電梯（有配重）計算機速度調(diào)節(jié)拖動系統(tǒng)設計

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電梯（有配重）計算機速度調(diào)節(jié)拖動系統(tǒng)設計（1）院 系 工學Ⅰ部專 業(yè) 自動化班 級 B641302學 號 200514185051姓 名 劉 揚指導教師 趙文成負責教師 趙文成沈陽航空航天大學北方科技學院20010 年 6 月沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 2 -摘要本設計采用單片機控制交流電動機拖動電梯系統(tǒng)，實現(xiàn)電梯自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機技術為核心并與其它電子技術相結(jié)合，設計出一種較貼近實際的電機拖動系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)電梯的平滑起動和穩(wěn)態(tài)運行。采用轉(zhuǎn)子串電阻實現(xiàn)電梯的速度調(diào)節(jié)。也可實現(xiàn)越限、過載、過壓和過熱等故障報警，排除故障后解除警報，恢復電梯正常工作。最大限度減少硬件設備，將軟件功能最大化，增強了系統(tǒng)安全性、可靠性。關鍵詞：位能負載，平滑起動，交流電動機速度調(diào)節(jié)，故障報警。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 3 -abstractThis design USES the single-chip microcomputer control ac motor drive system, and realization of elevator lift the automatic control system.The system takes microcontroller technology as the core and combining with other electronic technology, design a kind of relatively close to the actual motor drive system. To realize the smooth start-up and steady-state operation. Using the rotor resistance of realization of elevator's speed adjustment. Also can realize the limit, overload, over-voltage and overheating fault alarm etc, trouble-shooting, restore elevator lift alert after work. Minimize hardware, software function, strengthen the maximization of system safety and reliability .Key words: Can load, smooth start-up, ac motor speed adjustment, fault alarm.沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 4 -第一章 緒論 .51.1 選題背景 .51.2 我國電梯的發(fā)展 .51.3 課題任務分析 .6第二章 方案論證 102.1 電機的選擇與論證 102.2 交流電動機調(diào)速模塊 102.2.1 降壓調(diào)速 102.2.2：轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻調(diào)速 122.2.3：鼠籠式三相異步電動機變極對數(shù)調(diào)速 152.24：電磁調(diào)速 .152.2.5：串級調(diào)速 162.3 各模塊簡要說明及主要器件 182.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換硬件分析 182.3.2 AT89S51 單片機介紹 212.3.3 單片機時鐘電路和復位電路的設計 242.3.4 異步電動機 25第三章 軟件設計 323.1 系統(tǒng)示意圖及流程圖 323.2 課題擴展 33第四章 社會效益及經(jīng)濟效益 48第五章 結(jié)論 49第六章 致 謝 49參考文獻 .50附錄 Ⅰ系統(tǒng)程序 52沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 5 -第一章緒論1.1 選題背景隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，住房和辦公用樓都已經(jīng)逐漸向高層發(fā)展。電梯是高層賓館、商店、住宅、多層倉庫等高層建筑不可缺少的垂直方向的交通運輸工具。1889 年美國奧梯斯升降機公司推出的世界上第一部以電動機為動力的升降機，同年在紐約市馬累特大廈安裝成功。