工业电磁制动器控制方法的研究本科毕业设计论文

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1、本科毕业设计（论文）工业电磁制动器控制方法的研究燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电力工程系学号学生姓名专 业班 级09电力1班题目题目名称工业电磁制动器控制方法的研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 了解电磁制动器的相关应用背景及意义； 2. 学习掌握电磁制动器控制系统的工作原理；3. 在工程实际基础上研究设计电磁制动器控制

2、系统；4. 通过Multisim软件对设计进行仿真分析，验证可行性。基本要求1. 学习掌握电磁制动器控制系统的工作原理；2. 学习利用Multisim进行仿真分析；3. 设计说明书一份，不少于2万字，符合毕业设计（论文）撰写规范；4. 遵守毕业设计纪律，按时参加答疑，独立完成，培养基本工程实际能力。参考资料1. 参考电磁制动器的数字控制系统研究与设计等电磁制动器方面的文献；2. 电力电子技术；3. 电子技术基础（模拟部分）；4. 数字电子技术基础等。周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容相关文献及基础书籍的查阅，了解课题的意义和研究现状；学习掌握电磁制动器的控制原理及相关电

3、路；研究设计控制系统，利用Multisim仿真分析；对所搭建的的仿真模型进行调试和结果分析；整理论文思路和仿真结果，总结结论并撰写论文，准备答辩。指导教师：卢志刚职称：教授 2012年12月25日系级教学单位审批： 2013年1月10日摘 要摘 要工业电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以据需要自由的结合，切离或制动，因使用电磁力来启动，称之电磁制动器。工业电磁制动器的工作特点是在启动时需要高电压或大电流，而启动后只需要低电压或小电流来维持。目前工业电磁制动器已经广泛应用于港口翻车机、起重机、矿山机械等工业场所，因此对工业电磁制动器控制方法的研究具有极其重要的现实意义。本文设计

4、了一种基于AT89S52单片机的工业电磁制动器的控制方法，实现了工业电磁制动器的数字化控制。文中详细地介绍了工业电磁制动器的控制原理，设计了电磁制动器控制器的电源电路、过零检测电路和晶闸管触发电路，重点进行了单片机控制电路的设计与程序的编写。采用MOC3041光耦隔离器作为晶闸管的触发器件实现对晶闸管的控制；采用MAX813L和Atmega8作为单片机监控器件，实现了对单片机的运行进行实时监控，一旦单片机运行过程中出现问题，监控器件立即作出报警，并对单片机进行复位操作；采用DS18B20作为温度监测器件，实现了对晶闸管的温度监测，防止晶闸管因温度过高而烧毁；采用2.4G无线模块24L01对控制

5、系统的信息进行远程无线传输，可以实现远程无线监控；采用LCM12864作为人机交互界面的显示部分，实时显示系统运行状态，界面清晰直观，方便用户操作。关键词 单片机；晶闸管；工业电磁制动器；无线通信IAbstractAbstractThe electromagnetic brake is a torque transmitted to the driving side of the driven side connector that can be combined according to the free, cut off or braking, the use of electromagn

6、etic force to start, known electromagnetic clutches, brakes, one kinds of modern industry ideal implementation of automation components, mainly from the mechanical transmission system to transmit power and control campaigns and so on. Compact structure, simple operation, sensitive response, long lif

7、e, reliable, easy to implement remote control and so on. In terms of performance the main highlight: high-speed response, durability, large, easy maintenance and assembly, do not need to wear adjustment, action does, torque can be adjusted. Mainly used in metal processing machinery: such as rolling

8、machine, wire drawing machine, punching machines, welding machines, impregnable line returned machine, cutting machine, pipe machine, winding machine, etc.; mechanical work: lathes, milling machines, automatic CNC bed, special etc.; Handling: Cranes, feed machines, conveyors, roll-on, winches, etc.

9、Therefore, the electromagnetic brake control method in practice it is very worthy of study.This paper describes an approach 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

10、 electromagnetic brake control theory, 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 opto isolator as triggering the thyristor

11、thyristor control achieved using MAX813L and Atmega8 microcontroller monitoring device as a real-time monitor the operation of the microcontroller, once a problem occurs during chip operation, monitoring device immediately to the police, and microcontroller reset operation; using DS18B20 as temperat

12、ure monitoring devices, to achieve a temperature monitoring thyristor, thyristor due to high temperature to prevent burning; uses 2.4G wireless module 24L01 information to the control system for remote wireless transmission, can achieve remote wireless monitoring ; using LCM12864 interactive interfa

13、ce as part of the display, real-time display system status, the interface is clear and intuitive, user-friendly operation.Keywords Microcontroller; thyristors; industrial electromagnetic brakes; wireless communicationIII目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 目前的研究现状21.3 本论文的主要内容4第2章 系统方案的选择与论证52.1

