训练系统研究现状及存在问题 .3 第二章 总体方案设计论证.4 2.1 研究方案的拟定 .4 2.2 研究方案的提出 .4 2.3 研究方案的确定 .5 第三章 硬件方案设计.6 3.1 模拟三相交流电机接线前面板的设计 .6 3.2 后面板检测电路设计 .9 3.2.1 主要芯片的主要芯片的选择选择： ： .9 9 3.2.2 基本基本检测单检测单元元电电路路 .1212 3.2.3 单单个基本个基本检测单检测单元元电电路路试验试验 .1212 3.2.4 检测电检测电路与路与单单片机的接口片机的接口电电路路设计设计 .1414 3.3 电机控制接口电路 .16 3.3.1 直流直流电电机机驱动电驱动电路路 .1616 3.3.2 交流交流电电机机驱动电驱动电路路 .1616 第四章 系统软件设计.18 4.1 总体设计 .18 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 2 页共 44 页 4.2 三相交流电机保护线路检测模块 .19 4.3 三相交流电机主电路检测模块 .20 4.4 三相交流电机控制电路检测模块 .22 4.5 报警模块 .25 4.6 电机驱动模块 .25 第五章 结论.27 参考文献.28 致 谢.29 附录.30 附录一：单片机及其扩展口地址分配 .30 附录二：单片机程序 .35 附录三：电路图 .43 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 1 页共 44 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统研究目的及意义 随着国民经济的快速发展，挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设中 所起的重要作用越来越明显，挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈被广泛使 用。随着工程设备日益朝着高速、大型化自动化方向发展，设备成本日益提高，对操作 人员的素质要求越来越高来愈高1。因此，操作人员的技术熟练程度对设备使用效率、 使用寿命及经济效益起着至关重要的作用。 挖掘机等工程用设备各个控制环节大多由电机控制, 目前我校实验室中有可用 PLC 或单片机控制的挖掘机模型，如图 1-1，该模型以直流电动机模拟三相交流电动机 的工作，学生在进行机电控制练习时，由于线路太多，很容易出错，但排错却非常困难。 利用单片机设计一套可根据接线判断提示接线错误的系统，既可大大提高实践的效率， 又可避免接线错误造成电机不必要的损坏。单片机的结构形式及它所采取的半导体工 艺，使其具有很多显著的优点和特点，因而能在各个领域得到广泛的应用2。其主要特 点如下： 有优异的性能价格比。 集成度高、体积小、有很高的可靠性。 控制功能强。 低功耗、低电压，易于生产便携式产品。 单片机的系统扩展、系统配置比较典型、规范，有很多成熟的电路可以参照，容 易构成各种规模的应用系统。 单片机生产厂商很多，如 Atmel、Philips、NEC、SST、华邦和 Microchip 等。针对 不同的用途，上述这些公司研制生产了很多性能各异的单片机，甚至有些单片机的性 能差异极大。因此，在设计应用系统时，选择合适的单片机，可以达到事半功倍的效果 3。本课题设计使用的是 8051 单片机。 8051 是由美国INTEL 公司生产的高性能单片机, 其内部拥有4k 掩膜ROM, 在 出厂时由厂家烧入程序。拥有24 个I/O 输入输出口, P0 口可直接驱动LED, 5 个中断 源, 若选用12M晶振, 则其机器周期为1s, 单周期指令执行时间就为一个机器周期, 即为1s,双周期指令执行时间为2s。乘法和除法指令为4s4。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 2 页共 44 页 图 1-1 挖掘机结构图 设备说明： 1、三相交流电机：驱动挖掘机水平旋转； 2、变频调速器：受 PLC 控制，控制三相交流电机运行状态； 3、直流减速电机：驱动挖掘臂动作； 4、PLC：实现电机运行控制； 5、驱动板：驱动电机； 6、手操盘：向 PLC 发出控制指令； 1.2 基于单片机的教学用挖掘机训练系统研究现状及存在问题 1.2.1 基于单片机的训练系统研究现状 大连交通大学机械工程学院的李平副教授等研究的自行车训练装置检测控制系统 运用了电机变频技术对自行车转速进行控制，通过无线遥控技术实现教练员的指令发 送和转速信息接收，利用单片机作为实时控制的芯片，解决了自行车教练员对运动员 训练强度难以把握的难题5。