天车防碰系统具体操作设计毕业论文.doc

本科生课程设计（论文）天车防碰系统具体操作设计毕业论文目录第1章 绪论11.1天车防碰系统研究意义与前景11.2天车防碰系统的国内外发展11.3任务要求2第2章 方案论证32.1 总方案框图32.2 主控制模块的选择32.3 测距模块的选择42.4显示模块的选择62.5电机调速模块的选择7方案确定12第3章 硬件电路设计133.1 AT89C51主控制模块133.2 CX20106超声波接受模块153.3发射电路方案设计163.4系统显示电路设计163.5驱动电路的设计17第4章 软件设计254.1系统软件功能程序流程图254.2系统安全天车距离模型284.2.1系统安全跟车距离模型的建立284.2.2模型中各参数的确定31第5章 结论33致谢34参考文献35附录 36附录 37附录 5563第1章 绪论1.1天车防碰系统研究意义与前景天车又称起重机、吊车，是现代工业生产中的一种重要装备，种类繁多，使用量大。它是一种用来起吊、放下和搬运重物的设备，在工矿企业中应用非常广泛。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成矩形的工作范围，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。随着天车在经济建设中的地位越来越重要，天车的使用越来越广泛，对于天车的使用、管理与安全检验等方面的要求也越来越严格，尤其是安全检验方面。为此，国家专门颁布了起重机安全检验大纲等规定，对起重机的安全防碰撞装置有了更新的要求。很多厂矿企业车间使用的天车往往是多台配合使用，以起吊大型超重的设备。在同一建筑物内，同层、上下层、或上中下三层设置轨道运行式起重机的情况下，由于调度不易，容易出现碰撞事故，造成操作人员生命威胁和财产损失。而且天车使用频繁、现场灰尘大、噪音大、电磁干扰严重、环境恶劣，尤其是夜间操作时，视线昏暗，更容易出现生产事故。近年来，天车撞人致伤、致死事故屡屡发生。经分析，事故发生的原因是天车自带的安全装置即防碰撞装置未起作用或根本就没有安装防碰撞装置所致。因此，研究一种安全可靠，能够稳定运行的天车防碰系统有着重要的意义。1.2天车防碰系统的国内外发展天车防碰系统是石油、天然气、盐业、地矿等钻探作业中，钻机游动滑车顶撞天车事故安全预防的保障系统。随着微电子学、传感技术、自动化控制的迅猛发展，这些技术已经完全应用于天车防碰系统中，出现了新一代的数显防碰装置。在钻井过程中，它能对钻机游动滑车的上升或下放过程实行直观的高度显示，并对顶撞天车事故实施随钻监测、声光报警、自动控制，特别在雪天、雨天、大雾天、夜间等特殊情况下，使司钻可直观方便地通过观察显示数据而清楚地知道此刻游动滑车所处的距离位置。天车防碰系统发展分为普通型防碰系统和数字型防碰系统。国内外1997年以前生产的天车上配备大多为普通型防碰系统，它是通过绞车滚筒轴上方的防碰肘阀(过卷阀)来控制刹车气路。国外IDECO公司系列天车、修井机所采用的天车防碰系统(KOoMEY公司的产品)均属此原理。国内部分产品离合器控制阀的进气不是来自天车防碰开关，天车防碰系统不起作用，离合器仍能结合进行作业，一旦滚筒过卷，刹车气缸作用，滚筒离合器不能自动断开，如果司钻没能及时关闭离合器控制阀，动力或传动系统的势能仍能输入滚筒，滚筒在动力或传动系统的势能和刹车的共同作用下，不能保证迅速制动。自从1997年数显防碰天车问世以来，国内外生产的电驱动天车及部分机械驱动天车配备了此套装置。它是集显示天车游动滑车距离及防止游动滑车碰撞天车于一身的新型控制器，能显示游动滑车从0.1m至钻台以上200 m内任意位置距离，具有在特定位置报警并对绞车制动的动能，可以大大方便司钻的操作。该装置由可编程控制器、数显操作盘、编码器等主要部件组成。由安装在绞车滚筒轴端的编码器，将游车大钩的距离转换成绞车滚筒的旋转量，再把滚筒的旋转量转化成脉冲输出给可编程控制器，可编程控制器通过数学运算，将编码器送来的脉冲进行处理、转换后输出2路信号：一路送至数显操作盘以供显示；一路输出给天车电动机，控制刹车动作。普通型天车防碰系统根据对现场使用情况的考查，工作基本正常。但由于天车防碰系统属于一种安全预防事故发生的装置，安全可靠很总要。普通型天车防碰系统属于传统机械式防碰系统。无法显示实时距离，设备可靠性差。 已经属于淘汰产品。数显型天车防碰系统数显天车防碰系统以其安全可靠、操作简便、数据直观等优点，已经完全被现场使用者所认可。在近几年现场使用情况的基础上，又对其进行了改进，使用性能不断趋于合理和完善，从而很好的满足了天车现场的需要。1.3任务要求该设计主要完成对天车距离的自动监测与报警。包括传感器与测量电路设计、报警电路设计、主机及扩展部分设计、通信部分和系统软件设计。技术要求：（1）天车行进不能碰撞。（2）当天车之间的距离小于5米时，提出声光报警，当距离小于2米时，切断天车的电源，并启动制动装置，同时继续报警，只有当天车启动反向运动时才能重新开启天车。（3）距离检测范围：0.2m-8m，检测精度：0.1m；当距离小于5m时，控制天车减速，并以低速运行，防止因天车高速行进并瞬间急停造成吊钩的摆动。（4） 检测目标距离 并显示在液晶屏上；第2章 方案论证2.1 总方案框图如2.1系统方框图所示单片机作为主控制模块。超声波发生器发射超声波，之后接收模块接收到反馈信号。利用发射与接收的时间差t，来计算出天车的距离，利用单片机进行数据处理判断。 