螺纹磨床砂轮调速系统的电气设计

1、螺纹磨床砂轮调速系统的电气设计华东理工大学 中国贱人摘 要本项目是基于单片机的螺纹磨床调速电气系统的设计，在实际工业应用中，螺纹磨床的砂轮会随着使用过程不断消磨，导致与工件接触的外圆线速度不断降低，从而降低加工精度，若能在加工过程中适当提高砂轮转速则可弥补这一缺陷。本系统采用超声波传感器，利用它非接触式和实时检测的优点检验砂轮半径，通过单片机系统建立起半径的变化与砂轮转速之间的联系来实现这一目的。本文完成了螺纹磨床砂轮调速系统的方案设计，如超声波测距的理论与实际应用、单片机系统开发及程序设计、三相异步电动机运行原理、变频器运行原理与实际应用、电路设计及应用等方面内容。系统能稳定，高效地实现对电

2、机的调速，应用到实际生产中可以提高工件的加工精度，减少砂轮的浪费，提高生产效率。关键词：螺纹磨床砂轮 超声波 单片机 测距 变频器IThreaded Grinding Wheel Speed Control System Electrical DesignAbstractThis project is the design of thread grinding machine speed control electrical system based on single chip microcomputer, in practical industrial applications, grin

3、ding wheel screw grinding machine with continuous process will use to kill, resulting in contact with the workpiece outer circle line speed decreases, reducing the machining accuracy, if during processing appropriate to increase the speed of grinding wheel can make up for this defect. This system us

4、es the ultrasonic sensor, non-contact and real-time detection of the grinding wheel radius, through the single-chip microcomputer system is set up between the radius of the change and the speed of grinding wheel contact to realize this purpose. This paper completed the design of thread grinding mach

5、ine grinding wheel speed control system, such as ultrasonic ranging theory and practical application, MCU system development and program design of three-phase asynchronous motor, operation principle, operation principle of the converter and the practical application, the circuit design and applicati

6、on aspect content. The system can efficiently realize the stable, to the motor speed, applied to the actual production can improve the machining accuracy, reduce the grinding waste, improve production efficiency.Keywords：Thread grinding machine AT89S52 converter chipII目 录第一章 绪 论11.1 螺纹磨床的发展趋势11.1.1

7、提升磨削效率11.1.2 提高机床自动化的程度11.1.3 精密及超精密磨削21.2 设计拟解决问题及预期成果2第二章 测距方案论证32.1 检测砂轮的直径检测方法32.1.1 激光测距传感器32.1.2 红外线测距传感器42.1.3 超声波传感器42.2 变频器控制方式选择4第三章 三相异步电动机的调速原理73.1 三相异步电动机的结构与工作原理73.2 三相异步电动机变频调速工作原理8第四章 系统设计原理114.1 超声波测距原理114.2 变频器的选型134.3 变频器的工作原理134.4 变频调速的工作原理p-磁极对数144.5 主电路的设计154.5.1 整流电路设计164.5.3

8、逆变驱动电路的设计164.7 滤波电路的设计184.8 光电隔离电路194.8.1 8051控制电路194.8.2 PWM的输出与光耦驱动接口电路204.9 人机接口电路20第五章 单片机控制系统215.1 单片机的选择215.2 单片机引脚功能225.4 程序设计265.4.1 时间片轮转概念265.4.2 如何提高CPU效率275.4.3 时间片轮转算法的主要实现过程275.5 系统抗干扰设计285.6 原理图分析295.6.1 AT89S52单片机系统295.6.2 数码显示295.6.3 继电器控制电路305.6.4 整体电路图31第六章 系统调试326.1 硬件调试326.1.1 基

9、本电路板检查326.1.2 主控模块调试326.2 软件调试326.3 实物说明33附录一：程序清单35参考文献44致 谢45IV第一章 绪 论1.1 螺纹磨床的发展趋势现代磨床主要发展趋势为：1、提升磨削效率；2、提高磨床自动化的程度和进步提高磨床的加工质量。1.1.1 提升磨削效率随着砂轮的发展及磨床结构的改进，在磨削加工中采用了如高速磨削，强力磨削，宽砂轮和多砂轮磨削、以及其他磨削工艺技术（如砂带磨削、电解磨削）等技术手段，使磨削效率得以不断提高。高速削磨是指将砂轮的线速度从目前的35m/s提升到5060m/s甚至更高，这大大提高了磨削效率和磨削质量，延长砂轮使用寿命。强力磨削是指加大磨