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 3 页共 44 页 1.2.2 电机驱动诊断系统现状 在20世纪70年代末、80年代初，汽车使用专用的故障检测仪检测车辆电控系统的 故障，80年代后出现了随车诊断系统，该系统利用电控单元对电控系统的各部件进行 检测和诊断，可以自行找出电动机的故障，称为故障自诊断系统6。最初的自诊断系统 要求车辆以一定的测试规范进行，系统才能记录下故障代码，从而找出故障部位。几年 后，又出现了一种可以对车辆电控系统参数实行连续监控的自诊断系统，该系统能记 录电控各系统的间歇故障，查找故障方便又及时，得到了广泛应用7。在马自达MX-6 和626型涡轮增压型轿车上便利用这种检测方法对其伺服步进电机控制系统进行故障 检测。但这些检测方法和手段在实验室教学设备上使用的很少8。 1.2.3 挖掘机训练系统研究现状及存在问题 随着电子技术，计算机技术和控制技术的飞速发展，挖掘机、起重机等工程设备和 汽车制造业向电子化、智能化方向迈进。国内有一些关于挖掘机等训练系统的研究，为 了在普通微机上实时模拟挖掘机作业，有些研究部门采用了固定与变化的视景相结合 成像方法,视景中需要显示的模块激活方法，多部件复合运动的独立控制与模块触发成 像方法,运动干涉分析中区域激活方法等方法,解决了空间结构变化的视景成像中大量 现场数据处理的技术问题9。但是对于挖掘机电机控制训练系统的研究涉及的不多。 本课题研究的对象是基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统，主要用于训 练学生进行电机控制接线，在实验室中使用的挖掘机系统模型是用直流电机模拟三相 交流电机的工作，由于三相电机控制接线繁多，且接线次序并不固定唯一，所以如何设 计模拟三相交流电机接线面板，实现故障检测发现三相交流电机接线中的接线错误， 并发出相应的报警提示和错误类型提示是本课题应重点解决的问题。另外，用单片机 汇编语言完成直流电机驱动程序的设计，使各个电机在接线正确的情况下正常工作， 也是本课题应当解决的问题。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 4 页共 44 页 第二章 总体方案设计论证 2.1 研究方案的拟定 本课题研究的基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统在拟定分为硬件、软 件两部分。硬件结构上主要包括：模拟接线前面板和面板后面的检测电路。根据挖掘机 用到的两组三相交流电机，模拟接线前面板上安排两组三相交流电机的主线路及控制 线路接线。后面板为检测线路，要求能够检测每个器件两端的接线情况及与其他端口 的接线情况。软件部分要求能够实现对每个被测点作出检测，判断三相交流电机的接 线是否正确，是否发生短路故障，能够检测出训练系统对电机正反转实际接线情况，并 按实际接线驱动直流电机转动，驱动实验室挖掘机模型。 2.2 研究方案的提出 按照三相交流电机正反转控制接线图可确定前面板。但对于后面板的检测线路， 初步提出两个方案检测被测点与其他点的连接情况。 方案一：利用光电耦合器件检测器件的通电情况。光电耦合器间的输出情况是由 输入所决定的，当输入为高电平时，输出为高电平，输入为低电平，输出也为低电平。 图 2-1 光电耦合器件工作原理 如图 2-1 所示，图中 3K 电阻起限流作用，保证当光敏器件倒通时，电流在 6mA 以 下。当 A 端接 5V 电压时，输出端 a 输出高电平。将图中的 A、B 两个点看作前面板一 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 5 页共 44 页 个器件的两端，当器件接入电路中形成回路时，A、B 两点会有高电平输入，输出电 a、b 同时输出高电平，通过单片机检测输出端口的高低电平，就可判断此器件的接入 情况。之后，再用相同的方式逐个检测其它元件的接入情况，从而判断整个线路的接线。 