五层电梯模型试验系统的硬件设计毕业论文.doc

五层电梯模型试验系统的 硬件设计毕业论文 目 录 引 言 1 第一章 概 述 2 1 1 电梯的发展概况 2 1 2 电梯的发展趋势 3 1 3 课题来源及意义 4 1 4 本文主要工作 5 第二章 电梯模型的组成及工作原理 6 2 1 系统组成 6 2 1 1 信号综合及显示电路 6 2 1 2 轿箱控制系统 7 2 1 3 门控电路 7 2 2 工作原理 8 第三章 电梯模型的电气系统硬件设计 9 3 1 信号综合及显示电路 9 3 1 1 呼叫电路 9 3 1 2 检测电路 10 3 1 3 显示电路 12 3 2 轿箱控制系统 14 3 1 1 主电路及保护电路设计 14 3 2 2 驱动电路设计 16 3 2 3 保护电路设计 18 3 2 4 控制电路设计 20 3 3 门控电路 27 3 3 1 门控及驱动电路 27 3 3 2 门控控制电路设计 30 3 4 稳压电源电路的设计 34 第四章 电梯模型的结构设计 37 4 1 总体结构的设计 37 4 2 曳引系统设计 39 4 3 门控系统 40 第五章 结论和展望 41 5 1 本文工作总结 41 5 2 展望 42 参考文献 43 附录 硬件原理图 45 A1 呼叫系统电路原理图 45 A2 楼层检测电路原理图 46 A3 信息显示电路原理图 47 A4 80C196KC 单片机部分 48 A5 轿厢控制系统 主电路及驱动电路原理图 49 A6 门控系统控制电路原理图 50 谢 辞 52 图表目录 图 2 1 电梯模型硬件系统组成 6 图 3 1 呼叫电路原理图 9 图 3 2 红外反射式开关内部结构 11 图 3 3 红外开关产品实物图 11 图 3 4 检测电路原理图 11 图 3 5 显示电路原理图 12 图 3 6 74LS373 的引脚图 12 图 3 7 74LS248 引脚图 13 图 3 8 双极式 H 型电路原理图 15 图 3 9 MOSFET 驱动电压的波形 15 图 3 10 IR2110 引脚排列 16 图 3 11 IR2110 内部功能框图 17 图 3 12 IR2110 驱动半桥的电路原理图 18 图 3 13 阻容吸收保护电路 19 图 3 14 过电流保护电路 20 图 3 15 过电压保护电路 20 图 3 16 80C196KC 的结构封装图 21 图 3 17 控制电路原理图 24 图 3 18 保护信号输送电路 25 图 3 19 看门狗保护电路 26 图 3 20 MAX704 引脚图 26 图 3 21 L298 外形图 27 图 3 22 L298 的内部结构 28 图 3 23 L298 的引脚排列 28 图 3 24 门控驱动电路原理图 29 图 3 25 L297 外形图 31 图 3 26 四相八拍 半步方式或称半阶段 31 图 3 27 双四拍 整步方式或称全阶段 31 图 3 28 单四拍 整步方式 32 图 3 29 L297 的引脚图 32 图 3 30 三端稳压器 34 图 3 31 三端稳压器的内部原理框图 35 图 3 32 由 W7824 组成的稳压电路图 36 图 3 33 12V 电压产生原理图 36 图 4 1 电梯模型控制系统的外型 37 图 4 2 电梯模型结构示意图 38 图 4 3 电梯呼叫面板 38 图 4 4 曳引结构示意图 39 图 4 5 电梯门构造示意图 40 表 3 1 按键代码和功能 10 表 3 2 楼层检测代码 11 表 3 3 4 线 七线译码 驱动器功能表 14 1 第一章 概 述 1 1 电梯的发展概况 在人类生产发展史上 电梯是随着生产的发展和生产力的提高而出现和发 展的 名符其实的电梯 于 1889 年出现 在此之前 电梯经历了初期的绞车阶 段和升降机阶段 电梯的发展大体上可分为如下五个阶段 1 13 世纪前的绞车阶段 在人类的远古时代就出现了绞车 文献记载 在公元前 2600 年左右 古代的埃及人使用绞车搬运石料建造金字塔 2 19 世纪前半叶的升降机阶段 这个时期 由于蒸气机的发明 人类进 入了以发动机代替繁重体力劳动的新时期 使用人力的绞车被以蒸汽为动力的 具有简单机械装置的升降机代替了 英国首先于 1835 年出现了用蒸气机驱动的 升降机 这个时期的升降机以液压或气压为动力 安全性和可靠性还无保障 3 19 世纪后半叶的升降机阶段 从 1852 年起到 1889 年前的这一阶段 突出代表是埃利沙 古利普斯 奥梯斯 Otis 本人和奥梯斯公司的工作 1852 年 奥梯斯在总结前人经验的基础上制成了安全升降机 1853 年成立奥梯斯兄弟公 司 1885 年 建筑家 W L 杰尼开始采用钢架结构 从此人类开始建造高层建 筑物了 4 1889 年电梯出现之后的阶段 1889 年 12 月 奥梯斯公司研制出用电 力拖动的升降机 真正的电梯 安装在纽约市 Demarest 大楼中 运行速度 0 5m s 该升降机已初步具有现代电梯的基本传动构造 成为现代电梯的鼻祖 以后出现了大量的 一系列的电梯技术 这一阶段一直持续到 20 世纪 70 年代 中期 5 现代电梯阶段 从 1975 年开始的新的电梯阶段 以计算机 群控和 集成块为特征 配合超高层建筑的需要 向高速 双层轿厢 无机房等多方面 的新技术方向迅猛发展 