基于现场总线冗余控制系统硬件设计

1、目录第一章 绪论11.1 冗余发展概况11.2 现场总线发展11.3 本课题的研究意义21.4 研究内容21.4.1整体结构31.4.2冗余的功能划分41.4.3硬件结构设计41.4.4显示单元设计51.4.5实现6第二章 冗余硬件设计72.1 PLC简介72.2 PLC在冗余系统中82.3 硬件冗余92.4冗余系统的原理及过程112.5 基于Controlnet的PLC冗余系统硬件设计12第三章 显示单元总体方案设计133.1 系统分析133.1.1电机转速测量133.1.2电机转速的处理153.1.3电机转速的显示153.2 系统构成153.3 测速系统原理框图15第四章 显示单元硬件设计

2、164.1 单片机简介174.2 电源电路184.4 系统硬件设计21第五章 显示单元的软件设计225.1 C51的基础知识225.2 软件结构划分255.2.1计时模块255.2.2转速计算模块26结 论27致谢30第一章绪论1.1 冗余发展概况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。20世纪末期，可编程控制

3、器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展1。在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置有极高的可靠性。如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:1、单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，产品小巧美观，同时系统也更加稳定；2、单片

4、机抗干扰能力加强，使的它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景；3、单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间；4、在线仿真变的容易。1.2 现场总线发展它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系

5、统之间的信息传递问题。主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统一的现场总线国际标准 二是Industrial Ethernet走向工业控制网络 统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展

6、。 随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。1.3 本课题的研究意义所谓冗余系统，就是一个具有相同设备功能的备用设备系统。当主设备出现故障时，冗余设备是可以立刻使用的替代设备。设备在启停和运行过程中发生危及设备和人身安全的故障时，自动采取保护和联锁，防止事故的产生和避免事故扩大。从而保证正常启停和安全运行，具有极其重要的意义。通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视，发生异常时，及时发出报警信号，必要时自动启动或者切除某些设备或者系统，维持原负荷运行或减负荷运行直至安全退出运行。因此可以说，冗余系统是工业

7、控制系统中不可或缺的组成部分。冗余系统是通过发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实现系统的不中断工作，通过部分的冗余实现系统的高可靠性。冗余控制系统能给很多的工业生产中能提供一个更高的可靠性。因此，了解和掌握冗余控制系统的控制方法并设计相应的显示单元很有意义，且有利于了解相关控制的原理和方法。实验过程中需熟悉冗余系统的控制原理及方案、PLC软件编程、I/O分配、控制对象的调试、单片机显示系统的设计方法等多个任务。冗余的实现方式是同时采用两台控制器ControlLogix5550，其中一台为主机，另一台作为系统的备份，为副机，正常情况下由主机控制整个系统，副机保持与主机通讯，监控主机的运行状态

8、。当副机监视到主机的运行故障的时候，立即运行切换程序，将控制权转到副机，而当主机的故障恢复之后，则控制权重新交还给主机。1.4 研究内容（1）根据要求，检索资料，拟定设计方案。（2）根据设计方案，确定基于PLC的冗余控制系统硬件设计方法。（3）熟悉冗余控制对象的使用方法。（4）显示单元硬件设计（5）编写梯形图及显示单元的软件程序。（6）系统总体联调。（7）完成课题相关的英语资料翻译。（8）完成规定字数的毕业设计说明书。1.4.1整体结构 从控制器需要与主控制器相同的工程以便接替其控制。同时，也需要最新的标签数据。交叉加载：主控制器中的部分或全部内容传送到从控制器。可以更新标签值，在线编辑或工程

9、的其它信息。交叉加载最初发生在两控制器同步的时刻，然后在控制器执行其逻辑过程中反复运行。同步：从控制器做好一旦主机架发生故障，立即接替其控制的准备。在同步期间，1757-SRM模块检查在冗余机架上的对等方模块是否兼容。SRM模块也提供将主控制器内容交叉加载到从控制器的路径。同步发生在用户打开从机架的电源后。它也发生在其它时刻。取消资格：表示从控制器与主控制器同步失败。如果从控制器的资格被取消，它无法控制机器和过程。用户可以手动选择取消从控制器的资格。 ControlLogix系统采用了基于“生产者/消费者”的通讯模式，为用户提供了高性能、高可靠性、配置灵活的分布式控制解决方案。ControlL

