工業(yè)電磁制動(dòng)器控制方法的研究

1、<p>　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)</p><p>　　學(xué)院：里仁學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電力工程系</p><p>　學(xué)號(hào)091203031133學(xué)生姓名朱波專(zhuān) 業(yè)班 級(jí)09電力1班<

2、/p><p>　題目題目名稱(chēng)工業(yè)電磁制動(dòng)器控制方法的研究</p><p>　題目性質(zhì)1.理工類(lèi)：工程設(shè)計(jì) （ √ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.文管類(lèi)（ ）；3.外語(yǔ)類(lèi)（ ）；4.藝術(shù)類(lèi)（ ）。</p><p>　題目類(lèi)型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ √ ） 2.論文（

3、 ）</p><p>　題目來(lái)源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ √ ） </p><p>　主要內(nèi)容了解電磁制動(dòng)器的相關(guān)應(yīng)用背景及意義； 學(xué)習(xí)掌握電磁制動(dòng)器控制系統(tǒng)的工作原理；在工程實(shí)際基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)電磁制動(dòng)器控制系統(tǒng)；通過(guò)Multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證可行性。</p><p>　基本要求學(xué)習(xí)掌握電磁制動(dòng)器控制系統(tǒng)的

4、工作原理；學(xué)習(xí)利用Multisim進(jìn)行仿真分析；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，不少于2萬(wàn)字，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)規(guī)范；遵守畢業(yè)設(shè)計(jì)紀(jì)律，按時(shí)參加答疑，獨(dú)立完成，培養(yǎng)基本工程實(shí)際能力。</p><p>　參考資料參考《電磁制動(dòng)器的數(shù)字控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)》等電磁制動(dòng)器方面的文獻(xiàn)；《電力電子技術(shù)》；《電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）》；《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》等。</p><p>　周 次1—4周5—8周9—12周1

5、3—16周17—18周</p><p>　應(yīng)完成的內(nèi)容相關(guān)文獻(xiàn)及基礎(chǔ)書(shū)籍的查閱，了解課題的意義和研究現(xiàn)狀；學(xué)習(xí)掌握電磁制動(dòng)器的控制原理及相關(guān)電路；研究設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，利用Multisim仿真分析；對(duì)所搭建的的仿真模型進(jìn)行調(diào)試和結(jié)果分析；整理論文思路和仿真結(jié)果，總結(jié)結(jié)論并撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯。</p><p>　指導(dǎo)教師：盧志剛職稱(chēng)：教授 2012年12月25日系級(jí)教學(xué)單位審批：20

6、13年1月10日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　工業(yè)電磁制動(dòng)器是一種將主動(dòng)側(cè)扭力傳達(dá)給被動(dòng)側(cè)的連接器，可以據(jù)需要自由的結(jié)合，切離或制動(dòng)，因使用電磁力來(lái)啟動(dòng)，稱(chēng)之電磁制動(dòng)器。工業(yè)電磁制動(dòng)器的工作特點(diǎn)是在啟動(dòng)時(shí)需要高電壓或大電流，而啟動(dòng)后只需要低電壓或小電流來(lái)維持。目前工業(yè)電磁制動(dòng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于港口翻車(chē)機(jī)、起重機(jī)、礦山機(jī)械等工業(yè)場(chǎng)所，

7、因此對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器控制方法的研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52單片機(jī)的工業(yè)電磁制動(dòng)器的控制方法，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)電磁制動(dòng)器的數(shù)字化控制。文中詳細(xì)地介紹了工業(yè)電磁制動(dòng)器的控制原理，設(shè)計(jì)了電磁制動(dòng)器控制器的電源電路、過(guò)零檢測(cè)電路和晶閘管觸發(fā)電路，重點(diǎn)進(jìn)行了單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)與程序的編寫(xiě)。采用MOC3041光耦隔離器作為晶閘管的觸發(fā)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的控制；采用MAX813L

8、和Atmega8作為單片機(jī)監(jiān)控器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，監(jiān)控器件立即作出報(bào)警，并對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作；采用DS18B20作為溫度監(jiān)測(cè)器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管的溫度監(jiān)測(cè)，防止晶閘管因溫度過(guò)高而燒毀；采用2.4G無(wú)線模塊24L01對(duì)控制系統(tǒng)的信息進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控；采用LCM12864作為人機(jī)交互界面的顯示部分，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，界面清晰直觀，方便用戶操作。</p>

9、<p>　　關(guān)鍵詞 單片機(jī)；晶閘管；工業(yè)電磁制動(dòng)器；無(wú)線通信</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The electromagnetic brake is a torque transmitted to the driving side of the driven side connector that can b

10、e combined according to the free, cut off or braking, the use of electromagnetic force to start, known electromagnetic clutches, brakes, one kinds of modern industry ideal implementation of automation components, mainly

11、from the mechanical transmission system to transmit power and control campaigns and so on. Compact structure, simple operation, sensitive response, long life, reliable, ea</p><p>　　This paper describes an ap

12、proach based on MCU AT89S52 can be achieved on thyristor digital control, so as to achieve the industrial electromagnetic brake digital control. Detailed description of the industrial electromagnetic brake control theory

13、, signal section describes the power supply circuit design, zero-crossing detection circuit design, thyristor trigger circuit design and highlights the MCU control circuit design and preparation procedures. Using MOC3041

14、 opto isolator as triggering the t</p><p>　　Keywords Microcontroller; thyristors; industrial electromagnetic brakes; wireless communication</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

15、<b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1 課題背景及意義1</p><p>　　1.2 目前的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本論文的主要內(nèi)容4</p><p

16、>　　第2章 系統(tǒng)方案的選擇與論證5</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)要求5</p><p>　　2.2 工業(yè)電磁制動(dòng)器控制方案的選擇5</p><p>　　2.3 晶閘管型號(hào)的選擇6</p><p>　　2.4 晶閘管觸發(fā)方案的選擇6</p><p>　　2.5 電力公害的產(chǎn)生原因及其抑制方法8&l

17、t;/p><p>　　2.5.1 電力公害的產(chǎn)生原因及其分類(lèi)8</p><p>　　2.5.2 諧波的產(chǎn)生機(jī)理8</p><p>　　2.5.3 諧波的抑制對(duì)策9</p><p>　　2.6 本章小結(jié)10</p><p>　　第3章 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 處理器電

18、路的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.2 電源電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.3 過(guò)零檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.4 光耦合器觸發(fā)晶閘管電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.5 系統(tǒng)監(jiān)控電路及其信號(hào)部分的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.5.1 監(jiān)控及其信號(hào)部分微處理器電路的設(shè)計(jì)1