并进行距离显示。当单片机判断为警报距离时，光报警模块便会启动。以提醒天车驾驶员注意，同时控制模块控制三相电机减速。当单片机检测到危险距离时，单片机会强制输出停止指令，令电动机马上停止。从而保证了人员安全。只有距离大于危险距离时，电机才能前进。主控制模块超声波发生器超声波接收传感器LCD显示声光报警 模块电源控制模块交流电机电机图2.1 系统方框图2.2 主控制模块的选择单片机的结构及其采用的半导体工艺，使之具有显著的特点，优异的性价比。大大降低了控制成本。单片机的体积小，可靠性高，其内部采用总线式结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力，可以用于恶劣的环境下工作。单片机的控制能力强大能满足设计要求单片机指令系统中均含有丰富的转移指令、I/O接口指令及位处理功能。单片机的逻辑控制功能均高于同一档次的微机。因此选用单片机作为主控制器。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含4K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PERONM)和128bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域2.3 测距模块的选择本文涉及到距离的检测。可有2种方案供选择。 其一是激光测距，其二是超声波测距。 由于题目要求的测距范围是80m以下因此激光的波速太快其往返时间太短，接收系统很难捕捉到反射信号。而且在工厂中，油污粉尘比较大。而激光的衍射能力弱，激光发射器探头极易受到油污的干扰。因此不能选择激光测距系统。经过多方面研究调查，选用超声波发生器最为合适。因为超声波的波速慢。因此80米的距离往返时间比较大。接收器更容易捕捉到反射信号。为了以超声波作为检测手段必须产生超生波和接收超声波。因此我们需要设计使用超声波发送器和接收器。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。防撞报警系统主要是利用超声波的特点和优势，所以选择超声波方案。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即S=VT. 超声波接收器使用CX20106芯片。使用CX20106集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。该芯片接受信号后直接进行处理分析。输出数字信号可直接输入单片机。不需要模数转换，可以大大的简化了电路设计。从而降低设计成本。该题目的重点是距离检测。因次选择设计一个好的超声波传感器就显得尤为重要。下面介绍一下压电式传感器的原理和设计思路。压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了，如图2.2：图2.2 超声波接收器超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器特性为例子。图2.3超声波传感器的升压能级和灵敏度如图2.3所示是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并目在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并目最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f = 40kHz ,波长 = 0. 85cm。实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表而上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球而波(子波)，这些子波没有一指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果(衍射)，却有一指向性。图2.4是电路中选用的发射传感器的指向图。图2.4 超声波传感器指向特性及结构超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40到80度，课题要求发射传感器的指向角为60度。综上所述选择恒隆达GH-311RT超声波模块。论文基于AT89C51单片机天车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的天车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。2.4显示模块的选择单片机应用系统中，常用的显示器件有LED和LCD。这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。LCD每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。而且体积小、重量轻。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。LCD功耗低。相对而言，LCD的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。因此根据本设计的要求对天车距离进行显示选择LCD显示，且由于需要显示的内容不多，所以选择LCD显示模块。