基于串行通信的交流变频调速系统课程设计

1、摘要在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。但是交流电动机调速困难。自从上世纪80年代初交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。鉴于这种情况，我们设计了此种由89C51单片机为主

2、控制器的，具有高度灵活性和可靠性的低价格交流电动机变频调速系统。在本设计中以Inter公司的89C51单片机作主控制器，并且采用了功率晶体管作输出，具有完善的电流、电压、转速的检测和显示，以及过压，过流保护。另又增加了串行通讯口，采用两线制RS-485通讯结构。可靠通讯距离为1.2km，并且可加上中继来加长距离。该系统可方便的组网控制或组成分布式集散控制系统，也可单独作为直接控制器来使用。电路中还采用了美国达拉斯公司最新生产的时钟芯片ds-12887，内含128字节的不挥发ram，可以记录下电动机过流过压保护时的时间和电流电压数据，供查询使用。关键词：交流电动机；变频器；89C51单片机；RS

3、485通讯。目录第一章 绪论系统组成总体结构一、系统控制器单片机的选择自单片机诞生以来的40年中，单片机已有70多个系列，500多个机种，如今单片机厂商众多，生产的单片机产品性能各异，种类繁多。以Inter(美国英特尔)公司的MCS-51系列产品为例，其一般可以分为普通型和增强型。他们的结构基本相同，其主要的差别在于存储器的不同，如89C51是以FlashROM为存储器。为了符合系统的要求，本课程设计选用89C51作为微机控制核心。其特点如下：面向控制的8位CPU；一个片内震荡器和时钟产生电路，振荡频率为024MHz；片内4kbFlashROM程序存储器；128B的片内数据存储器；可寻址64K

4、B的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路；2个16位定时/计数器；4个并行I/O口，共32条可单独编程的I/O线；5个中断源和2个中断优先级；一个全双工的异步串行口等。二、RS485串行通信方式在各种应用系统中，数据通信有两种基本方式，即并行通信与串行通信。并行通信方式简单、速度快。串行通信速度虽然慢，但使用的数据线较少，工程实现造价低，因此已被广泛使用。RS485串行通信为异步通信方式。异步通信时，数据是以字符为单位进行传送的。一个字幅又称为一帧信息，每个字符由4部分组成：起始位、数据位、奇偶效验位和停止位。起始位D0D1DN奇偶效验位停止位三、变频器的选择1.限制最低转速2.潜水泵的变频

5、调速3.电磁干扰和漏电流变频器对风机和水泵等普通负载的选择要求很简单，只要变频器的容量等于电动机容量即可。本系统的水泵额定功率为30KW，所以选择的变频器容量只要等于或稍大于30KW即可。考虑工程成本和设备价格本设计选用台达VFD370B23A变频器调速器，该变频器能够通过通讯进行参数的读写和控制，随着单片机功能的越来越强大，在嵌入式中的应用更加的广泛。四、变频器外围电气电路设外围电气电路包括主电路和控制电路两部分。其中主电路包括熔断器、开关、热继电器和水泵；控制电路包括变频器、微机控制器及压力感应装置等。五、单片机控制系统设计本系统由8098，eprom2764，ram6264和74ls37

6、3构成主体部分。外围扩展有键盘和数码显示接口芯片8279、并行输入输出芯片8255、时钟芯片ds12887、定时器计数器接口芯片8254、双四选一模拟开关4052、锁存器74ls373和串行rs-485标准通讯驱动接口芯片75176构成一个完整的变频调速中心控制系统。系统内由8279构成了32位数码管显示和四乘五键盘矩阵。32位数码显示分别显示6位时间、4位给定转速、4位实际转速、4位运行频率、2位运行指示和1个3位的运行电压、3个3位的运行电流。键盘矩阵分别有0至9共10个数字键和8个功能键与2个备用键。并行输入输出接口8255的c7与c6两个口作为双四选一开关4052的控制信号。a口作为输