10、削深度进行磨削，它可以代替车床和铣床，从而直接将原件磨削到工件要求，可显著提高工作效率。强力磨削在加工难切削材料方面的效果特别显著。强力磨削工作时磨削力很大，因此，强力磨削机床砂轮的刚度很高，但是其砂轮电动机的功率也提高了好几倍，成本增加。宽砂轮磨削适合在大批大量中、用切入磨削法磨削较短的零件表面，尤其是成形表面，工作效率较高。多砂轮磨削系统则适用于在同一时刻磨削多个角度，缩短工作时间。1.1.2 提高机床自动化的程度如今，普通磨床的自动化程度不断提高。自动化层面措施如砂轮自动进给、砂轮自动修整和补偿自动分度、自动装卸物料和自动测量等。在应用于中、小批生产的磨床，其自动化显著的趋势是向数控磨床

11、和适应控制方向发展。1.1.3 精密及超精密磨削目前，对磨削加工精度及表面质量要求越来越高，高精度的外圆磨削的圆度要求必须小于0.5m；表面粗糙度要求也要达到Ra0.010.02m；高精度内圆磨削的内孔圆度要求小于0.8m；表面粗糙度要求达到Ra0.080.16m；平面磨削的平行度及直线度要求小于5m/m；1.2 设计拟解决问题及预期成果螺纹磨床通过砂轮对丝锥进行高精度加工。在加工过程中砂轮会磨损而影响产品的精度，所以必须对其进行修整，从而造成砂轮直径越来越小，引起线速度越来越低，致使产品表面越来越粗糙，当产品达不到质量要求时，这块砂轮就报废了，但实际上砂轮还能用，只是不能满足产品精度要求而已

12、，一般砂轮很贵，浪费严重，为此设计一套自动调速系统，在线检测砂轮的直径，及时自动调整砂轮的旋转速度，以保证产品的加工精度。用于高精度加工的砂轮价格很贵，而且换下的砂轮还有很大一部分可用，为了充分利用其价值，可以采用提高砂轮的转速来保证其线速度恒定的方法，这样不仅大大延长了砂轮的使用寿命，而且又保证了产品的质量恒定，有很大的适用价值。第二章 测距方案论证2.1 检测砂轮的直径检测方法磨床工作是具有一定危险性，人工手动测量肯定是不行的，本次使用无接触式的测量。通过超声波测距的方法测量出砂轮的半径，如图2-1所示。砂轮装置图2-1 砂轮直径测量方法由图2-1可以看出，假如我们测试位置不动，那么通过测

13、量测试点到砂轮边沿的距离就可以找到砂轮的半径。砂轮的半径 = 测试点到砂轮中心的距离 - 测试点到砂轮的距离为此我们只要测量测试点到砂轮的距离，然后通过软件计算就可以找到砂轮半径，目前测距的方法比较多，针对比较常用的测距传感器我做了仔细的对比。2.1.1 激光测距传感器 激光传感器能得到广泛的使用完全依靠激光有很好的方向性，不容易发生散射和衰减。它工作的时候首先先从激光传感器的发射端发射一束激光，当激光碰见障碍物时，就向各个方向反射激光，恰当有一束激光正好被反射回激光传感器的接受端时，它的采集信号的过程就结束了。接下来只需要按照公式，按照实际时间的一半在乘以光的速度就可以得到距离。激光的优点是

14、非常突出的它除了可以测量的实际距离远，速度非常快，可测量程非常广之外精准度还很高。但它也有小小不足之处，那就是制作成本比较高，操作安全系数和难度比较大。2.1.2 红外线测距传感器 红外线测距器有一个很显著的特点是红外线信号在遇到的障碍物的距离与信号的强度存在正相关联系，一般遇到障碍物距离越远信号越弱，这跟信号的本生特质有关，红外线属于光波，且红外线容易发生散射，其优点是成本低廉。2.1.3 超声波传感器 人的听觉是存在极限的，一旦超过20kHz或者低于20Hz，人的听觉就觉察不到声音了，而超声波的频率正好高于20kHz即人类的听觉是觉察不到的。超声波传感器的工作形式是把电压和超声波相互转换，