隨著建筑物規(guī)模越來越大，樓層也越來越高，對電梯的調(diào)速精度、調(diào)速范圍等靜態(tài)和動態(tài)特性都提出了更高的要求。由于傳統(tǒng)的電梯運行邏輯控制系統(tǒng)采用的是繼電器邏輯控制線路。采用這種控制線路,存在易出故障、維護不便、運行壽命較短、占用空間大等缺點。從技術發(fā)展來看,這種系統(tǒng)將逐漸被淘汰。目前，由可編程控制器（PLC）或微型計算機組成的電梯運行邏輯控制系統(tǒng)，正以很快的速度發(fā)展著。可編程控制器，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機，它有良好的抗干擾性能，適應很多工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，所以現(xiàn)在的電梯控制系統(tǒng)主要還是由可編程控制器控制。但是由于 PLC 的針對性較強，每一臺 PLC 都是根據(jù)一個設備而設計的，所以價格較昂貴。而單片機價格相當便宜，如果在抗干擾功能上有所提高的話完全可以代替 PLC 實現(xiàn)對工控設備的控制。當然單片機并不象 PLC 那么有針對性，所以由單片機設計的控制系統(tǒng)可以隨著設備的更新而不斷修改完善，更完美的實現(xiàn)設備的升級。電梯控制系統(tǒng)是比較復雜的一個大型系統(tǒng)，在計算機誕生的幾十年里，繼電器控制系統(tǒng)為電梯控制的發(fā)展做了巨大的貢獻，但在性能上和 PLC 還是有本質(zhì)上的差距。在科技的不斷發(fā)展下，我想單片機控制系統(tǒng)很快可以解決抗擾性，成為方便有效的電梯控制系統(tǒng)。1.2 我國電梯的發(fā)展追溯電梯這種提升設備的歷史，早在公元前 1100 年左右的周朝我國就有利用人力作動力的簡單提升設備，直到現(xiàn)在我國北方部分農(nóng)村仍用于手搖轆轤沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 6 -提取井水的升降提水裝置，所以說，我國是世界上最早出現(xiàn)這種提升設備—電梯雛形的國家之一。我國電梯事業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。1952-1954 年先后在上海、天津、沈陽建立了三家電梯廠，并先后成立有關科研單位，獨立自主制造各類電梯產(chǎn)品，如交流貨梯、客梯，直流快速、高速客梯等。用我們自己生產(chǎn)的電梯產(chǎn)品裝備了人民大會堂、北京飯店等政府機關和國家賓館。60 年代開始批量生產(chǎn)自動扶梯和自動人行道，用我們自己生產(chǎn)的自動扶梯裝備了北京地鐵站，用我們自己生產(chǎn)的自動人行道裝備了北京首都機場。隨著我國對外開放、對內(nèi)搞活經(jīng)濟的政策深入貫徹執(zhí)行，吸取和引進了國外先進的電梯技術、先進的電梯制造工藝與設備、先進的科學管理，使我國電梯工業(yè)又取得巨大發(fā)展。產(chǎn)品連續(xù)多年連續(xù)增長，產(chǎn)品質(zhì)量和整機性能明顯提高。為了進一步推動和發(fā)展電梯工業(yè)，在上海、北京、天津、廣州等地先后建立中外合資電梯制造公司，使電梯的制造和驅(qū)動技術達到了國際先進水平，先后向市場推出了一批能耗小、效率高、速度快、平層和舒適感好的交流調(diào)速電梯、直流高速電梯（包括機群控制電梯） 。為了進一步提高和控制產(chǎn)品質(zhì)量，近年頒布一批具有國際水平的電梯制造等級標準，使個制造廠家用新標準去更新、設計電梯產(chǎn)品，加強管理，促進電梯工業(yè)新發(fā)展。1.3 課題任務分析圖 1.1 電梯示意圖吊廂配重拖拽電機計算機系 統(tǒng)A B CnCnKNfEUd????24.12硬件系統(tǒng)沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 7 -課題要求實現(xiàn)四級調(diào)速，以 穩(wěn)定速度提升吊廂，以速度 穩(wěn)速下放吊廂1n2n過載停車、越限停車?；驹O計思路：采用交流電動轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的四級調(diào)速（如圖1.2） ，用測速發(fā)電機（如圖 1.3）實現(xiàn)穩(wěn)速提升和下放，采集吊廂的質(zhì)量并進行計算，實現(xiàn)過載停車，建立限位開關實現(xiàn)越限停車。圖 1.2 轉(zhuǎn)子串電阻電路圖~1?R2?R4?R1?3?1M3~沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 8 -交流測速發(fā)電機又可分為兩大類，一類為異步測速發(fā)電機，一類為同步測速發(fā)電機 因前者使用較廣泛。交流異步測速發(fā)電機的一般用途及特點:交流異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)完全相同．其轉(zhuǎn)子可以做成非磁杯形，也可以做成鼠籠形，鼠籠形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機輸出斜率大，但特性差，誤差大，轉(zhuǎn)子慣量大，一般僅用于精度要求不高的系統(tǒng)中。