19、4</p><p>　　3.5.2 單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.5.3 晶閘管溫度監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.5.4 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.5.5 無(wú)線通信模塊的電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.5.6 單片機(jī)與PC機(jī)通信電路21<

20、/p><p>　　3.6 本章小結(jié)22</p><p>　　第4章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1 程序語(yǔ)言的選擇23</p><p>　　4.2 單片機(jī)編譯環(huán)境的介紹23</p><p>　　4.3 程序的設(shè)計(jì)思路25</p><p>　　4.4主函數(shù)程序26<

21、/p><p>　　4.5 本章小結(jié)27</p><p>　　第5章 電磁制動(dòng)器控制電路軟件仿真28</p><p>　　5.1 Multisim軟件簡(jiǎn)介28</p><p>　　5.2 Multisim軟件仿真界面29</p><p>　　5.3 Multisim軟件對(duì)電路的仿真圖30</p>&l

22、t;p>　　5.4 本章小結(jié)32</p><p>　　第6章 硬件電路的制作與調(diào)試33</p><p>　　6.1 Altium Designer軟件簡(jiǎn)介33</p><p>　　6.2 Altium Designer軟件界面34</p><p>　　6.3 系統(tǒng)主控部分原理框圖35</p><p>　

23、　6.4 系統(tǒng)主控部分PCB35</p><p>　　6.5 系統(tǒng)信號(hào)部分原理框圖35</p><p>　　6.6 系統(tǒng)信號(hào)部分PCB36</p><p>　　6.7 系統(tǒng)運(yùn)行效果圖37</p><p>　　6.7 本章小結(jié)38</p><p><b>　　結(jié) 論39</b><

24、/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　致 謝42</b></p><p><b>　　附錄43</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1 課題

25、背景及意義</p><p>　　工業(yè)電磁制動(dòng)器是一種將主動(dòng)側(cè)扭力傳達(dá)給被動(dòng)側(cè)的連接器，可以跟據(jù)需要自由結(jié)合，切離或制動(dòng)，因使用電磁力來(lái)啟動(dòng)，稱(chēng)之電磁離合器，制動(dòng)器，是現(xiàn)代工業(yè)中一種理想的自動(dòng)化執(zhí)行元件，在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中主要起傳遞動(dòng)力和控制運(yùn)動(dòng)的作用[1-4]。具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)靈敏，壽命長(zhǎng)久，使用可靠，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制等優(yōu)點(diǎn)。能夠適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程的平穩(wěn)性、安全性、可靠性等方面提出的

26、要求，廣泛應(yīng)用于定位及要求急停的場(chǎng)合。</p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，火電廠、冶煉廠、水泥廠、港口、礦山的建設(shè)如火如荼，其所需的散狀物料如煤炭、焦炭、礦砂的用量大幅增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)輸與其它各種現(xiàn)在運(yùn)輸方式相比較，具有運(yùn)輸能力大、速度快、單位能源消耗少、受氣候的影響小、安全上可靠以及環(huán)境污染程度小等優(yōu)點(diǎn)，因此這些散裝物料主要由鐵路運(yùn)輸承擔(dān)。尤其是煤炭的運(yùn)輸，我國(guó)煤炭資源豐富，儲(chǔ)量居世界之首，主要分布在華北

27、和東北地區(qū)，每年都有上億噸的煤需要進(jìn)行“北煤南運(yùn)”。而隨著科技的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，運(yùn)輸散裝物料的火車(chē)的卸載不再是過(guò)去人工一鍬一鍬地將散裝物料從車(chē)廂里卸下，而是由專(zhuān)用的翻車(chē)機(jī)對(duì)車(chē)廂里的散裝物料進(jìn)行翻卸，因而對(duì)翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來(lái)越高。</p><p>　　翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)是一種非常專(zhuān)業(yè)化的散狀物料卸料系統(tǒng)，是一種翻卸敞車(chē)效率最高的專(zhuān)用卸車(chē)機(jī)械，用于火車(chē)裝載的散狀物料的翻卸。翻車(chē)機(jī)一般分定位車(chē)和推車(chē)機(jī)兩部分

28、。從國(guó)內(nèi)港口了解的情況看，由于定位車(chē)、推車(chē)機(jī)制動(dòng)器動(dòng)作頻繁，平均每個(gè)循環(huán)要?jiǎng)幼?次，因此定位車(chē)、推車(chē)機(jī)制動(dòng)器的選型問(wèn)題一直困擾著各大港口生產(chǎn)[10-12]。液壓制動(dòng)器存在制動(dòng)器打開(kāi)動(dòng)作緩慢、液壓包漏油，液壓系統(tǒng)溫升較大等問(wèn)題，影響著作業(yè)效率的進(jìn)一步提升和設(shè)備完好率。針對(duì)液壓制動(dòng)器的缺點(diǎn)，目前一些港口的翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)中采用的是電磁制動(dòng)器來(lái)取代液壓制動(dòng)器。</p><p>　　控制系統(tǒng)是電磁制動(dòng)器的核心，它的性能直接決定

29、了電磁制動(dòng)器的性能。其主要作用是產(chǎn)生控制信號(hào)，并以電流或者電壓的形式作用的電磁線圈上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁制動(dòng)器的控制。制動(dòng)器控制器的工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：吸合階段和吸持階段。為了確保電磁制動(dòng)器迅速打開(kāi)，吸合階段的大電流持續(xù)的時(shí)間一定要足夠長(zhǎng)；但時(shí)間也不能過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)大電流的時(shí)候電磁線圈的溫度會(huì)很快的升高，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電磁線圈很容易燒毀，所以這個(gè)時(shí)間要精確控制；在吸持階段，電磁線圈只需要一個(gè)比較小的電流就可以維持吸合的狀態(tài)，如果維持電流

30、過(guò)大，不僅浪費(fèi)電能，而且電磁鐵的溫度會(huì)一直比較高，影響設(shè)備的使用壽命。但是如果電流過(guò)小的話就有可能造成電磁吸力過(guò)小，吸合失敗，造成電磁制動(dòng)器的誤動(dòng)。因此，在吸持階段也需要對(duì)電流的大小進(jìn)行精確的控制。另外，制動(dòng)器工作現(xiàn)場(chǎng)可能工況條件很差，其供電電源可能會(huì)有較大的電壓波動(dòng)、電流諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題。因此，研究并設(shè)計(jì)先進(jìn)的電磁制動(dòng)器控制系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　1.2 目前的研究現(xiàn)狀 </p&g