15、首先利用超声波传感器的发射端把电压转化成需要的频段的声波，声波在介子空气中传播，当声波在传播介子中遇到障碍物时，在反向被障碍物反射回来，如果此时被反射回来的声波恰好被超声波传感器的接收端接受，传感器的接受端再把反射回来的声讯号转化成我们需要的电讯号，最后在把电信号以电压的形式输送到单片机的逻辑计算单元。超声波具有一些很优质的特性比如波长短、振动的频率高、绕射现象小而且具有很好的方向性，不易跑偏还能为反射线定向传播等等，最重要的是超声波能量消耗缓慢十分利于测距。当被测试时的距离很长时，超声波的精度和方向性就明显的凸显出来了，与红外线测距相比，远远地优于红外线测距，但也有它的不足之处就是它的制作成

16、本很贵。从安全性、制作成本、方向性、测量精度等多方面考虑还是超声波传感器更符合设计要求。根据以上三种不同种类的传感器比较，虽然激光传感器各个性能是最优异的且都很符合设计要求，但激光的安全性确实最差的，制作成本也是其他传感器里最高的。相比之下还是超声波传感器最适合本设计。2.2 变频器控制方式选择通过变频器变频调速作为交流电机特别是三相异步电动机调速的主要手段之一，在工业领域中应用的非常广泛，其具调速范围宽、调速精度高、动态响应快、且适用范围广，运行可靠等优秀性能，已逐渐成为目前主流调速方式。变频器的控制主要有以下三种方式：(1) 直接通过对变频器操作，即直接通过操作面板输入各种运行参数。(2)

17、在变频器的模拟量端口输入010V或420mA的信号,通过改变输入模拟量的大小来改变变频器输出。(3)根据通讯控制。如果是工程实践，一般都具有专业的调频的设备仪器，这种专业的调频仪器都是有控制面板的，只需要手动输入一些数据参数，所以第一种只适用工程。而后两种分别适用于自动调节和远程控制及程序控制。控制中常用的PLC、单片机系统等控制系统，且这些控制系统都有连接于变频器接口的连接模块，可以直接实现变频器的闭环控制，在实际工业应用使用比较普遍。而对于少数成本十分低廉，设计要求不是很高的设计和实验时，控制器在控制变频器时，通常只需通过键盘输入参数数据或通过触摸显示屏输入，这些数据采集乃至其它过程的方式

18、，这些控制必须要求与适合采用单片机的系统作其控制核心，如果用PLC另外加面板控制，虽能也可实现功能但成本太高，不宜采用。如果选择使用单片机作为控制器时，第二种和第三种方式比较适合本设计。4-20mA电路本人通过Protues软件进行了仿真，如图2-2所示。图2-2 单片机输出4-20mA电路仿真效果很好，但前提单片机必须带有DAC或者PWM输出才能实现，并增加硬件电路，成本增加。采用第三种方式，通过通讯方式控制，它的好处是控制更全面，通过电平变换电路适合的变频器通讯接口如RS485/RS232/CAN，就可以与变频器之间进行通讯，硬件简单，并且连线也比较简单，连线数量也少。但需要会使用变频器的

19、通讯协议后才能进行编程进行控制，软件设计比较难。由于不同型号的变频器通讯接口与通讯协议都各不相同，目前还没有很一致的标准，仅能针对一类变频器的系统进行开发，大大减小了变频器型号的可选范围，不能大规模应用。而针对模拟量的输入控制方式，几乎所有变频器都适用，尽管其能满足多数场合的使用要求，但在功能上相对来说比较单一，同时模拟控制方式上也非常落后。综上所述，本设计决定采用第(3)种方式，实现单片机对变频器调速系统的控制。而对不同的变频器，只需要开发者重新根据通信协议编程即可。连接上只需将单片机系统输出端uart串口利用RS485总线与变频器RS485端口连接即可，如图2-3所示。485接口485接口

20、单片机系统变频器M图2-3 变频器连接原理图第三章 三相异步电动机的调速原理3.1 三相异步电动机的结构与工作原理三相异步电动机的结构如图3-1所示：图3-1 三相异步电动机结构电机主要由定子与转子组成，通过产生旋转的磁场使转子转动。旋转磁场即为一种极性和大小不变，同时以一定速度旋转的磁场。三相对称绕组A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120°分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了三相对称绕组。当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。当磁铁转动时，磁铁会与闭合的导体之间相对运动，闭合导体切割磁感线而在它内部产生感应电动势与感应电流。产生的感应电流又会使导体受到电磁力的