电梯交通系统成为楼宇自动化的一个重要子系统了 电梯控制技术的发展经历了手柄开关控制 安钮控制 微驱动平层控制 集选控制 交流双速控制 直流变压调速控制 交流调速控制和计算机控制诸 阶段 在我国 电梯所用原器件在 1965 年以前 控制装置以电磁元件为主 从 1975 年起 大力推广晶体管和晶闸管技术 1980 年以后 代替电磁继电器元件 2 的是计算机 功率电子学和各种传感技术元件 控制手段的变化则经历了从用 模拟量作控制量 到用数字量作控制量 又到变成全数字量的速度控制系统 2 电梯控制技术将向高性能方向发展 即向可控硅供电直流高速电梯 交流 调速电梯 VVVF 控制的交流高速电梯 计算机控制的电梯及无机房电梯方面 发展 1 2 电梯的发展趋势 向高性能的电梯技术方向发展 是电梯控制技术今后发展的方向 3 高性 能的电梯技术主要有 可控硅供电的直流高速电梯 交流调速电梯 VVVF 控 制的交流高速电梯 电脑控制电梯 可控硅供电的直流高速电梯 此种梯形的发展趋势如下 1 电动机 发电机组供电 可控硅供电 可控硅供电与变磁场系统 2 直流有齿轮传动 直流无齿轮传动 对于可控硅供电的直流高速电梯 由于节能 晶闸管供电的直流可逆传动 系统在电梯上将得到进一步的完善和推广使用 VVVF 控制的交流电梯 VVVF Variable Voltage Variable Frequency 即变频变压控制的电梯 首 部 VVVF 控制的交流电梯由日本三菱电梯株式会社于 1982 年 9 月研制成功 安装在东京 GotandaNN 大楼里 速度为 4m s 它具有下述特点 1 VVVF 调速方式比可控硅供电方式能耗少 5 10 而功率因数可 提高 20 左右 2 建筑物电源设备的容量降低 3 电梯机房的负荷减轻 4 噪声降低 因此 VVVF 供电方式强于可控硅供电方式 是电梯界的新潮流 DS 交流调速电梯 瑞士迅达有限公司推出的 Dynatran S 简称 DS 交流调速电梯是一种低 中 速梯 平层精度mm 调好后可达mm 利用能耗制动 但无需飞轮 与4 5 3 VVVF 控制相比 用的部件少 减少了连续的能量损耗 3 微机控制电梯 三菱公司的 SP VF 系统 用在多微机控制上 液压梯 其有优点是 机房不用建在房顶 位置可自由选择 液压元件价格下跌 液压机房价格便宜 无机房电梯 是近年来兴起的一项电梯新技术 有曳引驱动 液压驱动 螺母螺杆驱动 齿轮齿条驱动 皮带驱动 直线电动机驱动等方式 电梯的智能化 电梯一旦应用智能控制技术 就发展到了现代电梯阶段 智能化电梯要和 智能大厦中的所有自动化信息系统联网 如与消防 保安 楼宇设备控制等系 统交互联系 使电梯成为安全 舒适 高效 优质的服务工具 为此 在控制 程序中采用了先进的调度原则 使群控管理具有最优的派梯模式 现在的群控 算法已不是单一地依赖 乘客候梯时间最短 为目标了 而是采用模糊规则 神 经网络 专家系统的方法 将候梯时间 舒适度等因素 专家知识 综合考虑 并吸收到群控系统中去 3 高速电梯和超高层建筑 现在世界上高速电梯的最大额定速度达到了 1010m min 1 3 课题来源及意义 电梯作为现代生产 生活重要的运输和交通工具 是比较复杂的机 电结 合成一体的大型工业产品 既有完善的机械专用构造 又有复杂的电气控制部 分 电梯自动控制系统是楼宇自动控制 工业过程控制的典型实例 也是 PLC 电气控制等课程实践教学的理想研究对象 PLC作为机电一体化专业本科学生的一门重要的专业课程 日益受到人们的 重视 研制一个五层楼电梯模型可以让学生熟悉PLC的应用 在高等工科学校 实验中的广泛应用具有重要意义 该模型可以模拟电梯基本功能 作为教学装置 供学生进行PLC综合实验和编程模拟 增强对机电一体化的感性认识 培养学生的 实际动手能力 2 但用于教学的电梯模型 往往结构过于简单 功能不够完备 设计一套结 4 构简单 形象直观 功能齐全 性价比高的电梯模型可以较好地满足教学和科 研的需要 1 4 本文主要工作 本文着眼于 PLC 控制实验的需要 基于模块化的设计思想 设计一套经济 实用 功能完备 配备灵活的具有典型对象特性的电梯模型实验系统 所做工 作具有重要意义 本文共分五章 各章的主要工作如下 第一章简要介绍了电梯的发展历史和发展趋势 并对课题的来源和意义 进行阐述 第二章根据实验系统的应用要求 从系统的组成 工作原理等方面对所要 实现的电梯模型实验系统 装置 进行了分析和构思 第三章基于系统结构特点和功能描述 从电梯模型实验系统的要求对电路 设计及工作原理进行了系统的阐述 并对所选用器件作相应的介绍 第四章设计电梯模型实验系统的外观 尺寸以及各个器件选取的规格 并 设计出曳引系统和门控传动的实际样图 第五章全面系统地总结了本文的全部工作 并指出有待进一步开展的工作 5 第二章 电梯模型的组成及工作原理 2 1 系统组成 本文设计的五层电梯模型系统组成如图 2 1 所示 图 2 1 电梯模型硬件系统组成 电梯模型实验系统主要由信号综合及显示系统 轿箱控制系统 门控系统 三部分组成 信号综合及显示电路分呼叫电路 检测电路和显示电路三部分 轿箱控制系统包括主电路 驱动电路 控制电路和保护电路四部分 门控系统 分为门控驱动电路和门控控制电路两部分 2 1 1 信号综合及显示电路 1 呼叫电路 本文设计的呼叫系统主要用于电梯外部楼层呼叫信号和轿厢内部楼层呼叫 