直流电机换向火花的毕业设计.doc

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）直流电机换向火花的毕业设计目 录1 绪 论11.1 课题研究的目的11.2 课题研究的意义11.3课题主要研究的内容22 飞机电机火花原位检测设计方案42.1 电机的介绍42.1.1 直流电机的应用42.1.2 直流电机的工作原理42.1.3 直流电机的结构及作用52.2 火花检测方案介绍62.2.1换向火花图象监测法62.2.2 直流电机换向火花的数值分析法102.3 硬件框图的设计112.4 单片机的简介及使用122.4.1 MCS51 引脚及片内结构形式132.4.2输入/输出（I/O）162.4.3 定时/计数器182.5 检测方案可行性论证222.5.1 火花成因222.5.2 方案的可行性论证232.5.3 测试原理242.6 原位检测技术252.6.1 原位检测的方法和作用262.6.2 原位检测的特点与要求272.7 硬件电路的设计282.7.1 电源电路的设计282.7.2 自校电路设计292.7.3 峰值检测保持电路设计302.7.4 放大电路设计312.7.5 MCU电路的设计313 软件具体设计方案333.1 主程序设计概述333.2 中断服务程序概述344 调试与分析35结 论38致 谢39参考文献40附录I 元器件清单41附录II 程序42591 绪 论1.1 课题研究的目的由于飞机的电气系统需要直流电机的驱动，而直流电机又带有换向器。电机运行过程中，在换向时，往往会产生火花，这样不仅对电机的安全运行产生危害，而且强烈的电磁干扰将影响周围的电子设备和通讯系统，同时也造成了不必要的能量损耗，在易燃易爆现场还会造成恶性事故。维修厂对K8飞机电气系统的检查维修，有出机前检查与维修检查两大类。出机前检查是通过检查人员对电气设备工作状况的直接检查，决定是否允许出机，由于没有科学手段，检测的准确性完全取决于检查人员的技术水平与实际经验。维修检查是把电气设备拆卸后在电气测试台上进行检查，这种方法虽然科学可靠，但检查周期长，又由于过多的拆装还会增加人为故障。为此，便提出了研制一种在不拆卸飞机电气设备前提下，能够原位对飞机电气系统进行准确快速的检测的仪器。1.2 课题研究的意义直流电动机，由于具有良好的启动和调速性能，在轧钢、交通、机床起重设备、建筑机械直至家用电器等工业、国防、民用行业有着广泛的应用。但是，该类电机在换向器换向时，会产生电火花，会影响电机的安全运行，强烈的电磁干扰将影响周围的电子设备和通信系统，造成不必要的能量损耗。在飞机上的飞机机舱、升降舵、方向舵操纵系统、防撞灯、着陆灯、使用液压变流机的液压系统，这些机构都采用直流电机驱动，一旦发生事故，损失不可估量。因此，需要有效地判断火花等级是否超标，电机是否需要维修或完全更换。本课题是经过多年的飞机火花检测的经验，提出一种切实可行的火花检测方案：采用将电源稳定的直流电压与电机产生的火花序列脉冲进行分离和积累的办法，达到测量火花强度的目的。具有检测等级准确，可操作性强的优点。项目的推广应用前景：该仪器生产与其他的电子仪器的生产类似，需要生产车间及常用的焊接装配的工具即可。生产成本低，投资少，见效快。使用条件，需要有直流稳压电源或27V电瓶。直流电机正常单独供电。由于该仪器为专用特种设备，因此技术含量较高，生产成本低（总价格的20%），利润空间大（约60%）。年生产能力1000台，可以有200万以上的纯利润。1.3课题主要研究的内容主要研究内容有：利用直流电机工作时产生的火花会反馈到电源线上这一特点,把这个脉冲信号与电源线上的直流信号进行隔离检测,并通过电路设计对测量原理予以实现。经过大量的实验和部队试用,证明该检测仪可以方便快捷地完成测试任务,具有较高的测试精度。并且通过简单的改装可以满足系列飞机的机载直流电机的火花测试,具有较强的扩展性。应用的关键技术有：提出了利用电源的回馈信号进行火花检测的新方法，在一个闭合的在线系统中，电信号在系统内各相关单元的作用后，能呈现出系统的整体特征，整体特征一般通过向外的能量扩散而表现出来，如散发的电磁波、声音、震动 、运动的动能等。同时系统内的相关单元之间又存在局部特征，其中局部体现为电信号（电流.电压）的相互作用可以在系统的合适位置取出相互作用后的信号，通过对相邻单元的分析有效的提取我们关心的信号，基于这样的思想，在使用电瓶供电（或其他直流电源，波纹低于10mv）的直流电机带载的工作系统中，直流电机在工作时，产生的换向器火花信号是该系统中的扰动信号，将此信号叫做此系统中的电源回馈信号。为了能够得到较强的能量信号，可以在电源的两端分别串接适宜大小的电感，通过滤波将电机换向信号部分滤掉，而后边可以得到换向器火花信号，经过信号放大 、整形 、脉冲保持电路后，送到单片机处理，得到火花系数，该火花系数可以反映火花信号的能量。对各种电机的火花系数进行了标定，技术性强。