非磁杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的精度要高得多，轉(zhuǎn)子慣量也小．是目前應用最廣泛的一種交流測速發(fā)電機，交流測速發(fā)電機主要用于交流伺服系統(tǒng)和解算裝置中。選用時應根據(jù)系統(tǒng)的頻率、電壓、工作轉(zhuǎn)速的范周和具體用途選擇交流測速發(fā)電機的規(guī)格。用作解算元件時，應著重考慮精度要高，輸出電壓穩(wěn)定性要好。用作一般轉(zhuǎn)速檢測或作阻尼元件時，應著重考慮輸出斜率要大，而不宜既要精度高，又要輸出斜率大。與直流測速發(fā)電機相比，交流異步測速發(fā)電機的主要優(yōu)點是，①不需電刷和換向器，構(gòu)造簡單，維護容易，運行可靠。②無滑動接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高。③摩擦阻力矩小，慣量小 不④產(chǎn)生干擾無線電的火花 。⑤ 正、反轉(zhuǎn)輸出電壓對稱 其缺點是，存在相位誤差和剩余電壓，輸出斜率小，其輸出特性因負載的性質(zhì)不同而有所不同。交流異步測速發(fā)電機工作原理交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機。空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機定子上有兩個在空間上互差 90°電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組?？招谋D(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機原理：當定子勵磁繞組外接頻率為 f 的恒壓交流電源 u，勵磁繞組中有電流 i 流過，在直軸（即軸）上產(chǎn)生以頻率 f 脈振的磁通。在轉(zhuǎn)子不動時，脈振磁通在空心杯轉(zhuǎn)子中感應出變壓器電勢（空心杯轉(zhuǎn)子可以看成有無數(shù)根導條的籠式轉(zhuǎn)子，相當于變壓器短路時的二次繞組，而勵磁繞組相當于變壓器的一次繞組），產(chǎn)生的磁場與勵磁電源同頻率的脈振磁場，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子切割直軸磁通，在杯型轉(zhuǎn)子中感應產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，其大小沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 9 -正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并以勵磁磁場的脈振頻率交變，又因空心杯轉(zhuǎn)子相當于短路繞組，故旋轉(zhuǎn)電勢在杯型轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生交流短路電流，若忽視杯型轉(zhuǎn)子的漏抗的影響，那么此短路電流所產(chǎn)生的脈振磁通在空間位置上與輸出繞組的軸線一致，因此轉(zhuǎn)子脈振磁場與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應電勢。輸出繞組感應產(chǎn)生的電勢實際就是交流異步測速發(fā)電機輸出的空載電壓，其大小正比于轉(zhuǎn)速，其頻率為勵磁電源的頻率。交流異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動機完全一樣。其工作原理如圖1.3所示。圖 1.3 交流異步測速發(fā)電機的工作原理氣隙脈振磁密： xtBtxdmd ??πcos),(?tEtCne rqdrq ??2cos沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 10 -旋轉(zhuǎn)電動勢：第二章方案論證2.1 電機的選擇與論證電力拖動系統(tǒng)是電梯的動力來源，它驅(qū)動電梯部件完成相應的運動。在電梯中主要有如下兩個運動：轎廂的升降運動，轎門及廳門的開關運動。轎廂的運動由曳引電動機產(chǎn)生動力，經(jīng)曳引傳動系統(tǒng)進行減速、改變運動形式（將旋轉(zhuǎn)運動改變?yōu)橹本€運動）來實現(xiàn)驅(qū)動，其功率在幾千瓦到幾十千瓦，是電梯的主驅(qū)動方案一：采用直流電動機。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)。方案二：采用交流電動機。其顯著特點是具有快速的起停能力，若夠負載不超過交流電動機所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使電機起動后反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)換精度高、正反轉(zhuǎn)控制靈活。直流電動機與交流電動機都可以提供動力，在大容量、高轉(zhuǎn)速、高電壓以及環(huán)境惡劣的場合，直流電動機調(diào)速達不到要求，本設計中轉(zhuǎn)換速度和起停要迅速，所以采用交流電動機更為合適。