电电梯梯模模型型实实验验 系系统统 信信号号综综合合及及显显 示示系系统统 轿轿厢厢控控制制系系统统门门控控系系统统 呼 叫 电 路 检 测 电 路 显 示 电 路 主 电 路 驱 动 电 路 保 护 电 路 门 控 驱 动 电 路 门 控 控 制 电 路 控 制 电 路 6 信号 门控制信号及消防维修信号的产生和传递 因为楼层和轿箱的呼叫是随 机的 所以系统控制应采用随机逻辑控制 采用简单的按键和门电路就可搭建 成满足要求的电路 并且信号生成快 输送稳定 2 检测电路 检测电路主要用于对电梯位置进行实时检测 其检测电路采用红外反射式 开关搭建而成 采用红外反射式开关对轿厢进行位置检测 大大提高了检测精 度 当轿箱经过或停在某一层时 红外开关产生输入信号 并迅速把此信号以 数字信号的形式传送给 PLC 使 PLC 能够准确的判断出电梯轿厢位置 并执行 相应程序 3 显示电路 显示电路主要用于对轿厢所在楼层位置的显示 其通过对检测电路输出信 号的译码 并将其转换为半导体数码管的驱动信号 达到对轿厢实时位置的显 示 每层都有半导体数码管显示 模拟了电梯运行的真实情况 2 1 2 轿箱控制系统 轿厢控制系统主要用来实现轿箱上下位置移动和移动速度的控制 它包含 双极性 PWM 直流调速控制电路 可实现电机的调速与转向控制 是整个电梯 模型实验系统运动重要组成部分 1 主电路 轿厢控制的主电路采用 H 桥双极性 PWM 控制技术 通过调节占空比来实 现对直流电动机的调速和正 反转向的控制 2 驱动电路 主要用来产生 H 桥的驱动信号 3 控制电路 主要用来接收处理 PLC 的控制信号 产生双极性 PWM 信号控制驱动电路 并对保护和复位信号进行处理 4 保护电路 主要包括过流保护 过压保护 看门狗保护和阻容吸收保护电路 它们是 维护电路安全 防止元器件损坏的必要措施 7 2 1 3 门控电路 门控电路主要实现电梯轿厢门和厅门的开启 关闭功能 它主要是应用步进 电机来控制电梯门传动装置 从而实现对电梯门的准确控制 1 门控驱动电路 门控驱动电路主要受控制电路控制 用来驱动步进电机转动 该电路由 L298 芯片构成 它具有双 H 桥驱动器 可同时驱动两台单极性步进电机 可实 现步进电机的正 反转向调换功能 并具有良好的 2 门控控制电路 该电路采用 L297 构成 其主要将来自 80C196KC 的各项控制信号转化成 对 L298 的驱动信号 采用斩波调制技术控制电机电枢中的电流值 使其不超过 最大允许范围 2 2 工作原理 本实验系统采用 OMRON 公司出品的 CJ1M 系列 PLC 作为电梯的主控系统 其通过 I O 口与电梯模型实验系统相连接 从而实现了 PLC 对电梯模型实验系 统的信息处理和实时控制 当电梯模型上有按键被按下时 呼叫系统随即产生相应信号传送给 PLC 经 PLC 的 I O 口送到 CPU 中处理 CPU 处理后产生相应指令 执行相应程序 并通过 I O 数据总线给电梯模型单片机 80C196KC 输送控制信号 80C196KC 接到 PLC 送来的控制信号后 通过其自身处理后 决定运行轿 厢上升 下降 电梯门的开启或关闭 并通过输出端输送给相应器件 执行相 应命令 从而实现了 PLC 对电梯模型实验系统的控制 例如 轿厢在一楼 这时 三楼有按键被按下 随即产生三楼按键的信号 代码 该信号迅速被送入 PLC 的 I O 输入口中 PLC 接到此信号后 立即送入 CPU 处理 CPU 处理后执行轿厢上升程序 产生控制信号经 I O 输出口传送给 80C196KC 80C196KC 收到信号后 经其内部 CPU 处理后 控制其输出端向 轿厢的电机驱动电路送出双极性 PWM 控制信号 使电机正转 轿厢开始上升 当轿厢到达三层时 位置检测开关产生轿厢在三楼的位置信号 将其输送给 PLC PLC 马上给 80C196KC 下达停止命令 80C196KC 停止向电机驱动电路输 送 PWM 波 则电机停转 8 第三章 电梯模型的电气系统硬件设计 3 1 信号综合及显示电路 3 1 1 呼叫电路呼叫电路 图 3 1 呼叫电路原理图 呼叫电路是信号综合电路的重要组成部分 主要用于实现电梯内 外呼梯 信号的生成 它主要由按键 两片 8 线 3 线优先编码器 74LS148 一片四 2 输入与非门 74LS00 和电子锁组成 按键分内呼按键和外呼按键两部分 电路 中共用 15 个按键 其中 Y0 Y7 为轿箱外呼按键 Y8 Y14 为轿箱内呼及门控 9 按键 Y15 为消防维修电子锁 其各个功能如表 3 1 所示 74LS148 和 74LS00 的作用是把各按键所入信号编辑为四位二进制编码 并将其送入 PLC 的数据 I O 端口 1 4 中 各键按下时的代码如表 3 1 所示 例如 当 Y2 按下时 与其连接的 74LS148 的一端由高电平变为低电平 经过 74LS148 和 74LS00 转 换 由 74LS00 输出代码 0010 经数据总线送入 PLC 的数据接受 I O 端口 由 PLC 处理并执行相应程序 图 3 1 为呼叫电路原理图 电路中还设置了两组上拉电阻 其作用在于在没有输入信号时 使 74LS148 输入端维持在高电平 当有输入信号时 相应的端口变为低电平 74LS148 输出相应代码 表 3 1 