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喷水织布机89C51单片机控制系统设计,毕业设计

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南京工程学院 毕业设计任务书 自动化 系 自动化（数控技术应用） 专业 设 计 题 目 喷水织布机 89C51 单片机 控制系统设计 学 生 姓 名 赵 佳 班 级 数控 031 起 止 日 期 3 月 1 日至 6 月 15 日 指 导 教 师 华 茂 发 教研室主任 葛 红 宇 发任务书日期 2007 年 3 月 1 日 nts1. 毕业设计的原始数据： 主电机： 2.2KW；风机两只：各 0.75KW；刹车电压： 110V，锁定电压： 24V；六个 故障检测（断纬，左右捻边断纱，电机过热，张力过大，计长）；四个整流电路（ 5V， 12V， 12V， 110V）。 2.毕业设计 (论文 )的内容和要求 (包括技术要求、图表要求以及工作要求等 )： CPU:89C51。控制：主电机正转、反转，正点动、反点动；主电机高压刹车，低 压锁定；两个风机启动、停止；故障检测：断纬，电机过热，左右捻边断纱，卷布筒 张力过大，计长。控制系统输出与强电电路接口为固态继电器。控制软件。整流电路： 5V， 12V， 12V， 110V。 3.毕业设计应完成的技术文件： （ 1）毕业设计论文 （ 2）电路原理图 （ 3） PCB 图 （ 4）程序流程图 （ 5）程序清单 （ 6）英文资料译文 4主要参考文献： （ 1）单片机原理与接口技术 .李朝青 .北航 出版社 .1999 年 3 月 （ 2）单片机应用系统的功率接口技术 .余永权 .北航出版社 . 1992 年 9 月 - 1 - nts5.毕业设计 (论文 )进度计划 (以周为单位 )： 起 止 日 期 工 作 内 容 备 注 第一周 第二周 第三周 第四周 第五周 第六周 第七周 第八周 第九周 第十周 第十一周 第十二周 第十三周 第十四周 第十五周 第十六周 熟悉课题 调研 拟订方案 设计主控电路 设计整流电路 设计强电电路 绘制主控电路 PCB 图 绘制整流电路 PCB 图 设计主要程序流程图 设计子程序流程图 编 写主程序 编写子程序 翻译英文资料 写毕业设计论文 修改毕业设计论文 答辩 教研室审查意见： 室主任 年 月 日 系部审查意见： 系主任 年 月 日 - 2 - nts 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文） 题目： 喷水织布机 89C51 单片机控制系统设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： _ nts Graduation Design (Thesis) Design of 89C51 Oriented Control System for Water jet Loom By ZHAO Jia Supervised by Associate Prof. HUA Maofa Department of Automation Engineering Nanjing Institute of Technology June, 2007 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 本文扼要介绍了喷水织布机的工作原理及控制要求，并详细叙述了喷水织布机控制系统控制电路及控制程序的设计过程，以及绘制电路原理图和 PCB图的方法及步骤。 喷水织布机的控制电路包括 ：主控电路、刹车电路、故障检测电路、整流电路及强电电路等。其中主控电路以单片机 89C51 为控制核心，主要控制主电机的正反转、正反点动，两个风机的启停；刹车电路控制织布机刹车装置的刹车动作和高、低刹车电压的转换；故障检测电路用以检测断纬、左右捻边纱断纱、电机过热、卷布筒张力过大等故障；强电电路用于实现电机正反转、三角形和星形的转换等；整流电路为控制系统提供直流电源。 本控制系统的控制程序分为主程序和中断程序。主程序主要用于一些实时性要求不高的信号的输入 /输出和工作状态管理。中断程序用于处理一些实时性较高的信号 的处理。 本控制系统是一以单片机为控制核心的织布机控制系统。它比纯硬件控制系统柔性高、更可靠，比 PLC控制系统开发成本更低。经进一步的研究和开发，在喷水织布机上具有良好的应用前景。 关键词： 喷水织布机 ；控制电路；硬件设计； 软件设计nts南京 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） II ABSTRACT According to the principle and control requirement of the water jet loom, the detailed design of the control system electric circuit, the control program for the water jet loom, include the electric circuit diagram and PCB diagram, is introduced in this paper. The control of the water