毕业论文-天车防撞系统的设计

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摘要

目前，很多厂矿企业车间使用的天车往往是多台配合使用。一直以来，因天车碰撞发生的安全事故给国民生产生活造成了巨大损失。传统的解决方案难以有效解决这一难题，本文将超声波测距技术应用于该系统，提出了一种较为可靠的方案。

本设计采用AT89C51单片机为核心，搭建系统的控制模块，负责系统的调度，信号的处理，并给出相关的外围接口电路。超声波接收模块选用CX20106作为接收器，完成信号的采集处理放大。电机减速模块选用西门子MM440变频器，利用DAC0832将单片机的数字控制信号转换为模拟控制信号，然后将模拟信号输入到变频器中达到改变频率控制电机转速的目的。通过利用单片机对超声波往返时间的计算，达到测量天车距离的目的。然后使用LCD1602液晶模块显示实时距离，并利用单片机判断天车距离是否达到报警距离和危险距离，并做出相应的处理。

本文设计的天车防碰撞系统技术可靠经济实用，具有很好的使用价值。设计功能完善，接口资源丰富，可以方便的对系统进行二次开发。

关键词：单片机；超声波；测距；报警

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Abstract

Cranes are often used in many factories and mine．All along，safety incidents occurred in cranes collision caused a great loss of lives andproperty．Traditional solutions Can not effectively solve this problem．In this paper,radio frequency identification technology has been used in this system，proposed amore reliable option．

This design uses AT89C51 microcontroller as the core, to build the system control module, responsible for the scheduling, signal processing, and gives the associated peripheral interface circuit. CX20106 ultrasonic receiver module used as a receiver, signal acquisition and processing to complete amplification. Motor deceleration Siemens MM440 Inverter module selection, the use of the DAC0832 digital control signal the microcontroller converts the analog control signal, then the analog signal input to the inverter to change the purpose of frequency control motor speed. Through the use of single-chip ultrasonic round-trip time calculations, to achieve the purpose of measuring the distance crane. LCD1602 display module and then use the real-time distance, and the use of the microcontroller to determine whether the alarm distance from the crane and dangerous distance, and make the appropriate treatment.

This design of crane anti-collision technology, reliable and economical system, has a very good value. Functional design, the interface is rich in resources, the system can be easily secondary development.

Keywords: microcontroller； ultrasonic； range- distance；warning;

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目录

第1章 绪论 ................................................................................................................................. 1

1.1天车防碰系统研究意义与前景 ............................................................................... 1 1.2天车防碰系统的国内外发展 .................................................................................... 1 1.3任务要求 ........................................................................................................................ 2 第2章 方案论证 ........................................................................................................................ 3

2.1 总方案框图 ................................................................................................................... 3 2.2 主控制模块的选择 ..................................................................................................... 3 2.3 测距模块的选择 .......................................................................................................... 4 2.4显示模块的选择 ........................................................................................................... 6 2.5电机调速模块的选择 .................................................................................................. 7 方案确定 .............................................................................................................................. 12 第3章 硬件电路设计 ............................................................................................................. 13

3.1 AT89C51主控制模块 ................................................................................................ 13 3.2 CX20106超声波接受模块....................................................................................... 15 3.3发射电路方案设计 .................................................................................................... 16 3.4系统显示电路设计 .................................................................................................... 16 3.5驱动电路的设计 ......................................................................................................... 17 第4章 软件设计 ...................................................................................................................... 25

4.1系统软件功能程序流程图....................................................................................... 25 4.2系统安全天车距离模型 ........................................................................................... 28

4.2.1系统安全跟车距离模型的建立 ................................................................. 28 4.2.2模型中各参数的确定 ................................................................................... 31

第5章 结论 ............................................................................................................................... 33 致谢 ............................................................................................................................................... 34 参考文献 ...................................................................................................................................... 35 附录 Ⅰ......................................................................................................................................... 36 附录 Ⅱ......................................................................................................... 错误！未定义书签。 附录 Ⅲ......................................................................................................................................... 45

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第1章 绪论

1.1天车防碰系统研究意义与前景

天车又称起重机、吊车，是现代工业生产中的一种重要装备，种类繁多，使用量大。它是一种用来起吊、放下和搬运重物的设备，在工矿企业中应用非常广泛。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成矩形的工作范围，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。随着天车在经济建设中的地位越来越重要，天车的使用越来越广泛，对于天车的使用、管理与安全检验等方面的要求也越来越严格，尤其是安全检验方面。为此，国家专门颁布了《起重机安全检验大纲》等规定，对起重机的安全防碰撞装置有了更新的要求。

很多厂矿企业车间使用的天车往往是多台配合使用，以起吊大型超重的设备。在同一建筑物内，同层、上下层、或上中下三层设置轨道运行式起重机的情况下，由于调度不易，容易出现碰撞事故，造成操作人员生命威胁和财产损失。而且天车使用频繁、现场灰尘大、噪音大、电磁干扰严重、环境恶劣，尤其是夜间操作时，视线昏暗，更容易出现生产事故。近年来，天车撞人致伤、致死事故屡屡发生。经分析，事故发生的原因是天车自带的安全装置即防碰撞装置未起作用或根本就没有安装防碰撞装置所致。因此，研究一种安全可靠，能够稳定运行的天车防碰系统有着重要的意义。