方案二：用三态门电路对器件的两端接线进行判断，如图 2-2 所示，两端口 in1 和 in2 前面板上图标为熔断器，后面板检测线路中两点均为断路。当 in1 没有输入时，out1 输出为低电平，当 in1 输入为高时，out2 输出为高电平信号。同理可检测熔断器另一输 入端 in2 的接线状态。 图 2-2 检测单元原理图 2.3 研究方案的确定 方案一的用到光电藕合器，每片 TLP521-4 集成 4 个光电藕合器，它的驱动能力较 强，但数字电路较为复杂，每片 TLP521-4 至少需接入限流电阻和上位电阻 8 个，可能 还要接入电容滤波；方案二的数字电路相对简单，虽然驱动能力较弱，输出电流较小， 但可以满足检测高低电平信号的要求，后面板的检测电路选用方案二。 前面板上各元器件如熔断器、开关、热继电器、线圈等均为模拟图形，在后面板上 每个元器件两个端口之间均是断开的。检测时，每个端口均分配相应的地址，分别检测 两端口的接线状态。这样，可以避免限制元件接线顺序，更符合实际接线情况。 在检测时，前面板上有很多期间需要检测，必然会用到很多的检测单元和检测点， 单片机如果要处理那么多点的检测信息，必须得对接口扩展。用总线的方式可以将许 多的检测点连接到单片机的一组接口上，单片机就可以对其进行相应的处理。这样能 够大大减少电路设计负担，减少其复杂性。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 6 页共 44 页 第三章 硬件方案设计 基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统硬件系统由五部分组成：模拟接线 前面板、后面板检测电路、单片机、错误提示报警装置、电机驱动电路、实验用挖掘机 模型。各部分间相互关系如图 3-1 所示。 图 3-1 总体设计方案框图 图中，前面板部分模拟电工试验台的布局进行设计，其设计原则是一方面减少学 生可能出现的不应有的错误，一方面起到训练的目的。检测电路利用三态门设计电路 管检测元器件的连接情况，发出接线信号，信号经过单片机转接口接到单片机上。用 51 系列单片机对检测电路发出的信号进行判断，作出相应的控制动作。报警部分用 led 作显示报警，电机驱动电路及其接口都使用实验室原有的 PLC 挖掘机模型的驱动电路 和接口。因此不需要但另外再设计电机驱动电路，只需利用实验室现有的设备即可，但 是应当对已有模型的电路接口有足够的了解，在单片机与挖掘机模型连接时需要考虑 接口如何连接。电动机有两个，一个直流电动机，一个交流电动机。 3.1 模拟三相交流电机接线前面板的设计 三相电机正反转控制电气接线原理图如图 3-2 所示： 此图为控制一个三相电机的接线图。在挖掘机模型中，需要给两个三相电机接线 10，并且考虑到挖掘机在工作时，机械臂和左右旋转都需要控制在一定范围内，所以 在实际接线时，应当在 KM、KM2 线圈之后分别串联上行程开关的常闭触点，使电机 工作即将超出工作范围时停转。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 7 页共 44 页 图 3-2 三相电机正反转控制接线图 在前面板设计时，考虑到学生接线时实际情况，将每组电机的元件尽量放在一起。 前面板为模拟接线面板，所有元器件均为模拟图形标志。每两点之间均为断开。如熔断 器两端口间实际器件应为电阻丝，但模拟面板中两端口间并无连接。前面板设计如图 3-3 所示： 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 8 页共 44 页 图 3-3 挖掘机电机控制接线前面板 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 9 页共 44 页 3.2 后面板检测电路设计 在设计方案时就考虑到了要用总线的方式扩展单片机接口，在参照资料根据本系 统地设计特点决定选用 74LS138、74HC377 和 74HC244 扩展数据总线11，将每个端口 挂在总线上，通过软件编程分别扫描每个端口接线状态或是给每个端口置高、低电平。 三态门电路方面选用 74LS125 芯片。 3.2.1 主要芯片的选择： 1.基本检测单元选片 74LS125 三态输出门（简称三态门）的电路结构是在普通门电路的基础上附加控制电路而构 成的。