jet loom is composed of main control circuit, brake circuit, malfunction examination circuit, commutate electric circuit and amplifier circuit. An 89C51 micro controller was taken as the control unit of the main control circuit to realize the clockwise/anti-clockwise rotation, step movement of the main motor and on/off of the two cooling fans. Brake electric circuit controls the braking movement of the loom and the conversion of brake voltage. Malfunction examination electric circuit is used to examine the break of the thread, overheating of the motor, the abnormal tension and so on. The power circuit is used to realize the motors rotation, on/off control and so on. Commutate electric circuits provide the direct current electricity for the control system. The control programs of the control system were classified as main programs and interruption service programs. Main programs are mainly used for input or output of the low real-time signal and the management of the work state. The interruption service programs are used to deal with some higher real-time signal. Because of its MCS-51 control unit, the loom control system developed in this paper has a higher flexibility and reliability than that of the hardware control. At the same time, the developing cost is much more lower than that of PLC. With further work, it has good application foreground in water jet loom. Key words： Water jet loom; Control electric circuit; Hardware; Software nts南京 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 织布机的发展 . 1 1.2 织布机的控制 . 1 1.3 织布机控制技术的发展 . 2 1.4 本文的结构 . 2 第二章 织布机概述与设计要求 . 3 2.1 织布机概述 . 3 2.1.1 喷水织布机简介 . 3 2.1.2 喷水织布机喷纱原理 . 3 2.2 检测的内容与要求 . 3 2.3 织布机的控制要求 . 4 2.3.1 电机的控制 . 4 2.3.2 刹车的控制 . 5 2.3.3 指示灯要求 . 5 2.3.4 直流电源要求 . 5 第三章 织布机控制系统电路设计 . 7 3.1 设计方案的拟定 . 7 3.2 主控电路的设计 . 8 3.2.1 主控电路中单片机 89C51 的应用 . 8 3.2.2 主控电路中 光电耦合器接口电路 . 11 3.2.3 主控电路中固态继电器接 口电路 . 13 3.3 电磁刹车电路设计 . 14 3.3.1 刹车电路中的电气元件 . 14 3.3.2 刹车电路工作原理 . 14 3.4 六项自停电路设计 . 16 3.5 整流电路设计 . 18 3.6 强电控制电路设计 . 19 第四章 织布机控制系统软件设计 . 21 4.1 主程序设计 . 21 4.2 子程序设计 . 30 nts南京 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） IV 第五章 原理图与 PCB 图的绘制 . 34 5.1 Protel 99SE 的简介 . 34 5.2 如何用 Protel 画原理图 . 34 5.2.1 原理图的设 计步骤 . 34 5.2.2 画原理图 . 35 5.3 织布机控制系统总原理图 . 35 5.4 如何用 protel 画 PCB 图 . 36 5.4.1 自动布线法画 PCB 图 . 