10、ogix系统实现了离散、过程、运动三种不同控制类型的集成，能够支持以太网、ControlNet控制网和DeviceNet设备网，并可实现信息在三层网络之间的无缝传递。因而，ControlLogix被广泛地应用于各种控制系统。构建ControlLogix冗余系统的核心部件是处理器和1757-SRM冗余模块。目前，有1756-L55系列处理器模块支持冗余功能，其内存容量从750KB到7.5MB不等。1757-SRM冗余模块是实现冗余功能的关键。如图1.1所示，在冗余系统中，处理器模块和1757-SRM冗余模块处于同一机架内。为了避免受到外界电磁干扰，提高数据传输速度，两个机架的1757-SRM模块

11、通过光纤交换同步数据。所有的I/O模块通过ControlNet控制网与主、从控制器机架内的1756-CNB(R)控制网通讯模块相连接。图1.1冗余系统结构Fig. 1.1 Redundant system structure以往的冗余系统通常需要用户编制复杂的程序对处理器状态进行判断，在两个处理器之间传输同步数据并实现I/O控制权的切换，两个处理器中的程序也各不相同，这使得冗余系统本身的建立和维护工作非常繁琐。通过1757-SRM冗余模块，不需要任何编程就可以实现冗余功能，还可以方便地使主、从处理器内的程序保持一致，用户对主处理器程序的修改可自动同步到从处理器。主、从处理器所处机架内的1756

12、-CNB(R)控制网通讯模块地址各不一样。当主处理器出现故障后，从处理器接管控制系统，相对应的控制网通讯模块之间相互交换地址，从而不影响其它控制器和上位机与该冗余系统的通讯。1.4.2冗余的功能划分冗余分为：工作冗余和后备冗余。工作冗余是一种两个或以上的单元并行工作的并联模型。平时，由各处单元平均负担工作，因此工作能力有冗余。后备冗余是平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。1.4.3硬件结构设计1.硬件结构设计硬件设计采取双机架冗余系统2，系统结构如图1.2所示，尽管系统增加机架和CNB模块的数量，但由于CPU分别插在两个分离的机架上，使其适用于系统掉电或通讯模块出现故障的情

13、况，弥补了单机架结构的不足。图1.2 双机架冗余系统Fig. 1.2 Double rack redundant在系统运行中,如果出现下列情况,单机架系统存在着不足：(1)机架断电：由于两个CPU都插在同一个背版上,导致机架断电时,两个CPU也同时断电,都无法正常工作,也都无法对输出模块进行控制(2)通讯模块出现故障：由于一个机架上的两块CPU都必须和本地的CNB模块相连,导致CNB模块出现故障后,两块CPU同时无法与ControlNet相连,也就造成了通讯的彻底瘫痪。所以双机架结构的应用就避免了当上述情况发生时,整个冗余系统的运行不畅此外,应用双机架系统还可以为真正的硬件冗余系统作好铺垫2.

14、I/O配置如果使用双机架，输入模块和输出模块分开放置。这样的放置，减少了在切换过程中梯形图的数量。因为一个控制器一次只能拥有一个输出模块，梯形图将禁止或不禁止它和输出模块的连接。如果把输出模块放置在所有权机架上，在远程机架上可以禁止或不禁止与通讯模块的连接，从而禁止或不禁止整个机架。如果把输入模块和输出模块放置在同一机架上，我们只有进入梯形图来禁止或不禁止在机架上的每个输出模块。3电缆如果一个电力系统包含继电器和被控制控制的输出模块的连接，在切换输出模块控制权的时候将会重置，继电器将会掉电，请求手动重新运行。 （1）电力系统必须保证在发生切换时继电器不会被重置。 （2）在任何情况下，都能够在仅