14、 设计要求52.2 工业电磁制动器控制方案的选择52.3 晶闸管型号的选择62.4 晶闸管触发方案的选择62.5 电力公害的产生原因及其抑制方法82.5.1 电力公害的产生原因及其分类82.5.2 谐波的产生机理82.5.3 谐波的抑制对策92.6 本章小结10第3章 系统电路的设计113.1 处理器电路的设计113.2 电源电路的设计123.3 过零检测电路的设计133.4 光耦合器触发晶闸管电路的设计133.5 系统监控电路及其信号部分的设计143.5.1 监控及其信号部分微处理器电路的设计143.5.2 单片机自动复位电路的设计163.5.3 晶闸管温度监测电路的设计173.5.4 人机

15、交互界面的设计183.5.5 无线通信模块的电路设计203.5.6 单片机与PC机通信电路213.6 本章小结22第4章 系统程序的设计234.1 程序语言的选择234.2 单片机编译环境的介绍234.3 程序的设计思路254.4主函数程序264.5 本章小结27第5章 电磁制动器控制电路软件仿真285.1 Multisim软件简介285.2 Multisim软件仿真界面295.3 Multisim软件对电路的仿真图305.4 本章小结32第6章 硬件电路的制作与调试336.1 Altium Designer软件简介336.2 Altium Designer软件界面346.3 系统主控部分原理

16、框图356.4 系统主控部分PCB356.5 系统信号部分原理框图356.6 系统信号部分PCB366.7 系统运行效果图376.7 本章小结38结 论39参考文献40致 谢42附录439第1章 绪 论 第1章 绪 论1.1 课题背景及意义工业电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以跟据需要自由结合，切离或制动，因使用电磁力来启动，称之电磁离合器，制动器，是现代工业中一种理想的自动化执行元件，在机械传动系统中主要起传递动力和控制运动的作用1-4。具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，使用可靠，易于实现远距离控制等优点。能够适应现代工业的高速发展对生产制造过程的平稳性、安全性

17、、可靠性等方面提出的要求，广泛应用于定位及要求急停的场合。随着国民经济的持续发展，火电厂、冶炼厂、水泥厂、港口、矿山的建设如火如荼，其所需的散状物料如煤炭、焦炭、矿砂的用量大幅增长，铁路运输与其它各种现在运输方式相比较，具有运输能力大、速度快、单位能源消耗少、受气候的影响小、安全上可靠以及环境污染程度小等优点，因此这些散装物料主要由铁路运输承担。尤其是煤炭的运输，我国煤炭资源丰富，储量居世界之首，主要分布在华北和东北地区，每年都有上亿吨的煤需要进行“北煤南运”。而随着科技的发展和工业自动化程度的不断提高，运输散装物料的火车的卸载不再是过去人工一锹一锹地将散装物料从车厢里卸下，而是由专用的翻车机

18、对车厢里的散装物料进行翻卸，因而对翻车机系统的稳定性越来越高。翻车机系统是一种非常专业化的散状物料卸料系统，是一种翻卸敞车效率最高的专用卸车机械，用于火车装载的散状物料的翻卸。翻车机一般分定位车和推车机两部分。从国内港口了解的情况看，由于定位车、推车机制动器动作频繁，平均每个循环要动作4次，因此定位车、推车机制动器的选型问题一直困扰着各大港口生产10-12。液压制动器存在制动器打开动作缓慢、液压包漏油，液压系统温升较大等问题，影响着作业效率的进一步提升和设备完好率。针对液压制动器的缺点，目前一些港口的翻车机系统中采用的是电磁制动器来取代液压制动器。控制系统是电磁制动器的核心，它的性能直接决定了

19、电磁制动器的性能。其主要作用是产生控制信号，并以电流或者电压的形式作用的电磁线圈上，从而实现对电磁制动器的控制。制动器控制器的工作过程分为两个阶段：吸合阶段和吸持阶段。为了确保电磁制动器迅速打开，吸合阶段的大电流持续的时间一定要足够长；但时间也不能过长，因为在通过大电流的时候电磁线圈的温度会很快的升高，如果时间过长，电磁线圈很容易烧毁，所以这个时间要精确控制；在吸持阶段，电磁线圈只需要一个比较小的电流就可以维持吸合的状态，如果维持电流过大，不仅浪费电能，而且电磁铁的温度会一直比较高，影响设备的使用寿命。但是如果电流过小的话就有可能造成电磁吸力过小，吸合失败，造成电磁制动器的误动。因此，在吸持阶

20、段也需要对电流的大小进行精确的控制。另外，制动器工作现场可能工况条件很差，其供电电源可能会有较大的电压波动、电流谐波等电能质量问题。因此，研究并设计先进的电磁制动器控制系统具有重大的现实意义。1.2 目前的研究现状 制动器根据结构和驱动方式的不同大致分为电磁制动器、电力液压制动器和圆盘式制动器三种。这些制动器都是借助与之匹配的制动轮，利用摩擦副相互摩擦，达到减速、停止、限速下降或保持其静止不动的效果。制动器在工业生产中广泛应用于起重机械，矿山机械、港口设备、建筑机械及各种自动化设备中，是大型可移动设备不可缺少的组成部分。目前，国内外制动器处于新老交替的时代，老式制动电磁铁存在起动及维持电流较大