在液晶(LCD)方面，从选型角度，我们将常见液晶分为以下几类：段式（也称8字）、字符型和图形点阵。常见段式液晶的每字为8段组成，即8字和一点，只能显示数字和部分字母，如果必须显示其它少量字符、汉字和其它符号，一般需要从厂家定做，可以将所要显示的字符、汉字和其它符号固化在指定的位置，比如计算器。对于段式液晶，我们提供定做业务。字符型液晶，顾名思义，字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异。字符型液晶一般有以下几种分辨率，81，161、162、164、202、204、402、404等，其中8(16、20、40)的意义为一行可显示的字符(数字)数，1(2、4)的意义是指显示行数。因此综上所述，LCD1602液晶模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。LCD1602模块可以显示两行，每行16个字符，采用5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，与有很高的性价比。因此选择LCD1602作为显示模块2.5电机调速模块的选择在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。（1）变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 （2）变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。（3）串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 （4）绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。 （5）定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点： 调压调速线路简单，易实现自动控制； 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。 调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。 （6）电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点： 装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速； 对电网无谐影响； 速度失大、效率低。 本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。（7）液力耦合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为： 功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要； 结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低； 尺寸小，能容大； 控制调节方便，容易实现自动控制。 本方法适用于风机、水泵的调速。改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频器调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度降低。实现变频器调速的关键因素有两点：一是大功率开关器件。虽然早就知道变频器调速是交流调速中最好的方法，但是受限于大功率电力电子器件的实用化问题，变频器调速直到20实际80年代才取得了长足的发展。二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究使得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。变频调速的特点有：可以使用标准电机，可以连续调速，可以通过电子回路改变相序、改变旋转方向。其优点是启动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全。变频调速的应用领域非常广泛，原因是节能效果显著。它应用于机床和起重机等。变频调速的实现必须使用变频器，变频器有很多种类型宣选择合适的变频器很重要。根据变流分类可分为现在使用的变频器主电路大多数为交-直-交电压型变频器，它整流器、中间电路和逆变器组成，而对逆变器的控制主要采用V/f控制、矢量控制和直接转矩控制三种方式。变频器的选择大致分为3类，通用型变频器、高性能变频器和专用变频器。（1）通用型变频器通常指配备一般V/F控制方式的变频器，也成简易变频器。该类变频器成本较低，使用较为广泛。（2）高性能变频器通常指配备矢量控制功能的变频器。该类变频器使得自适应功能更加完善，用于对调速性能较高的场合。（3）专用变频器针对某种类型的机械而设计的变频器，如泵、风机用变频器，电梯专用变频器，起重机专用变频器，张力控制变频器等。综合本设计的要求，我们选择通用型变频器。变频器容量的选择变频器的容量一般用额定输出电流(A)、输出容量(kVA)、适用电动机功率(kW)表 示。其中，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流有效值。