36 5.4.2 部分元件的封装说明 （表 5-1） . 38 5.5 织布机控制系统 PCB 图 . 39 第六章 结论 . 40 致谢 . 42 参考文献 . 43 附录 A： 英文资料 . 44 附录 B： 英文资料翻译 . 57 附录 C： 硬件设计原理图与 PCB 图 . 60 附件： 毕业论文光盘资料 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 1.1 织布机的发展 喷水织机的研究开始于 20 世纪 40 年代，为了解决喷气引纬的气流急剧下降而造成的纬缩等疵点，原捷克斯洛伐克的斯瓦蒂发明了采用喷射水滴引纬的方法。 50 年代初，喷水引纬技术进一步发展，原捷克生产出柯沃型喷水织机样机，当时只能制织人造纤维长丝织物。 60 年代，日本日产、津田驹公司相继研制生产 LW、 ZW 型喷水织机。与此同时，我国天津、上海、丹东、北京等地也先后对喷水织机进行了研究和试验， 有在原丝织机上改型的，也有重新设计的，都取得了一定的进展。 1.2 织布机的控制 织机是一种周期性循环 工作的机器，每织一根纬纱，各部分机构均按规定动作一次。织机主轴曲柄的转角与各机构的工作状态相对应，即正常工作时主轴转到不同角度，必然发出某些规定信号或完成某些规定动作。因此，织机的控制可分为如下几个方面。 1.投入控制 分为经、纬纱有无的控制、经、纬纱长度的控制、经、纬纱张力的控制、经、纬纱顺序的控制。 2.产出控制 分为织物长度的控制、织物宽度的控制、织物密度的控制、织物组织的控制、织物质量的控制。 3.加工过程控制 分为织机的启动与停机、织机运行状态的控制、润滑状态的控制、安全保护的控制。 4.人机交换 的控制 实现以下功能：自动对梭口、梭口中断纬自动修复、断经自动修复、机器状态的自动显示、机器信息的转贮、与中央计算机的双向通讯、织机键盘操作。 设置这些控制功能的目的是使织机达到高产、优质、低耗和方便操作。一般来讲，织机控制功能越强，织机的性能越高，对操作人员的素质要求也越高，织机价格亦随之增加。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 2 1.3 织布机控制技术的发展 我国现拥有织机一百余万台，其中无梭织机约 5万台，约占织机总数的 5%，而目前世界上无梭织机拥有量已约占织机总数的 15%以上。在我国所使用的无梭织机中，绝大部分是进口机型，其中大部分 织机是当前世界上先进水平的织机。显然全靠进口织机来装备我国的纺织工业是不可能的。因此我们必须根据我国的实际情况，结合我国国情制订合理的发展方向与措施，即多渠道加快发展无梭织机和多档次全面发展无梭织机。 目前，织布机有两种控制方式，一种是硬件控制，另一种是用 PLC电气编程控制。两者相比之下，硬件控制虽然成本较低，但是机器不易调节，变动很生硬，并且机器的使用寿命也不长。而用 PLC电气编程控制，尽管可靠性好，但是成本较高，现在被广泛使用。本课题中，我采用了单片机控制织布机，这样无需改变硬件部分而是通过改变软件程序 便能实现织布机所要求的不同功能，并且这样做可靠性高，柔性好。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 3 第二章 织布机检测与控制概述 2.1 喷水 织布机概述 2.1.1 喷水织布机简介 喷水织布机是利用高压水与纬纱之间的摩擦力，拉动纬纱穿过交错排列的上下交替运动的一根根经纱。经纱和纬纱交织过程中，经纱边交替上下运动边向前移动，每上下交替运动一次，高压水嘴喷出一根纬纱。纬纱和经纱绕在各自的纱管上，自动放纱，每喷出一根纬纱，剪纱刀自动将其剪断。为使纬纱排紧，每喷一根纬纱，紧纱装置紧纱一次，使纬纱排列紧密。 织成的布经吸水装置吸水后，卷到前方卷布筒上。原理图如图 2.1所示。 2.1.2 喷水织布机喷纱原理 喷水织布机的投纬喷嘴由带导纱孔的织针和朝着喷嘴孔开口的供水孔的喷嘴主体组成；织针插在喷嘴孔中，形成与供水孔连通的环状流路，环状流路包括在投纬方向上的整流流路和与整流流路连通的加速流路；上游侧的整流子从织针的外周面朝喷嘴主体的内周面突出且在圆周方向形成布置了多个间隔的多个整流壁，下游侧的整流子从喷嘴孔的内周面朝织针的外周面突出且在圆周方向形成布置了多个间隔的多个整流壁，加速流路的流路剖面朝着下游逐渐减小并朝着射出口开口。以此可充分地对压力水进行整流加速，以得到聚拢性好的高速喷射水。 2.2 检测的内容与要求 在喷水织布过程中，遇到故障时必须立即停车，需检测的故障有： 1）断纬。在正常工作中，每喷一次水，由接近开关产生一信号，同时探纬传感器也相应产生一信号，两信号同时送到探纬器。若探纬器只收到接近开关信号，没有收到探纬传感器信号，说明已经断纬，此时，探纬器立即发出停车信号，切断主电机电源，随后发出刹车信号，刹住织布机，停止运动，以免经纱继续向前移动，造成布面缺纬，织出次品。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 4 图 2.1 织布机原理 2）电机 过热。当电机工作温度过高，电机内部的过热保护装置发出信号，电机须停机，并立即刹车。 3）左、右捻边纱，缠纬纱断纱，卷布筒张力过大，需停止、刹车。 4）除了上述的故障发生，需停车外，当织布机织布的长度达到设定长度时，也需要立即停车。 