2.2 交流電動機調(diào)速模塊2.2.1 降壓調(diào)速根據(jù)三相異步電動機降低電源電壓人為機械特性（如圖2.1，2.2），其同步轉(zhuǎn)速 不變， 不變，電磁恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速范圍很窄。1nmsnCKNfEUd?????24.212沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 11 -圖 2.1 圖 2.2若拖動泵類，調(diào)速效果較好，但在低速運行時電流過大和功率因數(shù)低。如果求拖動恒轉(zhuǎn)矩負載并且有較好的調(diào)速效果，則應選擇高轉(zhuǎn)差率電動機。采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)（如圖 2.3） ，提高調(diào)壓調(diào)速機械特性（如圖 2.4）的硬度。圖 2.3 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 12 -圖 2.4 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)電動機的機械特性降低后電動機電流將大于額定值，電動機如長時連續(xù)運行，最終溫升將超過允許值，導致電動機壽命縮短，甚至燒壞。2.2.2：轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻調(diào)速 根據(jù)轉(zhuǎn)子回路串電阻人為機械特性，拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，所串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。T∝ФmＩ2 cos?2當電源電壓一定時，Фm 基本不變，轉(zhuǎn)子電流維持在額定值。在額定電壓時，磁通定值，調(diào)速時 定 值?????????????????21Ω22N22 XsREXsREI 1Ω2NsR??? 定 值????????????????? N22N221Ω212 cos//cos ??XsRs沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 13 -轉(zhuǎn)子損耗功率為：輸出功率為 ：調(diào)速時轉(zhuǎn)子電路的效率為:圖 2.5 轉(zhuǎn)速逐級提升的機械特性在空廂下放時也屬電動狀態(tài)。此時不但有空廂重量產(chǎn)生的位能力矩，而且有摩擦力產(chǎn)生的阻力矩，而阻力矩又比位能力矩大 ， 將二者疊加即為電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩。??????RIsPT223??1定 值??N2NcosICTJ????sPsPTT?????1Δ2?沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 14 -圖 2.6 反接制動狀態(tài)下空廂提升與下放時的負載轉(zhuǎn)矩特性圖 2.7 回饋制動狀態(tài)提升和下放空廂時的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 15 -2.2.3：鼠籠式三相異步電動機變極對數(shù)調(diào)速根據(jù)異步電動機同步轉(zhuǎn)速 與電機極對數(shù)成反比，改變定子繞組的極對1n數(shù)（如圖 2.8） ，就可以改變同步轉(zhuǎn)速 ，實現(xiàn)變極調(diào)速。圖 2.8 鼠籠式三相異步電動機2.24：電磁調(diào)速電磁轉(zhuǎn)差離合器（如圖 2.9）與異步電動機裝成一體，稱為滑差電機或電磁調(diào)速電動機。圖 2.9 電磁轉(zhuǎn)差離合器沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 16 -電磁離合器主要由電樞與磁極（如圖 2.10）兩個旋轉(zhuǎn)部分組成。電樞隨異步電動機轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)。 圖 2.10 電樞與磁電磁轉(zhuǎn)差離合器理想空載的轉(zhuǎn)速為異步電動機轉(zhuǎn)速 n 而不是同步轉(zhuǎn)速 。1n改變 就可以調(diào)節(jié)負載的轉(zhuǎn)速。fI電磁轉(zhuǎn)差離合器控制方便，可實現(xiàn)平滑調(diào)速，其機械特性（如圖 2.11）較軟轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，調(diào)速范圍小。低速時，效率較低。圖 2.11 電磁轉(zhuǎn)差離合器機械特性2.2.5：串級調(diào)速根據(jù)雙饋調(diào)速（如圖 2.12）要求加在轉(zhuǎn)子繞組的電壓頻率與轉(zhuǎn)子繞組感應電動勢同頻率。把異步電動機轉(zhuǎn)子感應電動勢變?yōu)橹绷麟妱觿?，同時把轉(zhuǎn)子外加電壓也變?yōu)橹绷髁浚瑢崿F(xiàn)串級調(diào)速。