它与一般门电路不同，它的输出端除了出现高电平、低电平外，还可以出现第三 个状态，即高阻态，亦称禁止态，但并不是 3 个逻辑值电路12。其电路结构如图 3-4 所 示。 图 3-4 三态门结构图 图3-5 74LS125 引脚图 三态门电路芯片有很多种型号，很多型号都可以满足本课题设计的要求，如 74LS126，但是由于 74LS125 在我院实验室最为常见，选用此器件便于验证所涉及的 电路能否达到要求13，所以在本课题设计中，选用的是 74LS125。 其功能表如表 3-1 所示。 输 入输 出 AY 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1高阻态 表 3-1 三态门的功能表 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 10 页共 44 页 从表中可看出，在三态使能端的控制下，输出端 Y 有三种可能出现的状态：高EN 阻态、关态（高电平）、开态（低电平）。 2.输入输出口 P0 并行扩展 在本系统中，需要同时扩展多个输入输出口，以满足应用的需要。而各个输入、输 出扩展 IO 芯片应通过 74LS138 进行“全地址”译码选通，从而分时复用数据总线 DB。74LS138 的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平 1芯片处于不工作状态， 要么只有一个为低电平 0，其余 7 个输出引脚全为高电平 1。如果出现两个输出引脚同 时为 0 的情况，说明该芯片已经损坏15。利用 74LS138 三个附加的控制端 A1、A2和 A3可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。带控制输入端的译码器可以作为数据分 配器。本系统共用到五片 74LS138 译码器，其中两片用来扩展两组电机的十六个 74HC377 输出接口，两片用来扩展两组电机的十六个 74HC244 输入接口。通过全地址 译码分别选能，使用 P0 口。 简单输入接口扩展通常使用的典型芯片为 74HC244，由该芯片可构成三态数据缓 冲器。为了防止过渡干扰对译码选通逻辑造成的影响，单片机系统所用的外围芯片一 般均设为双步选通方式，即除了配置译码选通端外，还应配置使能选通端。而 74HC244 芯片本身没有明显的片选和读写控制端，设计时通常采用译码和读控制信 号来同时控制 74HC244 的 CS，从而有效地抑制输入输出数据信息的过渡干扰16。 如图 3-6 所示： 图 3-6 74LS32 引脚图 图 3-7 74LDS138 译码器引脚图 74LS32 为集成或门，Y2、Y3 接 138 的输出端，只有当读控制信号和 38 译码器同 时为有效信号时，才能选能一片 74HC244。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 11 页共 44 页 74HC244 芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时分别以 1C 和 2G 作为它们 的选通工作信号。当 1C 和 2G 都为低电平时，输出端 Y 和输入端 A 状态相同；当 1G 和 2G 都为高电平时，输出呈高阻态17。74HC244 芯片的引脚排列如图 3-7 所示。 图 3-8 74HC244 芯片的引脚 由于单片机的数据总线是为各个芯片服务的，一般不可能为一个输出而一直保持 一种状态，因此，输出接口的主要功能是进行数据保持(即数据锁存)，也就是说，输出 接口的扩展实际上就是扩展锁存器。输出接口扩展通常用 74HC377 芯片来实现。该芯 片是一个带允许端的 8D 锁存器，其芯片的引脚如图 3-8 所示，各相关引脚的功能如下： 图 3-8 74HC377 引脚图 D0D7 为 8 位数据输入端；Q0Q7 为 8 位数据输出端；G 为使能控制端；CLK 为时钟信号，上升沿锁存数据。该芯片的真值表如表 3-2 所示： 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 12 页共 44 页 表 3-2 74HC377 芯片真值表 3.2.2 基本检测单元电路 在设计中，我们把被检测器件分为两类。