21、、功率因数低、体积大、故障率高、高能耗、高噪声等缺点；而液压制动器存在漏油的风险，轻则污染环境，造成润滑油的浪费，重则引起液压设备缺油拉缸，造成设备损坏。随着电子器件的飞速发展和成熟应用，电磁式制动器日益取代了液压式制动器，并应用于各种设备中13-15。电磁制动器主要通过控制器发出的制动信号以电流的形式通过电磁体，利用改变通入电磁体的电流来改变制动器的制动力。其中一些电磁制动励磁线圈工作在不变的电压下。这样在保持吸合状态的工作时段，一直持续大电流，为了避免励磁线圈发热，只能是增加线圈匝数或钢材，既浪费原材料又浪费电能。并且更重要的是，制动器的工作电流大，储存了较多的电磁能，断电后衔铁不能快速脱

22、开制动，制动时间几乎全部不合格。为缩短制动时间，有的设计在回路中串入交流接触器的常开触点，即所说的较快制动接法。这无疑给用户增加了麻烦，更主要的是易拉长电弧和引起较大的触点烧损，即使切断较小的电流，也往往要有较大的触点，要求动、静触点有较大的距离。让用户用交流接触器的辅助触点是很难胜任的，其后果是烧坏触点等线路故障经常发生，同时开合时的过电压也容易击穿整流元器件和励磁线圈。目前国内外有很多学者对电磁制动器的控制方法进行了相关的研究，大致分为四个研究方向：1 利用单片机等可编程器件做主控器件，对晶闸管或IGBT进行程序控制，通过灵活、精确地控制晶闸管的导通角或IGBT的占空比来调节电磁线圈中电流

23、的大小，实现对电磁制动器的数字化控制。其优点是用到的器件较少，一块单片机可以代替大量的数字和模拟器件，成本低；其缺点是稳定性问题一直让可编程器件在工业控制领域止步不前。2 利用运算放大器、三极管、逻辑门电路等数字、模拟器件组成的硬件电路作为控制电路，主回路由整流二极管、晶闸管、续流二极管组成。其优点是稳定性高，能够适应复杂的工作环境，执行速度快；其缺点是电路复杂，设计开发周期长16-18。3 对于稳定性、节能性和功率器件产生的“电力公害”的研究，主要是针对工业电磁制动器在复杂的工业环境中稳定运行和节能控制以及减少器件产生的谐波对电网的影响所进行的研究19-20。4 对于系统自动智能控制方向的研

24、究，随着科学技术的发展，自动化技术在工业领域的应用越来越广泛21-22。保护、监测和控制逐步达到自动化，对于工业电磁制动器的安全、稳定运行是十分重要的，且其重要性和作用正逐渐增大。在某些方面，比如温度监测、无线数据传输、数字化控制自动化技术是必不可少的。实现工业电磁制动器自动化控制就是采用现代电子、通信和计算机等技术和装备对工业电磁制动器实行自动控制，方便用户对工业电磁制动器在正常运行和事故情况下进行监测、保护、控制和管理，大大提高控制系统的稳定性、安全性、可操作性，提高了工作效率。1.3 本论文的主要内容论文的主要内容如下：1 主要阐述工业电磁制动器的运行规律，设计了单片机对于晶闸管的控制方

25、法，其中包括单片机过零检测电路的实现、晶闸管的选型和单片机控制程序的编写。2 阐述了“电力公害”的产生原因以及常用的抑制方法。3 提出了控制系统保护电路的设计方案、单片机抗电磁干扰的电路设计方案、自动复位及报警电路的设计方案，目的是最大限度的保证控制系统稳定运行。通过实际调试总结了装置存在的硬件原因，并提出了修改方案，提出了人机交互界面的设计方案，包括LCM12864液晶的控制、主从机通信的实现方案。提出了信息无线传输的设计方案，利用2.4G无线通信模块24L01将工业电磁制动器的运行状态信息实时反馈到主控室，大大方便了用户操作。4 介绍了电路仿真软件Multisim，并用Multisim进行

26、了主控电路的仿真，通过反复调节电路参数得到了理想的仿真数据及其图像。介绍了PCB制作软件Altium Designer，用Altium Designer软件绘制出控制电路和信号电路的原理图、PCB图，并用热转印的方法制作出了实物硬件电路，经过测试，电路运行状态良好。第2章 系统方案的选择与论证 第2章 系统方案的选择与论证2.1 设计要求 产品应用于工业控制场合，要求具有较高的稳定性，因此在选用器件时要注意预留一定的余量。为了实现对工业电磁制动器的精确控制，需要实现数字化控制。为了保证系统稳定可靠运行，系统的电源要求用市电即220V交流电，其电源质量一定要符合工业要求。为了方便用户管理和操作，