本课题的实现过程大致可以分为：火花模拟检测模块 、MCU模块、A/D数据采集功能模块 、数码显示模块、模拟和数字调零和校正模块。而其后的火花模拟检测模块通过电机选择开关对被测电机的电压和电流进行滤波和放大等处理后，转化为可采集电压的信号，送给A/D转换器。2 飞机电机火花原位检测设计方案2.1 电机的介绍电机是一种利用电磁感应原理进行机电能量转换或信号传递的电气设备或机电元件。电机从电流角度可以划分为直流电机和交流电机两大类。本课题主要研究直流电机。直流电机在不同的运行状态中又可以分为发电机和电动机两种。2.1.1 直流电机的应用在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动机械工作的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。2.1.2 直流电机的工作原理 直流发电机原理（机械能-直流电能） 定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流(称为励磁电流If)时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）； 原动机带动电枢线圈旋转切割主磁场B,转速n(r/min)； 电枢线圈的导体中将产生感应电势e=Blv； 通过换向器与电刷的作用，可以引出单向（直流）的端电势eAB。 直流电动机的原理 将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 电机内部有磁场存在。 载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （左手定则）。 所有导体产生的电磁力作用于转子，拖动机械负载旋转。2.1.3 直流电机的结构及作用 主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。 机座 机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。 换向极 换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。 端盖 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。 电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。电枢铁心 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢帖心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。 电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。 换向器在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。2.2 火花检测方案介绍2.2.1换向火花图象监测法引言直流电机最常见的故障是换向故障，其特征是换向火花过大。由于目前尚未有实用的仪器可精确测定换向火花的等级，在生产实践中，对换向火花的监测通常由点检工人来完成。人工观测火花依赖于点检工人对火花特征的主观印象和个人的经验积累，观测不可避免地受到主观因素的影响。国外的科研机构从80年代中期便开始了自动监测火花的研究。国内学者在这方面也做了一些工作。笔者认为，完善的火花监测方法应具有以下特点：全面保留火花的特征火花的形态.颜色.亮度以及火花沿刷握方向的分布特征，对于火花的状态监测与评价及故障诊断有重要的意义。因此，有必要全面保留火花的特征。高可靠性电机的运行环境通常较为恶劣，电磁干扰大，粉尘多，震动强。在这种环境工作，要求监测方法有高可靠性。大量的文献检索证明目前国内外还没有基于火花图象的火花监测方法。经过长期的实践，有人提出了一种监测直流电机换向火花的新方法换向火花图象监测法。该方法使用图象传感器探测换向火花的光信号，输出视频信号。视频信号数字化仪把视频信号转变为数字图象。通过识别火花图象就以得到换向火花的状态信息，从而达到在线检测换向火花状态的目标。图象监测法的特点如下：全面的保留了火花特征；由于采用了彩色图象传感器与彩色视频信号数字仪，使火花的亮度.颜色.形态以及沿刷握方向的分布特征全部被保留的火花图象中；抗干扰性好，可靠性高；图象传感器是高度集成化的芯片，与光电管等分立元件相比，其抗干扰能力和可靠性强出许多；直观性好；火花图象与人眼直接观测到的火花比较一致，自动监测火花的工作很容易的借鉴点检工人长期积累的经验；火花数字图象易于保存和处理；火花的数字图象被记录在计算机的存储媒介（例如：硬盘），通过调阅一段时间的火花图象档案，可以清楚地看出火花的发展趋势，从而定性地辩别火花图象的识别。原理如图2.1所示。 