2.3 织布机的控制要求 2.3.1 电机的控制 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 织布机共有三只电机，具体情况如下： 1.主电机 主电机主要为织布机运动装置提供运动及动力。起动时，有两种方式： Y形起动，正常工作时也为 Y形； -Y形起动，形起动（起动快），经延时后切换成 Y形正常运转，起动方式可由操作者选择 。 2.风机电机 风机电机共两只，一只吹风，一只吸水，将吹风机吹出的水汽吸走。 调整织布机各个运动机构位置时，可正、反点动主电机。此时风机电机不需要起动。织布时，要先起动风机电机，后起动主电机，否则主电机不起动。（另外，调整织布机器时刹车装置要松开，否则不能实现点动。） 2.3.2 刹车的控制 刹车装置为电磁铁，起动主电机织布时，刹车装置必须处于有效状态，即遇到故障时停车后能立即刹车。当刹车装置处于无效状态时，主电机不能起动。点动调整织布机时，刹车也应处于有效状态。松开点动按钮后，能立即刹住织布机。当刹车装 置处于无效状态时，可用手工盘动织布机，以调整织布机运动机构位置。 2.3.3 指示灯要求 织布机有四盏指示灯。红色为电源指示灯，接通电源后，该灯亮；黄灯为织布（探纬）指示，正常工作时，该灯不停地闪烁，断纬停车后，该灯只亮不闪烁；绿灯为电机过热、捻边纱、缠纬纱断纱指示，故障发生后停车时，该灯亮，故障不发生灯不亮；蓝灯为计长指示，设定长度达到后停车且指示灯亮，长度未达到不停车灯不亮。 2.3.4 直流电源要求 控制系统所需电源有四种直流电源：单片机工作电压 5V，探纬器工作电压12V，控制按钮工作电压 12V，刹车 装置直流电压 110V。上述四种直流电压经变压、整流后获得。刹车时加在电磁铁上的电压为 110V，停车后，降为 24V，这是通过控制系统软件，使电磁铁线圈处于通 断 通 断工作状态，改变通、断时间比，使线圈的平均电压为 24V。如图 2.2所示。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 图 2.2 刹车电压 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 第三章 织布机控制系统电路设计 3.1 设计方案的拟定 根据毕业任务书要求，设计织布机控制系统，如图 3.1 所示。控制系统电路包括强电与弱电两部分。弱电部分主要包含主控电路与整流电路的设计。主控 电路主要由单片机、控制电机实现正反转、点动、风机运转、电磁刹车、故障检测和各项运行指示电路组成，并使用光电耦合器对控制系统内部和外部的输入、输出信号进行耦合 ,固态继电器控制系统输出口与强电电路接口。整流电路主要由整流变压器、二极管整流桥、滤波器和集成稳压器等环节组成。强电部分主要包括电气保护元件、接触器开关、电机等。 图 3.1 整体电路布局图 P1.2P1.7 P0 P1.0P1.1 P2.3P2.6 P3 P2.1 89C51 光电耦合电 路 光电耦合接口电 路 故障检测电 路 强电电 路 光电耦合电 路 控制方式Y-、自停刹车状态判别电 路 光电耦合电 路 指示灯 光电耦合电 路 手控电 路 光电耦合电 路 刹车控制电 路 刹车强电电路 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 8 3.2 主控电路的设计 如图 3.2 所示，主控电路主要由单片机、控制主电机启动、停止、正反点动、风机启动信 号输入电路，主电机正反转、星 三角连接电路切换、风机启动信号输出电路、指示灯控制信号输出电路、电磁刹车信号输出电路等组成，并在电路中为了抗干扰、强弱电耦合，使用光电耦合器件进行光电耦合，隔离单片机系统的输入、输出部分，并在电机控制信号输出电路当中采用了固态 继电器与电机控制强电电路进行连接 。 图 3.2 主控原理图 3.2.1 主控电路中单片机 89C51 的应用 89C51是由 ATMEL 公司推出的一种低功耗、高性能的片内含有 4KB 快闪可编程 /擦除只读存储器的 8位 CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与 80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的 FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。使用 89C51 就不需要外扩程nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 序存储器，而且其 I/O 端口引脚足以满足使用要求。 1） 如图 3.3 所示， 89C51共 40条引脚。以下是对引脚的说明： 电源引脚 ： Vcc（ 40 脚）：典型值 5V。 Vss（ 20 脚）：接低电平。 控制引脚： RST/Vpd、 ALE/ PROG 、 PSEN 、 EA /Vpp 组成了 MSC-51 的控制总线。 RST/Vpd（ 9 脚）：复位信号输入端（高电平有效）。第二功能：加 +5V备用电源，可以实现掉电保护 RAM 信息不丢失。 ALE/ PROG (30 脚）：地址锁存信号输出端。第二功能：编程脉冲输入。 PSEN （ 29 脚）：外部程序存储器读选通信号。 EA /Vpp (31 脚）：外部程序存储器使能端。第二功能：编程电压输入端（ +21V）。 