27、系统的人机交互界面要求简洁实用，可以实时显示控制系统的运行状态。为了监测主控芯片的状态，需要设计温度监测模块，防止芯片因温度过高而烧毁。为了实现远距离监控，系统需要设计信息无线传输部分。2.2 工业电磁制动器控制方案的选择工业电磁制动器的控制规律是高电压或大电流启动，低电压或小电流维持。根据实际参数得出工业电磁制动器在启动时需要一个大约持续0.4s的高电压或大电流，之后只需要一个小的电流维持其运行即可。因此决定采用晶闸管作为主控器件，在工业电磁制动器开始启动时给予晶闸管一个大的导通角，0.4s后在给予晶闸管一个较小的导通角，让其维持运行状态。目前的控制方案有两种：一种是采用模拟器件组成控制电路

28、，另一种是采用可编程数字器件组成的控制电路。1 采用模拟器件组成控制电路模拟电路具有抗干扰能力强的优点，在可编程数字器件广泛应用之前都是应用模拟器件搭建控制电路，但其缺点是电路复杂，修改参数困难，开发周期长，控制精度不高、易受温度漂移的影响。2 采用可编程数字器件组成控制电路数字式触发电路是通过脉冲定时计数的方式实现触发角的延迟计算。与模拟方式相比，其控制精度高，但其主要缺点是稳定性较差，在复杂的工业环境中，程序容易出现跑飞现象，因此采用可编程数字器件组成的控制电路需要充分考虑电磁兼容的问题，提高可编程数字器件的稳定性。考虑到模拟和数字电路各自的优缺点，为了调试系统方便，得到较高的控制精度，本

29、次毕业设计决定采用可编程数字器件组成控制电路，即采用单片机作为主控芯片，通过调节晶闸管导通时刻的相位来达到控制晶闸管输出电流大小的目的。晶闸管的移相触发方式具有调节周期短，调节分辨率高的特点。2.3 晶闸管型号的选择根据实际测量数据得到工业电磁制动器的阻抗约为6.5，其供电电源采用220V交流电，因此器件大约要经受住40A电流。为了减小晶闸管产生的电流谐波问题，决定采用双向晶闸管，根据仔细分析比较决定采用BTA40-600B，其中BT的含义是双向可控硅系列，A的含义是绝缘，40的含义是可流过的最大电流为40A，600的含义是耐受电压为600V，B的含义是触发电流50mA， BTA40适用于通用

30、交流电源，可以很好的对抗冲击电流，器件温度范围为-40+150，封装类型为TOP3，可以加装散热片。2.4 晶闸管触发方案的选择晶闸管作为一种可靠的控制器件，广泛地被用作各种控制系统的执行器件。晶闸管是一种大功率的半导体器件，具有弱电控制，强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较大的电流。晶闸管的触发方案通常有两种，一种是经脉冲变压器触发，一种是用光耦合器隔离触发。1 使用光耦隔离器的触发方案在要求触发脉冲较宽的晶闸管控制系统中，常用光耦合器组成晶闸管触发电路。常用的触发器件有MOC3041、MOC3061等，但是MOC3061自带过零检测电路，不能实现移相控制，所以不能实现对工业电磁制

31、动器的精确控制。因此决定采用MOC3041作为触发器件。MOC3041是双向晶闸管输出型的光耦合器，输出端的额定电压为400V，最大输出电流为1A，最大隔离电压7500V，输入端控制电流小于15mA。MOC3041作用是隔离单片机系统和触发外部的双向晶闸管。当负载为感性负载时，由于电压上升率较大，有可能超出MOC3041允许的范围。在阻断的状态下，晶闸管的PN结相当于一个电容，如果突然收到正向电压，充电电流流过门极PN结时，起到了触发电流的作用。当电压上升率较大时，就会造成MOC3041的输出晶闸管误导通。因此，在MOC3041的输出回路中加入电阻和电容组成的RC回路，降低电压上升率，使在允许

32、的范围内。按照MOC3041的技术指标，允许最大电压上升率=10V/us。结温上升时，下降，在极端的工作条件下，=0.8V/us。在实际应用中，太大的电压上升率，对于双向晶闸管是不允许的，所以在控制功率较大的使用场合，双向晶闸管需要加电阻电容串联的RC回路。2 使用脉冲变压器的触发方案脉冲变压器触发方式可以减少晶闸管门极的功耗以及触发信号放大电路的功耗。脉冲变压器用于隔离主回路与触发电路，并把触发脉冲加到晶闸管的门极上。使用脉冲变压器，可以把脉冲电压升高或降低，改变脉冲的极性以及使阻抗匹配。脉冲变压器在结构上与普通变压器相似，但其工作情况却有很大区别。普通变压器一次侧加的是正弦电压，而脉冲变压