第一类是两端口元器件，包括电机正反转 控制电路基本元器件，如熔断器、KM 的线圈和开关、FR、限位开关、停止按钮等。在整 个检测电路中，每个前面板上的器件均为模拟器件，在实际的后面板检测电路上都有 一个与之相对应的检测单元，检测对应器件的两端口接线，并发出信号。 对于第一类器件以熔断器为例,其基本检测单元原理图如前图 2-2 所示。 第二类器件为单端口元器件，如三相电源、地线、三相交流电动机的接口，其电路 设计如图 3-9： 图 3-9 三相电源接口电路检测单元 3.2.3 单个基本检测单元电路试验 实验目的： 1、验证上述设计电路是否能达到设计要求，检测元器件两端口是否能检测到应有 的高、低电平信号。 2、选择合适的上拉电阻 实验设备： 数字电路实验箱 TDS-1 一台 74LS125 一个 100K 电阻 两个 10K 电阻 两个 10K 电阻 两个 导线 若干 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 13 页共 44 页 万用表 一块 接线原理图 3-10： 图 3-10 接线原理图 实物接线图 3-11： 图 3-11 实物接线图 实验过程： 1、上拉电阻的选择： 按照原理图接线，首次接线上拉电阻使用 1K 的电阻，给三态门输出端通+5V 电压， 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 14 页共 44 页 用万用表测量并记录 KM2-2 两端电压大小。 将电阻换为 10K 按照上步的过程再次检测记录 KM2-2 两端电压大小。 将电阻换为 100K 重复上面的步骤。 2、测量电压信号： 确定上拉电阻之后，按照原理图接线，给三态门输入端（KM2-2）通+5V 电压，测量 三态门输出端电压大小。 实验结果： 1、上拉电阻的选择： 测量点 1K 10K 100K 1 0 V 0.18 V 41V 2 0 V 0.18 V 40 V 表 3-3 实验数据 上拉电阻选择 100K 的电阻 2、当三态门器件 74LS125 输入端 2、5 点输入位为 5 伏电压时，三态门器件输出 为 3.94V 异或门输出为 3.5V，满足检测要求。 3.2.4 检测电路与单片机的接口电路设计 对于本课题设计的挖掘机电机控制接线训练系统来说，前面板共个 68 个元件，加 上对电源接口的检测，共需要用到 118 个检测点，每个检测点对应一个检测单元。一个 电机的接线算作一个分系统，一个分系统用到 59 个检测单元，即用到 59 个检测口。将 它们按照检测信号的需要，分为八组。每组通过一个 74HC244 将检测信号送入单片机， 通过一个 74HC377 输出信号对检测电路中的三态门进行控制。输入口扩展采用 8 个 74HC244。其输入数字检测信号；而输出口扩展则选用 874HC377，以用于控制三态门。 由 P2 口接 3 线-8 线译码器及读/写控制引脚选通，每个端口都可进行位操作18。 51 单片机的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力，P0 口可驱动 8 个 TTL 门电路，P1 口、P2 口和 P3 口可驱动 4 个 TTL 门电路。负载超过上述规定一般应 加驱动器。总线驱动器可以使用 TTL 型三态缓冲门电路 74HC244、 。另外，在扩展口线 的同时，兼顾配置总线驱动器，注意总线负载平衡的配置19。在总线上适当安装上拉 电阻可以提高总线信号传输的可靠性。 以一组电机的接线为例电机其详细电路原理图如图 3-12 所示： 每个器件的检测口的标定和器件的分组情况在附录一里有详细的说明。 电阻 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 15 页共 44 页 对于整个检测电路一用到了 5 个 74LS138、4 个 74LS、3216 个 74HS244 和 16 个 74HC377，详细电路见附录三。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 16 页共 44 页 图 3-12 单片机接口扩展电路 3.3 电机控制接口电路 3.3.1 直流电机驱动电路 挖掘机模型中挖掘臂电机的驱动由直流电机完成。驱动面板如图 3-13 所示： 图 3-13 直流电机接口接线图 Y5：直流电机运行。 