图 3.3 89C51 引脚图 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 10 2）外接晶体引脚 XTAL1和 XTAL2接外部振荡器信号，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器的输入端。 当采用外部时钟信号时， XTAL2 接振荡 信号， XTAL1 接地 。 原理图中使用了 12MHz 晶振，则根据单片机 CPU 的工作时序，其 4 个周期的具体值计算如下： 振荡周期 =1/12us ； 时钟周期 =1 / 1 2 2 1 / 6u s u s ； 机器周期 =1 / 1 2 2 6 1u s u s ； 指令周期 =1 (1 4 ) 1 4u s u s。 3） 89C51 单片机的 P 口特点 P0 口 ：是一个 8 位漏极开路输出型双向 I/O 端口。作为输出端口时，每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 输入，对端口写 1 时，又可作高阻抗输入端用。 在访问外部程序或数据存储器时，它是时分多路转换的地址（低 8 位）/数据总线，在访问期间将激活内部的上拉电阻。 P1 口 ： P1口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。 P1 口的 输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4 个 TTL 输入。对端口写 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。 P2 口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 P2 口 ： P2口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。 P2 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4 个 TTL 输入。对端口写 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。 P2 口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 在访问外部程序存储器时和 16位外部地址 的外部数据存储器（如执 行MOVX DPTR）时， P2 口送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX RI）时， P2口引脚上的内容（就是专用寄存器 (SFR)区中的 P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。 P3 口 ： P3口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。 P3 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4 个 TTL 输入。对端口写 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。 P3 口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 4）各引脚应 用说明 (表 3-1)。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 11 3.2.2 主控电路中光电耦合接口电路 （ 1）光电耦合器的结构及特点 光电耦合器由发光源和受光器两部分组成， 并封闭在同一不透明的管壳内由绝缘的透明树脂隔开，如图 3.4所示。发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。光耦合器的封装形式有管形，双列直插式和光导纤维连接等形式。光电耦合器的发光源常用砷化镓红外发光二极管，受光器常用光电三极管、光敏晶体管和光敏集成电路等。 表 3-1 引脚应用说明 引脚名称 引脚说明 引脚名称 引脚说明 VCC 接单片机工作电压 +5V P3.0 控制主电机反转 （反转点动） GND 接地 P3.1 控制主电机正转 （正转点动） P0.6 控制继电器 CY 输出电路 P3.2 控制系统停车 P0.5 控制继电器 C输出电路 P3.3 控制接近开关信号 P0.4 控制继电器 ZC 输出电路 P3.4 控制系统停止 P0.3 控制继电器 FC 输出电路 P3.5 控制两风机的启动 P0.2 控制继电器 C 输出电路 P3.6 刹车开关信号 P1.0 控制六项自停 P3.7 控制高压刹车 P1.1 控制主电机 Y-启动 P2.1 控制低压刹车 P1.2 控制计长自停 P2.3 控制计长指示灯 P1.3 控制电机过热自停 P2.4 控制五项指示灯 P1.4 控制右绞故障自停 P2.5 控制探纬指示灯 P1.5 控制左绞故障自停 P2.6 控制电源指示灯 P1.6 控制缠纬故障自停 RST 控制系统复位 P1.7 控制张力过大自停 XTAL1 接振荡器 XTAL2 接振荡器 （ 2）光电耦合电路 如图 3.5 所示，为光电耦合器在控制系统电路中的应用方式。图中光耦为晶体管输出型光电耦合器。