33、器一次侧加的是周期脉冲电压。因而它们的电磁过程各有特点，计算方法也不相同。脉冲变压器在传送脉冲信号时，脉冲波形不应发生畸变，因此对于传送一定宽度矩形脉冲的脉冲变压器，在矩形脉冲电压作用期间，铁心不能饱和。这也是确定脉冲变压器铁心截面积的基本条件。脉冲变压器工作时，加在脉冲变压器上的电压为单向脉冲电压。由于铁磁材料具有磁滞和剩磁特性，在单向脉冲电压作用下，铁心中的磁感应强度是在剩余磁感应强度和未饱和时最大磁感应强度之间变化。铁心中的磁感应强度变化量为=-因此脉冲变压器工作期间，其铁心中磁感应强度变化范围较窄，铁心利用率不高。触发脉冲的宽度由单片机设定。为了保证触发晶闸管可靠导通，要求触发脉冲具有

34、一定宽度。一般晶闸管导通时间为6us，故触发脉冲的宽度应有6us以上，一般取20-50us。对于感性负载，触发脉冲宽度还应加大，否则在脉冲终止时，主回路电流还未上升到晶闸管的维持电流以上，则晶闸管又重新关断，故脉冲宽度不应小于100us，一般用1ms。由于脉冲变压器的体积较大，价格较贵，控制复杂，从经济性和实用性的角度考虑决定采用光耦器件MOC3041作为晶闸管的触发元件。2.5 电力公害的产生原因及其抑制方法2.5.1 电力公害的产生原因及其分类电力电子装置如整流器、逆变器和斩波器等对于电网来说属于非线性负载，它产生的有害高次谐波电流“注入”电网，造成电网的严重污染。在高频开关器件大量应用电

35、力电子装置中，由于高电压和大电流脉冲的前后沿很陡峭，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些电磁信号是严重的电磁干扰源，对电力系统的正常运行和其他设备构成相当大的危害。整流器等电力电子装置往往使网侧电流滞后于网侧电压，造成电力电子装置功率因数降低，使电网无功功率增加，给电网带来额外的负担，并影响供电质量。电力公害的分类：1 谐波公害：会使电网供电电压波形畸变，供电质量降低，产生网侧过电压和过电流，使供用电系统的能量损耗增加，供用电设备的寿命缩短。2 电磁干扰公害：高频开关变换器工作时，内部的高电压或大电流波形以极短的时间上升或下降，这些具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰信号。这些电磁干扰信号一

36、方面会污染电网，通过电网干扰其他用电设备；另一方面通过传输线的传导或经过空间进行辐射而对电子设备的正常工作造成威胁。3 功率因数公害：按照定义，功率因数是变流装置电网侧有功功率与视在功率之比。电网接变流装置之后，功率因数必然降低，导致网侧输入电流有效值增大，使得熔断器、断路器及传输线的规格及电源滤波器的容量增大。在三相四线制整流电源中不但使网侧功率因数降低，而且由于它的三次谐波电流在零线中相位相同，这些谐波电流合成后使零线电流增大，有时可能超过各相相电流。因为按安全标准规定，零线不能装设保护装置，所以可能使零线因过热而损坏。2.5.2 谐波的产生机理在电力电子变换电路中存在着周期性非正弦电流，

37、它使得供电系统中不仅有基波电流，而且还有大量谐波电流，在本次毕业设计中，采用晶闸管作为控制电流的器件其产生的主要电力公害就是谐波公害。其谐波产生原因与带电感性负载的单相桥式整流电路相似。当触发角为时，变压器次级电压和电流波形如图2-1所示，对次级电流波形进行傅里叶分解，得 (2-1)基波电流有效值为： (2-2)所以： (2-3)式中：/为电流基波有效值同变压器次级电流有效值之比，它表示了电流波形含高次谐波的程度，称为畸变因数，用表示。图2-1 整流变压器次级电压和电流波形2.5.3 谐波的抑制对策1 LC无源滤波器利用LC电路串联谐振特点抑制向电网注入的谐波电流。在谐振频率上电路的阻抗最小，

38、而非谐振频率上，阻抗增大。将谐振点调整至某特征谐波频率，即可滤去某一高次谐波。LC无源滤波器如图2-2所示，图中包含有5次谐波滤波器，7次谐波滤波器，11次谐波滤波器。在工业电磁制动器运行的电网中加入LC无源滤波器能有效的抑制谐波电流对电网的危害。图2-2 LC无源滤波器2 静止无功补偿器在网侧设置无功补偿装置(Static Var Compensator，SVC)用于补偿谐波造成的无功功率，以提高功率因数。合理设置无功补偿装置中的电感L和电容C，使其能在某次频率产生谐振，从而滤除该频率的谐波。图2-3 SCV类型2.6 本章小结本章主要论述系统方案的选择与论证，介绍了系统的设计要求。确定了工