图2.1 火花图象识别原理框图换向火花的原物图象经CCD的光电转换。视频切换环节的处理.距离的传输以及视频图象采集卡的处理之后，不可避免地带有各个环节所引入的噪声。CCD图象传感器还可能受到现场的各种光源，如：探照灯、照明灯光、飞溅的钢花以及日光等光源的干扰。这些噪声或干扰对于图象识别算法是有害的，严重的甚至导致误判断，所以必须对火花图象进行预处理，尽量去除各种噪声和干扰。经过预处理后的图象需要进行图象分割，即将景物图象按灰度、彩色、边缘和纹理等特征分解成各组成部分。只有经过图象分割后，才能从图象中提取出换向火花中亮度、大小、分布和颜色等信息，然后全面评价火花的状态。与人眼直接观测到的火花现象相比，火花监测仪采集到的原始火花数字图象有以下特征：火花数字图象的对比度较低，火花点的亮度较低；火花数字图象中火花点数较少。实验表明，单幅原始火花数字图象中含有的火花点数通常仅由人眼同一时刻视觉成像测得的火花点数的10%20%。以上两个问题的解决办法是对火花监测仪的成像系统进行校正，使之与视觉成像相吻合，这是图象增强要研究的内容。图象预处理预处理的目的是：去除图象采集、传输等环节引入的噪声；去除各种杂散光源对图象造成的干扰。火花图象有自己的特点，即孤立的信号多。图象处理算法应具有针对性，一些通用的算法在火花图象处理中往往并不理想，因此要经过仔细分析和多次实验，才能找到合适火花图象处理的可行算法。火花图象一个显著特是同时存在高频、高幅的火花信号和高频、低幅的噪声信号。由于低通滤波会削弱火花的高频信息，高通滤波有会让噪声信号继续留在图象里，因此需要找一个既能抑制小幅值高频噪声，又对信号的高频成分衰减娇小的滤波方法。图象分割火花图象的分割方法有两类：第一类火花图象分割方法与背景分开，结果得到一幅二值图象，属于第一类方法的有幅度门限化方法；第二类火花图象分割方法不仅将火花与背景分开，而且还把各个独立的火花点分开，属于第二类方法的有部件标记法、基于区域的方法和边界的方法。第一类火花图象分割方法中的幅度门限化方法的框图如图2.2所示。 图2.2 幅度门限化方法工业现场情况复杂，有时背景亮度与火花亮度相当，幅度门限化方法很难将背景去除，这时需要采用预处理方法去除背景干扰，这在前面已做了介绍。在门限化技术中，阈值的选择是关键性的一步。图象增强图象增强算法包括两个方面：提高换向火花图象对比。换向火花图象合成。结论本文提出的新火花监测方法-幻想火花图象监测法。实验证明，经过上述图象预处理步骤，可以得到一幅质量交好的纯信号火花图象，为以后的特征提取和分类识别准备准确的数据。在我提出一种切实可行的火花监测方案：采用将电源稳定的直流电压与电机产生的火花序列信号进行分离和积累的办法，达到测量火花强度的目的。具有检测等级准确，可操作性强的优点。2.2.2 直流电机换向火花的数值分析法引言直流电机工作的任何时候都有元件在进行换向，由于换向的重要性和换向过程的复杂性，对换向问题的研究，一直在不断地进行着。火花因数是衡量直流电机换向性能的重要指标。根据直流电机换向分析，在直流电机换向元件中存在剩余电势。剩余电势经电刷闭合产生附加换向电流，当电刷和换片脱离接触时，附加换向电流在电刷和换向片脱离接触处释放能量，形成火花。为了从数量上评定直流电机的火花等级，火花因数的实质，是把直流电机电刷下产生火花的原因归结为换向元件从电刷下离开时电路短开的结果。因为附加换向电流取决于换向元件中的电动势，在这些电动势中，即有电抗电动势，又有旋转幻想电动势，这样就给换向电流分析带来很大的困难。尤其是旋转换向电动势，由换向区域内的磁密决定，准确计算该磁密又与实际换向元件中的电流有有关。由于附加换向电流的难于计算，限制了火花因数在工程上的应用。本文利用时步有限元法，通过磁场迭代法计算出附加换向电流，对换向火花进行了分析，并计算出火花因数。电机瞬态场的计算时步有限元法直流电机的换向是的动态的过程，是直流电机设计分析着重考虑的方面。引用数值方法分析电机的换向过程，必须考虑换向元件的电流是变化的，同时定子和转子间有相对运动，所以采用时步有限元法。换向电流直流电机点枢绕组的一个元件有两个边，两个边分置于不同槽中，一个为上层边，另一个为下层边。电枢绕组的连接方式有分为单叠、复叠、单波、复波和蛙型。为确定换向元件，先选定一个元件的上层边，根据绕组的已知条件，确定该元件的下层边。由此元件的两边相对于电刷的位置，可判断其是否处于换向状态，如果处于换向状态，由此进一步得到其余元件的换向情况。附加换向电流的迭代计算由于换向过程的复杂性，为简化分析并和传统电路分析相一致，采用计算平均磁密的方法来计算旋转换向电动势。根据电枢表面的合成磁场，计算出换向区域内的平均磁密，即可计算旋转换向电动势。结论用磁场迭代法计算附加换向电流，可以分析直流电机换向火花情况，并计算出火花因数，从而在数值上确定出直流电机火花等级。所算得的附加换向电流，能反映换向的动态过程，可以研究开发新型直流电机提供帮助，使直流电机在设计时就能仿真出换向过程，为改善设计提供了一种手段。