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 17 -圖 2.12 異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)整流橋把異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差電動勢、電流變成直流，逆變器的作用是給電動機轉(zhuǎn)子回路提供直流電動勢，同時給轉(zhuǎn)子電流提供通路并把轉(zhuǎn)差功率大部分送回交流電源。s異步電動機轉(zhuǎn)子電動勢為： 22sEs?211ksd逆變器直流電動勢為： ??cos2Uk?直流回路直流電流為： REIdd?IEdd???R 是直流回路等效電阻。因 R 較小，可忽略不計?？傻茫??? cos221UkskEd?當整流器、逆變器都為三相橋式電路時， ，21k?得轉(zhuǎn)差率： ?cos2EUs?沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 18 -從上式可知，改變逆變角?的大小，就能改變電動機的轉(zhuǎn)差率 s.這種調(diào)速方法合適于高壓、大容量繞線式異步電動機、拖動風機、泵類負載等要求調(diào)速不高的場合。圖 2.13 串級調(diào)速功率流程圖電梯的電力拖動系統(tǒng)對電梯的起動加速、穩(wěn)速運行、制動減速起著控制作用。拖動系統(tǒng)的優(yōu)勢直接影響電梯的起動，制動加減速度，平層精度，乘坐的舒適性等指標。將以上五種方案進行比較后，采用轉(zhuǎn)子串電阻速度調(diào)節(jié)方案。2.3 各模塊簡要說明及主要器件2.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換硬件分析ADC0809 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的 8 位 ADC，采用逐次逼近的方法完成 A/D 轉(zhuǎn)換。ADC0809 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5.1.2-1 所示。ADC0809 由單一+5V 電源供電，片內(nèi)有帶鎖存功能的 8 路模擬多路開關，可對 8 路 0-5V 的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)化，完成一次轉(zhuǎn)換約需 100μs；輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機數(shù)據(jù)總線上。通過適當?shù)耐饨与娐?，ADC0809 可對 0-5V 的雙極性模擬信號進行轉(zhuǎn)換。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 19 -ADC0809 是 28 腳雙列直插式封裝，引腳如圖 2.14 所示。各引腳功能如下：圖 2.14-1ADC0809 引腳圖IN7～IN0——模擬量輸入通道ALE——地址鎖存允許信號。對應 ALE 上跳沿，A、B、C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START——轉(zhuǎn)換啟動信號。START 上升沿時，復位 ADC0809；START 下降沿時啟動芯片，開始進行 A/D 轉(zhuǎn)換；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間，START 應保持低電平。本信號有時簡寫為 ST.A、B、C——地址線。 通道端口選擇線，A 為低地址，C 為高地址，引腳圖中為 ADDA，ADDB 和 ADDC。CLK——時鐘信號。ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。D0 為最低位，D7 為最高 OE——輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc—— +5V 電源。 沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 20 -Vref——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖 2.15 所示：圖 2.15 ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖中多路開關可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用一個A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3 個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 21 -圖 2.16 ADC0809 硬件接線2.3.2 AT89S51 單片機介紹AT89S51是具有8051內(nèi)核的，由美國ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機。