光电晶体管以光取代基极电流，作为晶体管的输入，当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在 cb 和 ce 间会有电流流过，电流受光照强度控制。光nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 12 电耦合器起到耦合脉冲信号和隔离单片机 89C51 系统与控制开关、输出部分的作用，使两部分的电流相互独立。由于光电耦合器是电流型输出，不受输出端工作电压的影响，因此可以用于不同电平的转换。 图 3.4 光电耦合器的结构和符号 图 3.5 系统电路中的光耦接口电路 图中，当开关闭合时，发光二极管通电发光，受光部分受光导通， P3.5低电平有效；当开关断开，光耦输入端电流为 0，发光二极管不导通，输出相当于开门， P3.5 为高电平。 图中电阻起限流保护作用。流经发光二极管的电流大小有限制，不能太大也不能太小，其上的电阻 RI1 的阻值即为直流工作电压 +12V 除以发光二极管的工作电流 4mA 而求得。 3.2.3 主控电路中固态继电器接口电路 固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 13 用电子元器件的电磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。固态继电器有三部分组成 :输入电路，隔离 (耦合 )和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与 TTL/CMOS 兼容，正负逻辑控 制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。 图 3.6 为其在本控制系统中控制电机交流接触器的应用接口电路。 图 3.6 继电器型驱动接口电路 继电器的输入为单片机的逻辑电平，信号经光电耦合器耦合后，经驱动三极管进行转换，使输出的驱动电压能够适应继电器的要求。图中 PNP三极管为固态继电器的驱动管。 当 单片机 P0.3 为低电平时，经光耦耦合，加在 PNP 基极的电位低于发射极，三极管导通，固态继电器导通，接触器 FC 线圈得电， FC 常开触点闭合，电机运行。 继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高单片机系统的可靠性，在单片机和继电器之间用光耦隔离，使两部分的电流相互独立。不与交流电源的地线相接。这样就避免了输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少了系统所受上述干扰，提高了系统的可靠性。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 14 3.3 电磁刹车电路设计 如图 3.7 所示，为电磁铁刹车电路，电路主要由反相器、比较器、三极管、光耦、 VMOS 管、电磁铁线圈等 器件构成。 P2.1 为低压刹车控制引脚，开低压刹车时， P2.1 置 1，关刹车时，将P2.1 置 0； P3.7 为高压刹车控制引脚，开高压刹车时， P3.7 置 0，关刹车时，将 P3.7 置 1。两引脚发出的信号，经比较器的比较后，输出信号控制VMOS 驱动管的导通与截止，以实现电磁刹车的打开或关闭。 3.3.1 刹车电路中的电气元件 1）反向器： 图中反向器 74AC00 为双列 14 脚与非门，其中两对作为与非门使用，为了节省元件，将剩余两对作为非门使用。 2）二极管： 图中，与电磁铁线圈并联的二极管起到续流保护作用，因为电磁铁线圈断电 时会产生很大的反向电动势，从而会击穿电磁铁驱动VMOS 管。如果加上续流二极管，电路断路时，线圈产生的反向电动势使二极管处于正向导通状态，构成回路，释放线圈中的电流，保护 VMOS 管。 3）电位器：电位器所在的 RC电路中，可以通过改变 RC时间常数控制比较器翻转的速度，以此来决定刹车打开的时间。电位器可变，使得电路可调，使机器能够准确停止在某个位置。 3.3.2 刹车电路工作原理 图 3.7 电磁铁刹车电路中， P2.1 和 P3.7 控制刹车电路。刹车电路工作原理如下： 1)当织布机电机正常工作时， P3.7 端置低，经过比较 器后输出 (B)为高。 2）当发生故障时， P2.1 置高，经比较器后输出（ C）为高，光电耦合器截止， VMOS 管栅极为高， VMOS 管导通，电磁铁线圈通电吸合，系统刹车。 3）机器停车后，通过改变 P3.7 引脚的高低来实现电磁铁线圈的通电、断电，降低线圈的平均电压和电流，从而达到低压锁定的目的。当 P3.7置高时，经过比较器输出（ C）低电平，光电耦合器导通， VMOS 管栅极电压为低， VMOS 管截止，电磁铁线圈断电。当 P3.7 置低时，经过比较器输出（ C）高电平，光电耦合器截止， VMOS 管栅极电压为高， VMOS 管导通，电磁铁 线圈通电。 P3.7 置高 0.8s 时，电磁铁线圈关断 0.8s ； P3.7 置低0.2s 时，电磁铁线圈开通 0.2s。通过改变截至和导通的时间比，将 110V电压降为 24V。电磁铁导通情况见表 3.2。