31、t;<p>　　制動(dòng)器根據(jù)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式的不同大致分為電磁制動(dòng)器、電力液壓制動(dòng)器和圓盤(pán)式制動(dòng)器三種。這些制動(dòng)器都是借助與之匹配的制動(dòng)輪，利用摩擦副相互摩擦，達(dá)到減速、停止、限速下降或保持其靜止不動(dòng)的效果。</p><p>　　制動(dòng)器在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用于起重機(jī)械，礦山機(jī)械、港口設(shè)備、建筑機(jī)械及各種自動(dòng)化設(shè)備中，是大型可移動(dòng)設(shè)備不可缺少的組成部分。目前，國(guó)內(nèi)外制動(dòng)器處于新老交替的時(shí)代，老式制動(dòng)電磁鐵存

32、在起動(dòng)及維持電流較大、功率因數(shù)低、體積大、故障率高、高能耗、高噪聲等缺點(diǎn)；而液壓制動(dòng)器存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)，輕則污染環(huán)境，造成潤(rùn)滑油的浪費(fèi)，重則引起液壓設(shè)備缺油拉缸，造成設(shè)備損壞。隨著電子器件的飛速發(fā)展和成熟應(yīng)用，電磁式制動(dòng)器日益取代了液壓式制動(dòng)器，并應(yīng)用于各種設(shè)備中[13-15]。</p><p>　　電磁制動(dòng)器主要通過(guò)控制器發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)以電流的形式通過(guò)電磁體，利用改變通入電磁體的電流來(lái)改變制動(dòng)器的制動(dòng)力。其中一些

33、電磁制動(dòng)勵(lì)磁線圈工作在不變的電壓下。這樣在保持吸合狀態(tài)的工作時(shí)段，一直持續(xù)大電流，為了避免勵(lì)磁線圈發(fā)熱，只能是增加線圈匝數(shù)或鋼材，既浪費(fèi)原材料又浪費(fèi)電能。并且更重要的是，制動(dòng)器的工作電流大，儲(chǔ)存了較多的電磁能，斷電后銜鐵不能快速脫開(kāi)制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間幾乎全部不合格。為縮短制動(dòng)時(shí)間，有的設(shè)計(jì)在回路中串入交流接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)，即所說(shuō)的較快制動(dòng)接法。這無(wú)疑給用戶增加了麻煩，更主要的是易拉長(zhǎng)電弧和引起較大的觸點(diǎn)燒損，即使切斷較小的電流，也往往要有較

34、大的觸點(diǎn)，要求動(dòng)、靜觸點(diǎn)有較大的距離。讓用戶用交流接觸器的輔助觸點(diǎn)是很難勝任的，其后果是燒壞觸點(diǎn)等線路故障經(jīng)常發(fā)生，同時(shí)開(kāi)合時(shí)的過(guò)電壓也容易擊穿整流元器件和勵(lì)磁線圈。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)電磁制動(dòng)器的控制方法進(jìn)行了相關(guān)的研究，大致分為四個(gè)研究方向：</p><p>　　1 利用單片機(jī)等可編程器件做主控器件，對(duì)晶閘管或IGBT進(jìn)行程序控制，通過(guò)靈活、精確地控制晶閘管的導(dǎo)

35、通角或IGBT的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電磁線圈中電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁制動(dòng)器的數(shù)字化控制。其優(yōu)點(diǎn)是用到的器件較少，一塊單片機(jī)可以代替大量的數(shù)字和模擬器件，成本低；其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性問(wèn)題一直讓可編程器件在工業(yè)控制領(lǐng)域止步不前。</p><p>　　2 利用運(yùn)算放大器、三極管、邏輯門(mén)電路等數(shù)字、模擬器件組成的硬件電路作為控制電路，主回路由整流二極管、晶閘管、續(xù)流二極管組成。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高，能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，執(zhí)行速度快；其缺

36、點(diǎn)是電路復(fù)雜，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)[16-18]。</p><p>　　3 對(duì)于穩(wěn)定性、節(jié)能性和功率器件產(chǎn)生的“電力公害”的研究，主要是針對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能控制以及減少器件產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響所進(jìn)行的研究[19-20]。</p><p>　　4 對(duì)于系統(tǒng)自動(dòng)智能控制方向的研究，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[21-22]。保護(hù)、監(jiān)測(cè)和控制

37、逐步達(dá)到自動(dòng)化，對(duì)于工業(yè)電磁制動(dòng)器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的，且其重要性和作用正逐漸增大。在某些方面，比如溫度監(jiān)測(cè)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字化控制自動(dòng)化技術(shù)是必不可少的。實(shí)現(xiàn)工業(yè)電磁制動(dòng)器自動(dòng)化控制就是采用現(xiàn)代電子、通信和計(jì)算機(jī)等技術(shù)和裝備對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器實(shí)行自動(dòng)控制，方便用戶對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器在正常運(yùn)行和事故情況下進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和管理，大大提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可操作性，提高了工作效率。</p><p>

38、;　　1.3 本論文的主要內(nèi)容</p><p>　　論文的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　1 主要闡述工業(yè)電磁制動(dòng)器的運(yùn)行規(guī)律，設(shè)計(jì)了單片機(jī)對(duì)于晶閘管的控制方法，其中包括單片機(jī)過(guò)零檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)、晶閘管的選型和單片機(jī)控制程序的編寫(xiě)。</p><p>　　2 闡述了“電力公害”的產(chǎn)生原因以及常用的抑制方法。</p><p>　　3 提出了控

39、制系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案、單片機(jī)抗電磁干擾的電路設(shè)計(jì)方案、自動(dòng)復(fù)位及報(bào)警電路的設(shè)計(jì)方案，目的是最大限度的保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)實(shí)際調(diào)試總結(jié)了裝置存在的硬件原因，并提出了修改方案，提出了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)方案，包括LCM12864液晶的控制、主從機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)方案。提出了信息無(wú)線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案，利用2.4G無(wú)線通信模塊24L01將工業(yè)電磁制動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)反饋到主控室，大大方便了用戶操作。</p><p>

40、　　4 介紹了電路仿真軟件Multisim，并用Multisim進(jìn)行了主控電路的仿真，通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)電路參數(shù)得到了理想的仿真數(shù)據(jù)及其圖像。介紹了PCB制作軟件Altium Designer，用Altium Designer軟件繪制出控制電路和信號(hào)電路的原理圖、PCB圖，并用熱轉(zhuǎn)印的方法制作出了實(shí)物硬件電路，經(jīng)過(guò)測(cè)試，電路運(yùn)行狀態(tài)良好。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)方案的選擇與論證</p><

41、p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)要求 </b></p><p>　　產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)控制場(chǎng)合，要求具有較高的穩(wěn)定性，因此在選用器件時(shí)要注意預(yù)留一定的余量。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器的精確控制，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，系統(tǒng)的電源要求用市電即220V交流電，其電源質(zhì)量一定要符合工業(yè)要求。為了方便用戶管理和操作，系統(tǒng)的人機(jī)交互界面要求簡(jiǎn)潔實(shí)用，可以實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。為