2.3 硬件框图的设计 硬件包含以下几个功能模块：火花模拟检测模块MCUA/D数据采集功能模块数码显示模块模拟数字调零和校正模块。火花信号火花模拟检测模块A/D数据采集功能模块MCU微处理器数码显 示模拟和数字调零以及校正模块图2.3 系统硬件结构框图火花模拟检测模块：该模块通过电机选择开关对被测电机的电压和电流信号进行滤波和放大等处理后，转化为可采集电压信号，送给A/D转换器。MCU：微处理器负责数据的采集控制数据的处理数据的调整和送显。采用工业级芯片C8051单片机。A/D数据采集功能模块：该模块采用高速的A/D转换器，对模拟的电压信号进行采集。该模块为了保证系统采集的信号准确，需要设计同步电路，对模拟信号采集进行同步控制。数码显示模块：此模块负责显示火花等级电机电压电流。采用液晶显示器LCM045低耗能，工作温度-2060。模拟数字调零和校正模块：进行模拟调零是在无被测信号时将检测电路的模拟输出值设定为0V作为A/D采集的参考电压。数字调零可以保证在0V的参考电压时的数据值为相应的采集值。校正模块可以完成本系统的自动校正，校正一般在每次启动复位或采集时自动完成。2.4 单片机的简介及使用所谓单片机就是在一块硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调节器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的属性，因此被称为单片微型计算机，简称单片机。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。它的体积小质量轻价格便宜，为学习应用和开发提供了便利条件。单片机按用途大体上可以分为两大类：通用型单片机和专用型单片机。专用型单片机指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中一种，其生产成本很低。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可以完成不同的功能，小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可以用单片机来实现自动化控制。目前单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。2.4.1 MCS51 引脚及片内结构形式MCS51 引脚配置 MCS51 单片机有40个引脚，如图2.4所示，其中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其他电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。主电源引脚Vcc和VssVcc(40脚)接+5V电压；Vss(20脚)接地。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(19脚)接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动器。XTAL2(18脚)接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反向放大器的输入端。采用外部振荡器时对HOMS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对CHMOS单片机，此引脚应悬浮。控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/和/VPPRST/VPD(9脚)：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。 ALE/(30脚)：当访问外部存储器时，ALE(允许地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性的出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动(吸收或输出电流)8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲()。 (29脚)：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部存储器取指令期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。同样可以驱动(吸收或输出)8个LS型的TTL输入。/VPP(31脚)：当端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC(程序计数器)值超过0FFFFH或1FFFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当端保持低电平时，则只访问外部存储器，不管是否有内部程序存储器。 