【文章內(nèi)容簡介】 成一套完整的主軸轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。首先通過速度傳感器將采集的速度信號發(fā)送給速度控制電路，與鍵盤設(shè)定值分析比較，控制輸出轉(zhuǎn)換電路，通過變頻器驅(qū)動電機(jī)頻率的改變，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速值穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)的目的。設(shè)計(jì)方案有運(yùn)用單片機(jī)控制，運(yùn)用PLC控制。我的設(shè)計(jì)方案是選用一款單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。其實(shí)現(xiàn)的總體原理框圖如圖2所示?？刂破鰽T89C51速度傳感器報(bào)警電路輸出轉(zhuǎn)換電路變頻器主軸電機(jī)顯示電路鍵盤輸入圖2 主軸控制系統(tǒng)總體工作原理框圖控制電路的輸出一路接變頻器，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率控制主軸電機(jī)的工作速度，從而達(dá)到主軸速度的自動控制?？刂齐娐返妮敵鲭娐芬宦方訄?bào)警電路，對轉(zhuǎn)速過高過低的異常情況進(jìn)行報(bào)警提示?？刂齐娐返妮敵鲭娐芬宦方语@示電路，對檢測的轉(zhuǎn)速實(shí)時顯示?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)原理來測量轉(zhuǎn)速的一種磁敏傳感器。由于輸出電壓信號穩(wěn)定，大小與轉(zhuǎn)速無關(guān)，抗干擾能力強(qiáng)，即使是在發(fā)動機(jī)起動的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，仍能夠獲得較高的檢測準(zhǔn)確度。所以在工業(yè)控制領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。 把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為“變頻器”（inverter）。 通過傳感器對轉(zhuǎn)速的信號轉(zhuǎn)換，控制器對檢測速度的比較分析處理，以及變頻器對電機(jī)工作速度的驅(qū)動，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制電路的功能可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。本著工業(yè)運(yùn)用中降低成本的要求，選用AT89C51單片機(jī)，其作為優(yōu)化的8051內(nèi)核單片機(jī)可以滿足主軸轉(zhuǎn)速控制電路的設(shè)計(jì)要求。通過組成系統(tǒng)各元件的功能分析，滿足設(shè)計(jì)要求。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)情況與不足因?yàn)槔p繞機(jī)主軸控制系統(tǒng)僅在工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)用，無法完全模擬工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備，在我設(shè)計(jì)的過程中無法參照相應(yīng)的實(shí)物，通過查閱相關(guān)書籍和搜索網(wǎng)上相關(guān)信息，得到的資料非常有限，僅僅是理論性的研究與分析階段。對于設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)，僅在理論上就其功能實(shí)現(xiàn)做定性定量的分析和設(shè)計(jì)，無法從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮。此系統(tǒng)規(guī)模很大，雖然在設(shè)計(jì)過程中得到了導(dǎo)師的指導(dǎo)，但是有些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如：變頻器的具體選型及其參數(shù)設(shè)置，則無法根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定。整個設(shè)計(jì)結(jié)果，我僅能給出按照自己設(shè)計(jì)思路做出的理論工作原理框圖，以及相關(guān)控制電路的電路圖，當(dāng)然在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中難免有很多欠缺的地方，自己還沒有發(fā)現(xiàn)和完善。如果能在參考和研究實(shí)物的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，相信會達(dá)到更好的效果。2 纏繞機(jī)主軸控制系統(tǒng)主要器件的選型 系統(tǒng)工作的原理框圖根據(jù)纏繞機(jī)的工作原理，實(shí)現(xiàn)其控制過程的原理框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)的工作原理是：速度傳感器檢測主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生脈沖信號送入控制器AT89C51轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，與鍵盤輸入的設(shè)定值進(jìn)行比較分析后，將輸出信號一路經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路，變?yōu)槟M信號接入變頻器，使變頻器能根據(jù)輸出轉(zhuǎn)速值的變化實(shí)時調(diào)節(jié)主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到轉(zhuǎn)速恒定的目的。輸出一路接報(bào)警電路，當(dāng)速度超出設(shè)定范圍時會有報(bào)警提示；另一路接顯示電路，將速度傳感器檢測的主軸速度實(shí)時顯示出來?？刂破鰽T89C51速度傳感器報(bào)警電路輸出轉(zhuǎn)換電路變頻器主軸電機(jī)顯示電路鍵盤輸入圖3 主軸控制系統(tǒng)總體工作原理框圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作所選用的器件有：速度傳感器，微處理器，變頻器，主軸電機(jī)。整個系統(tǒng)的硬件部分由鍵盤輸入電路，速度檢測電路，基于AT89C51單片機(jī)的速度控制及轉(zhuǎn)換電路，報(bào)警及顯示電路構(gòu)成。 速度傳感器的選用及參數(shù)特性主軸速度必須經(jīng)過速度傳感器轉(zhuǎn)換為可被測量的數(shù)字信號才能傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及處理。轉(zhuǎn)速測量的方案選擇，一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性；再就是二次儀表的要求，除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求。常用的轉(zhuǎn)速測量方法有:霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測量和光電式轉(zhuǎn)速測量?；魻杺鞲衅魇剑夯魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)原理制成的一種磁敏傳感器。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，磁鋼用來提供霍爾能感應(yīng)的磁場, 當(dāng)霍爾元件以切割磁力線的方式相對磁鋼運(yùn)動 時, 在霍爾輸出端口就會有電壓輸出,轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。將脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息。通常情況下，整個的測量過程就是將霍爾傳感器的輸出信號加以適當(dāng)放大后，再通過計(jì)數(shù)器和CPU的共同作用形成有效可靠的被數(shù)字化的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的信息。編碼器式：目前基于編碼器的電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的檢測裝置多涉及到光電軸角編碼器，又稱軸編碼器或光電角位置傳感器。光電軸編碼器以高精度計(jì)量圓光柵為檢測元件，通過光電轉(zhuǎn)換，將輸入的角位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字代碼，并與計(jì)算機(jī)等控制器及顯示裝置相連按，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量、數(shù)字控制與數(shù)字顯示。光電軸編碼器具有較高的性能價(jià)格比，已普遍應(yīng)于諸多領(lǐng)域，是電動機(jī)等自動化設(shè)備理想的角度和速度傳感器。軸編碼器又分為增量式、絕對式與混合式3種，其中增量式軸編碼器主要用于測量轉(zhuǎn)子速度，絕對式軸編碼器主要用于測量轉(zhuǎn)子的空間位置，混合式軸編碼器是增量式軸編碼器與絕對式軸編碼器的組合。后端加入處理芯片之后，3種軸編碼器都具有測量轉(zhuǎn)子速度與空間位置的功能。這里我們選用了霍爾式傳感器，由于霍爾效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號是矩形脈沖信號，很適合于數(shù)字控制系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)。傳感器輸出電壓信號穩(wěn)定，只要存在磁場，霍爾元件總是產(chǎn)生相同的電壓，并且輸出信號電壓的大小與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即使是在發(fā)動機(jī)起動的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，仍能夠獲得較高的檢測準(zhǔn)確度。本設(shè)計(jì)選用了市場上應(yīng)用較多的3000系列霍爾開關(guān)傳感器3010T，由穩(wěn)壓器A、硅霍爾片B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五部分組成，如圖4所示。從輸入端1輸入電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器A穩(wěn)壓后加在硅霍爾片B的兩端，以提供恒定不變的工作電流．在垂直于霍爾片的感應(yīng)面方向施加磁場，產(chǎn)生霍爾電勢差Vw，該n信號經(jīng)差分放大器c放大后送至施密特觸發(fā)器D整形．當(dāng)磁場達(dá)到“工作點(diǎn)”(即B。)時，觸發(fā)器D輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管E導(dǎo)通，輸出端V。輸出低電位，此狀態(tài)稱為“開”。當(dāng)施加的磁場達(dá)到“釋放點(diǎn)”(即B。)時，觸發(fā)器D輸出低電壓，使三極管E截止，輸出端y。輸出高電位，此狀態(tài)稱為“關(guān)”。這樣2次高低電位變換，使霍爾傳感器完成了1次開關(guān)動作。開關(guān)型霍爾傳感器構(gòu)成如圖4所示：圖4 開關(guān)型霍爾傳感器構(gòu)成 微處理芯片的選用及參數(shù)特性 AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)FLASH閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，2個16位定時/計(jì)數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式體制CPU的工作，但允許RAM，定時/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器體制工作并禁止其他所有不見工作直到下一個硬件復(fù)位。ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3口管腳備選功能： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷0） /INT1（外部中斷1） T0（記時器0外部輸入） T1（記時器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）（P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。圖5 AT89C51管腳圖 振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平來完成。在芯片擦除操作中，代碼列陣全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片的功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 D/A轉(zhuǎn)換器的選用及參數(shù)特性DAC0832是典型的帶內(nèi)部雙緩沖數(shù)據(jù)緩沖器的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中/LE是寄存命令，當(dāng)/LE=1時寄存器輸出隨輸入變化，當(dāng)/LE=0時數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，而不再隨數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)的變化而變化。當(dāng)ILE端為高電平，/CS與/WR1同時為低電平時，使得/LE1=1；當(dāng)/WR1變?yōu)楦唠娖綍r，輸入寄存器便將輸入數(shù)據(jù)鎖存，當(dāng)/XFER與/WR2同時為低電平時，使得/LE2=1，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入變化，/WR2上升沿將輸入寄存器的信息鎖存在該寄存器中。Rfb為外部運(yùn)算放大器提供的反饋電阻。Vref端是由外電路為芯片提供一個+10V到10V的基準(zhǔn)電源。Iout1和Iout2是電流輸出端，兩者之和為常數(shù)。圖6 DAC0832采樣模塊電路原理圖 顯示器的選用及參數(shù)特性顯示器是電子計(jì)算機(jī)最重要的終端輸出設(shè)備，是人機(jī)對話的窗口。隨著電子儀器的自能化水平提高，電子顯示器件的使用日益廣泛，主要有LED點(diǎn)陣、數(shù)碼管、液晶顯示器等。 LED點(diǎn)陣顯示器件由半導(dǎo)體發(fā)光二極管均勻排列組成，具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。通過軟件程序的編寫可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像等，但程序的設(shè)計(jì)及編寫較麻煩。 LED數(shù)碼管是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃及公共電極。它能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與COMS、TTL電路兼容，其發(fā)光響應(yīng)時間極短，高頻特性好單色性好亮度高，壽命長，使用壽命10萬小時以上，成本低。但其不能顯示字符，顧限制了其使用范圍。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、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上常用的為1602LCD和12864LCD，1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型