42、了監(jiān)測(cè)主控芯片的狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測(cè)模塊，防止芯片因溫度過(guò)高而燒毀。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)信息無(wú)線傳輸部分。</p><p>　　2.2 工業(yè)電磁制動(dòng)器控制方案的選擇</p><p>　　工業(yè)電磁制動(dòng)器的控制規(guī)律是高電壓或大電流啟動(dòng)，低電壓或小電流維持。根據(jù)實(shí)際參數(shù)得出工業(yè)電磁制動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)需要一個(gè)大約持續(xù)0.4s的高電壓或大電流，之后只需要一個(gè)小的電流維持其運(yùn)行即可。因此決定

43、采用晶閘管作為主控器件，在工業(yè)電磁制動(dòng)器開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)給予晶閘管一個(gè)大的導(dǎo)通角，0.4s后在給予晶閘管一個(gè)較小的導(dǎo)通角，讓其維持運(yùn)行狀態(tài)。目前的控制方案有兩種：一種是采用模擬器件組成控制電路，另一種是采用可編程數(shù)字器件組成的控制電路。</p><p>　　1 采用模擬器件組成控制電路</p><p>　　模擬電路具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在可編程數(shù)字器件廣泛應(yīng)用之前都是應(yīng)用模擬器件搭建控制電路，

44、但其缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，修改參數(shù)困難，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，控制精度不高、易受溫度漂移的影響。</p><p>　　2 采用可編程數(shù)字器件組成控制電路</p><p>　　數(shù)字式觸發(fā)電路是通過(guò)脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)觸發(fā)角的延遲計(jì)算。與模擬方式相比，其控制精度高，但其主要缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，程序容易出現(xiàn)跑飛現(xiàn)象，因此采用可編程數(shù)字器件組成的控制電路需要充分考慮電磁兼容的問(wèn)題，提高可編程數(shù)

45、字器件的穩(wěn)定性。</p><p>　　考慮到模擬和數(shù)字電路各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為了調(diào)試系統(tǒng)方便，得到較高的控制精度，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)決定采用可編程數(shù)字器件組成控制電路，即采用單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的相位來(lái)達(dá)到控制晶閘管輸出電流大小的目的。晶閘管的移相觸發(fā)方式具有調(diào)節(jié)周期短，調(diào)節(jié)分辨率高的特點(diǎn)。</p><p>　　2.3 晶閘管型號(hào)的選擇</p><p>

46、　　根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)得到工業(yè)電磁制動(dòng)器的阻抗約為6.5Ω，其供電電源采用220V交流電，因此器件大約要經(jīng)受住40A電流。為了減小晶閘管產(chǎn)生的電流諧波問(wèn)題，決定采用雙向晶閘管，根據(jù)仔細(xì)分析比較決定采用BTA40-600B，其中BT的含義是雙向可控硅系列，A的含義是絕緣，40的含義是可流過(guò)的最大電流為40A，600的含義是耐受電壓為600V，B的含義是觸發(fā)電流50mA， BTA40適用于通用交流電源，可以很好的對(duì)抗沖擊電流，器件溫度范圍為-

47、40~+150℃，封裝類(lèi)型為T(mén)OP3，可以加裝散熱片。</p><p>　　2.4 晶閘管觸發(fā)方案的選擇</p><p>　　晶閘管作為一種可靠的控制器件，廣泛地被用作各種控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件。晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件，具有弱電控制，強(qiáng)電輸出的特點(diǎn)，只需要很小的功率，就可以控制較大的電流。晶閘管的觸發(fā)方案通常有兩種，一種是經(jīng)脈沖變壓器觸發(fā)，一種是用光耦合器隔離觸發(fā)。</p>

48、<p>　　1 使用光耦隔離器的觸發(fā)方案</p><p>　　在要求觸發(fā)脈沖較寬的晶閘管控制系統(tǒng)中，常用光耦合器組成晶閘管觸發(fā)電路。常用的觸發(fā)器件有MOC3041、MOC3061等，但是MOC3061自帶過(guò)零檢測(cè)電路，不能實(shí)現(xiàn)移相控制，所以不能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器的精確控制。因此決定采用MOC3041作為觸發(fā)器件。MOC3041是雙向晶閘管輸出型的光耦合器，輸出端的額定電壓為400V，最大輸出電流為

49、1A，最大隔離電壓7500V，輸入端控制電流小于15mA。MOC3041作用是隔離單片機(jī)系統(tǒng)和觸發(fā)外部的雙向晶閘管。當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，由于電壓上升率較大，有可能超出MOC3041允許的范圍。在阻斷的狀態(tài)下，晶閘管的PN結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電容，如果突然收到正向電壓，充電電流流過(guò)門(mén)極PN結(jié)時(shí)，起到了觸發(fā)電流的作用。當(dāng)電壓上升率較大時(shí)，就會(huì)造成MOC3041的輸出晶閘管誤導(dǎo)通。因此，在MOC3041的輸出回路中加入電阻和電容組成的RC回路，降低電

50、壓上升率，使在允許的范圍內(nèi)。按照MOC3041的技術(shù)指標(biāo)，允許最大電壓上升率=10V/us。結(jié)溫上升時(shí)，下降，在極端的工作條件下，=0.8V/us。在實(shí)際應(yīng)用中，太大的電壓上升率，對(duì)于雙向晶閘管是不允許的，所以在控制功率</p><p>　　2 使用脈沖變壓器的觸發(fā)方案</p><p>　　脈沖變壓器觸發(fā)方式可以減少晶閘管門(mén)極的功耗以及觸發(fā)信號(hào)放大電路的功耗。脈沖變壓器用于隔離主回路與觸發(fā)

51、電路，并把觸發(fā)脈沖加到晶閘管的門(mén)極上。使用脈沖變壓器，可以把脈沖電壓升高或降低，改變脈沖的極性以及使阻抗匹配。脈沖變壓器在結(jié)構(gòu)上與普通變壓器相似，但其工作情況卻有很大區(qū)別。普通變壓器一次側(cè)加的是正弦電壓，而脈沖變壓器一次側(cè)加的是周期脈沖電壓。因而它們的電磁過(guò)程各有特點(diǎn)，計(jì)算方法也不相同。</p><p>　　脈沖變壓器在傳送脈沖信號(hào)時(shí)，脈沖波形不應(yīng)發(fā)生畸變，因此對(duì)于傳送一定寬度矩形脈沖的脈沖變壓器，在矩形脈沖電壓