额定输出电流采用变频器驱动异步电动机调速时，在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来选择变频器。（1）连续运行的场合由于变频器供给电动机的电流是脉动电流，其脉动值比工频供电时的电流要大。因此须将变频器的容量留有适当的裕量。 一般令变频器的额定输出电流（1.051.1）倍的电动机的额定电流(铭牌值)或电动机实际运行中的最大电流。（2）短时加、减速运行的场合变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。一般情况下，对于短时间的加、减速而言，变频器允许达到额定输出电流130% 150% (视变频器容量有别)。因此，在短时间加、减速时的输出转矩也可以增大；反之如只需要较小的加、减速转矩时，也可降低选择变频器的容量。由于电流的脉动原因，此时应将变频器的最大输出电流降低10%后再进行选定。（3）频繁加、减速运转时的场合对于频繁加、减速运转时，运行曲线如图5-4所示。变频器容量的选定可根据加速、恒速、减速等各种运行状态下变频器的电流值来确定变频器额定输出电流IINV。额定输出电压变频器的输出电压按电动机的额定电压选定。在我国低压电动机多数为380 V，可选用 400V系列变频器。应当注意变频器的工作电压是按U/f曲线变化的。变频器规格表中给出 的输出电压是变频器的可能最大输出电压，即基频下的输出电压。 输出频率 变频器的最高输出频率根据机种不同而有很大不同，有50Hz/60Hz、120 Hz、240 Hz或 更高。50 Hz/60 Hz的变频器，以在额定速度以下范围内进行调速运转为目的，大容量通用 变频器几乎都属于此类。最高输出频率超过工频的变频器多为小容量。在50 Hz/60 Hz以上 区域，由于输出电压不变，为恒功率特性，要注意在高速区转矩的减小。例如，车床根据工 件的直径和材料改变速度，在恒功率的范围内使用；在轻载时采用高速可以提高生产率，但 需注意不要超过电动机和负载的允许最高速度。 考虑到以上各点，根据变频器的使用目的所确定的最高输出频率来选择变频器。 变频器内部产生的热量大，考虑到散热的经济性，除小容量变频器外几乎都是开启式结 构，采用风扇进行强制冷却。变频器设置场所在室外或周围环境恶劣时，最好装在独立盘 上，采用具有冷却热交换装置的全封闭式结构。 对于小容量变频器，在粉尘、油雾多的环境或者棉绒多的纺织厂也可采用全封闭式结构。变频器容量的选择归根结底是对其额定电流的选择。总的原则是变频器的额定电流一定要大于拖动系统在运行过程中的最大电流。由于本设计是驱动单一的电机，所以变频器的额定电流选择为电动机的额定电流的1.倍即可。综上所述减速控制模块选用西门子MM440变频器作为减速控制模块。因为变频控制是目前最简单有效的交流电机速度控制方法。可以实现高性能高可靠性的控制。只要将单片机的数字控制型号经数模转换，输入到变频器中，就可实现电机的调速控制。因为DAC0832与微处理器完全兼容。具有8为分辨率。其价格便宜、接口简单、转换容易等优点，在单片机系统中应用广泛。因此数模转换选用了DAC0832芯片。 由于电机需要根据单片机的判断工作，电机为高压设备，为了防止高压电进入烧坏单片机。因此电机的真反转开关需要做光电隔离。选用TCP571作为光电隔离。方案确定综上所述，本设计基于AT89C51单片机天车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，使用CX20106作为超声波接收模块。使用DAC0832作为数模转换芯片。采用LCD1602液晶显示模块。利用变频器西门子MM440进行点击调速。第3章 硬件电路设计3.1 AT89C51主控制模块本系统中所用到的主要芯片有单片机AT89C51、LCD1602、CX20106、DAC0832、74LS373。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含4K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PERONM)和128bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域3。与MCS-51产品指令系统完全兼容，4K字节可重檫写Flash闪速存储器，1000次檫写周期，全静态操作：0Hz-24MHz，三级加密程序存储器，128x8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，2个16位定时/计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，低功耗空闲和掉电模式。AT89C51的结构如图3.1所示图3.1 AT89C51的内部结构图如图3.2所示该模块选用89C51单片机作为主控模块，利用LCD1602液晶显示实时距离。 按钮S1为复位按钮，S2为电机前进按钮，S3为电机后退按钮。P2.0口接发光二极管 用于危险距离警示。P2.6口接蜂鸣器报警器。报警系统将在单片机检测到危险距离时启动。此时P2.6口输出高电平，三极管导通，蜂鸣器通电。X1X2引脚外接晶振。P0口作为输出口时必须外外接上拉电阻才能有高电平输出。