21、作用，于是导体就会沿磁铁的旋转方向转动，这就是三相异步电动机的运行原理。3.2 三相异步电动机变频调速工作原理1、异步电动机的调速根据异步电动机的转速表达式：得出异步电动机有三种基本的调速方法：变频调速变极调速变转差率调速这里重点介绍变频调速根据异步电动机转速公式n=n1(1-s)可知，改变电源频率f1，就可平滑地改变三相异步电动机的同步转速即n1=60f1/p，异步电动机转速n也会随之改变，所以只需改变异步电机输入电源频率可以调节电动机的转速。三相异步电动机变频调速控制特性，如图3-2所示。 图3-2 异步电动机变频调速控制特性要实现变频调速必须有专用的变频电源，随着新型电力电子器件和半导体

22、变流技术、自动控制技术等的不断发展，变频电源目前都是应用电力电子器件构成的变频装置。电力电子变频器供电的异步电动机变频调速系统，如图3-3所示。图3-3 异步电动机变频调速系统综上所述，三相异步电动机变频调速具有优异的性能，调速范围大，调速的平滑性好，可实现无极调速；调速时异步电动机的机械特性硬度不变，稳定性好；变频时U1时按照不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。2、变频器变频器控制原理如图3-4所示：图3-4 交-直-交PWM变压变频器变频器是利用电力半导体元件的通断功能将工频电源转换成另一种频率的控制装置。目前应用的变频器的工

23、作方式还很传统 ，依然是采用交流直流交流的变换方式，即先把输入的交流电流通过整流器整流，变成含有分量成分的直流，但这个直流电流是脉动直流电流，还需要滤波，通过滤波器转化成平滑稳定的直流电流，然后再把直流电流转化成频率与电压均可控制的交流的电流，用以供给电动机。其电路组成有四部分，分别是整流、中间直流和逆变器以及控制。三相桥不可控整流器负责整流，IGBT三相桥逆变器负责逆变，最后输出PWM波形，中间的直流环节部分依次是滤波、直流储能和缓冲无功功率。主回路部件：如果变频器距离电机的距离很远，还应该注意安装一个负责减少变频器工作过程中产生的高次谐波的滤波器。另外加入断路器可起到保护作用，根据变频器的

24、功率大小确定断路器选型。控制回路：有工频变频的选择切换，用以在变频发生故障时手动运行。又因为输出端口不能加压，所以工频与变频要有互锁。10第四章 系统设计原理4.1 超声波测距原理声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波测量距离的原理是从超声波测距器一开始工作时就开始计时，即超声波测距器的发射端发出超声波就开始，然后超声波会在空气介子中传播，当在传播的过程中遇到障碍物就会马上被障碍物反射回来，最后恰好会有一束声波信号被超声波测距器的接受端接

25、受，并且此时立即停止计时。在根据超声波的速度为c，并且通过计时器测出的测出发射与接收返回声波的时间差设为t，就可以得出发射点与测量物的距离设为S，即：由于超声波是声波，它的声速V和温度相关。所以使用中，如果传播介质温差不大，我们可近似认为超声波速度在传播的过程中是恒定的。如果对测量精度要求过高，就应该通过温度补偿的方法作出读数校正。只需测得往返所需的时间，就可得出距离。这就是超声波测距仪的基本原理，如图4-1所示。图4-1 超声波的测距原理 （4-1） （4-2）式中:L-两探头相距的二分之一. 又由测出的距离: （4-3）式中:v超声波在介质中的速度;  

26、60;   t声波往返用的时间. 将 式2、式3代入式1中得： （4-4）式子中,由于声速是常数;当测量距离H远比L大时,则式4变成: （4-5）故,只需得到时间t,便可得出测量距离H。由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。温度( ) -30 -20 -10 0 10 20 30 100声速(米/ 秒) 313 319 325 323 338 344 349 386系统框图如4-2所示。数字显示串口信息传输 单

27、片机控制系统发射处理接收处理障碍物图4-2 基于单片机的超声波测距系统框图这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间;当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。4.2 变频器的选型变频器选择型号时必须确定以下内容：（1）变频器的使用目的：控制电压使之恒定、控制电流使之恒定等。（2）变频器的负载类别：由负载性能曲线和性能曲线影响应用的方法的电气器件，例如叶片泵特别是容积泵等。（3）负载和变频器的匹配： 电压