按键代码和功能 3 1 2 检测电路 检测电路由十个红外反射式光电开关 两片四 2 输入或门 74LS32 一片 8 线 3 线优先编码器 74LS148 和上拉电阻组成 其主要作用是对电梯轿箱位置的 实时检测 以确保电梯到达相应位置时 PLC 能做出正确判断 并执行对应程 序 控制相应器件进行动作 红外反射式光电开关 4 的内部结构见图3 2 红外开关的红外发射管和接收 管位于同一侧 光敏三极管只能接收反射回的红外光 当轿厢不经过开关时 红外光未被反射回接收管 光敏三极管接收到的红外光不能使光敏三极管导通 外 呼 内呼及维护 名称代码功能名称代码功能 Y00000五层向下Y81000呼叫一层 Y10001四层向上Y91001呼叫二层 Y20010四层向下Y101010呼叫三层 Y30011三层向上Y111011呼叫四层 Y40100三层向下Y121100呼叫五层 Y50101二层向上Y131101呼叫开门 Y60110二层向下Y141110呼叫关门 Y70111一层向上电子锁1111消防维护 10 光电开关输出高电平 反之 当轿厢经过开关时 红外发射管发射的光经其反 射后 被接收管接受 光电开关输出低电平 图3 2 红外反射式开关内部结构 图3 3 红外开关产品实物图 如图 3 4 每一层各安有上下两个红外反射光电开关 以下简称红外开关 它们能确保电梯在到达某一楼层后 准确的向 PLC 输送这一楼层的信号 当轿 厢上 下端正好与某一楼层上 下端对齐时 这一层的两个开关都导通时 74LS32 输出低电平 这一信号被送入 74LS148 并产生相应代码 再由其输出 端输送给 PLC 的数据 I O 口 5 7 中 PLC 可根据输送来的信号准确的判断 出轿箱所在位置 并做出相应处理 电路图 3 4 所示 检测各楼层所用的代码 如表 3 2 所示 表 3 2 楼层检测代码 楼层检测代码楼层检测代码 一层000四层011 二层001五层100 三层010 11 图 3 4 检测电路原理图 上拉电阻的作用与呼叫电路中的作用相同 在此就不加累述了 3 1 3 显示电路 显示电路主要用于显示电梯所在楼层号 其电路主要由一片八位锁存器 74LS373 一片 4 线 七段译码 驱动器 74LS248 一个共阴极 VLED 半导体数 码管 BS201 和下拉电阻组成 显示信号来自检测电路中的 74LS32 输出信号 当 74LS32 输出信号来到时 它被送入 74LS373 中锁存 并由其输送给 74LS248 的四个输入端 通过其译码 并驱动半导体数码管 BS201 显示楼层号码 电路图如图 3 5 所示 图 3 5 显示电路原理图 下拉电阻的作用是在没有输入时使 74LS248 输入端保持低电平 从而使数 12 码管不显示 1 八位锁存器 74LS373 图 3 6 74LS373 的引脚图 八位锁存器 74LS373 的引脚排列如图 3 6 所示 其主要功能为将输入信 号锁存 并持续向外输出被锁存的信号 直到有新的信号到来将原有信号冲刷 掉 之后 输出端持续向外输出新的锁存信号 如此循环 图中管脚所代表的 含义为 为输入端 为输出端 为工作电源 为接1D8D1Q8Q CC VGND 地端 为锁存允许端 当它为高电平时 随数据 而改变 当它为LEQD 低电平时 被锁存在已建立的数据电平 为三态允许控制端 当它为低QEN 电平时 8 为正常逻辑状态可用赖驱动负载或总线 当它为高电平时 1QQ 呈高阻态 既不驱动总线 也不为总线的负载 但锁存器内部的逻辑1Q8Q 操作不受影响 5 2 4 线 七线译码 驱动器 74LS248 图 3 7 74LS248 引脚图 4 线 七线译码 驱动器 74LS248 的引脚排列如图 3 7 所示 其功能为把 输入信号译成数码管所需的驱动信号 以便使数码管用十进制数字显示输入信 13 号所代表的数值 图中管脚所代表的含义为 为译码地址输入端 03 A A 为段输出端 高电平有效 为消隐输入 低点平有效 脉冲消 ag Y YBI RBO 隐输出 低电平有效 为灯测试输入端 低电平有效 为脉冲消隐输LTRBI 入端 低电平有效 当要求输出 0 15 时 消隐输入 应为高电平或开路 对于输出 0 时BI 还要求脉冲消隐输入 为高电平或开路 当为低电平时 不管其它输RBIBI 入端状态如何 均为低电平 ag Y Y 当和地址 均为低电平 并且灯测试 为高电平时 RBI 03 A ALT 为低电平脉冲消隐输出 也变为低电平 当为高电平或开路 ag Y YRBOBI 时 的低电平可使均为高电平 LT ag Y Y 在本次设计中所用到的功能如表 3 3 所示 表 3 3 4 线 七线译码 驱动器功能表 输 入输 出数 字 A3 A2 A1 A0LT RBI BI RBO Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg 1H X L L L HHL H H L L L L 2H X L L H LHH H L H H L H 3H X L L H HHH H H H L L H 4H X L H L LHL H H L L H H 5H X L H L HHH L H H L H H 3 2 轿箱控制系统 3 1 1 主电路及保护电路设计 轿厢控制系统实质上是一个调速系统 通过对驱动电梯模型的电动机的转 