图3.2 AT89C51控制电路图3.2中DAC0832 是采样频率为八位的D/A 转换器件, DAC0832 内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832 具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A 异步输入、同步转换等)。D/A 转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB 端引用片内固有电阻，海可以外接。当ALE为高电平控制调速数字信号经过DAC0832数模转换，输入到MM440中进行电机减速。只要二进制数据送到DAC0832 的数据口,则会自动把数据转为相应的电压。但电压输出一般不可能达到基准。电压.要想达到基准电压则要提高运放的电压。当基准为负是,只要提高运放的正电压就可以使输出达到基准电压了，当基准为正是,则为提高运放的负电压，一般的运放提高两伏就可以了。其他模块将在具体模块介绍中详细说明。 3.2 CX20106超声波接受模块如图3.3所示使用CX20106集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106的引脚接法。1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2 脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R40或减小C12,将 使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C12的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，选用参数为 R40=4.7，C12=1F。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，选用参数为3.3f。图3.3 CX20106超声波信号接收模块4脚：接地端。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。取R=200k时，f042kHz6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8脚：电源正极，4.55V。3.3发射电路方案设计单片机与超声波发生器之间接入一个驱动电路，如图3.4所示。在单片机的一个输出口接一个非门，而后接入由4个非门两两并联的电路，由于非门是有源器件，这样就使得输入倍频电路的信号能量大大提高，起到驱动电路的功能。图3.4 超声波发射模块3.4系统显示电路设计使用LCD1602作为显示模块。 显示天车的实时距离。LCD1602具有一下特点：图3.5LCD1602模块图3.6中 VSS为电源地，VDD为供电电源，RS为输入指令输入数据控制，R/W为读写指令控制，E脚为1时读取信息下降沿时执行指令，数据线DB0DB7接单片机P0接口。3条控制线分别接P2.1、P2.2、P2.3接口。电阻Rx用来改变显示屏的对比度，Rx为5K的电位器。图3.6 LCD1602显示模块3.5驱动电路的设计利用D/A转换DAC0832，把单片机数字信号转换成模拟信号。然后将该模拟信号输入西门子MM440变频器中。从而实现对三相电机的速度控制。DAC0832 系列产品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，它们可以完全相互代替。它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路，为20脚双列直插式封装结构。DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。旨在直接与8080，8048，8085，Z80及其他通用的微型处理器进行相接。存储的硅铬R-2R电阻梯形网络将参考电流分开，并为电路提供合适的温度处理特性（全范围最大线性温度误差的0.05%）。电路利用CMOS电流开关和控制逻辑来取得最少的电能损耗和最小的输出泄露电流误差。特殊的电路也能提供TTL逻辑输入电压的水平兼容。CS：芯片选择（低电平工作）CS与ILE结合可使发挥WR1.作用。线性误差ILE:数据输入允许锁存信号引脚（高电平有效），与CS一起选通输入寄存器WR1。WR1:输入寄存器写选通信号，当WR1为高电平时，输入锁存器的数据开始锁存，当ILE为高电平，同时CS和WR1为低电平，输入锁存器数据更新。WR2:写选通信号2（低电平有效）。这个信号和XFER逻辑组合，使输入寄存器的8位数据打入DAC寄存器并开始D/A 转换。XFER:传送控制输入线，低电平有效，使WR2工作。其他引脚功能：DI0-DI7:数据输入端，DI0是最低信号输入位（LSB），DI7是最高信号位（MSB）IOUT1：DAC电流输出1端。当数模转换锁存器全1或全0时，IOUT1为最大值。IOUT2:DAC电流输出2端。IOUT2是一个持续的负IOUT1 ，或IOUT1 + IOUT2 =常数（固定参考电压的满幅值）。RFB: 反馈电阻。反馈电阻为IC芯片提供并联反馈电阻，外部运算放大器是用来数模转换器提供输出电压。这个片内电阻应始终使用（而不是外部电阻器） ，因为它与所用的芯片的R - 2R介变电阻匹配并跟踪这些电阻温度。VREF:输入参考电压。这种输入将外部精密电压源与内部R-2R阶梯电阻连接起来。