28、匹配：变频器的额定工作电压和负载的额定工作电压要相适宜。 电流匹配：变频器的额定工作电流与电机的额定工作电流要相等。 (4) 为防止高次谐波的增加使输出电流值增大。故用于高速电机时应该慎用，并做一些选型调整，可以考虑把变频器的容量稍微调大或者稍大于普通电机选型要求。（5）如果变频器的运行需要用到长电缆，那我们不得不考虑一下长电缆对地耦合时对电容的影响，我们应该防止这种情况的出现或者抑制它，我们可以采取放大变频器的容量或者在输出端安装输出电抗器，只有这样才能避免变频器出现出力不足。（6）如果遇到高温环境抑或出现电压不足，都应该把变频器的容量调大一档，因为高温和低压会使变频器容量降低。综合各方面因

29、素，本系统选用：KZ100-3.7G/5.5P-T4型变频器，额定功率为3.7-5.5KW，通讯协议为采用MODBUS协议。4.3 变频器的工作原理变频器是一种将输入电源整流后再逆变变成频率与电压可变的交流电，输出供三相交流电动机专用的。电源装置的变频调速主装置由充电接触器，进线电抗器，充电电容与平波电容绢和6组SKIIP模块构成；而6个SKIIP模块组成二组,三相桥式交流电路，其中一组是变频器的输出逆变器；另一组是向发电电网输出反馈的逆变桥。在变频器调速时，根据电动机的转矩表达式Tmax =Cm (uf)2：Cm-电机常数；u-电源的电压；f-电源的频率。只要改变f的同时改变电源电压u即可实

30、现转矩T不变的调速性能原理图如图4-3所示。图4-3 变频器原理图首先是将单相或者三相交流电流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本比较稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使其输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时实现输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制要求。4.4 变频调速的工作原理p-磁极对数根据异步电动机的工作原理，根据旋转磁场理论，有下列关系： n1 = 60f / p式中n1定子旋转磁场转速，也叫异步电动机同步转速（r / min）；  &

31、#160;     f电源的频率（Hz）；        p电动机磁极对数。异步电动机同步转速与实际转速n之差与同步转速之比，成为电动机的转差率，以s表示：s = (n1 n) / n1 = 1 n / n1n1s = n1 nn = n1(1-s)n = (1-s) × 60f / p 由电机学理论可知，电动机的转速为n=60f/p，式中f电源频率；p磁极对数；当P为定值时，n与f成正比。则只要连续地改变供电电源频率就可以调节三相异步电动机的转速。而变频调速的关键设备就是变

32、频器它决定整个调速系统的性能。但是，为了保持在调速同时电机最大转矩不发生变化，必须维持电机的磁通量保持恒定。所以定子的电压也要作出相应的调节，变频器在工作调频时还必须改变输入的电压，故简称VVVF（装置）。由电工知识可知：转矩和磁通量（最大值）成正比，当转子的参数值恒定时，转矩和电源电压的平方成正比例。目前使用较多的是“交直交”变频，将50Hz交流整流为直流电Ud，再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。4.5 主电路的设计主电路为单相全桥逆变电路，主开关管采用GTR，输出100

33、V，50-400Hz频率可调的交流电压；由单片机输出两路互补（有一定死区时间）单极性SPWM波来控制该逆变电源。对输出SPWM波的最小脉冲问题进行了处理，采用汇编语言对中断服务子程序进行编程，使得SPWM波形中最小脉冲的宽度达到了3s，这个宽度（时间）基本达到实验中所用GTR的最小开关周期。该系统主电路如图4-3所示，以8051为控制核心，采用交-直-交电压源变频器结构，如图4-4所示。图4-4 电压型交-直-交变频主电路4.5.1 整流电路设计采用三相桥式不可控整流电路将交流电整流为直流电，电路如图4-3左半部分由6个二极管组成。通过二极管的峰值电流为：Im =2×1.414In

34、=2×1.414×0.5=1.42A （4-6）流过二极管电流的有效值： （4-7）二极管电流定额：In =(1.5or2)×Id/1.57=0.78or1.04A （4-8）考虑滤波电容充电电流的影响，需要留有较大的电流余量，选用IN=2A，整流二极管电压定额：Ud =(2or3)×Um =(2or3)×1.414×220=622or933V （4-9）根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际上选用的整流二极管为5A、1kv。 4.5.2 逆变电路的设计逆变电路功率器件用6个GTR和6个续流的二极管。IGBT 正反向的峰