图 2.4 MCS51 单片机引脚 输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2、P3(共32根)P0口：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS TTL负载。P1口：是8位准双向I/O口，由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动(吸收或输出电流)4个LS TTL负载。P2口：是8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动(吸收或输出电流)4个LS TTL负载。P3口：是8位准双向I/O接口，在MCS51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能。P3口能驱动(吸收或输出电流)4个LS TTL负载。MCS-51片内结构形式本次实验用到了MCS-51单片机，其中结构如图2.5所示。微处理器（CPU）MCS-51单片机中有1个8位的微处理器，与通用的的微处理器相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。例如：位处理、查表、状态检测、中断处理等。数据存储器（RAM）片内为128个字节（52子系列的为256个字节），片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。128个字节的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机内，以加快单片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗程序存储器（ROM/EPROM）8051为4k字节ROM；由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内只读存储器的容量不够，则需用扩展片外只读存储器。定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数。为提高单片机的实时控制能力，因而需在单片内部设置定时器/计数器部件。串行口1个全双工的串行口。具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且更广。特殊功能寄存器（SFR）共有21个，用于对片内各功能部件管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 图2.5 MCS51 单片机片内结构2.4.2输入/输出（I/O）MCS-51单片机有4个双向的8位I/O口O-P3，PO为三态双向口负载能力为8个TTL电路，P1、P2、P3口准双向（用作输入时，口被拉成高电平，故称为准双响口，负载能力为4个TTL电路。I/O口的内部结构I/O口的每一位均由锁存器（即I/O口的SFR）、输出驱动器和输入缓冲器组成。而结构中的上拉电阻实际上是由场效应管构成的，并不是线性电阻。I/O口的每位锁存器均由D触发组成。在CPU的“读锁存器”信号，把锁存器内容入内部总线上，送CPU处理。而在响应CPU的“读引脚”信号时，则将I/O端口引脚上的信息读至内部总线，送CPU处理。因此对某些I/O指令可读取锁存器内容，而另一些指令则是读取引脚上的信息，俩者不尽相同。PO口和P2口在对外部存储器进行读/写时要进行地址/数据的切换，故在PO、P2口的结构中设有多路转换器，分别切换到地址/数据内部地址总线上。多路转换器的切换由内部控制信号控制。P3口作为第一功能使用时，第二功能输出控制线应为高电平。这时，与非门的输出取决于口锁存器状态，P3口的结构、操作与P1相同。P3口作为第二功能使用时，相应的口锁存器必须为1状态。此时，与非门的输出状态由第二功能输出线的状态确定，反映了第二功能输出电平状态。P1、P2、P3口均有内部上拉电阻。当它们用作输入方式时，各口相对应的锁存器必须先置1，由此关断输出驱动器（场效应管）。这时P1、P2、P3口相应引脚的上拉电阻可将电平上拉成高电平，然后进行输入操作；当输入为低电平时它能拉低为低电平输入。P0口与其它I/O口不同，内部没有上拉电阻，驱动器上方的场效应管仅用于外部存储器读/写时，作为地址/数据线用。其它情况下，场效应管被开路，因而P0口具有开路输出，如果在给锁存器置入“1”状态，使输出的两个场应管均关断，使引脚处于“浮空”，成为高阻状态由于P1、P2、P3口内部均有固定的上拉电阻，故皆为准双向口，在做输入口时，可用一般方法由任何一种TTL或MOS电路所驱动。由于内部有上拉电阻，所以它们也能由集中电极开路或漏极开路输出所驱动，而不要外加上拉电阻。