52、作用期間，鐵心不能飽和。這也是確定脈沖變壓器鐵心截面積的基本條件。脈沖變壓器工作時(shí)，加在脈沖變壓器上的電壓為單向脈沖電壓。由于鐵磁材料具有磁滯和剩磁特性，在單向脈沖電壓作用下，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是在剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和未飽和時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度之間變化。鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量為=-因此脈沖變壓器工作期間，其鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍較窄，鐵心利用率不高。觸發(fā)脈沖的寬度由單片機(jī)設(shè)定。為了保證觸發(fā)晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖具有一定寬度。一般晶閘管

53、導(dǎo)通時(shí)間為6us，故觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)有6us以上，一般取20-50us。對(duì)于感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖寬度還應(yīng)加大，否則在脈沖終止時(shí)，主回路電流還未上升到晶閘管的維持電流以上，則晶閘管又重新關(guān)斷，故脈沖寬度不應(yīng)小于100us，一般用1ms。</p><p>　　由于脈沖變壓器的體積較大，價(jià)格較貴，控制復(fù)雜，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的角度考慮決定采用光耦器件MOC3041作為晶閘管的觸發(fā)元件。</p><p&g

54、t;　　2.5 電力公害的產(chǎn)生原因及其抑制方法</p><p>　　2.5.1 電力公害的產(chǎn)生原因及其分類(lèi)</p><p>　　電力電子裝置如整流器、逆變器和斬波器等對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)屬于非線性負(fù)載，它產(chǎn)生的有害高次諧波電流“注入”電網(wǎng)，造成電網(wǎng)的嚴(yán)重污染。在高頻開(kāi)關(guān)器件大量應(yīng)用電力電子裝置中，由于高電壓和大電流脈沖的前后沿很陡峭，會(huì)產(chǎn)生頻段很寬的電磁干擾信號(hào)，這些電磁信號(hào)是嚴(yán)重的電磁干擾源，對(duì)

55、電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和其他設(shè)備構(gòu)成相當(dāng)大的危害。整流器等電力電子裝置往往使網(wǎng)側(cè)電流滯后于網(wǎng)側(cè)電壓，造成電力電子裝置功率因數(shù)降低，使電網(wǎng)無(wú)功功率增加，給電網(wǎng)帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)，并影響供電質(zhì)量。</p><p><b>　　電力公害的分類(lèi)：</b></p><p>　　1 諧波公害：會(huì)使電網(wǎng)供電電壓波形畸變，供電質(zhì)量降低，產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)過(guò)電壓和過(guò)電流，使供用電系統(tǒng)的能量損耗增加，供用

56、電設(shè)備的壽命縮短。</p><p>　　2 電磁干擾公害：高頻開(kāi)關(guān)變換器工作時(shí)，內(nèi)部的高電壓或大電流波形以極短的時(shí)間上升或下降，這些具有陡變沿的脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)。這些電磁干擾信號(hào)一方面會(huì)污染電網(wǎng)，通過(guò)電網(wǎng)干擾其他用電設(shè)備；另一方面通過(guò)傳輸線的傳導(dǎo)或經(jīng)過(guò)空間進(jìn)行輻射而對(duì)電子設(shè)備的正常工作造成威脅。</p><p>　　3 功率因數(shù)公害：按照定義，功率因數(shù)是變流裝置電網(wǎng)側(cè)有功功

57、率與視在功率之比。電網(wǎng)接變流裝置之后，功率因數(shù)必然降低，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)輸入電流有效值增大，使得熔斷器、斷路器及傳輸線的規(guī)格及電源濾波器的容量增大。在三相四線制整流電源中不但使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，而且由于它的三次諧波電流在零線中相位相同，這些諧波電流合成后使零線電流增大，有時(shí)可能超過(guò)各相相電流。因?yàn)榘窗踩珮?biāo)準(zhǔn)規(guī)定，零線不能裝設(shè)保護(hù)裝置，所以可能使零線因過(guò)熱而損壞。</p><p>　　2.5.2 諧波的產(chǎn)生機(jī)理</p

58、><p>　　在電力電子變換電路中存在著周期性非正弦電流，它使得供電系統(tǒng)中不僅有基波電流，而且還有大量諧波電流，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，采用晶閘管作為控制電流的器件其產(chǎn)生的主要電力公害就是諧波公害。其諧波產(chǎn)生原因與帶電感性負(fù)載的單相橋式整流電路相似。當(dāng)觸發(fā)角為α?xí)r，變壓器次級(jí)電壓和電流波形如圖2-1所示，對(duì)次級(jí)電流波形進(jìn)行傅里葉分解，得</p><p><b>　　(2-1)</b&

59、gt;</p><p><b>　　基波電流有效值為：</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　所以：</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式中：/

60、為電流基波有效值同變壓器次級(jí)電流有效值之比，它表示了電流波形含高次諧波的程度，稱(chēng)為畸變因數(shù)，用表示。</p><p>　　圖2-1 整流變壓器次級(jí)電壓和電流波形</p><p>　　2.5.3 諧波的抑制對(duì)策</p><p><b>　　1 LC無(wú)源濾波器</b></p><p>　　利用LC電路串聯(lián)諧振特點(diǎn)抑制向電網(wǎng)注

61、入的諧波電流。在諧振頻率上電路的阻抗最小，而非諧振頻率上，阻抗增大。將諧振點(diǎn)調(diào)整至某特征諧波頻率，即可濾去某一高次諧波。LC無(wú)源濾波器如圖2-2所示，圖中包含有5次諧波濾波器，7次諧波濾波器，11次諧波濾波器。在工業(yè)電磁制動(dòng)器運(yùn)行的電網(wǎng)中加入LC無(wú)源濾波器能有效的抑制諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害。</p><p>　　圖2-2 LC無(wú)源濾波器</p><p><b>　　2 靜止無(wú)功補(bǔ)償

62、器</b></p><p>　　在網(wǎng)側(cè)設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator，SVC)用于補(bǔ)償諧波造成的無(wú)功功率，以提高功率因數(shù)。合理設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電感L和電容C，使其能在某次頻率產(chǎn)生諧振，從而濾除該頻率的諧波。</p><p>　　圖2-3 SCV類(lèi)型</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b&g

63、t;</p><p>　　本章主要論述系統(tǒng)方案的選擇與論證，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。確定了工業(yè)電磁制動(dòng)器的控制方案，決定采用可編程數(shù)字器件作為主控芯片。確定了所使用晶閘管的型號(hào)。確定晶閘管的觸發(fā)方案，并分析了晶閘管的諧波公害，及其抑制方法。 </p><p>　　第3章 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 處理器電路的設(shè)計(jì) </p><

64、p>　　圖3-1 處理器模塊電路原理圖</p><p>　　At89S52單片機(jī)是一款美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的基于51內(nèi)核的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)。其片上資源非常豐富：</p><p>　?、?k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器。</p><p>　?、?56 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　⑶