35、值电压是： Um=1.414×220=311V （4-10）考虑到23倍电压系数，设耐压值为：1kv。通态峰值时电流：Im=2×1.414×In=2×1.414×0.5=1.41A （4-11）考虑到1.52倍的安全系数，定电流定额5A，续流二级管的耐压与续流计算和以上一致，由于市场价格供货与价格的实际情况选 用GTR是GT25Q101，续流二极管为MUR860。4.5.3 逆变驱动电路的设计一个理想的GTR驱动器应具有以下基本性能：（1）动态驱动的能力强；（2）有较好的输入输出电隔离的能力；（3）具有保护电路，保护栅极不被击穿；（4）输入与输

36、出信号的传输无延时；（5）当出现短路、过流时，会迅速产生过流保护信号，使控制回路开始处理。图4-5 IR2132驱动三相逆变桥光电隔离器有体积较小，结构简单的优点，但有共模抑制能力较差，传输速度不是很快的缺点。电磁隔离采用高频脉冲变压器作隔离元件，其响应速度快但占空比受到很大限制。电路设计还保证了内部3个通道的高压侧的驱动器与内部低压侧的驱动器可以单独使用，并且也能只用其内部的3个低压侧驱动器，同时输入信号与TTL及COMS电平兼容。如上图4.6所示。综上所述，本系统电路选取Cl=0.22uF，且耐压大于35V的钽电容。4.6 转速检测电路电机转速是由光电脉冲编码器检测的，检测的正确性将对系统

37、产生影响。影响测量转速精度的因素有：1.系统硬件因素，主要包括单位周期里光电脉冲编码器发出脉冲数以及处理器的处理精度，系统确定后，由于硬件自身引起转速检测精度的差异便无法更改。2.速度的算法，应用不同的转速算法可以得出不同的转速检测功能。电机转速的检测的最原始的模型就是一个简单的光电门，专业点的说法叫做光电脉冲编码器检测技术。检测的结果的正确性以及精度都会直接影响着系统。影响转速被测量的精度的因素有如下：1.系统硬件因素，主要是光电脉冲编码器在单位周期里发出的脉冲数以及处理器的逻辑算数单元的处理精度，系统确定后，由于硬件自身引起的精度差异便无法在更改了。2.速度算法，采用不同的算法，结果也在结

38、构上出现相应的偏重点，得到的也是不同的速度检测性能。本系统通过对脉冲计数来检测转速。设采样时间为Tc，光电码盘传感器的脉冲数为Pn，在采样周期所测到的脉冲数为m，则, 电机转速N (r/min)为：N=60m/Tc×Pn （4-12）本系统采用E6B2-CWZ6C，1200P/R旋转编码器，电压524V，有三路输出，分别是A，B，Z相;其中A与B用于检测转速，它们相位差是90度，每个周期输出1200个脉冲，而Z脉冲每个周期输出一个脉冲，使其伺服控制系统的定位。本来光电编码器A、B输出端可以直接接TMS320F2407的QEP1，QEP2，但为了保护起见，还是加上光电隔电离电路，电路如

39、图4-6所示。图4-6 电流检测电路4.7 滤波电路的设计交流电经过二极管后虽然方向稳定为单向电流了，但其大小还在不断变化。这种电流无法直接使用。要把脉动直流转化为波形比较平滑的电流，还需要滤波。滤波的目的是让整流器输出电压中波形较大部分把它尽可能地减小，然后改成接近平稳直流电。电容器储存电能的元件。在电路中，有充放电的功能，并且放电时间与负载值成正比。这种电容带两端电压不会突变的性能，可以实现滤波的功能。并且此处要加入大电容滤波的环节。滤波电路如图4.6所示：没有加滤波电容时，三相整流输出的平均直流电压为：Vc=3×1.414*Ul/ （4-13）加上滤波电容后，VDC的最大电压可

40、以达到交流电压的峰值：U=1.414×Ul=1.414×220=311V （4-14）理论上滤波电容值越大越好，考虑到体积和价格，实际选用了两个47F/450V的电容相并联使用。4.8 光电隔离电路为了让控制电路与主电路之间可靠隔离。系统另外采用快速光耦器件6N137用以主电路与控制电路的隔离，6N137，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上，体积小，寿命长，隔离电压较高，速度快，能与TTL电平兼容的优点，由于光耦用集电极直接输出，当输入的默认都是低电平时，光耦的输出都是高电平，如果这样直接连IR2132半桥电路，会使上、下桥臂同时导通，即直通，所以在光耦输出之后接CD