速和转向的控制来满足轿厢按要求运行的目的 本设计中选用 60ZY105 2420 直流伺服电机 该电机体积小 工作稳定 容易控制 额定电压 24V 额定转速 1550r min 输出功率 20W 都 满足设计要求 电机转速与电压的关系为 14 3 d0d e UI R n C 1 考虑到 PWM 控制具有电路简单 低速性能好 稳速精度高等优点 轿厢 控制系统的主电路采用双极性 H 型 PWM 变换电路 图 3 8 为本设计中使用的双极性 PWM 变换的电路原理图 其中的功率开 关采用 2SK1389MOSFET 它允许通过的最大电流为 50 最大允许电压为A 60V 它的特点是 1 开关速度高 开关损耗小 2 热稳定性好 安全工作 区宽 3 电压控制器件输入阻抗高 驱动功率小 驱动电路简单 6 4 个 MOSFET 的栅极驱动电压分为两组 和同时导通和关联 其 1 VT 4 VT 驱动电压 和同时动作 其驱动电压 它们 b1b4 UU 2 VT 3 VT b2b3b1 UUU 的波形如图 3 9 所示 在一个开关周期内 当时 和为正 MOSFET 管和 1 0t t b1 U b4 U 1 VT 导通 而和为负 和截止 此时 24加在电枢两端 4 VT b2 U b3 U 2 VT 3 VTVAB 电枢电流沿 1 流通 此时电机正转 驱动轿厢上升 当时 AB U 24V 1 t t2QV 20 1 5 本设计中选用2SK1389 50 600MOSFET 充分导通时所需要的栅电荷AV 150 可由特性曲线查得 24 那么 g QnC CC VV 2 150 24 20 1 5 1 2 1 C 9 10 7 10F 可取 0 22 且耐压大于35 的钽电容 1 C FV 2 自举二极管的选择 自举二极管是一个重要的自举器件 它应能阻断直流电路上的高压 二极 管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积 为了减少电荷损失 应选择反向漏 电流小的快恢复二极管 18 图 3 12 IR2110 驱动半桥的电路原理图 3 2 3 保护电路设计 1 缓冲电路 MOSFET 的漏极和源极之间连接上一个阻容吸收电路 9 其原理图如图 3 13 所示 其作用为 当电流切断的瞬间 利用电容器电压不能突变的特点 把 尖峰电压电流吸收 减少对 MOSFET 的冲击 使关 MOSFET 断过电压能得到 有效的抑制并减少关断损耗 器件选择可根据公式RC 3 3 fcc C It2V 3 4 ccMom V I I R t4C 其中 24V 50 I 1 6 0 944 T 0 001s cc V M IAA f t 6 10 s om t 经计算 得 0 031 取电容 0 33 的取值范围在 0 5 8 33 C FC FR K 考虑到电容的放电时间尽量短 这里取 5 CRK 图 3 13 阻容吸收保护电路 2 过电流保护 为检测电流 防止电流过大使电机被烧坏 设计了过电流保护电路 如图 3 14 所示 该电路采用一片 LM358 运算放大器 一只型号为 2CW37 20A 10 的 稳压二级管 19 2 一个 10电阻 一个 1电阻和 5的稳压电源构成同V K V 向比较器 当电路中的电流高于 1 2 1 92 时 LM358 输出高电平 输入到IA 80C196KC 的 TXD P2 0 端口 启动保护程序 3 过电压保护 19 过电压保护电路同过电流保护电路原理相同 作用是防止电压过大使电路 损坏 如图 3 15 所示 采用一片 LM358 运算放大器 一只型号为 2CW37 30A 的稳压二极管 28 8 一个 1电阻和 5的稳压电源构成同向比较器 VK V 当电源电压高于 1 2 28 8 时 LM358 输出高电平 80C196KC 的 24 VV TXD P2 0 端口 启动保护程序 图 3 14 过电流保护电路 图 3 15 过电压保护电路 3 2 4 控制电路设计 本文设计的主电路由80C196KC负责接受处理PLC发送的控制信号 PLC对 电机两端电压控制的模拟信号 0 5 通过其模拟量输出口输出 输送到V 80C196KC的模拟量输入口ACH 4 它含有A D转换器 可将输入的模拟信号转 换为数字信号 电动机正反转信号由80C196KC的P1 0口输入 这些信号经 80C196KC处理后 执行相应程序 由HSO 0和HSO 1为两片IR2110提供双极性 PWM信号 P1 0连接PLC的数据输出口 用于接受PLC发来的电机正 反转控制 信号 输入高电平为正转 低电平为反转 TXD P2 0连接IR2110的SD端口 当 输出高电平时 IR2110的两路输出HO LO都被关闭 与其连接的MOSFET关 断 则电动机停止转动 反之 IR2110继续控制MOSFET使电机转动 电机控 制电路原理图如附录4所示 20 1 80C196KC 单片机 80C196KC 是 INTEL 公司 MCS 96 系列单片机中重要的新成员 其不仅 保留了 MCS 96 系列单片机中其它型号如 8098 和 8096BH 等芯片的功能 而 且扩展了一些新的功能 使之成为该系列单片机中性能优良的产品之一 已被 广泛应用 其特点为 1 16 位 CPU 可寻址空间为 64KByte 2 16KByte 