应注意的是，这些上拉电阻是由场效应管提供的。I/O口的读-修改-写指令每个I/O均有两种读入方法，即读锁存器和读引脚，并有相应的指令。读锁存器指令是从锁存器中读取数据，进行处理，并把处理后的数据重新写入锁存器中，这类指令称为读-修改-写操作在ANL、ORL、XPL；JBC；JNC；DJNZ；MOV；CLR；SETB等指令中，当目的操作为某一I/O口或I/O口的某一位时，这些指令均为读-修改-写指令。读引脚指令一般都是以I/O端口为原操作指令，执行读引脚指令时，打开三态门，输入口状态。例如，读P1口输入状态时读引脚指令为：MOV A，P1。根据I/O口结构及CPU的控制，当执行读引脚操作后，口锁存器状态与引脚状态应相同；但当给口锁存器写入某一状态后，相应的口引脚是否呈现锁存状态与外电路的连接有关。例如，用I/O口线驱动三极管基础时，该口线的位置锁存器写入“！”后使三极管导通，而三极管一旦导通后，基极电平为“0”。如果该口线不引脚操作时，口锁存器与引脚状态不一致。执行改写锁存器数据指令时，在该指令的最后一个时钟周期里竟数据写入锁存器。由于输出缓冲器仅仅在每一个状态周期的相位1（P1）期间采样口锁存器，因为锁存器中的新数据在下一个状态周期的相位出现之前是不会出现在输出线上的。有以上可知，P0口一般做数据/低8位地址复用，P1口一般作I/O扩展口用，P2口作高8位地址和I/O口扩展的地址译码器用，P3口作中断输入、串行通信口使用。2.4.3 定时/计数器 定时器/计数器的结构MCS-51单片机内部设置两个16位可编程的定时/计数器TO和T1，它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，用户可以方便的选择适当的工作模式。对每个定时器/计数器（T0/T1），在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位，它选择T0和T1为定时器还是计数器。定时/计数器T0由TH0、TL0构成，T1由TH1、TL1构成。TMOD用于控制和确定各定时器/计数器的功能和工作模式。TCON用于控制定时器/计数器T0、T1的启动和停止计数，同时包含定时/计数器的状态。它们属于特殊功能寄存器。这些寄存器的内容靠软件设置。系统复位时，寄存器的所有位都被清零。工作方式控制寄存器TMODTMOD用于控制定时器/计数器的工作方式及四种工作模式，低4位为定时器T0的方式控制字段，高4位为定时器T1的方式控制字段。工作方式选择位M1 M0：定时器的工作方式由M1 M0二位状态确定。定时器和外部计数方式选择位C/：C/=0为定时器方式，采用晶振脉冲的12分频信号为计数器的计数信号，亦即对机器周期进行计数。若选择12MHZ晶振则定时器的计数频率为1MHZ，从定时器的计数值便可求得计数的时间，所以称为定时器方式。C/=1为计数器方式，采用外部引脚（T0为P3.4，T1为P3.5）的输入脉冲作为计数脉冲。当T0（或T1）输入发生高到低的负跳变时，计数器加1，最高计数频率为晶振频率的四分之一。门控位GATE：GATE为1时，定时器/计数器的计数受外部引脚输入电平的控制（控制T0运行，控制T1运行）。GATE为0时定时器/计数器的运行不受外部输入引脚的控制。定时器/计数器控制寄存器TCONTR0为定时器T0的运行控制位：该位由软件置位和复位。当GATE（TMOD.3）为0时，TR0为1时允许T0计数，TR0为0时停止T0计数。当GATE（TMOD.3）为1时，仅当TR0等于1且（3.2）输入为高电平时才允许T0计数，TR0为0或输入为低电平时都禁止T0计数。TFO为定时器T0的溢出标志位：当T0被允许计数以后，T0从初值开始加1计数，最高位产生溢出时置“1”TF0，并向CPU请求中断。当CPU响应时，由硬件清“0”TF0。TF0也可以由程序查询或清“0”。TR1为定时器T1的运行控制位：该位由软件置位和复位。当GATE（TMOD.7）为0时，TR1为1时允许T1计数，TR1为0时禁止T1计数。当GATE（TMOD.7）为1时，TR1为1而且输入高电平时，才允许T1计数。TR1为0或输入低电平时禁止T1计数。TF1为T1的溢出标志位：当T1被允许计数后，T1从初值开始加1计数，最高位产生溢出时，置“1”TF1，并向CPU请求中断，当CPU响应时，由硬件清“0”TF1，TF1也可以由程序查询或清“0”。定时器/计数器的四种工作模式 模式0当MI MO为00时，定时器/计数器被选为工作模式0。定时器工作在模式0时，为13位的计数器由TLX的低5位和THX的8位所构成。TLX低5位溢出向THX进位，THX计数溢出置位TCON中的溢出标志位TFX（X=0，1）。C/=0时，电子开关打在上面振荡器的12分频信号作为计数信号，此时T1作为定时器。C/=1时电子开关打在下面，计数脉冲为P3.5上的外部输入脉冲，当P3.5发出高到低跳变时，计数器加1，这时T1作为外部事件计数器。