41、4049的反相器，让初始的输出状态变为低电平。如图4-7所示。图4-7 光电隔离电路4.8.1 8051控制电路根据设计的需要，采用28F256芯片对外部程序存储器进行容量扩展，使片外存储容量达到了32K；为了实现人机对话，选用8279可实现编程并行的I/O口扩展，设置了16个按键，它们是：设置、V/F曲线、启动时间、同步方式、异步方式、分段同步、载波比、频率、上升、下降、确认、运行、停车及复位键，来进行状态与参数的设置与改变。故此，设计了4位LED的显示电路，配合8279键盘的设置，对状态、参数显示与监视。4.8.2 PWM的输出与光耦驱动接口电路考虑8051的SPWM口有4mA电路输出不能

42、直接驱动光耦，所以在光耦前面加入CMOS反相器用以增加其驱动能力，由于8051芯片的SPWM输出的电平范围是0.2V3.3V，并且CMOS的输入比较高，低电平门限值为3.5V 1.5V，因此当8051芯片的SPWM口接74LS04反相器的时候，反相器不能正常地工作。 4.9 人机接口电路人机接口电路主要指8051芯片输入、输出电路，如8051的键盘输入、输出显示和8051芯片与计算机的通讯等；通讯主要是指计算机(PC)与8051芯片的系统通信，主要用来传递各种指令和参数；8051芯片的片内外设含有串行通信接口模块（SCI）是一个标准的串行异步数字通信接口模块，可以实现半双工或全双工的通信，通信

43、速率可达625Kbps；由于TMS320LF2407带有SCI通讯接口因此可以方便的实现RS-232通讯，计算机与8051芯片之间通过计算机的通用串行总线(USB)接口与8051芯片的串行通讯接口(SCI)相连。 键盘输入与输出显示是人机接口的主要部分，也是操作人员对电动机进行控制和显示系统运行状况的主要途径；本地操作人员可根据负载情况通过按键来选择不同的U/f曲线，设定电动机的期望转速以及控制电机的正转，反转，启动，停止等操作。本系统的键盘部分包括反转，正转，启动，停止，上升，下降和功能键七种按键，所有的按键通过可编程逻辑器件处理之后输送四路信号，其中一路输送给8051芯片外部中断的1引脚，

44、当按键按下，就会立即发出一个下降沿给该引脚，传递告诉8051芯片外部有按键按下，需要马上进行处理；余下三路信号给8051芯片中的三个通用I/O口，通过编码设定的方案给每一个按键都分配一个独立的代码，以便于使8051芯片区分用户按了哪个按键，不会引起误操作。46第五章 单片机控制系统5.1 单片机的选择单片机就像人的大脑，是一个系统的核心。选择合适的“大脑”，对于硬件设计就尤为重要了。一个好的硬件设计作品，在单片机的选择上是十分小心的，选择一款合适的芯片是可以减少许多不必要的代码量，大大的简化系统操作。功能和可靠性也可以大大的提高，对于一个硬件系统是很方便的。目前，市面上各种单片机，琳琅满目，并

45、且功能方面各有千秋。当一般情况下我们选着一款合适的单片机应该从如下几个方面考虑：（1）单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。（2）单片机的某些增强的功能。（3）单片机的存储介质。例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。（4）单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。（5）单片机对工作的温度范围的要求。例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。（6）单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用STC

46、的单片机是最合适的。（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。52系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面与标准的51系列的单片机可以完全的兼容。52系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户的资源。根据本系统设计的实际要求，选择AT89S52单片机做为本设计的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS8位单片机。89S52单片机具有

47、以下几个性能特点：8k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。 单片机的引脚功能图如图5-1所示。图5-1 单片机引脚5.2 单片机引脚功能（1）电源引脚Vcc（40脚）：正电源的引脚，工作电压是5V。GND（20脚）：接地端。时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2。为了产生时钟信号，在89S52单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端。单片

48、机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。时钟信号电路如图5-2所示 。图5-2 时钟信号电路图（3）复位RST（9脚） 当振荡器运行时，只要有有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不断地进行复位5。复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零5。本课题设计的单片机复位电路如图5-3所示。图5-3 单片机复位电路图（4）输入输出口（I/O口）引脚 P0口