15、有一台控制器运行的情况下启动系统1.4.4显示单元设计（1）光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图1.3所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图1.4所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 图1.3 光电传感器的原理图 图1.4 遮光叶片 Fig. 1.3 Schematic of photoelectric sensor Fig. 1.4 The shading

16、leaf（2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。（3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。测周电路的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的。（4）显示

17、电路采用静态显示方法，由于静态显示易于制作和调试，原理也较简单，所需元易于购买。（5）电路时钟是整个电路的关键，他是整个电路有效工作的核心，负责电路的锁存和清零。其基本思路是：产生频率一秒是时钟，当秒时钟到来时，既上升沿到来时，对锁存电路进行锁存，锁存以后才能对计数器进行清零，锁存和清零间隔要充分小，否则就影响电路的计数准确度。鉴于此，对锁存集成必须采用边沿触发形式的集成，并且计数器应该与锁存同步工作，既都在秒时钟的上升沿触发工作。另外大多的译码器都带有锁存功能3，但是他的锁存方式基本上都是电平触发，若设计成电平触发的话，势必会增加电路的复杂度，还不如直接采用边沿琐存的单集成，所以不使用译码器

18、中的锁存电路。时钟实现方法很多，本电路采用晶振电路，已求得高精度的时钟需求。1.4.5实现将其中一台 ControlLogix 控制器断电，经过若干脉冲后，另一台控制器在设定的时间内启动，负载电机顺利过渡到副机控制，通过波形分析可知，在这个过渡过程中，电机抖动在合理的范围内。第二章冗余硬件设计2.1 PLC简介“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系

19、统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段： 1.早期的PLC（60年代末70年代中期） 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只

20、是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 2.中期的PLC（70年代中期80年代中，后期） 在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一

21、些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。 这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。 3.近期的PLC（80年代中、后期至今） 进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，

22、为了进一步提高PLC的处 理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。2.2 PLC在冗余系统中PLC冗余可以分为：软件冗余和硬件冗余。硬件冗余对硬件型号有所要求，连接方式也不同，但对软件并无特殊要求。在工业自动化系统中大量选用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器，随着技术的发展又组建冗余系统进一步提高系统的可靠性。目前冗余的分类方式很多，而采用PLC冗余方式的有两种，即软冗余和硬亢余。西门子公司在软、硬冗余两方面均给出了解决方案。而基于硬冗余的可靠性高，但构建系统成本也较高。而基于S7300或S7400的软冗余是一种成本低又能提高可靠性的方案

23、。目前，软冗余系统已经在冶金、交通、电力、化工、污水处理等工业控制工程中得到了较广泛的应用。但是对于软冗余的性能仍没有进行系统的研究。硬冗余系统的冗余结构确保了任何时候的系统可靠性，例如所有的重要部件都是冗余配置。这包括了冗余的CPU、供电模件和用于冗余CPU通信的同步模块。根据特定的自动化控制过程需要，还可以配置冗余客户服务器、冗余通讯介质、冗余接口模件IM153-2等。硬冗余系统能够：（1）平滑的主从切换（2）自动事件同步（3）集成的错误识别和错误定位功能（4）操作期间可对系统进行修改（5）类似标准CPU的在线编程（6）下载程序时，只考虑单个CPU，程序可自动拷贝到另一个CPU中。（7）C

24、PU修复后自动再进入。（8）运行中所有部件可更换。软冗余实现原理： 系统运行过程中两个CPU同时启动和运行，但是在正常运行时只有主CPU发出控制命令，而备用CPU检测主CPU状态和记录主CPU发出的命令，当主CPU发生故障时能够延续当时的实际状态接替主CPU发出执行命令。与主CPU通信的IM1532模块处于激活状态时主CPU能访问I0模块。当系统发生特定故障时，系统可以实现主备切换，备站接替主站继续运行。2.3 硬件冗余硬件冗余（图2.1）图2.1硬件冗余Fig. 2.1 Hardware Redundancy两个互为冗余的控制站配置必须完全相同（图2.1中的主/从机架），冗余功能是依靠双槽冗