65、采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)。</p><p>　　⑷與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容。</p><p>　　⑸片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元。</p><p>　　⑹具有1000次擦寫(xiě)周期。</p><p>　?、巳?jí)加密程序存儲(chǔ)器。</p><p>　?、?2個(gè)可編

66、程I/O口線。</p><p>　?、腿齻€(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。</p><p><b>　?、?個(gè)中斷源。</b></p><p>　?、系凸目臻e和掉電模式。</p><p>　　單片機(jī)復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)有效復(fù)位，此款單片機(jī)的復(fù)位方式是高電平復(fù)位，此復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)電容C7充電，

67、單片機(jī)RESET引腳出現(xiàn)一個(gè)高電平并持續(xù)一定時(shí)間，使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)按下時(shí)單片機(jī)RESET引腳直接接到VCC，實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。</p><p>　　在單片機(jī)的VCC與GND上加上一個(gè)濾波電容，這樣做的原因是為了最大限度減少電源對(duì)單片機(jī)的干擾。通常情況濾波電容都是一個(gè)瓷片電容和一個(gè)電解質(zhì)電容，瓷片電容是過(guò)濾低頻雜波，電解質(zhì)電容是過(guò)濾高頻雜波。在本次電路設(shè)計(jì)中考慮到系統(tǒng)本身為低頻率電路故把電解質(zhì)電容去掉只用的貼片

68、封裝的瓷片電容方便PCB板的制作。</p><p>　　3.2 電源電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　本次設(shè)計(jì)中系統(tǒng)需要提供5V電源為單片機(jī)、MOC3041、P521、LCM12864等器件供電，為了防止供電出現(xiàn)問(wèn)題，決定直接取用市電作為供電電源，變壓器TF將220V交流電轉(zhuǎn)換為9V交流電，通過(guò)整流橋和電容進(jìn)行整流和濾波后再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片,得到穩(wěn)定的5V電壓。穩(wěn)壓芯片分為兩種類(lèi)型，一種為線性

69、穩(wěn)壓，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓后的電源諧波少，價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是壓差大，散熱大，能源利用率低。另一種為開(kāi)關(guān)電源，其優(yōu)點(diǎn)為壓差小，損耗小；缺點(diǎn)為穩(wěn)壓后的諧波比較多，容易產(chǎn)生噪聲。綜合穩(wěn)定性的考慮，決定采用三端1.5A正電源穩(wěn)壓芯片LM7805。</p><p>　　LM7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，使用方便，電子制作中經(jīng)常采用，它的封裝形式為T(mén)O-220,它有固定的電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛。由于內(nèi)部電流的限制，以及過(guò)熱保護(hù)和安全工

70、作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它就能夠提供大于1.5A的輸出電流。具有熱過(guò)載保護(hù)，短路保護(hù)，輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)等保護(hù)措施。但當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。其原理圖如圖3-2所示，第1引腳為輸入端，第2引腳為地，第3引腳為輸出端，電容C1、C4為電解電容，容值較大作用是濾波，利用電容的充放電效應(yīng)，使脈動(dòng)直流變成紋波不大的直流電。C2、C3為陶瓷電容，容值較小，作用在于旁路頻率較高的波動(dòng)電壓

71、。</p><p>　　圖3-2 單片機(jī)供電電路</p><p>　　3.3 過(guò)零檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　圖3-3 過(guò)零檢測(cè)電路</p><p>　　如圖3-3所示，過(guò)零檢測(cè)的原理是220V交流電經(jīng)過(guò)變壓器后變?yōu)?V交流電，經(jīng)過(guò)整流橋之后變?yōu)橹绷髅}沖，當(dāng)脈沖在過(guò)零點(diǎn)時(shí)使輸出端導(dǎo)通，給單片機(jī)外部中斷送入一個(gè)脈沖。此設(shè)計(jì)需要注意的是

72、電阻R5的選取，其阻值不能太小，否則輸出的脈沖波形的幅值會(huì)比較小，無(wú)法觸發(fā)單片機(jī)的中斷。電阻R4用來(lái)限制流過(guò)光電耦和器U4的電流，防止流過(guò)光電耦合器U4的電流過(guò)大而使光耦合器燒毀。變壓器TF2的作用是將220V交流電變?yōu)?V交流電，目的是方便信號(hào)的提取。整流橋的功率是2W，可以流過(guò)10A的電流，滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　3.4 光耦合器觸發(fā)晶閘管電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　

73、在要求觸發(fā)脈沖較寬的晶閘管控制系統(tǒng)中，常用光耦合器組成晶閘管觸發(fā)電路。MOC3041是雙向晶閘管輸出型的光耦合器，用于觸發(fā)雙向晶閘管且不需要另外的觸發(fā)電源，使用雙向晶閘管的工作電源作為觸發(fā)電源。</p><p>　　如圖3-4所示，當(dāng)單片機(jī)的IO口輸出低電平時(shí)，MOC3041的輸入端有電流輸入，輸出端的雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)外部的雙向晶閘管VR導(dǎo)通；當(dāng)單片機(jī)的IO口輸出高電平時(shí)，MOC3041輸出端的雙向晶閘管關(guān)斷

74、，外部雙向晶閘管VR也關(guān)斷。電阻限制流過(guò)MOC3041輸出端的電流不要超過(guò)1A。的大小由下式計(jì)算，式中為工作電壓的峰值，為MOC3041輸出端的最大的允許電流。當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，由于電壓上升率較大時(shí)，就會(huì)造成MOC3041的輸出晶閘管誤導(dǎo)通。因此，在MOC3041的輸出回路中加入和組成的回路，降低電壓上升率，使在允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　圖3-4光耦合器觸發(fā)晶閘管電路</p><p

75、>　　3.5 系統(tǒng)監(jiān)控電路及其信號(hào)部分的設(shè)計(jì) </p><p>　　3.5.1 監(jiān)控及其信號(hào)部分微處理器電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在工業(yè)產(chǎn)品中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要，因此需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控與信號(hào)部分，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在故障發(fā)生后，第一時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，以求最大限度的減少故障所帶來(lái)的損失。</p><p>　　Atmega8 單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AV

76、R RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，Atmeg8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。通過(guò)將8位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)使ATmega8 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 </p><p><b>　　

77、主要特點(diǎn)為： </b></p><p>　　⑴8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，RWW)。</p><p>　　⑵256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　?、?K 字節(jié) SRAM，32 個(gè)通用 I/O 口線，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元。</p><p>　　⑷32 個(gè)通用

78、工作寄存器三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　⑸三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C)。</p><p>　　⑹10 位 6 路 (8 路為 TQFP 與 MLF 封裝 )ADC。</p><p>　?、司哂衅瑑?nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器。</p><p>　　⑻低功耗空閑和掉電模式。</p><p&