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 15 图 3.7 电磁铁刹车电路 表 3.2 电磁铁导通情况 刹车开关 A B C 刹车 开（分） 1 1 1 开 关（合） 1 0 0 关 开 0 1 0 关 关 0 0 0 关 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 16 3.4 六项自停电路设计 六项自停电路是用于在系统织布过程中，当故障发生时，向系统提供故障信号，以便系统发出停车信号并 刹车。该电路主要检测故障包括：织布机断纬、电机过热、左、右捻边纱、缠纬纱断纱、卷布筒张力过大以及计长信号等。电路如图 3.8 所示。 图 3.8 六项自停电路 （ 1）断纬故障电路 如图 3.9 所示。织布机每转一圈，接近开关发出一个脉冲信号，当正常工作时，探纬传感器同时也发出一个脉冲信号，两个脉冲信号同时发送至探纬器。如果探纬器接收到两个脉冲信号，说明织布机运行正常。若探纬器只接收到接近开关产生的信号，没有接收到探纬传感器产生的信号，说明布纱已经断纬，此时由探纬器立即发出停车信nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 17 号，由 CPU 切断主电机电源，随 后再发出刹车信号，再由 CPU 控制刹车装置刹住织布机，使其停止运动，以免经纱继续向前移动，造成布面缺纬，织出次品。其中刹车信号有两种产生方式：一是由探纬器产生的刹车信号（ J24 端），则织布机可以在电机运转的当圈刹车；二是由接近开关产生的刹车信号（ PS 端），则织布机在机器运转的下一圈刹车。 图 3.9 压水及断纬故障检测示意图 （ 2）五项自停电路 织布机运行时，将 P1.0 的常开开关 S10 闭合，六项自停电路导通。当发生左、右捻边纱、缠纬纱断纱、卷布筒张力过大时，相应的保护开关 S3、 S2、 S4、 S5 开关闭合。单片机 P3.4 脚为低电平，切断主电机电源，刹住织布机。三极管基极为高电平，三极管导通，探纬、五项的指示灯亮起，使五项自停电路导通，切断主电机电源，随后发出刹车信号，刹住织布机。 （ 3）计长电路 当织布长度达到设定值时，织布机计长输入开关自动闭合，计长电路导通，计长指示灯亮，同时光电耦合器耦合，单片机 P3.4脚为低电平，切断主电机电源，刹住织布机。 （ 4）手动停车电路 当需要手动停车时，按下停止按钮，停车电路导通，单片机 P3.4 脚为低电平，系统发出信号，切断主电机电源，刹住织布机 。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 18 3.5 整流电路设计 图 3.10 整流电路 如图 3.10 所示，原理图控制系统中的直流电源有四个， +5V 单片机工作电压， +12V 探纬器工作电压， +12V 控制按钮工作电压， +110V 电磁铁刹车工作电压，四个电压是由交流 380V 电压经变压后整流而来。 图中，四个二极管组成的二极管整流桥，对经过整流变压器变压的交流电整流，在交流电压的正、负半周，二极管两两导通，将交流电压转换成两个同极性的单向脉动性直流电压。 图中两个电容并联在整流桥输出端，组成型滤波电路，滤去整流输出电压中的 纹波，由于电容在电路中有储能作用，并联的电容器在电源电压升高时，能把部分能量储存起来，当电源电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容具有平波的作用。 整流电路中的三端式集成稳压器，作用是使输出的电压不受负载变化和电网电压波动的干扰的影响而保持恒定不变。其后的电解电容也起到了减小稳压电源输出端由输入电源引入的低压干扰。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 19 3.6 强电控制电路设计 如图 3.11 所示，强电部分主要包括电气保护元件、接触器开关、电机等，实现电气保护作用是控制风扇电机启动，控制主电机正、反转，星、三角启动，为直流电源 提供交流电压。 （ 1） QF 为空气开关，是低压配电系统和电力拖动系统中的重要器件。它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠压继电器的组合，集控制与多种保护于一身，具有操作安全、使用方便、工作可靠、安装简单、分断能力高等优点。其中热脱扣器起过载保护、电磁脱扣器起短路保护、欠压脱扣器起欠压保护作用。 （ 2）开关 C、 ZC、 FC、 CY、 C 都是接触器的常开触点，控制电机运转。接触器 C 线圈得电， C 的常开触点闭合，风扇电机运行。接触器 ZC、CY 线圈得电， ZC、 CY 的常开触点闭合，电机正转并星形启动运转。接触器 ZC、 C线圈 得电， ZC、 C的常开触点闭合，电机正转并三角形启动，当接触器 ZC、 CY 线圈得电， ZC、 CY 的常开触点闭合，绕组实现星形接法，电机转入正常运转。该电路的转换是由单片机控制的。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 20 图 3.11 强电控制电路 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 21 第四章 织布机控制系统软件设计 织布机控制系统的软件设计，是以 89C51 单片机为控制核心，主要运用了芯片的并行 I/O 口功能、定时器功能和中断功能。 4.1 主程序设计 1