模式1当M1 M0为01时，定时器/计数器被选为工作于模式1。模式1和模式0的区别仅仅在于计数器的位数不同，模式1为16位计数器，由THX作为高8位和TLX作为低8位构成（X=0，1）。模式0为13位计数器，有关控制状态位的含义（GATE、C/、TFX、TPX）和模式0相同。模式2当M1 M0为10时，定时器/计数器工作于模式2。定时器/计数器的模式2为自动恢复初值的（常数重装入）8位定时器/计数器，由THX作为常数缓冲器，当TLX计数溢出时，在置1溢出标志TFX的同时，还自动的将THX中的常数送至TLX，使TLX从初值重新开始计数。这种工作模式可以省去用户软件中重装常数的程序，简化定时常数的计数方法（确定计数初值），可以相当精确地定时时间。模式3模式3是为了增加一个附加的8位定时器/计数器而提供的，使MCS51具有三个定时器/计数器。模式3适应于定时器/计数器T0。定时器T1处于模式3时相当于TR1=0，停止计数（此时T1可用来作串行口波特率发生器）。当TMOD的低2位为1时，定时器的工作模式被选为模式3。定时器/计数器T0分为两个独立的8位计数器TL0和TH0，TL0使用T0的状态控制位C/、GATE、TR0、。而TH0被固定为一个8位定时器（不能作为外部计数方式），并使用定时器T1的状态控制位TR1和TF1，同时占有定时器T1的中断源。一般情况下，当定时器T1用作串行口的波特率发生器时，定时器/计数器T0才工作在模式3。当定时器T0处于工作模式3时，定时器T1可定为模式0、模式1和模式2，作为串行口的波特率发生器，或不需要中断的场合。当定时器T1的控制字M1 M0=OO时，定时器T1工作在模式0。当定时器T1的控制字M1 M0=O1时，定时器T1工作在模式1。当定时器T1的控制字M1 M0=10时，定时器T1工作在模式2。当定时器T1的控制字M1 M0=11时，定时器T1停止计数。在定时器T0为模式3时，定时器T1的控制条件只有两个，即C/和M1 MO。M1 M0选择定时器T1运行的模式，C/选择是定时器还是计数器方式。定时器/计数器对输入信号的要求定时器/计数器的两个作用是用来精确地确定某一段时间间隔（作定时器用）或累计外部输入的脉冲个数（作计数器用）。当用作定时器时，在其输入端输入周期固定的脉冲，根据定时器/计数器中累计（或事先设置）的脉冲个数，即可计数出所定时间的长度。当8031内部的定时器/计数器被选择为定时器工作方式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。因此，定时器/计数器的输入脉冲周期与机器周期一样，即输入脉冲频率为振荡器频率的1/12。当采用12MHZ频率的晶体时，计数频率为1MHZ，输入脉冲的周期间隔为1微秒。由于定时的精度决定于脉冲的周期，因此当需要高精度的定时器时，应尽量选择频率较高的晶体（对8031最高为12MHZ）。当定时器/计数器用作记时器时，记数脉冲来自相应的外部输入引脚TO或T1。当输入信号产生由1至0的跳变时，计数器的值增1，每个机器周期的S5P2期间，对外部输入进行采样。如在第一周期采得的值为1，而在下一个周期中采得的值为0则在紧跟着的再下一个中期中的S3P1期间，计数器加1。由于确认一次下跳变要花两个机器周期，既24个震荡周期，因此外部输入的计数脉冲的最高频率为震荡器频率的1/24。例如选用6MHZ频率的晶体，允许输入的脉冲频率为250KHZ，如果选用12MHZ频率的晶体，则可输入500HKZ的外部脉冲。对于外部输入信号的占空比并没有什么限制，但为了确保某一给定的电平在变化之前至少被采样一次，则这一电平至少要保持一个机器周期。 2.5 检测方案可行性论证2.5.1 火花成因直流电机产生火花的原因很复杂，既有电磁方面的原因，又有机械和化学方面的原因，有时还有各种因素综合的结果，现只介绍其中最重要的换向火花，其他的电位差火花、环火等可参看相关文献。 图2.6 直流换向电流换向火花是由于电磁方面的原因造成的，如图2.6所示，三条曲线表示不同条件下换向电流i与时间t之间的函数关系表示换向时间，其中:曲线1：当旋转电势和电抗电势大小相等、方向相反时，他们相互抵消，换向元件中的合成电势为零。在这种最理想的情况下，换向电流随时间的变化是线性的，称直线换向。曲线2：当旋转电势和电抗电势不能相互抵消时，合成电势不为零。若电抗电势大于旋转电势，则合成电势大于零，如图中曲线2所示。这时换向元件中除了直线换向电流外，还有附加换向电流存在。附加换向电流使后刷边的电流密度增大而前刷边的电流密度减小，由于电流密度分布不均是产生火花的主要原因，所以后刷边的火花比前刷边的严重，换向电流i与时间t为非线性关系。换向电流改变方向的时刻比直线换向时延长了一段时间，故称延迟换向。曲线3：当旋转电势大于电抗电势时，合成电势小于零，如图中曲线3所示。这时附加换向电流的方向与上述延迟换向时的相反，换向电流改变方向的时刻比直流换向时超前，故称超越换向。