实际的挖掘及设备机械臂工作时有两个动作：上升和下降，由电机的正反转来控 制，但对于这套试验室教学来讲，其机械臂的上升和下降不是通过电机的正反转来控 制，电机只需向一个方向转动，通过机械换向装置实现机械臂运动方向的改变 由于实际挖掘机均为三相交流电机，所以本系统设计时，将其接线模型也做成三 相交流电机模型，更符合实际应用情况。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 17 页共 44 页 3.3.2 交流电机驱动电路 交流三相电机控制挖掘机左右转向，实验室挖掘机控制面板如图 3-14 图 3-14 交流电机接口接线图 Y0：是电机运行的使能端 Y1：控制电机的正反转 因为电机控制不是本课题设计重点，所以不考虑电机调速问题，在本系统中将速 度设为定值。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 18 页共 44 页 第四章 系统软件设计 4.1 总体设计 在设计系统软件时，为方便信号的检测，将每组电机的接线分为了三个模块 （A、B、C、 ）分别根据其接线信号对其接线情况检测判断。以第一组电机为例。A 组为主 保护接线和过载保护接线判断模块，被检测器件包括电源接口、熔断器 FU1；B 组为主 接线判断模块，被检测器件包括主控开关的六个 KM 常开触点和热继电器 FR；C 组为 控制线路主接线判断，被检测器件包括 FU2（两个）、常闭按钮 SB1 和过载保护按钮 FR、KM1、KM2 的线圈和常开常闭触点，开关 SB2、SB3。第二组电机也按照相同的方 式分为三组。另外还有一个报警模块和电机驱动模块。每个模块相当于一个子程序。系 统通过依次调用个功能模块判断接线的正误，如果接线错误则调用报警，如果接线正 确，再根据正反转按钮的启动情况调用电机驱动程序驱动电机工作。 主程序流程图 4-1： 图 4-1 主程序流程图 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 19 页共 44 页 4.2 三相交流电机保护线路检测模块 A 组主保护接线检测程序流程图 4-2 图 4-2 A 组主保护接线检测程序流程图 图中 A、B、C 为三相电源接口。判断过载保护接线的方法与判断 FU1、FU2、FU3 的方法类似，不同的是在上图中的第二步里不是给电源接口送电，而是给三相电动机 的接口中的一个送电，再按照相同的方法判断 FR1、FR2、FR3 的接线。该检测方式能 够发现电源与保护连接时可能出现的各种错误。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 20 页共 44 页 4.3 三相交流电机主电路检测模块 B 组首先判断接触器 KM1 主触头接线状态，其程序流程图如下 4-3 所示： 图 4-3 B 组接触器 KM1 主触头接线状态判断流程图 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 21 页共 44 页 本模块设计的思想是由于过载保护必然接在电机接口的出口处，根据实践经验， 学生在接主接线时，极少出现各部分接线顺序上的错误，即主保护 FU、过载保护 FR 和主控开关 KM 的接线顺序极少出错，常见的错误是同组器件间的短路。所以在上一 个模块里，默认为从电源的引出线首先要经过主保护器件 FU，那么在本模块的设计中， 目的就是检测主控开关 KM 是否连接到了线路中，是否出现了器件间的短路，接入方 式是否能够控制电机的正确动作。 用 R1、R2 对应存储 SB2、SB3 对应的电机正反转状态。 在本模块中，其判断过程分为了三个部分，即对接触器 KM1、KM2 主触头正反转 接线状态的判断、对接触器 KM1、KM2 主触头与主保护 FU 接线的判断和对接触器 KM1、KM2 主触头与过载保护 FU 接线的判断。同理判断接触器 KM2 主触头接线状 态。 对接触器 KM1 主触头与主保护 FU 接线的判断其程序流程图如下 4-4 所示： 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 22 页共 44 页 图 4-4 接触器 KM1 主触头与主保护 FU 接线的检测判断程序流程图 同理判断接触器 KM2 主触头与主保护 FU 的接线。 