VREF的选择范围可以是+10V到-10V。这也是四象限乘法数模转换器所适合的模拟输入电压。VCC:数字电源电压。是整个部分的电源供应引脚。VCC可接5V到15V的直流电压。运行时的最佳电压是15V。GND：10号引脚必须与地相连，使IOUT1和IOUT2作为电流输出开关，10号引脚与地的任何误差将会导致如下的线性变化：VOS PIN10/3VREF。图3.7 DAC0832数模转换电路图3.7所示为利用4558运算放大器组成模拟电压输出电路。经过第一个放大器输出为单极性模拟电压输出电压为0-5V。再利用另一个放大器，把电压放大2倍。从而匹配西门子MM440的模拟电压输入范围。改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频器调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度降低。实现变频器调速的关键因素有两点：一是大功率开关器件。虽然早就知道变频器调速是交流调速中最好的方法，但是受限于大功率电力电子器件的实用化问题，变频器调速直到20实际80年代才取得了长足的发展。二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究使得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。变频调速的特点有：可以使用标准电机，可以连续调速，可以通过电子回路改变相序、改变旋转方向。其优点是启动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全。变频调速的应用领域非常广泛，原因是节能效果显著。它应用于机床和起重机等。变频调速的实现必须使用变频器，变频器有很多种类型选择合适的变频器很重要。根据变流分类可分为现在使用的变频器主电路大多数为交-直-交电压型变频器，它整流器、中间电路和逆变器组成，而对逆变器的控制主要采用V/f控制、矢量控制和直接转矩控制三种方式。变频器的组成方框图如图3.8所示。图3.8 变频器的组成方框图图3.8中整流器由VD1VD6组成三相整流桥，它们将三相380V工频交流电整流成直流。中间电路包括滤波电路、限流电路和制动电路三部分。1、滤波电路整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。图中的滤波电容CF的主要作用就是对整流电压进行滤波，另外，它在整流器与逆变器之间起去藕作用，以消除相互干扰。值得指出的是CF是一个大容量电容器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定，通常称这样的变频器为电压型变频器，电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机绕组感性负载滤波后接近于正弦波。如果将滤波电路的元件改为电感，这样可使加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载影响，通常称这样的变频器为电流型变频器，电流型变频器逆变电流波形为方波，而电压的波形经电动机绕组感性负载的滤波后接近于正弦波。 2、限流电路在电压型变频器的二极管整流电路中，由于在接通电源时，滤波电容CF的充电电流很大，该电流过大时能使三相整流桥损坏，还可能形成对电网的干扰，影响同一电源系统的其他装置正常工作。为了限制滤波电容CF的充电电流，在变频器开始接通电源的一段时间内，电路串入限流电阻RL，当滤波电容CF充电到一定程度时将SL闭合，将RL短接。3、制动电路制动电路包括制动电阻RB和制动控制管VB1）制动电阻RB。电动机在降速时处于再生制动状态，回馈到直流电路中的能量将使电压UD不断上升，可能导致危险。因此需要将这部分能量消耗掉，使UD保持在允许的范围内，制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。2）制动控制管VB。制动控制管一般由功率晶体管GTR（或IGBT）及其驱动电路构成，其作用是控制流经RB的放电电流。图3.9 变频器结构图逆变器的基本作用是将直流变成交流，是变频器的核心部分。它一般由逆变桥、续流电路和缓冲电路组成。1）逆变桥由V1V6组成三相逆变桥，V1V6工作在开关状态，V1V6导通时相当于开关接通，V1V6截止时相当于开关断开。V1V6交替通断，将整流后的直流电压变成交流电压。目前，常用的逆变管有可关断晶闸管（GTO）、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和智能功率模块（IPM）等。各自的特点如下：可关断晶闸管（GTO）的优点是电压、电流容量较大，目前其电压可达到6000V，电流可达到6000A，多应用于大功率高压变频器；其缺点是驱动功率大，驱动电路复杂；关断控制易失败，工作频率不够高，一般在10KHz以下。电力场效应管（MOSFET）属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单；开关速度快，开关频率可达500KHz以上。MOSFET的缺点是电流容量小，耐压低。绝缘栅双极晶体管（IGBT）的输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达20KHz以上，通态压降比MOSFET低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。