25、余模块1757-SRM实现。当主控制器失效时，从控制器在100ms内接替主控制器，主从控制器的同步对用户来说是完全透明的，冗余模块之间通过2根1米长的光缆（62.5/25m多模光纤，SC连接）连接起来。冗余功能的设置（图2.2）：1757-SRM：Auto-Synchronization自动同步设置为Always（保持）ControllerProperties：Redundancy属性设置为Enabled（允许）图2.2中，每一个I/O远程机架配置一组1756-PAR2冗余电源（每组冗余电源由两个1756-PA75R电源模块，两根1756-CPR电缆和一个1756-PSCA适配器构成）。它们分

26、别由两路不同的系统供电，当任一路供电系统故障时，另一路仍保持供电，因此可以确保I/O机架供电不间断。图2.2冗余设置Fig. 2.2 Set Redundancy图2.3冗余通道Fig. 2.3 Redundant channel集成过程控制系统的控制层是ControlNet,它是罗克韦尔自动化NetLinx开放网络架构三层（EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet）网络之一,满足IEC61158国际工业现场总线标准。图1中1756-CNBR是ControlNet通信模块，它有两个冗余的网络通道：A通道和B通道（图2.3），使控制信息实现冗余。传送速率达5Mbps,传送

27、介质是75阻抗的1786-RG6同轴电缆，通过BNC连接器与ControlNet总线相连。注意：A、B通道不能交叉；冗余链路两边的介质必须相同。信息层网络冗余集成过程控制系统的信息层是EtherNet/IP,图2.3中1756-ENBT是EtherNet/IP通信模块，通过工业以太网交换机将信息传送到上层监控管理中心。冗余功能通过光纤环网实现。 服务器冗余采用主/从服务器结构。当主服务器出现故障时，从服务器自动转为主服务器，提供与控制器/RTU的通信、数据采集等功能，并为其他操作站提供服务。主服务器定时将数据库中的所有数据信息传送到从服务器，以确保主从服务器之间的完全同步。2.4 冗余系统的原

28、理及过程可编程控制器一个工作周期内的主要任务有：内务整理、扫描输入映像表、执行程序、更新输出映像表。ControlLogix控制器在冗余系统中，主处理器执行完程序之后，将所有输出指令的结果传送给从控制器。由于ControlLogix系统所有的I/O设备都在控制网内，按照其自有的“生产者/消费者”通讯模式，从处理器作为一个“消费者”可以与主处理器具有一样的地位，获取I/O的输入信息4。这样，确保了主、从控制器内输入、输出映像表的一致。如图2.4所示，在正常情况下，程序执行到位置1时，主处理器将具有较高优先权任务和前一段普通任务的执行结果分先后传送给从处理器，然后程序返回到位置2，继续执行剩下的普

29、通任务。位置3时，所有任务已经完成，主处理器将执行结果传送给从处理器。如果在执行某个任务时，主处理器出现故障，如图2.4所示。这时，从处理器便会接替主处理器，重新执行出现故障时的那段任务。可见，这时从处理器使用的输出映像表数据来自于主处理器上一个工作周期的执行结果。图2.4正常情况下主处理器程序执行过程Fig. 2.4 In normal condition host processor procedure implementation图2.5 主从处理器之间的切换过程Fig. 2.5 Hosts from processor cut process如图2.5可见，在冗余系统的切换过程中，没有

30、出现数据的丢失和突变，处理器内部无需执行繁杂的判断决策程序，实现了系统的无扰切换。当主机架的任一组件发生故障，控制权切换到从控制器。下列原因会引起切换：1.主机架中发生下列情况之一： （1）掉电 （2）控制器产生主要故障 （3）主机架中的任一模块被拔掉、安装或出错 （4）折断或断开ControlNet分接头或以太网电缆2.主控制器发出命令3.RSLinx软件发出命令 根据用户对RSLogix5000工程的组织方法不同，在切换期间，输出状态可能会发生变化： （1）输出优先级任务控制的输出可能会改变状态。热备系统的切换时间由故障类型和ControlNet网络的网络刷新时间（NUT）决定。如果一个N