片内 ROM 3 232Byte 内部 RAM 256Byte 的附加 RAM 4 快速运算能力 振荡信号频率可达 16MHz 指令的运行速度更快 16 位乘法 1 75 32 位除法 3 0 s s 5 具有高速输入输出单元 HIS HSO 在 16MHz 时钟下 检测和产生脉 冲的分辨率可达 1 75 即可由 HIS 检测 570KHz 的输入脉冲 也可由 HSOs 产生 570KHz 的脉冲 6 具有选择 10 位 8 位转换的特点 还可控制 A D 转换的时间 7 具有全双工串行口 8 外围事务服务器 以很小的 CPU 开销为 I O 功能部件服务 9 监视定时器 提供突然间紊乱或从硬件故障中自动恢复的能力 80C196KC 的结构封装图如图 3 16 所示 21 图 3 16 80C196KC 的结构封装图 其各引脚功能如下 第一部分 芯片的工作电源及地 共 7 只引脚 它们是 1 主电源电压 为 5 CC VV 2 数字电路地 0 三个引脚都应接地 SS VV SS V 3 EPROM 型芯片的编程电压 PP V 4 片内转换器的参考电压 5 REF VA DV 5 转换器的参考地 通常应与相同 ANGNDA D SS V 第二部分 控制信号和时钟信号 共 13 个引脚 它们是 1 取指读操作输出信号 当读外部存储器时 若该引脚输出INST 高电平 则表示此次读是取指操作 2 非屏蔽中断请求信号输入脚 此引脚上的一个由低变高的NMI 电平跳变将使程序转向外部存储器的 0000H 单元 该引脚仅供开发系统INTEL 使用 3 片内时钟发生器的输出端 CLKOUT 4 写外部存储器高位字节 总线高位字节允许输出信号 WRHBHE 由 芯片配置寄存器 选择 若选择功能 当写存储器奇数字节CCRWRH 高位 时 该引脚变低 在访问一个 16 位宽的存储器时 需选择功能 BHE 即当 0时 选择连接至数据总线高位字节的存储器 这样 对一个 16 位BHE 宽度存储器的写操作按如下方式 0 1 选择低字节 0 ABHE 1 0 选择高字节 0 ABHE 0 0 选择一个字 0 ABHE 其中为地址总线的最低位 0 A 5 写外部存储器低位字节 写外部存储器输出信号 在WRL WR 80C196KC 芯片中 由选择输出或信号 CCRWRWRL 6 数据总线宽度选择输入脚 若 1 则运行中BUSWIDTHCCR 1 的总线宽度取决于该引脚的逻辑值 当 1 时 选择 16 位总线 BUSWIDTH 否则选择 8 位总线 若 0 则总线宽度为 8 位 与此引脚的电平无关 CCR 1 7 准备就绪信号 输出 片内有微弱上拉作用 其用于延READY 长访问存储器的总线周期 当外部存储器速度较慢时 其发一低电平信号CPU 使处于等待状态 CPU 22 8 片内振荡发生器中反相器的输入端 输入外部振荡信号 XTALT1 通常接外部石英晶体 16 MHz 9 片内振荡发生器中反相器的输出端 通常接外部石英晶XTALT2 体 10 芯片的复位信号输入端 RESET 11 对外部存储器的读信号 低电平有效 输出 RD 12 存储器选择输入端 0 时访问片外存储器 1 时EAEAEA 访问片内 ROM 13 地址锁存允许 高电平 或地址有效ALEADVALE 低电平时 位输出引脚 仅在外部存储器访问期间有效 或ADVALE 由 CCR 寄存器选择 两者都提供一个锁存信号 以便将地址从地址 数据ADV 总线中分离出来 第三部分 I O 信号线 即 I O 功能部件的输入或输出线 共 48 个引脚 它们是 1 HSI 四个引脚均为高速输入部件的输入端 其编号为 HSI 0 HSI 1 HSI 2 HSI 3 其中的 HSI 2 和 HSI 3 引脚与 HSO 部件共用 2 HSO 六个引脚均为高速输出部件的输出端 其编号分别为 HSO 0 HS0 1 HSO 2 HSO 3 HSO 4 HSO 5 其中 HSO 4 和 HSO 5 与 HSI 部件共用 3 P0 口 P0 0 P0 7 为 8 位的高输入阻抗口 即可作为数字量输入口 也可作为 A D 转换器的模拟量输入口 作为 A D 转换器的输入端时 编号为 ACH 0 ACH 7 4 P1 口 P1 口 P1 0 P1 7 是一个准双向口 共有 8 个脚 在 P1 口中 P1 5 P1 7 三个脚分别与 引脚共享 BREQHLDAHOLD 5 P2 口 P2 口 P2 0 P2 7 是一个多功能输入 输出口 6 P3 口 具有漏极开路输出的 8 位双向口 内部有很强的上拉作用 其与 P4 口一般用于作多路复用地址 数据总线 7 P4 口 具有漏极开路输出的 8 位双向口 内部有很强的上拉作用 其一般用作地址总线 11 2 控制电路工作原理 23 1 工作原理 当PLC的控制信号下达到80C196KC 经80C196KC处理后 执行相应程序 由HSO 0和HSO 1为两片IR2110提供双极性PWM信号 如图3 17所示 HSO 0连 接到IC1的HIN和IC2的LIN 同时控制Q1 Q4的导通和关闭 HSO 1连接到IC1 的LIN和IC2的HIN 同时控制Q2 Q3的导通和关闭 12 在HIN为高电平期间 Q1 Q4导通 在直流电机上加正向工作电压 在 HIN为低电平期间 LIN端输入高电平 Q2 Q3导通 