39、业电磁制动器的控制方案，决定采用可编程数字器件作为主控芯片。确定了所使用晶闸管的型号。确定晶闸管的触发方案，并分析了晶闸管的谐波公害，及其抑制方法。 第3章 系统电路的设计第3章 系统电路的设计3.1 处理器电路的设计 图3-1 处理器模块电路原理图At89S52单片机是一款美国ATMEL公司生产的基于51内核的低电压，高性能CMOS 8位单片机。其片上资源非常丰富：8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器。256 bytes的随机存取数据存储器。采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产。与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容。片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元

40、。具有1000次擦写周期。三级加密程序存储器。32个可编程I/O口线。三个16位定时器/计数器。8个中断源。低功耗空闲和掉电模式。单片机复位电路的作用是使单片机有效复位，此款单片机的复位方式是高电平复位，此复位电路可以实现上电复位和按键复位，当系统上电时电容C7充电，单片机RESET引脚出现一个高电平并持续一定时间，使单片机复位。当按键开关按下时单片机RESET引脚直接接到VCC，实现按键复位。在单片机的VCC与GND上加上一个滤波电容，这样做的原因是为了最大限度减少电源对单片机的干扰。通常情况滤波电容都是一个瓷片电容和一个电解质电容，瓷片电容是过滤低频杂波，电解质电容是过滤高频杂波。在本次电

41、路设计中考虑到系统本身为低频率电路故把电解质电容去掉只用的贴片封装的瓷片电容方便PCB板的制作。3.2 电源电路的设计 本次设计中系统需要提供5V电源为单片机、MOC3041、P521、LCM12864等器件供电，为了防止供电出现问题，决定直接取用市电作为供电电源，变压器TF将220V交流电转换为9V交流电，通过整流桥和电容进行整流和滤波后再经过稳压芯片,得到稳定的5V电压。稳压芯片分为两种类型，一种为线性稳压，其优点是稳压后的电源谐波少，价格低廉；缺点是压差大，散热大，能源利用率低。另一种为开关电源，其优点为压差小，损耗小；缺点为稳压后的谐波比较多，容易产生噪声。综合稳定性的考虑，决定采用三

42、端1.5A正电源稳压芯片LM7805。LM7805是三端正电源稳压电路，使用方便，电子制作中经常采用，它的封装形式为TO-220,它有固定的电压输出，应用非常广泛。由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它就能够提供大于1.5A的输出电流。具有热过载保护，短路保护，输出晶体管安全工作区保护等保护措施。但当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。其原理图如图3-2所示，第1引脚为输入端，第2引脚为地，第3引脚为输出端，电容C1、C4为电解电容，容值较大作用是滤波，利用电容的充放电效应，使脉动直流变成纹波不大的直流电。C2、C3为陶瓷电

43、容，容值较小，作用在于旁路频率较高的波动电压。图3-2 单片机供电电路3.3 过零检测电路的设计 图3-3 过零检测电路如图3-3所示，过零检测的原理是220V交流电经过变压器后变为9V交流电，经过整流桥之后变为直流脉冲，当脉冲在过零点时使输出端导通，给单片机外部中断送入一个脉冲。此设计需要注意的是电阻R5的选取，其阻值不能太小，否则输出的脉冲波形的幅值会比较小，无法触发单片机的中断。电阻R4用来限制流过光电耦和器U4的电流，防止流过光电耦合器U4的电流过大而使光耦合器烧毁。变压器TF2的作用是将220V交流电变为9V交流电，目的是方便信号的提取。整流桥的功率是2W，可以流过10A的电流，满足

44、系统要求。3.4 光耦合器触发晶闸管电路的设计 在要求触发脉冲较宽的晶闸管控制系统中，常用光耦合器组成晶闸管触发电路。MOC3041是双向晶闸管输出型的光耦合器，用于触发双向晶闸管且不需要另外的触发电源，使用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。如图3-4所示，当单片机的IO口输出低电平时，MOC3041的输入端有电流输入，输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管VR导通；当单片机的IO口输出高电平时，MOC3041输出端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管VR也关断。电阻限制流过MOC3041输出端的电流不要超过1A。的大小由下式计算，式中为工作电压的峰值，为MOC3041输出端的最大的允许电流

45、。当负载为感性负载时，由于电压上升率较大时，就会造成MOC3041的输出晶闸管误导通。因此，在MOC3041的输出回路中加入和组成的回路，降低电压上升率，使在允许的范围内。图3-4光耦合器触发晶闸管电路3.5 系统监控电路及其信号部分的设计 3.5.1 监控及其信号部分微处理器电路的设计在工业产品中，系统的稳定性尤为重要，因此需要设计系统监控与信号部分，用于实时监控系统的运行状态，在故障发生后，第一时间内做出反应，以求最大限度的减少故障所带来的损失。Atmega8 单片机是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及时钟周期指令执行时间，Atmeg8 的数