7、入口，用光电耦合器隔离，输入8路状态量。b口作为输出口，经mc1413隔离驱动后，经过继电器输出7路开关量。这一部分主要是作为扩展系统时使用。ds12877是一片内带锂电池、晶振的时钟芯片。它可以为系统提供一个时间基准。在电动机电流过大保护时可以记录下时间。并且此芯片内有128字节的不掉电ram，可以在停电后保持数据不丢失。所以把系统运行中的一些参数储存在这里，如键盘输入的给定转速、最大电流等。8254是1个内含3路16位可编程计数器定时器。8098单片机定时对频率给定信号进行采样，根据a/d 转换的结果或键盘的设定，或从上位机通过串行通讯口设定的转速，经软件处理为适合8254可编程计数器的计

8、数常数。8254装入由单片机送出的计数常数后便产生相应频率的方波信号。单片机一旦改变送出的计数常数，就可以改变8254输出的方波信号的频率。这个方波信号作为pwm芯片hef4752的时钟输入fct。因此，调节频率给定信号，也就是改变了8254的计数常数，也即改变了hef4752的时钟输入fct的频率，从而改变逆变器输出的频率，实现电动机的变频调速。双四选一模拟开关4052是作为8098模拟输入的扩展来使用的。因为8098有4路10位的模数转换输入，其中的ach4与ach5通过外接可调模拟电压作为频率给定和v/f调节。ach6与ach7通过4052扩展为8路模数转换。其中4路接一个电压与3个电流

9、信号，另4路可根据不同需要作不同的用途。8098单片机通过74ls373锁存与74ls274驱动后控制整流晶闸管与hef4752的脚、24脚来实现电动机的启停控制与正反转控制。75176是rs-485标准的通讯驱动芯片。在2400波特时有效距离为1200m，用于系统中有上位机时，8098单片机与上位机之间的通讯。上位机可通过串行口向单片机下达开关机等命令与各种运行参数，也可随时得到现场的各种数据与电动机运行参数，实现两级控制。六、单片机和变频器串行接口电路设计台达VFD370B23A变频器调速器支持Modbus通信协议，该协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制

10、器经由网络（如以太网）和其它设备之间可以通信。变频器具有RS485通信接口接线端子为“SG”和“SG”，定义如下：SG：信号正端，连接转换接口的RS485口引脚“3” SG：信号负端，连接转换接口的RS485口引脚“8” 对变频器进行串口通信时，必须预先设置好变频器的功能参数。设置如下所示：F200 d4 由RS485通信界面输入F201 d3 由RS485通信界面操作，键盘STOP键有效F900 dn 通信地址为n，根据变频器的站号设置n为1，2，3 要与上位机一致 F901 d1 波特率为9600位/秒F904 d1 ASCII mode 7，E，1Modbus协议有两种传输模式：ASCI

11、I模式和RTU模式，用户根据需要选择模式，包括串口通信参数，在配置每个控制器时，一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。本设计采用ASCII模式，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送，这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。消息帧格式如下表所示例如发送的字符串为：01 06 2000 0012 B7：为起始位01为变频器站地址06为功能码，表示写入字符至变频器2000为写入地址0012为命令码，在此表示正转启动B7为校验位结束符为回车换行:一般常用的PC机都有RS232串行通信接口，但很少有RS485串口（工控机除外）。为了与

12、变频器通信，可以添加RS485串口模块，但成本相对较高。为此，我们采用RS232/ RS485接口转换器。本设计中采用西门子公司的 RS-232/RS-485转换器。一端可以直接插在计算机COM口上，另一端提供一个半双工的RS485接口，直接连接变频器的接线端子。但是这种转换器多为有源转换电路，而变频器的RS485接口不提供电源，所以需要外接24V直流电源。如下图：这种RS485控制对用户是完全透明的，为RS232串口编写的程序可以直接用在这里，不必修改，使用非常方便。七、单片机和变频器的通讯台达VFD370B23A变频器和C51单片机采用串行异步原理进行通讯。通讯速度用波特率表示。波特率即数