31、UT为10ms，切换时间大约从80ms到220ms。 （2）在切换期间，优先级最高的任务控制的输出将无扰切换。2.5 基于Controlnet的PLC冗余系统硬件设计 无论单机架还是双机架，都采用RSLogix5000对系统进行编程。软件程序都是大致相同的。 程序的主要思路是：两块CPU 同时在线运行，一块处于主控制模式，另一块处于热备模式。拥有主控制权的CPU 具有输出控制权，而热备CPU 输出被禁止.两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况，一旦发现主CPU出现故障，立即由主CPU自行禁止或由从C P U 通过MASSAGE指令传送特定的数组代码来禁止主CPU的对外控制权（视主CPU

32、的错误类别定），定时一段时间以后，热备CPU模块获得主控制权。两个CPU程序完全相同，只需更正各自程序中对方的处理器名即可。需要注意的是：为保证系统的无扰切换，在控制权转移之前，主控制器对于输入输出状态的改变必须能实时地通知给从控制器。第三章显示单元总体方案设计3.1 系统分析给直流电机加载直流电，电机就会转动。改变电压的正负可以改变电机的转动方向，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转；改变电压的高低可以改变电机的转速，电压高则转动速度快，电压低则转动速度慢。转速是工程上的一个常用参数。转速通常以每秒种或每分钟的转数来表示，因此单位为r/s或r/min。有时也用角速度表示，这时的单位相应为r

33、ad/s。单片机能够处理二进制数字信号，而电机的转速是物理量，非电量信号，需要中间电路把转速转换成单片机可以处理的信号5。传感器是把外界信号转换成电信号的器件，是检测和控制系统中最关键的部分，在当代科学技术中，传感器占据了及其重要的地位。目前，集成技术在传感器技术中的成功应用，使传感器小型化、长寿命和低成本，是现代传感器的发展方向之一。3.1.1电机转速测量脉冲信号的获得1霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非

34、常方便。如图3.1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出6。 使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。图3.1 CS3020外形图Fig. 3.1 CS3020 Outline2光电传感器 光电传感器是应用非

35、常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图3.2所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图3.3所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图3.2光电传感器的原理图Fig . 3.2 Schematic diagram of photoelectric sensor图3.3遮光叶片Fig. 3.3 Leaf Shading3光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、

36、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。如图3.4所示，是某光电编码器的外形。图3.4 成品光电编码器Fig. 3.4 Finished optical encoder3.1.2电机转速的处理 数据处理部分采用Intel公司MCS-51系列单片机单片机7。3.1.3电机转速的显示 显示部分采用4位七段数码管，可以显示09999范围内的数字。3.2 系统构成测速系统总体结构如图3.5所示，主要包括红外测速传感器（由红外发射与接收电路和齿盘组成）、信号

37、处理电路、单片机以及数字显示部分。其工作过程如下：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来8。图 3.5 测速系统总体结构 Fig. 3.5 The velocity structure of the whole system3.3 测速系统原理框图 译码器锁存器计数器整形电路单稳态时钟电路显示电路 图3.6 测速系统原理框图Fig.

38、3.6 Schematic diagram of measurement system第四章显示单元硬件设计系统全部采用Rockwell Automation公司的软硬件，硬件包括两台ControlLogix5550 控制器、控制开关、1305 变频器以及DeviceNet及ControlNet接口适配器。软件有组态软件RSLinx和RSNetworx，以及对ControlLogix5550进行编程的RSLogix5000。在连接好网络之后，使用上述软件对DeviceNet下的设备网设备进行组态，然后进行编程调试，即可完成对系统的实现。系统采用了CPU冗余的实现方案，即由两个CPU同时控制被控

39、对象，两台控制器分别监视对方的工作状态，以便在需要的时候迅速做出切换。系统中的被控对象主要是以三相异步电动机为负载的1305变频调速器。由于程序的不稳定性，CPU运行错误造成故障的可能性要远比由硬件损坏造成故障的可能性要大，因而本例中采用双PLC单总线的结构，两台控制器均为ControlLogix5550，以下简称PLC1和PLC2，在编程时对两台控制器分别写入程序，两台控制器中的程序是完全对称的。参照图4.1，以节点14 的控制开关控制终端的起停，节点06、60 代表两台PLC，节点17 是驱动三相异步电动机的变频调速器AC Driver 1305。图4.1 系统网络节点 Fig. 4.1