46、据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。通过将8位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内使ATmega8 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 主要特点为： 8K字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，RWW)。256 bytes的随机存取数据存储器。1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。32 个通用工作寄存器三级加密程序存储器。三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器 (T/C)。10 位 6 路 (8 路为 TQFP

47、 与 MLF 封装 )ADC。具有片内振荡器的可编程看门狗定时器。低功耗空闲和掉电模式。五种可以通过软件进行选择的省电模式。一个 SPI 串行端口。图3-5 监控与信号部分微处理器电路Atmega8的最小系统部分和复位电路部分如图3-5所示，Atmega8为高电平复位方式，此复位电路设计实现了上电复位的机械式复位两种复位模式。其原理与At89S52类似，因此这里就不在详细叙述。3.5.2 单片机自动复位电路的设计 图3-6 单片机自动复位电路MAX813L是美国MAXIM公司生产的微处理器专用监控器，具有看门狗、电压检测和上电复位等功能，可提高系统的可靠性和准确性。目前监控电路在工业监控系统和

48、微处理器中已得到广泛地应用，它可以有效的防止程序的“跑飞”，并自动将系统恢复正常工作状态。当外来干扰导致数据总线、I/O总线或控制总线上的数字信号错乱时，将引发一系列的后果，特别是程序指针计数器PC值受干扰而改变时，将引起程序“跑飞”，使系统出现死机或其他一些不可预知的情况。将WDO接到微处理器的非屏蔽中断输入端NMI，当电源电压Vcc低于复位的门限电平时，无论看门狗计数器计数值是否到，WDO端都将被拉至低电平，产生非屏蔽中断，同时RESET信号也同时产生，因此，非屏蔽中断将会被RESET信号所覆盖。手动操作MR端允许通过手动按钮开关产生一个负脉冲去触发复位信号产生器产生复位信号RESET。M

49、R端对TTL/CMOS兼容，因此，它可以由外部的逻辑电路去驱动。在MAX813L中，可以利用MR接到看门狗定时器的输出脉冲端来产生复位脉冲，因此只要将MR和WDO简单的接在一起即可。当微处理器经过1.6秒仍然没有二次触发看门狗输入端WDI，那么，WDO就会输出一个负脉冲，这个负脉冲作用于MR端，通过复位信号产生器强制产生RESET信号。如图3-6所示，电阻R1和R2分压产生1.25V电源门限值。当此脚的电压低于1.25V时，即电源电压低于额定值时，PFO将产生一个脉冲信号，可以用于向CPU发出中断，使CPU完成应急处理。此功能可以完成电源电压监测。在软件的编制中，每次程序的循环通过对At89S

50、52单片机的P2.7引脚进行位操作向MAX813L的看门狗输入端输入一个负脉冲。如果程序出现“跑飞”现象，程序将不能正常运行，这个定时发出的脉冲也得不到保障。当单片机超过1.6秒未向MAX813L的看门狗输入端发脉冲信号，MAX813L内部的定时器将会强制将WDO拉到低电平，这个低电平通过MR产生复位信号。单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系统的可靠性，起到了看门狗的作用。3.5.3 晶闸管温度监测电路的设计晶闸管属于功率器件，当有较大的电流流过的时候，芯片会产生一定的热量，当流过的电流过大时芯片会发热严重，这时候就需要采取一定的措施，防止芯片因温度过高而烧毁。DS18B20是美国DAL

51、LAS半导体公司推出的第一片支持“单总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易与微处理器连接等优点，可以直接将温度转化为串行数字信号供处理器处理。DS18B20温度传感器特性：适应电压范围宽，电压范围在3.0-5.5V, 在寄生电源方式下可由数据线供电。独特的单总线接口方式，它与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。测温范围-55+125，在-10+85时精度为0.5。可编程

52、分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5，0.25，0.125可实现高精度测温。测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC效验码，具有极强的抗干扰纠错能力。负压特性。电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。如图3-7所示，DS18B20的电路非常简单，1脚接地，3脚接VCC，2脚接一个4.7K的上拉电阻，然后接到单片机的I/O口。图3-7 温度检测电路3.5.4 人机交互界面的设计图3-8 LCM12864显示电路原理图人机交互界面主要由按键和液晶显示器组成，按键用于输入信息，液晶显示器用于显示信息。液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分

53、子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。各种信号的液晶通常按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名。本次毕业设计用到的是12864液晶，12864的意思是由128列、32行组成，即共有128*32个点来显示各种图形，可以通过程序控制这些点中的任一个点显示或不显示。液晶的体积小、功耗低、显示操作简单。如图3-8所示，液晶LCM12864的1脚为电源地、2脚为电源正极。3脚为液晶的显示对比度端口，可以悬空。4脚R/S（CS）为数据/指令选择端或串行操作的片选端，高电平为写数据，低电平为写指令。5脚R/W（SID）为读/写选择端或串行操作的数据口，高电平时读出数据，低电平时写入数据。6脚E为使能