它采用低功耗的CMOS設計，具有良好的使用性能，并且與國際工業(yè)標準的MCS一51指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。AT89S51引腳結(jié)構(gòu)如圖2.17所示。各引腳功能說明如下：沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 22 -圖 2.17 AT89S51 單片機引腳圖I/O端口：89S51共有四個I/O端口，為P0、P1、P2、P3，4個I/O口都是雙向的，且每個口都具有鎖存器。每個口有8條線，共計32個I/0口。各端口的功能敘述如下：1．P0口有三個功能：1)外部擴充存儲器時，當作數(shù)據(jù)總線(D0～D7)。2)外部擴充存儲器時，當作地址總線(A0～A7)。3)不擴充時，可做一般I／O口使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入輸出時應在外部接上拉電阻。2．P1口：只做I／O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。3．P2口有兩個功能：1)外部擴充存儲器時，當作地址總線(A8～A15)使用。2)做一般I／O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。4．P3口有兩種功能：除了作為I／O口使用外，還有一些特殊功能，如表3．1所示，由特殊寄存器來設置。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 23 -表 1 P3 口引腳的特殊功能端口引腳 特殊功能P3.0 RXD 串行輸入口P3.1 TXD 串行輸出口P3.2 ／INT0 外部中斷 0P3.3 ／INT1 外部中斷 1P3.4 T0 定時器 O 的外部輸入腳P3.5 T1 定時器 1 的外部輸入腳P3.6 ／WR 外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入控制信號P3.7 ／RD 外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取控制信號5．VDD：電源，接+5V。VSS：接地。6．RST：此腳為高電平時(約兩個機器周期)，可將CPU復位。7．ALE／PROG地址鎖存使能信號端，有三種功能：1)89S51外接RAM／ROM：ALE接地址鎖存器，當CPIJ對外部數(shù)據(jù)進行存取時，用以鎖住地址的低位地址。2)89S51未外接RAM／ROM：在系統(tǒng)中未使用外部存儲器時，ALE腳也會有1／6石英晶體的振蕩頻率，可作為外部時鐘。3)在燒寫EPR．OM時：ALE作為燒寫時鐘的輸入端。8．PSEN：程序儲存使能端1)內(nèi)部程序存儲器讀?。翰粍幼?。2)外部程序存儲器讀取(ROM)：在每個機器周期會動作兩次。3)外部程序存儲器讀取(RAM)：兩個／PSEN脈沖被跳過不會輸出。4)外接ROM時，與ROM的／OE腳連接。9．EA／VPP1)接高電平時：·CPU讀取內(nèi)部程序存儲器(ROM)沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 24 -·外部擴充ROM：當讀取內(nèi)部程序存儲器超過0FFFH時，自動讀取外部ROM。2)接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器(ROM)。10．XTALl，XTAL2：接石英晶體振蕩器。2.3.3 單片機時鐘電路和復位電路的設計1．單片機時鐘電路的設計單片機是程序控制式計算機，它的運行過程就是在控制器的控制下逐條執(zhí)行指令的過程，從程序存儲器中讀取指令送指令存儲器，然后指令譯碼器進行譯碼，產(chǎn)生一系列符合定時要求的微操作信號，用以控制單片機各部分的工作。時鐘是產(chǎn)生定時動作的基礎，時鐘頻率直接影響單片機的速度，其質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。這里，采用內(nèi)部方式產(chǎn)生時鐘。該方式利用片內(nèi)振蕩電路，在XTAL1和XTAL2引腳上外接石英晶體振蕩器做定時元件。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，當外接晶振后就能夠組成自激振蕩器，并產(chǎn)生時鐘信號。本設計采用11．0592MHz晶振頻率，電容C1，C2選擇30Pf，單片機時鐘電路如圖2.18所示。圖 2.18 單片機內(nèi)部時鐘電路沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 25 -2．單片機復位電路的設計通過某種方式，使單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復位。復位的作用是單片機在工作中遇到問題和故障時，可以使單片機從故障中跳出并重新工作。如果無復位電路，單片機工作的初始狀態(tài)就處于未知狀態(tài)，在程序執(zhí)行時就會造成邏輯混亂，從而導致硬件電路運行錯誤，所以單片機復位電路是必不可少的。