其结果是，前刷边的电流密度大于后刷边的电流密度，因此这种情况下前刷边的火花较后刷边的严重。2.5.2 方案的可行性论证国内外同行经过多年的研究与实践，提出了若干测定电机火花的方法。归纳起来重要有：用光电被增管测定火花发光能量的方法；用巅值伏特计测定火花电压的方法；用测定火花所辐射的电磁波的方法以及用测定火花场所的离子浓度的方法等。前面我们也介绍换向火花图像监测法，直流电机换向火花的数值分析法。这些方法虽然各有所长，但是各有不尽人意之处，要么系统复杂昂贵，要么测量准确度不高或者实现困难，因而未能形成正式的直流电机火花等级检测仪器被工业生产所应用。不管使用哪种方法，技术的关键是如何对火花进行有效检测，这不仅要求不破坏电动机的结构，也不能进行繁琐而且不切实际的拆机检测，不能把电机拆下来，检查合格后再按上，这是不允许的。而先期的检测仪器，很难满足这些要求。因此，必须利用原位检测技术，方便快捷的对火花进行可靠的检测。上述方法的第一、三种方法需要拆开电机，因此不适合该毕设要求，而第二种方法测试精度很难把握、容易受到干扰，因此这三种方法都不适合本项目完成对飞机的检测。电机火花所造成的危害直接跟火花释放的能量有关，越大则火花越强。图2.7所示的是经过简化处理的火花电压和电流的波形，则：式中电弧电流起始值；电弧持续时间；电弧电压，但是，要准确测量电机火花的电弧电压及电弧电流是很困难的。图2.7 经过简化处理的电压和电流波形以某单项串励电动机为例，某换向片数为22片，额定负载时转数为27000r/min，其最小火花周期为101s，经过测量每个火花所持续的时间为1030s，因此火花信号的频率为30K300KHz。对如此高速的换向器的换向和频率为：27000*22/60=9900Hz。通过对飞机电机转速性能分析之后可以得出换向器的换向频率约为500Hz10KHz范围内，火花的能量主要集中在30K300KHz，换向信号的能量主要集中在500Hz10KHz范围内，实际电路中，换向的信号能量和火花的能量叠加。可以通过滤波器将换向器的间隙频率滤掉一大部分，在3K300KHz范围内对电源两端的回馈信号进行提取。然后，利用实际测量的方式，对火花的能量信号进行定标。这种方法可以有效提取火花的能量信号，经过实际测试结果表明此方法适合本毕设的要求，因此选用此方法。2.5.3 测试原理系统测试模型：如图2.8所示：图2.8 系统测试模型在一个闭合的在线系统中，电信号在系统内要经过系统内各相关单元的作用后，能呈现出系统的整体特性，整体特性一般通过向外的能量扩散而表现出来，如散发的电磁波、声音、震动、运动的动能等。同时系统内的相关单元之间又存在局部特征，这种局部特征体现为电信号（电流、电压）的相互作用，可以在系统的合适位置取出相互作用后的信号，通过对相邻单元的分析有效的提取我们关心的信号；基于这样的思想，在对使用电瓶供电（或其它直流电源，纹波低于10mv）的直流电机带载的工作系统中，直流电机在工作时，产生的换向器和火花信号是该系统中的扰动信号，将此信号叫做此系统中的电源回馈信号，为了能够得到较强的能量信号，可以在电源的两端分别串接适宜大小的电感，通过滤波将电机换向信号部分滤掉，而后便可以得到换向器火花信号，经过信号放大、整型、脉冲保持电路后，送到单片机处理，得到火花系数，该火花系数可以反应火花信号的能量。其实，火花能量的散失方式中一部分是从电源馈线上反馈回来的。该检测仪就是通过分离电刷两端火花信号的这部分电压，测量并保持其幅值的方法，来达到判明火花等级的目的。对火花的检测采用提取电机电源的回馈信号的方法，从中提取出火花等级信号，该方法准确实用，具有检测等级准确，可操作性强的优点。2.6 原位检测技术原位检测是指对被检测对象在其原来的安装、装配位置或生态组织上，进行的检查与测试。这种技术广泛应用在航空、航天、建筑、生物工程和医疗卫生等领域，具有快速、方便、有效的特性，是现代检测技术的重要组成部分。原位检测技术可以追溯到古代，人们应用手摸、眼看的方法鉴别货币的真伪，确定病人病情等；在近代，医生采用X射线透照人体骨骼与器官组织，采用听筒寻找婴儿在母体内的胎心位置等都可视为原位检测。20世纪60年代以前，人们认识到机器零件工作时必然存在磨损，继而会引发机械故障甚至危机生产安全，对机械可能发生的故障，通常采用大拆大卸的方法进行检查和排除，以预防故障的发生。这既耗费大量作业时间，又不可避免的带来损耗和造成人为故障。之后，人们对有耗损性故障规律的设备，制定了定时维修的制度；对无耗损性规律的，则通过检测、无损探伤、状态监控、快速维修等先进技术手段。2.6.1 原位检测的方法和作用原位检测有对工程结构与机械零件的缺陷探测、设备的故障诊断、性能参数测定、状态检测与监控、生物细胞组织的变化与病理观察等内容。原位检测技术在工业上常用的有：光学目视、射线、磁粉、渗透、超声波和涡流等检测方法。除光学目视检测法外，其他方法都是非直观的间接的检测方法。射线检测多由专业探伤组实施，随着计算机技术的发展，射线检测技术与其他检