40、System network node扫描模块1756-DNB是设备与控制器ControlLogix5550之间的通信接口。它通过网络与DeviceNet的现场设备进行通信，即从设备读入数据、输出数据到设备、下载组态数据和监视设备的运行状态。工作时,1756-DNB以一定的方式依次扫描各个设备，对其参数进行采集，并将采集到的数据映射到扫描器中与扫描方式相对应的数据缓冲区，再转换成ControlLogix5550能接受的数据格式供控制器读取，这样就可以将现场总线中各设备的实时信息反馈到控制器，以便根据程序做出相应的反应。数据经ControlLogix5550处理之后，送到扫描器的与扫描方式相对应

41、的输出数据缓冲区，转换为各设备可以接受的数据格式，输出到各设备，从而对其工作进行控制。由此可见，PLC控制器只需要读入、输出规定格式的数据，专门负责数据处理；而数据的 采 集 、 发 送 、 缓 冲 和 格 式 转 换 由 扫 描 器 完 成 ，ControlLogix5550和1756-DNB并行工作也使得控制器的输出对输入的响应时间缩短，有利于实现实时闭环控制。这样即便是像PID指令这种对实时性要求较高的操作也可以收到良好的效果。4.1 单片机简介单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接

42、口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑(PC机

43、)有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户（单片机学习者与使用者）了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方

44、式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。4.2 电源电路因为单片机工作电源为+5V，且底层电路功耗很小。采用7805三端稳压片即可满足要求9。具体电路图如下：图 4.2 电源电路图 Fig. 4.2 Pow

45、er circuit diagram4.3 转速测量电路红外发光二极管或称电/光二级管SE303（白色），出红外光（近红外线约0.93m ）。管压降约1.4V ，工作电流一般小于20mA，外形尺寸:5mm。红外接收二极管或称光/电二级管（黑色）品牌:金威 型号:PD5308B-B 工作电压:1.4-1.6 波长:940 工作电流:20 接收距离:10-12 外形尺寸:5mm。红外接收二极管工作在反向状态，当没有接收到红外发光二极管的光信号时，二极管截至，负级输出低电平。当接受到红外发光二极管的光信号时，二极管导通，负极输出高电平。能正常接受到红外发光二极管的光信号的距离大概为34米，这取决于发

46、射管的发射功率。实物图片及原理图如下：图 4.3 红外发光二极管实物图Fig. 4.3 Infrared light emitting diode physical map接收红外线红外接收二极管发射红外线红外发光二极管图4.4 工作原理图Fig. 4.4 The principle diagram实际焊接电路如下：图4.5 红外发光二极管焊接电路Fig. 4.5 Infrared light emitting diode welding circuit电路核心由一个光电开关管组成，平时电机转轮静止，发光二极管所发出的光被轮子挡住，所以接收管处于截止状态，1端为高电平。当电机转动一圈，会使接收

47、管导通一次，1端输出一个低电平，1端波形为：图4.6 1端的输出波形图Fig. 4.6 One the end of the output waveform在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在许多杂波成分，需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。波形处理电路有一个三极管组成，如上图。当输入电压逐步升高时，红外接收管收到红外发光二极管发出的光时导通，三极管就不导通，输出高电平；当红外接收管没有接到红外发光二极管发出的光时截止，三极管导通。这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了下级计数的需求。工作波形如下：图4.7 经处理电路后的输出波形图Fig.