在电动机上加反向工作 电压 因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形 由于机械惯性的作用 决定电动机转向和转速的为矩形脉冲电压的平均值 图 3 17 控制电路原理图 设PWM波的周期为 HIN为高电平的时间为 忽略死区时间 则LINT 1 t 为高电平的时间为 HIN信号的占空比为 设电源电压为 则电T 1 t 1 t TV 枢电压的平均值为 OUT V 1 t 1 T tV T 2t1 T V T 3 2 1V 5 24 定义负载电压系数为 V 则 OUT V 3 2 1 6 当T为常数时 改变HIN为高电平的时间 也就改变了占空比 从而达到 1 t 了改变的目的 在0 1之间变化 因而在 1 1之间变化 连续改 OUT V 变 即可实现电机正 反向的无极调速 0时 电机反向全速运行 OUT VV 时 为负 电机反转 0 0 5 OUT V 0 5时 0 电机转速为零 OUT V 时 为正 电机正转 0 5 10时 当时钟fK f 1 0 69RC 振荡器脉冲使触发器置1 电机绕组想电流上升 采样电阻的电压上升到基 S R 准电压时 比较器翻转 使触发器复位 功率晶体管关断 电流下降 等 REF V 待下一个振荡脉冲的到来 这样 触发器输出的是恒频PWM信号 调制L297的 输出信号 绕组相电流峰值由整定 REF V 译码器由四个输出点连接到输出逻辑部分 提供抑制和斩波功能所需的相 序 因此L297可产生三种不同相序 其波形图如图3 26 图3 27 图3 28所示 全阶梯模式是将八步程序中漏去间隔的状态而得到的 计数器的最后有效位并不受影响 因此 当选择全阶梯模式时 相序的产 生有赖于译码器状态 若选择全阶段模式 译码器不论在任何偶数状态 都会 取得两相连接全步相序 如图3 27所示 当译码器在双数状态时 可获得单相 连接全阶梯模式 如图3 28所示 31 在采用半阶梯和单相连接全阶段模式时 有INH1和INH2信号产生 这两个 信号是由或 OR 功能产生得A B INH1和C D INH2 图 3 26 四相八拍 半步方式或称半阶段 图 3 27 双四拍 整步方式或称全阶段 图 3 28 单四拍 整步方式 而在采用两相连接全阶段模式时 就没有INH1和INH2信号产生 这两种信 号称为 抑制信号 作用是抑制驱动级A B INH1 和C D INH2 的相位 从而影响电机的转速 32 L297的引脚排列如图3 29所示 各引脚功能如下 图 3 29 L297 的引脚图 引脚1 同步信号输出 连接此引脚可使多片L297工作频率相一致 SYNC 引脚2 地 GND 引脚3 终点信号 当L297回到它的初始状态 ABCD 0101 HOME 时 此引脚输出高电平 引脚4 电机相驱动电源信号 AA 引脚5 抑制1脚 抑制驱动级 INH1AB 引脚6 电机相驱动电源信号 BB 引脚7 电机相驱动电源信号 CC 引脚8 抑制2脚 抑制驱动级 INH2CD 引脚9 电机相驱动电源信号 DD 引脚10 使能信号输入端 当它为低电平时 ENABLEINH1INH2 都为低 ABCD 引脚11 斩波控制方式输入端 当其为低电平时 斩波信号CONTROL 作用于禁止信号 而当它是高电平时 斩波信号作用于 信号 ABCD 引脚12 5供电输入 S VV 引脚13 传感2 用来检测 相绕组中的电流 SENS2CD 引脚14 传感1 用来检测 相绕组中的电流 SENS1AB 引脚15 参考电压 ref V 33 引脚16 斩波频率输入端 斩波频率由连接在这个引脚的网络OCSRC 决定 f 1 0 69RC 引脚17 正 反转方向信号输入端 CW CCW 引脚18 时钟信号输入端 CLOCK 引脚19 半步 全步输入端 HALF FULL 引脚20 复位信号输入端 RESET 2 工作原理 PLC通过I O数据口把门控信号送到80C196KC的数据输入口 P0 4 80C196KC接到信号后 执行门控程序向L297传送各类控制信号 正 反 转方向信号由P1 1口给定 CP信号由HSO 2给定 半步 全步输入信号由P1 2口 给定 复位信号由P1 3口给定 使能信号由P1 4口给定 终点信号由P1 5给定 斩波控制方式信号由P1 6给定 通过L297后 产生二相步进电机的脉冲相序 把此相序送给L298的四个输入端 在输出端口 产生二相步进电机的驱动信号 用来驱动二相步进电机 3 门控控制电路参数的计算及取值 L297内部带有斩波恒流电路 绕组相电流峰值由整定 因此 驱动器 ref V 硬件电路设计的基本思想是为L297配备合适的RC网络 调整斩波振荡脉冲频率 斩波器的斩波频率为 3 1 0 69fRC 8 斩波频率的取值一般大于10 如果斩波器的斩波频率过高 就会增加KHz 开关损耗 使发热严重 效率降低 可靠性也下降 如果斩波频率过低 则会 引起电机运行中振动加剧 运行特性也会变坏 因为确定斩波频率的线路为一个RC组合电路 电阻R不能过大 否则会严 重发热 但是同时要求电阻要足够大 使得5电压在其上降落后 流经电RV 阻R的电流非常小 不至于影响到晶体振荡器的正常工作 一般地说 电阻R要 大于10 一般选R的阻值为22 本设计选斩波频率为20 经 2 K K KHz 式计算得 电容C的取值为3 3 F 34 3 