目前在中小容量变频器电路中，IGBT的应用处于绝对优势。智能功率模块（IPM）是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路集成在同一个模块内。这种功率集成模块特别适应逆变器高频化发展方向的需要，而且由于高度集成化，结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。目前IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，构成一相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。（2）续流电路续流电路由反向并联在六个逆变管的六个续流二极管VD7VD12组成。续流二极管主要有以下功能：1）由于电动机是一种感性负载，在导通的桥臂开关管关断时，电流不可能降为零，此时由与其并联的二极管进行续流，将其能量返回直流电源。2）当电机降速时，电动机处于再生制动状态，VD7VD12为再生电流返回直流电源提供通道。（3）缓冲电路缓冲电路由R01R06，VD01VD06, C01C06组成。当逆变管V1V6每次由导通状态切换至截止状态的关断瞬间，集电极和发射极（即C、E）之间的电压UCE很快地由0V升至直流电压UD，这过高的电压增长率会导致逆变管损坏。C01C06的作用就是减少电压增长率。当逆变管V1V6每次由截止状态切换到导通状态的瞬间，C01C06上所充的电压将向V1V6放电。该放电电流的初始值是很大的，R01R06的作用就是减小C01C06的放电电流。而VD01VD06接入后，在V1V6的关断过程中，使R01R06不起作用。而在V1V6的接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01R06。2、逆变原理电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是1800导通方式，即每个桥臂的导电角度为1800，同一组上下两个桥臂的2个逆变管交替导电，6个逆变管每隔600触发导通一次，相邻两相的逆变管触发导通时间互差1200，一个周期共换相6次，对应6个不同的工作状态。从上述分析可以看出，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过调节UD的大小来实现。 变频器选择的方式分为V/F控制和矢量控制，根据实际情况我们选择了V/F控制方法。因为异步电机的转数由电源频率和对数决定，所以改变频率，就可以对电动机进行调速。但是频率改变时电动机内部阻抗也改变，仅改变频率会产生有弱励磁引起的转矩不足或由过励磁引起的饱磁现象。是电动机功率因数和效率下降。V/F控制方式是这样一种控制方式，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较广泛的范围内调速运转时，电动机的功率因数和效率不下降。但是V/F控制是一种开环控制不能精确地控制转速，电路设计简单比较经济化。此设计并不要求非常精确的控制转速。因此选择西门子公司的MM440变频器，作为控制电机用的变频器。图3.10 电机驱动电路如图3.10所示使用西门子MM440变频器实现正反向运行、调速功能。根据功能要求，首先要对变频器进行调试。根据控制要求选择合适的运行方式。如线性V/F控制、无传感器适量控制等；频率设定值信号源选择模拟输入，由DAC0832进行模拟量输入。选择控制端的功能，将变频器DIN1、DIN2分别设置为正转运行和反向运行。当运行时单片机发出数字调速信号，经DAC0832进行数模转换后，把模拟信号输入到西门子MM440变频器中，从而实现调速功能。图3.11 电机热保护模块如图3.11所示MICROMASTER 440 有一个完善的、新的集成方案用于电动机热保护。它有许多电动机有效保护的可能性，但同时应确保电机高的利用率。该改进方案的基本原理是检测临界热状态，输出报警和初始的适当的响应。利用对临界状态的响应，它可以将传动系统运行在热功率限值并避免在所有情况下的立即断开(传动变频器脱扣)。图3.12 电机控制开关电路如图3.12所示，变频器的DIN1为正转、DIN2为反转控制。当P1.0口发生信号时，电磁开关闭合，DIN1产生高电平从而控制电动机正转。当P1.1口发生信号时，电磁开关闭合，DIN2产生高电平从而控制电动机反转。当单片机检测到报警距离时，单片机会输出调速数字信号，该数字信号经过D/A转换后输入到MM440中。从而实现电动机降速。 当单片机检测到危险距离是，P1.0口强制停止信号输出，同时P1.1口启动反转信号，从而达到立刻停车。只有当检测距离大于危险距离时，P1.0口才会重新输出信号。第4章 软件设计软件编程是系统功能实现不可或缺的组成部分。秉承结构化程序设计思想，系统程序具有良好的模块性、可修改性和可移植性。所有程序均结合硬件电路板卡进行了调试，系统预设的各项功能均能实现。程序的控制功能应通过以下步骤来实现:4.1系统软件功能程序流程图开始程序使单片机显示等芯片初始化。 执行超声发射程序，同时计时程序启动。当接收模块接收到信号时，向单片机输出高电平。同时计时程序停止，获得超声波往返时间t。单片机计算出距离（0.5t x340m/s）d。然后调用比较