48、 4.7 After processed by circuit output waveform4.4 系统硬件设计根据红外测速的原理，系统的电路设计如图4.8所示。图 4.8 红外测速系统总设计图Fig. 4.8 Infrared system design本系统采用AT89C52单片机，它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash程序存储器和256B的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置有8位中央处理器（CPU）。功能强大的AT89C52单片

49、机适用于许多较为复杂的控制应用场合。10电路中选用红外光敏二极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管，红外光敏二极管在电路中处于反向工作状态。没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。随着光照的增强，光敏二极管处于导通状态，其反向电阻减小，反向电流（光电流）增大，其光电流与照度之间呈线性关系。转速显示选用字符型液晶显示模块（LCM）JHD12864，可显示168或1616点阵字符。其主控制驱动电路为HD44780，具有标准的接口特性，适配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作时序；模块内部具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义显

50、示字符。该模块采用+5V电源供电，共有20个引脚，其与单片机的接口,其中可变电阻RW2用来调节显示器的对比度。第五章显示单元的软件设计5.1 C51的基础知识随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器CPU（Central Processing Unit），随机存取内存RAM（Random Access Memory），只读存储器ROM（Read Only Memory），定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机（single chip microcomputer），直译为

51、单片机11。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又称微型处理部件MCU（Micro Controller Unit）,单片机商品名称为微控制器单元。单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。根据单片机能够一次处理的数据的宽度（二进制位数），单片机分为1位机、4位机、8位机、16位机、32位机。目前，应用最广的产品是8位单片机，其中又属Intel公司出品的MCS-51系列单片机应用最广。MCS-51系列单片机已经成为事实上的工业标准，其内部包含如下功能部件：

52、 （1）一个 8位的中央处理器CPU，完成运算和控制功能； （2）一个片内振荡器及时钟电路，外接石英晶体和微调电容需外接，为单片机产生时钟脉冲序列，系统允许的晶振频率033MHz； （3）256B RAM数据存储器，前128单元作内部数据存储器，可擦写的数据，后128单元为专用寄存器。 （4）两个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。 （5）可寻址的64KB外部数据存储器以及控制电路。 （6）可寻址的64KB外部程序存储器以及控制电路。 （7）21个特殊功能寄存器 （8）32条可编程的I/O线(四个8位I/O并行端口) （9）一个可编程全双工串行口，

53、可作全双工异步通信收发器使用,实现单片机和其它设备之的串行资料传送；也可作为同步移位器使用 （10）五个中断源,外中断2个,定时/计数中断2个,串行中断1个；两个优先级，全部中断分为高级和低级共两个优先级。 （11）根据内部程序存储器ROM多少，MCS-51系列主要芯片与差异 8031 片内无ROM； 8051 片内4K掩膜ROM； 8751 片内4K紫外线可擦除可编程程序存储器，EPROM； 89C51 片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASH EEPROM； 89S51 片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASH EEPROM，支持ISP； 89S52 片内8K电可擦除可编程程序存储

54、器，FLASH EEPROM，支持ISP。图 5.1 51系列单片机Fig. 5.1 51 Series single chip microcomputer AT89系列单片机的型号编码由：前缀、型号和后缀三个部分组成。例如：AT 89SXXXX XXXX其中，AT是前缀，89SXXXX是型号，XXXX是后缀。 （1）前缀 由字母“AT”组成，表示该器件是ATMEL公司的产品。 （2）型号 由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。 9表示内部含 Flash存储器， “89CXXXX”中，C表示 CMOS产品。 “89LVXXXX”中，LV表示低压产品。 “89SX

55、XXX”中，S表示含有串行下载 Flash存储器。 （3）后缀 由“XXXX”四个参数组成 后缀中的第一个参数 X用于表示速度 X12，表示速度为12 MHz。 X24，表示速度为24 MHz。 后缀中的第二个参数 X用于表示封装 XJ，表示 PLCC封装，Plastic Leaded Chip Carrier； XP，表示塑料双列直插 DIP封装，Dual Inline Package； 后缀中第三个参数 X用于表示温度范围，它的意义如下： XC，表示商业用产品，温度范围为0十 70。 XI， 表示工业用产品，温度范围为40十 85。 XA， 表示汽车用产品，温度范围为40十 125。 XM， 表示军用产品，温度范围为55十 150。 后缀中第四个参数 X用于说明产品的处理情况，它的意义如下： X为空，表示处理工