54、信号，在单片机向12864写数据/指令时需要将使能信号从低拉到高再拉低，数据/指令才能写入。7脚至14脚为8个数据端口。15脚PSB为并口串口选择端，当输入高点平时为并口操作方式，输入低电平时为串口操作方式，在本次设计中应使用并口操作故直接将15脚解电源。17脚为硬件复位端口高电平有效，在本次设计中12864采用软件复位故直接将17脚接地。19、20为12864的背光电源。由于单片机的I/O资源有限，所以决定采用串行通信方式，即只需要5个引脚就可以完成12864液晶与单片机之间的通信。图3-9 按键部分电路的设计如图3-9所示，按键部分采用独立按键的形式，上拉电阻R6和R7保证了按键在未按下时

55、使单片机的P2.0与P2.1口保持高电平状态，当按键按下时将I/O口状态变为低电平。3.5.5 无线通信模块的电路设计图3-10 无线模块接口电路的设计为了实现对工业电磁制动器运行状态进行实时监测，决定采用2.4G无线通信模块nrf24L01将系统监控部分采集到的信息传输到上位机或手持数据终端。nrf24L01是一款工作在2.4G世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器、输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。其主要特点如下：2.4Ghz全球开放 ISM 频段免许可证使用

56、。最高工作速率 2Mbps，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。126 频道，满足多点通信和跳频通信需要。内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制。内置 2.4Ghz 天线，体积小巧 34mm X 17mm。模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据指示，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便。内置专门稳压电路，使用各种电源包括 DC/DC 开关电源均有很好的通信效果。 标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用。工作于 Enhanced ShockBurst 具有 Automatic packet handling, Auto packet transactio

57、n handling 具有可选的内置包应答机制，极大的降低丢包率。低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为 22uA；掉电模式下为 900nA。 如图3-10所示，电源侧接电压范围为1.9V至3.6V之间，不能再这个区间之外，超过 3.6V 将会烧毁模块。推荐电压 3.3V 左右。除电源 VCC 和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO 口直接相连，无需电平转换。当然对 3V 左右的单片机更加适用了。硬件上面没有 SPI 的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO 口模拟 SPI 不需要单片机真正的串口介入， 只需要普通的单片机 IO 口就可以了，当然用串口也可以。与Atm

58、ega8 单片机连接时需要加2K的电阻用于限流。3.5.6 单片机与PC机通信电路图3-11 单片机与PC机通信电路单片机通信使用的电平为TTL电平即高电平1为3V5V，低电平0为0V而与计算机通信时的电平为232电平即高电平1为-3V-25V,低电平0为3V25V。故单片机与计算机通信时需要将TTL电平转化成232电平。MAX232芯片是美信公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。电路原理图中的C55、C56、C57、C58、C59、C60均为参考芯片手册建议电路加入的滤波电容。LED1、LED2为信号指示灯，R45、R47为限流电阻。当单片机与计算机通信

59、时指示灯闪烁J6是与计算机连接的接口为通用RS232接口。RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备和数据通讯设备之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。上位机软件如图3-12所示。图3-12 上位机串口软件界面3.6 本章小结本章是本次毕业设计的重点章节，是硬件部分的设计原理。主要介绍了工

60、业电磁制动器控制部分电路和信号部分电路的原理及设计。包括处理器电路的设计、电源电路的设计、过零检测电路的设计、光耦合器触发晶闸管电路的设计、温度监控电路的设计、单片机自动复位电路的设计、无线信号收发电路的设计、单片机与PC机通信电路设计等内容。39 第4章 系统程序的设计第4章 系统程序的设计4.1 程序语言的选择本系统涉及的计算、处理工作很多。汇编语言编译效率高，但计算能力不强，较大规模的复杂程序设计困难，且开发周期长，可读性及维护性都比较差。系统软件编程语言采用C语言，C语言是一种结构化程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具有汇编语言的功能。C语言库函数丰富，运算速度快，具有良好的

61、可移植性，而且可以实现直接对系统硬件的控制。目前的C语言编译器编译效率很高，可达到最优汇编程序的1.2倍-1.5倍，软件采用模块化程序设计，利于程序的调试和维护，C语言在这些方面具有得天独厚的优点，因此选用C语言。4.2 单片机编译环境的介绍在本次毕业设计中应用到了MOS-51系列的At89S52的单片机和AVR系列的Atmega8单片机，因此它们有不同的编译环境。1、At89S52单片机的编译环境At89S52单片机的编译环境为Keil软件，Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有

62、明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。图4-1 Keil Vision2的界面如图4-1所示，Keil Vision2是以Windows为基础的单片机程序开发环境，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度使用。2、Atmeg