4 稳压电源电路的设计 三端稳压器是采用集成工艺 将调整管 基准电压 取样电路 误差放大和保护电路等集成在一块芯片上构成的 此类稳压器有三 个引出端 输入端 输出端和公共端 根据其输出电压极性可分为 固定正输出集成稳压器 W78系列 和固定负输出集成稳压器 W79系列 一般三端稳压器的外型如图3 30所示 本设计主要 采用其构成 稳压电源 电压可为直流电 24V 12V 5V 24V 动机和步进电机提供工作电压 可为其他电压信号提供参考电压值 还可 5V 为80C196KC MAX704 IR2110 74LS32 74LS138等芯片 图3 30 提供工作电压 是为LM358运算放大器提供工作电压 此外 三端稳压 12V 器 和电压是为了集成其他模块 扩大系统功能打下基础 可为系统中 12V 24V 新增加的芯片提供工作电压 三端稳压器的内部结构图如图3 31所示 三端稳压器内部主要包括基准电压电路 采样电路 比较放大电路 调整 电路 保护电路五部分 其中 1 基准电压源的电压值是决定集成稳压器的输出电压的重要部分 要求内 阻小 稳定性高 2 采样电路将输出电压的一部分送至比较放大器 3 比较放大电路将取样电压和基准电压差值放大后去控制调整电路的输出 电压 要求具有高增益 低温漂 抗噪声性能 4 调整电路比较器控制来调整输出电压 要求有足够的电流和承受较大的 耗散功率 5 保护电路是为保证集成稳压器安全工作所需的附加电路 包含过流保护 芯片散热保护和调整管的安全工作区域保护电路 Uo Ui L R 调整电路 采样电路 基准电压 比较放大 保护电路 35 图 3 31 三端稳压器的内部原理框图 下面以W7824来说明三端稳压器在本设计中的应用 图3 32中 为熔断 1 F 器 起防止电路因过电流造成的电路的损坏 W7824 的输入电压左右 I V 33V 则 TRANS1 将电压降为即约的交流电压 由于此电压为220V I V 1 1V36 7V 交流电压 因此通过整流桥 BRIDGE 整为直流电压才能作为 W7824 的输入 最终输出的稳定电压 为输入稳定电容 防止稳压器产生高频 24V 2 C 3 C 自激振荡和抑制电路引入的高频干扰 它的一般取值为 输出端的电解0 33 F 电容是为了减弱稳压电源由输出端引入的低频干扰 一般取值为 二极1000 F 管 D1 是为了避免输入端对地短路及输入滤波电容开路造成的输出瞬时过电压 双向稳压电源与它同理 只是多了一个负向电压 如图 3 33 为电压产 12V 生原理图 整流桥 TRANS2 的输入电压是由芯片 W7812 和 W7912 的输入电压 决定 为 即整流桥的正向输入电压约为 负向输入电压约 I V I V 1 1 V 21V 为 电压产生与电压产生过程同理 以输出为例 21V 12V 24V 12V 交流电压经过整流桥变为直流电压 作为 W7915 的输入电压 最终 21V 19V 可输出稳定电压 此外 电路中的电容的值的设定和作用与图 3 32 对应 12V 位置上电容的相同 图 3 32 由 W7824 组成的稳压电路图 36 图 3 33 电压产生原理图12V 第四章 电梯模型的结构设计 4 1 总体结构的设计 1 外型设计 37 电梯模型的外型如图4 1所示 图 4 1 电梯模型控制系统的外型 电梯模型高80cm 上下低面都由边长为40cm的正方形构成 电梯每层的高 度为12cm 顶层为曳引电机的工作间 2 设计思想 电梯模型结构示意图如图4 2所示 轿厢的拖动电机选用了60ZY105 2420 56JX300K 型直流电机 经过二 级带轮减速机构带动滑轮转动 用PLC 程序控制实现电机正反转 则轿厢对应 上升或下降 模型电梯每层均装有红外开关 每一层都有两个红外开关 在轿 厢升降运行过程中 轿厢的位置是由每层红外检测开关测定 当轿厢经过或停在 某一层时 红外开关导通 给PLC 的输入端一个输入信号 由PLC 程序确定电梯 到达相应的楼层号 而是否在该层停留 则根据模拟的楼层或轿厢内乘客输入指令 要求 由程序判断确定 1 2 3 4 5 38 由于电梯要求做到电机停则轿厢停 这在实际中应有制动装置 但我们的 模型电梯运动机构是滑轮机构 没有制动装置 电机停后 轿厢将由于自重而下降 为了解决这一问题 我们采用对重结构 根据轿厢重量配一个对重 使其重量与轿 厢相等 基本上实现电机停则轿厢停 平衡锤通过绳子和轿厢连接 悬挂于滑轮上 这 样减小了电机的负载转矩 为避免轿厢运行中与平衡锤在空间上发生干涉 采用 了隔板将它们隔离 隔板采用三合板 竖直固定在支架中间 为了保证轿厢在上 下行过程中不致走偏 用两根钢丝对角垂直穿过轿厢作为导轨 钢丝拉直后 两端 通过螺栓固定在支架上 图 4 2 电梯模型结构示意图 电梯模型支架结构采用铝合金成形材料 由于整个模型电梯的重量很轻 支架采用了25mm 25 mm 方形铝合金材料 接口处采用螺栓固定 以保证整体 结构稳固 电梯内呼叫面板如图4 3所示 电梯内呼按键 电梯开门键 电梯关门键 消防维护电子锁 图 4 3 电梯呼叫面板 标号1 5键为轿厢内呼叫楼层按键 可根据标号控制电梯到达各楼层 电 12 34 5 红外 开关 对重 39 梯开门键的作用是当轿厢到达开所要去的楼层时 可打开楼层的轿厢门和厅门 电梯关门键的作用是当轿箱要离开所在楼层时 可关闭楼层的轿