49、是一个三态的双向口，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口。P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时，P0口也可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电流不小于800 uA。 P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用。 对于输出功能，在单片机工作

50、的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平。例如： 指令CLR是清零的意思，CLR P1.0的意思就是让单片机的P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1的意思，SETB P1.0的意思就是让单片机P1.0端口输出高电平。 P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力。P2端口置1时，内部上拉电阻把端口的电位拉成高电平，作为输入口使用；在对内部的程序存储器处理时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部的程序与16位外部数据存储器时，P2口发出高8位地址 。如在访问8位地址的外数据的存储器时，P2引脚的内容不会变化。 P3口也是

51、一个内部带上拉电阻的8位的双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。如表5-1所示。表5-1 P3口第二功能表（5）其它控制或复用引脚 （a）ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输出端。在访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外存储器的时候，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6),而在访问片外数据存储器时，ALE脉冲会跳空一个,此时是不可以做为时钟输出。对片内含有EPROM的机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲/PROG的输入端。 （b）

52、/PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。当89S52从外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。（c）/EA/Vpp（31脚）：/EA为片外程序的存储器访选用端。该引脚访问片外程序的存储器时，应该输入的是低电平，要使89S52只访问片外程序的存储器,此时引脚必须是低电平；而在对存储器进行编程时，施加Vpp的编程电压。5.3 单片机最小系统 单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础，单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统。对于80S52单片机，由于片内已经自带有了程序存储器

53、，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成了单片机的最小系统了。单片机的最小系统如图5-4所示。图5-4 ST89S52单片机系统5.4 程序设计本次设计采用时间轮片的程序构建方法。5.4.1 时间片轮转概念时间片轮转是一种被使用的最广泛的算法。每一个进程分配一段固定的时间段（即时间片，表示该进程运行的时间）。如果进程运行超过时间片，则CPU将强制被划分给另一个正在运行的进程。进程在时间片结束前就被程序阻塞或结束时，则CPU立即切换到下一个进程。调度程序就是系统给所要进行的程序安排一张工作时间表，所用的进程都按照这个表的顺序依次有序的进行，当进程消耗完系统给它分配的时间片，它就移到指令列

54、队的末尾。5.4.2 如何提高CPU效率分析：我们可以将工作时间片设为510毫秒。这时浪费的时间只有1%。但如果考虑在一个分时系统中，有20个交互用户几乎同时按下enter键，将会发生什么了？如果每个进程都充分利用了系统给它们分配的时间片的哈，很有可能有一个进程不得不等待5秒才能工作，这是非常令人抓狂的，大多数用户是很难忍受一条简短的计算机命令要等待5秒之后，才能得到系统的响应，这对于用户是很残忍的。同样的问题，几个程序同时在同一台计算机上跑，时间片的设置就成为了难题？如果设置的太短,进程间的切换过于频繁，不利于CPU工作，这样会降低它的工作效率；反之如果设置的时间过长，短时间的交互请求的响应

55、能力就会变差。经过实验分析把时间片设置成5毫秒是比较折中的较合理的设置。5.4.3 时间片轮转算法的主要实现过程首先为每一个进程创建一个进程控制块，定义数据结构，说明进程控制块所包含的内容，有进程名、进程所需运行时间、已运行时间和进程的状态以及指针的信息。实现的过程即运用指针指向某一个进程，判断当前的进程是否是就绪状态“r”，如果是，则为该进程分配一个时间片，同时，已运行时间加一且要求运行的时间减一，如此循环执行，当某一个进程的所需要运行的时间减少至0时，则将该进程的状态设置为“e”。然后，将指针指向下一个未运行完成的进程，重复判断，直至所有的进程都运行结束。如图5-5所示：图5-5 系统运行流程图5.5 系统抗干扰设计本系统设计时，应主要考虑电源对单片机造成测影响。电源质量的好坏，直接关系到整个电路的抗干扰能力。单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源、定时/蓝牙的电源、超声波电源以及其它附属电路的电源加电容、电感滤波电路或稳压器，并尽量采用集成式直流稳压电源，以减小电源噪声对单片机的干扰。5.6 原理图分析5.6.1 AT89S52单片机系统典型的单片机最小系统，本次设计P0接在数码管的段选位上，而52系列单片机的P0口没有上啦能力，因此在P0口所有引脚上增加上拉电阻。如图5-6所示。图5-6 ST8952