它的主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了使系統(tǒng)初始化之外，當程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需要按復位鍵重新啟動。復位電路一般可以分為上電自動復位和按鈕復位兩種。上電自動復位是通過對外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，而按鈕復位則是通過手動來實現(xiàn)的。復位電路的作用是使單片機片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行。89S51單片機第9腳RST端為復位端。當該引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。在復位電路中，電阻R選10K，電容C選47uF，如圖2.19所示。圖 2.19 單片機按鈕復位電路2.3.4 異步電動機電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)的特點是電動機轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)的方向相同。電動狀態(tài)下異步電動機的機械特性如圖2.20所示。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 26 -圖 2.20 電動狀態(tài)下異步電動機的機械特性制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)：異步電動機可工作于回饋制動，反接制動及能耗制動三種制動狀態(tài)。其共同特點是電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，以實現(xiàn)制動。此時，電動機由軸上吸收機械能，并轉(zhuǎn)換為電能。回饋制動狀態(tài) ：當異步電動機由于某種原因（例如位能負載的作用 ），使其轉(zhuǎn)速高于同步速度 時，轉(zhuǎn)子感應電動勢反向，轉(zhuǎn)子電流的有功分量也改變了方向，其無功分量的方向則不變。此時異步電動機既回饋電能，又在軸上產(chǎn)生機械制動轉(zhuǎn)矩，即在制動狀態(tài)下工作。位能負載帶動異步電動機進入回饋制動狀態(tài)如圖2.21所示。異步電動機回饋制動時的機械特性如圖2.22所示。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 27 -圖 2.21 位能負載帶動異步電動機進入回饋制動狀態(tài)轉(zhuǎn)子電流的有功分量為： 轉(zhuǎn)子電流的無功分量為： ??0/0???ns當 時0n?22'2' cos?IIa??????2''2''22222 /// XsREXsRXsREIa ?????????? 222sin?IIr?????????2'2' ''22222 /// XsREXsRXsREIa ??????????異步電動機軸上輸出的機械功率也為負22co??ICTmJ?也為負，與轉(zhuǎn)速方向相反 ?TP?2沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 28 -圖 2.22 異步電動機回饋制動時的機械特性如果異步機定子脫離電網(wǎng)，又希望它能發(fā)電，則必須在異步機定子三相之間接上連接成三角形或者星形的三組電容器。這時電容器組可供給異步電動機發(fā)電所需要的無功功率，即供給建立磁場所需要的勵磁電流。電容器接成三角形時如圖2.23所示：圖 2.23 電容器接成三角形N160π23UfIC?? N103.II?沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 29 -電容器接成星形時 ：反接制動狀態(tài) ：轉(zhuǎn)速反向的反接制動 圖 2.24 轉(zhuǎn)速反向的反接制動時的異步電動機特性N160π23UfIC???沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設計（論文）- 30 -圖 2.25 異步電動機轉(zhuǎn)速反向反接制動電路圖此時的轉(zhuǎn)差率： 轉(zhuǎn)子由定子輸入的電功率即為電磁功率： 為正轉(zhuǎn)子軸上機械功率 為負轉(zhuǎn)子電路的損耗 為兩者之和，因此能量損耗極大。定子兩相反接的反接制動，如圖2.26所示 ：為了迅速停車或反向，可將定子兩相反接，工作點由A 轉(zhuǎn)移到B此時轉(zhuǎn)差率為 在兩相反接時 ，電動機的轉(zhuǎn)矩為－T，與負載轉(zhuǎn)矩共同作用下，電動機轉(zhuǎn)速很快下降，這相當于圖中機械特性（如圖2.26）的 BC段。在轉(zhuǎn)速為零的C點，如不切斷電源，電動機即反向加速，進入反向的電動狀態(tài)（對應于特性CD段） ，加速到D點時，電動機將穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了電動機的逆轉(zhuǎn)過程。1)(00?????nns sRIPfT??23?)1(2sPT??22PT??? 100????nnso