13、据传送的速率。其定义是每秒钟传送的二进制数的位数。例如，数据传送的速率是120字符/s，而每个字符如上述规定包含10数位。则传送波特率为1200波特。通讯方向：在串行通讯中，把通讯接口中能发送或接受的单行传送方法建瓯弹弓传送；而把数据在甲乙两机之间的双向传递称之为双工传送。在双工传送方式中又分为版双工传送和全双工传送。半双工传送是两机之间不能同时进行发送和接收，任意时刻，只能发或者只能收信息。单片机串行异步通讯的方式用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下：在一帧格式中，显示一个起始位0，然后是8个数据位，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶效验位，最后是停止位1。

14、用这种格式表示字符，则字符可以一个接一个地传送。在异步通讯中，CPU与外设之间必须有两项规定，即字符格式和波特率。字符格式的规定是双方能够在对同一种0和1的串理解成同一种意义。原则上字符格式可以由通讯的双方自由制定，但从通用、方便的角度出发，一般还是使用一些标准为好，如采用ASCII标准。软件编程通讯地址(Address)00H：所有驱动器广播(Broadcast)0IH：对第01地址驱动器OFH：对第15地址驱动器10H：对第16地址驱动器，以此类推，最大可到达254(FEH)。功能码(Function)与资料内容(DataCharacters)03H：渎出寄存器内容06H：写入一笔资料至寄

15、存器功能码03H：读出寄存器内容八、串口通信部分流程图 初始化串行口输入设定数据格式化数据想串行口发送数据如此3次有数据返回吗 否 是触发事件，处理数据返回数据正确吗 否 是结束8051串行接口是一个可编程的全双工串行通讯接口。它可用作异步通讯方式（UART），与串行传送信息的外部设备相连接，或用于通过标准异步通讯协议进行全双工的8051多机系统也可以通过同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。8051单片机通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界通讯。SBUF是串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接收寄存器。它们有相同名字和地址空

16、间，但不会出现冲突，因为它们两个一个只能被CPU读出数据，一个只能被CPU写入数据。 台达变频器接受的RS485信号，单片机输出的是TTL电平。因此要变频器和单片机通讯要有通讯转换芯片，目前常用的RS485芯片有MAX485、MAX483,S75176等。在本例子中采用了MAX485和S75176芯片，同时电路图中预留了RS232电路的接口，方便单片机以RS232通讯方式和其他外设进行通讯。主单片机采用ATMEL公司的AT89C52单片机。 3.2 软件调试界面 单片机程序通过在KEIL环境下开发编译的，调试界面如下：#include <reg51.h> char send17=0

17、; char send18=0x01,0x06,0x01,0x00,0x17,0x70,0x86,0x22; char count; int temp; bit motor_flag=0; /*ASCII格式变量定义*/ char number ; /设备站号 char function ; /功能 char address_h; /地址高 char address_l; /地址低 char data_h ; /数据 char data_l ; /数据 char CRC_H; /校验 char CRC_L; /校验 char send_temp; int sum_temp; /* 函数ASCI

18、I()实现了台达变频器通讯协议转换为ASCII协议格式的功能。 */ void ASCII(void); /* init_serial()函数串行通讯初始化函数 实现了：波特率的设定，定时器的选择，发送模式的选择 */ void init_serial(void); /函数ASCII7N2()以数据格式 7，N 2方式发送数据 void ASCII7N2(void); /函数ASCII7O1()以数据格式 7，O 1方式发送数据 void ASCII7O1(void); /函数ASCII7E1()以数据格式 7，E 1方式发送数据 void ASCII7E1(void); main() init_serial(); /*VFD系列变频器通讯资料初始化*/ number=0x01; function=0x06; address_h=0x20; address_l=0x00; data_h=0X00; data_l=0x12; /*/ while(1) if(P1!=0XFF) for(temp=0;temp<3000;temp+)/延时一段时间 ; if(P1!=0XFF) P2=0; TI=0; ASCII();/发送数据的处理 ASCII7N2();/以通讯协议为ASCII 960