对接触器 KM1、KM2 主触头与过载保护 FR 接线的判断程序流程图如下 图 4-5 接触器 KM1、KM2 主触头与过载保护 FR 接线的判断程序流程图 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 23 页共 44 页 4.4 三相交流电机控制电路检测模块 C 组控制接线检测程序流程图 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 24 页共 44 页 图 4-6 C 组控制接线检测程序流程图 图 4-7 C 组控制接线检测程序流程图 该模块检测判断的主要思路先考虑接线正确时必然出现的情况，即相当于接线正 确的必要条件，如果不满足必要条件则不在继续检测其它器件的连线情况，但必要条 件满足时，再继续检测其它件的连线。对于本模块来说，必要条件是：如果接线正确， 则按钮开关 SB2 和常开触点 KM1 比为并联，按钮开关 SB3 和常开触电 KM2 必为并 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 25 页共 44 页 联。除此之外，又考虑到某些器件接线方式必然错误的情况，例如如果检测到 FU1、FU2 并联了，接线肯定错误，于是调出检测，发出报警信号。综合上述因素，本模 块能发现本接线单元的大多数接线错误发出报警。 4.5 报警模块 本模块根据检测电路送来的信号决定是否报警，程序流程图如下 图 4-8 报警程序流程图 P1.4 红灯 P1.5 黄灯 P1.6 绿灯 4.6 电机驱动模块 此模块根据检测电路送来的信号决定是否使电机工作，程序流程图如图 4-9 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 26 页共 44 页 图 4-9 电机控制程序流程图 电机 1 是交流电机，电机 2 是直流电机，它们的工作情况在本文硬件设计相应部 分已作了详细说明。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 27 页共 44 页 第五章 结论 本文在对我院实验室基于 PLC 的挖掘机教学训练系统进行了细致的研究之后，根 据该系统功能及电路特点，设计了一套基于单片机的挖掘机教学训练系统，该系统能 够发现学生在练习电气接线容易出现的常见错误的并发出报警，在学生接线正确的情 况下驱动挖掘机模型电机工作。文中给出了系统的设计思路、设计方法，画出了检测电 路，给出了程序流程图、各端口地址分配情况和部分单片机程序。在设计的过程中，通 过理论验证和做各种电路实验，选择了各拟定方案中可行性最好的方案，最终基本达 到了课题设计的目的。 本文设计的系统可检测到以下几种常见错误： 1、主接线上各组器件的顺序错误； 2、能够检测到主保护 FU 之间的短路； 3、过载保护 FR 之间的短路，主控触点 KM 之间的短路； 4、过载保护 FR 与主保护 FU,主控 KM 接线顺序上的错误； 5、控制接线上能够检测因该接线保护 FU1、FU2 并联，SB2 和常开触点 KM1 没有并 联， 按钮开关 SB3 和常开触电 KM2 没有并联时产生的各种接线顺序错误； 由于在设计时是分模块检测的，当各模块之间的器件如果有接线错误时，检测电 路发现不了、不能检测，在建面板的设计中考虑了这种情况，所以将期间分区摆放，以 减少这种错误出现的可能性。 本文设计的挖掘机电机控制训练系统在以前的文献资料中较少涉及，基于单片机 的实训练教学系统在各种文献里也几乎没有，本文通过对基于单片机的挖掘机控制训 练系统的设计对于进一步加强单片机的实践教学有重要意义。另一方面，由于课题难 度较大，本设计存在一定的缺陷，不能检测出所有的接线错误。通过改进判断检测信号 的方式可以继续提高系统的纠错能力。 潍坊科技学院毕业设计（论文） 第 28 页共 44 页 参考文献 1王晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社，2002;176-179. 2李平、蒋智、李亚荣，自行车训练装置检测控制系统的研究，计量与测试技术，2006 第33卷 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