79、gt;　?、臀宸N可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。</p><p>　?、我粋€(gè) SPI 串行端口。</p><p>　　圖3-5 監(jiān)控與信號(hào)部分微處理器電路</p><p>　　Atmega8的最小系統(tǒng)部分和復(fù)位電路部分如圖3-5所示，Atmega8為高電平復(fù)位方式，此復(fù)位電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位的機(jī)械式復(fù)位兩種復(fù)位模式。其原理與At89S52類(lèi)似，因此這里就不在詳細(xì)敘

80、述。</p><p>　　3.5.2 單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　圖3-6 單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路</p><p>　　MAX813L是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的微處理器專(zhuān)用監(jiān)控器，具有看門(mén)狗、電壓檢測(cè)和上電復(fù)位等功能，可提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。目前監(jiān)控電路在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)和微處理器中已得到廣泛地應(yīng)用，它可以有效的防止程序的“跑飛”，并自動(dòng)將系統(tǒng)恢復(fù)正

81、常工作狀態(tài)。當(dāng)外來(lái)干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線、I/O總線或控制總線上的數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂時(shí)，將引發(fā)一系列的后果，特別是程序指針計(jì)數(shù)器PC值受干擾而改變時(shí)，將引起程序“跑飛”，使系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或其他一些不可預(yù)知的情況。</p><p>　　將WDO接到微處理器的非屏蔽中斷輸入端NMI，當(dāng)電源電壓Vcc低于復(fù)位的門(mén)限電平時(shí)，無(wú)論看門(mén)狗計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值是否到，WDO端都將被拉至低電平，產(chǎn)生非屏蔽中斷，同時(shí)RESET信號(hào)也同時(shí)產(chǎn)生，因此，非屏

82、蔽中斷將會(huì)被RESET信號(hào)所覆蓋。手動(dòng)操作MR端允許通過(guò)手動(dòng)按鈕開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖去觸發(fā)復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)RESET。MR端對(duì)TTL/CMOS兼容，因此，它可以由外部的邏輯電路去驅(qū)動(dòng)。在MAX813L中，可以利用MR接到看門(mén)狗定時(shí)器的輸出脈沖端來(lái)產(chǎn)生復(fù)位脈沖，因此只要將MR和WDO簡(jiǎn)單的接在一起即可。當(dāng)微處理器經(jīng)過(guò)1.6秒仍然沒(méi)有二次觸發(fā)看門(mén)狗輸入端WDI，那么，WDO就會(huì)輸出一個(gè)負(fù)脈沖，這個(gè)負(fù)脈沖作用于MR端，通過(guò)復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生

83、器強(qiáng)制產(chǎn)生RESET信號(hào)。如圖3-6所示，電阻R1和R2分壓產(chǎn)生1.25V電源門(mén)限值。當(dāng)此腳的電壓低于1.25V時(shí)，即電源電壓低于額定值時(shí)，PFO將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，可以用于向CPU發(fā)出中斷，使CPU完成應(yīng)急處理。此功能可以完成電源電壓監(jiān)測(cè)。在軟件的編制中，每次程序的循環(huán)通過(guò)對(duì)At89S52單片機(jī)的P2.7引腳進(jìn)行位操作向MAX813L的看門(mén)狗輸入端輸入一個(gè)負(fù)脈</p><p>　　3.5.3 晶閘管溫度監(jiān)測(cè)電路

84、的設(shè)計(jì)</p><p>　　晶閘管屬于功率器件，當(dāng)有較大的電流流過(guò)的時(shí)候，芯片會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，當(dāng)流過(guò)的電流過(guò)大時(shí)芯片會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，這時(shí)候就需要采取一定的措施，防止芯片因溫度過(guò)高而燒毀。DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一片支持“單總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器連接等優(yōu)點(diǎn)，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理。</p><

85、p>　　DS18B20溫度傳感器特性：</p><p>　?、胚m應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍在3.0-5.5V, 在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。</p><p>　　⑵獨(dú)特的單總線接口方式，它與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。</p><p>　?、侵С侄帱c(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。

86、</p><p>　?、仍谑褂弥胁恍枰魏瓮鈬?，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。</p><p>　　⑸測(cè)溫范圍-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃時(shí)精度為±0.5℃。</p><p>　?、士删幊谭直媛蕿?~12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。</p><

87、p>　?、藴y(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC效驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。</p><p>　　⑻負(fù)壓特性。電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。</p><p>　　如圖3-7所示，DS18B20的電路非常簡(jiǎn)單，1腳接地，3腳接VCC，2腳接一個(gè)4.7KΩ的上拉電阻，然后接到單片機(jī)的I/O口。</p>&

88、lt;p>　　圖3-7 溫度檢測(cè)電路</p><p>　　3.5.4 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-8 LCM12864顯示電路原理圖</p><p>　　人機(jī)交互界面主要由按鍵和液晶顯示器組成，按鍵用于輸入信息，液晶顯示器用于顯示信息。液晶顯示器的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面并配合背部燈管構(gòu)成畫(huà)面。各種信號(hào)的液晶通常按照顯示字符

89、的行數(shù)或液晶點(diǎn)陣的行、列數(shù)來(lái)命名。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)用到的是12864液晶，12864的意思是由128列、32行組成，即共有128*32個(gè)點(diǎn)來(lái)顯示各種圖形，可以通過(guò)程序控制這些點(diǎn)中的任一個(gè)點(diǎn)顯示或不顯示。液晶的體積小、功耗低、顯示操作簡(jiǎn)單。</p><p>　　如圖3-8所示，液晶LCM12864的1腳為電源地、2腳為電源正極。3腳為液晶的顯示對(duì)比度端口，可以懸空。4腳R/S（CS）為數(shù)據(jù)/指令選擇端或串行操作的片選端

90、，高電平為寫(xiě)數(shù)據(jù)，低電平為寫(xiě)指令。5腳R/W（SID）為讀/寫(xiě)選擇端或串行操作的數(shù)據(jù)口，高電平時(shí)讀出數(shù)據(jù)，低電平時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。6腳E為使能信號(hào)，在單片機(jī)向12864寫(xiě)數(shù)據(jù)/指令時(shí)需要將使能信號(hào)從低拉到高再拉低，數(shù)據(jù)/指令才能寫(xiě)入。7腳至14腳為8個(gè)數(shù)據(jù)端口。15腳PSB為并口串口選擇端，當(dāng)輸入高點(diǎn)平時(shí)為并口操作方式，輸入低電平時(shí)為串口操作方式，在本次設(shè)計(jì)中應(yīng)使用并口操作故直接將15腳解電源。17腳為硬件復(fù)位端口高電平有效，在本次設(shè)計(jì)中12

91、864采用軟件復(fù)位故直接將17腳接地。19、20為12864的背光電源。由于單片機(jī)的I/O資源有限，所以決定采用串行通信方式，即只需要5個(gè)引腳就可以完成12864液晶與單片機(jī)之間的通信。</p><p>　　圖3-9 按鍵部分電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖3-9所示，按鍵部分采用獨(dú)立按鍵的形式，上拉電阻R6和R7保證了按鍵在未按下時(shí)使單片機(jī)的P2.0與P2.1口保持高電平狀態(tài)，當(dāng)按鍵

92、按下時(shí)將I/O口狀態(tài)變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　3.5.5 無(wú)線通信模塊的電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-10 無(wú)線模塊接口電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，決定采用2.4G無(wú)線通信模塊nrf24L01將系統(tǒng)監(jiān)控部分采集到的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或手持?jǐn)?shù)據(jù)終端。nrf24L01是一款工作在2.4G世界通用ISM頻段的單

93、片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。其主要特點(diǎn)如下：</p><p>　?、?.4Ghz全球開(kāi)放 ISM 頻段免許可證使用。</p><p>　?、谱罡吖ぷ魉俾?2Mbps，高效 GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。</p

94、><p>　?、?26 頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。</p><p>　?、葍?nèi)置硬件 CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。</p><p>　?、蓛?nèi)置 2.4Ghz 天線，體積小巧 34mm X 17mm。</p><p>　?、誓K可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)指示，可直接接各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便。</p&g

95、t;<p>　　⑺內(nèi)置專(zhuān)門(mén)穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括 DC/DC 開(kāi)關(guān)電源均有很好的通信效果。 </p><p>　?、虡?biāo)準(zhǔn) DIP 間距接口，便于嵌入式應(yīng)用。</p><p>　?、凸ぷ饔?Enhanced ShockBurst 具有 Automatic packet handling, Auto packet transaction handling 具有可選的內(nèi)置包應(yīng)

96、答機(jī)制，極大的降低丟包率。</p><p>　?、蔚凸?1.9 - 3.6V 工作，待機(jī)模式下?tīng)顟B(tài)為 22uA；掉電模式下為 900nA。 </p><p>　　如圖3-10所示，電源側(cè)接電壓范圍為1.9V至3.6V之間，不能再這個(gè)區(qū)間之外，超過(guò) 3.6V 將會(huì)燒毀模塊。推薦電壓 3.3V 左右。除電源 VCC 和接地端，其余腳都可以直接和普通的5V單片機(jī)IO 口直接相連，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。

97、當(dāng)然對(duì) 3V 左右的單片機(jī)更加適用了。硬件上面沒(méi)有 SPI 的單片機(jī)也可以控制本模塊，用普通單片機(jī)IO 口模擬 SPI 不需要單片機(jī)真正的串口介入， 只需要普通的單片機(jī) IO 口就可以了，當(dāng)然用串口也可以。與Atmega8 單片機(jī)連接時(shí)需要加2K的電阻用于限流。</p><p>　　3.5.6 單片機(jī)與PC機(jī)通信電路</p><p>　　圖3-11 單片機(jī)與PC機(jī)通信電路</p>

98、;<p>　　單片機(jī)通信使用的電平為T(mén)TL電平即高電平1為3V～5V，低電平0為0V而與計(jì)算機(jī)通信時(shí)的電平為232電平即高電平1為-3V～-25V,低電平0為3V～25V。故單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信時(shí)需要將TTL電平轉(zhuǎn)化成232電平。</p><p>　　MAX232芯片是美信公司專(zhuān)為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5V單電源供電。電路原理圖中的C55、C56、C57、C58、C59、

99、C60均為參考芯片手冊(cè)建議電路加入的濾波電容。LED1、LED2為信號(hào)指示燈，R45、R47為限流電阻。當(dāng)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信時(shí)指示燈閃爍J6是與計(jì)算機(jī)連接的接口為通用RS232接口。RS232接口是1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的DB25連接器，對(duì)連接

100、器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口，現(xiàn)在都把RS232接口叫做DB9。上位機(jī)軟件如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 上位機(jī)串口軟件界面</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)章節(jié)，是硬件部分的設(shè)

101、計(jì)原理。主要介紹了工業(yè)電磁制動(dòng)器控制部分電路和信號(hào)部分電路的原理及設(shè)計(jì)。包括處理器電路的設(shè)計(jì)、電源電路的設(shè)計(jì)、過(guò)零檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、光耦合器觸發(fā)晶閘管電路的設(shè)計(jì)、溫度監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)、無(wú)線信號(hào)收發(fā)電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)與PC機(jī)通信電路設(shè)計(jì)等內(nèi)容。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 程序語(yǔ)言的選擇</p><p>

102、;　　本系統(tǒng)涉及的計(jì)算、處理工作很多。匯編語(yǔ)言編譯效率高，但計(jì)算能力不強(qiáng)，較大規(guī)模的復(fù)雜程序設(shè)計(jì)困難，且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，可讀性及維護(hù)性都比較差。系統(tǒng)軟件編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言，C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具有匯編語(yǔ)言的功能。C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)豐富，運(yùn)算速度快，具有良好的可移植性，而且可以實(shí)現(xiàn)直接對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。目前的C語(yǔ)言編譯器編譯效率很高，可達(dá)到最優(yōu)匯編程序的1.2倍--1.5倍，軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，利于程序

103、的調(diào)試和維護(hù)，C語(yǔ)言在這些方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，因此選用C語(yǔ)言。</p><p>　　4.2 單片機(jī)編譯環(huán)境的介紹</p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用到了MOS-51系列的At89S52的單片機(jī)和AVR系列的Atmega8單片機(jī)，因此它們有不同的編譯環(huán)境。</p><p>　　1、At89S52單片機(jī)的編譯環(huán)境</p><p>　　A

104、t89S52單片機(jī)的編譯環(huán)境為Keil軟件，Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WIN

105、XP等操作系統(tǒng)。</p><p>　　C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成目標(biāo)文件（OBJ）。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)

106、文件（.ABS）。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫(xiě)入程序存貯器如EPROM中。</p><p>　　圖4-1 Keil μVision2的界面</p><p>　　如圖4-1所示，Keil μVision2是以Windows為基礎(chǔ)的單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有一般Wi

107、ndows應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格，用戶可以根據(jù)自己的習(xí)慣和熟悉程度使用。</p><p>　　2、Atmega8單片機(jī)的編譯環(huán)境</p><p>　　Atmega8單片機(jī)的編譯環(huán)境有很多，比如ICC、GCC、IAR等，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用到的軟件為ICC。ICCAVR是ATMEL公司推薦的第三方C編譯器用于程序開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言工具。功能合適、使用方便、技術(shù)支持好，它主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p&g