1.2天车防碰系统的国内外发展

天车防碰系统是石油、天然气、盐业、地矿等钻探作业中，钻机游动滑车顶撞天车事故安全预防的保障系统。随着微电子学、传感技术、自动化控制的迅猛发展，这些技术已经完全应用于天车防碰系统中，出现了新一代的数显防碰装置。在钻井过程中，它能对钻机游动滑车的上升或下放过程实行直观的高度显示，并对顶撞天车事故实施随钻监测、声光报警、自动控制，特别在雪天、雨天、大雾天、夜间等特殊情况下，使司钻可直观方便地通过观察显示数据而清楚地知道此刻游动滑车所处的距离位置。

天车防碰系统发展分为普通型防碰系统和数字型防碰系统。国内外1997年以前生产的天车上配备大多为普通型防碰系统，它是通过绞车滚筒轴上方的防碰肘阀(过卷阀)来控制刹车气路。国外IDECO公司系列天车、修井机所采用的天

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车防碰系统(KOoMEY公司的产品)均属此原理。国内部分产品离合器控制阀的进气不是来自天车防碰开关，天车防碰系统不起作用，离合器仍能结合进行作业，一旦滚筒过卷，刹车气缸作用，滚筒离合器不能自动断开，如果司钻没能及时关闭离合器控制阀，动力或传动系统的势能仍能输入滚筒，滚筒在动力或传动系统的势能和刹车的共同作用下，不能保证迅速制动。

自从1997年数显防碰天车问世以来，国内外生产的电驱动天车及部分机械驱动天车配备了此套装置。它是集显示天车游动滑车距离及防止游动滑车碰撞天车于一身的新型控制器，能显示游动滑车从0.1m至钻台以上200 m内任意位置距离，具有在特定位置报警并对绞车制动的动能，可以大大方便司钻的操作。

该装置由可编程控制器、数显操作盘、编码器等主要部件组成。由安装在绞车滚筒轴端的编码器，将游车大钩的距离转换成绞车滚筒的旋转量，再把滚筒的旋转量转化成脉冲输出给可编程控制器，可编程控制器通过数学运算，将编码器送来的脉冲进行处理、转换后输出2路信号：一路送至数显操作盘以供显示；一路输出给天车电动机，控制刹车动作。

普通型天车防碰系统根据对现场使用情况的考查，工作基本正常。但由于天车防碰系统属于一种安全预防事故发生的装置，安全可靠很总要。普通型天车防碰系统属于传统机械式防碰系统。无法显示实时距离，设备可靠性差。 已经属于淘汰产品。

数显型天车防碰系统数显天车防碰系统以其安全可靠、操作简便、数据直观等优点，已经完全被现场使用者所认可。在近几年现场使用情况的基础上，又对其进行了改进，使用性能不断趋于合理和完善，从而很好的满足了天车现场的需要。

1.3任务要求

该设计主要完成对天车距离的自动监测与报警。包括传感器与测量电路设计、报警电路设计、主机及扩展部分设计、通信部分和系统软件设计。

技术要求：

（1） 天车行进不能碰撞。

（2） 当天车之间的距离小于5米时，提出声光报警，当距离小于2米时，切断天车的电源，并启动制动装置，同时继续报警，只有当天车启动反向运动时才能重新开启天车。

（3） 距离检测范围：0.2m-8m，检测精度：0.1m；当距离小于5m时，控制天车减速，并以低速运行，防止因天车高速行进并瞬间急停造成吊钩的摆动。

（4） 检测目标距离 并显示在液晶屏上；

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第2章 方案论证

2.1 总方案框图

如2.1系统方框图所示单片机作为主控制模块。超声波发生器发射超声波，之后接收模块接收到反馈信号。利用发射与接收的时间差t，来计算出天车的距离，利用单片机进行数据处理判断。 并进行距离显示。当单片机判断为警报距离时，光报警模块便会启动。以提醒天车驾驶员注意，同时控制模块控制三相电机减速。当单片机检测到危险距离时，单片机会强制输出停止指令，令电动机马上停止。从而保证了人员安全。只有距离大于危险距离时，电机才能前进。

图2.1 系统方框图

超声波接收传感器 超声波发生器 LCD显示 主控制模块 声光报警 模块 控制模块 电源 交流电机2.2 主控制模块的选择

单片机的结构及其采用的半导体工艺，使之具有显著的特点，优异的性价比。大大降低了控制成本。

单片机的体积小，可靠性高，其内部采用总线式结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力，可以用于恶劣的环境下工作。单片机的控制能力强大能满足设计要求单片机指令系统中均含有丰富的转移指令、I/O接口指令及位处理功能。单片机的逻辑控制功能均高于同一档次的微机。因此选用单片机作为主控制器。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含

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4K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PERONM)和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域

2.3 测距模块的选择

本文涉及到距离的检测。可有2种方案供选择。 其一是激光测距，其二是超声波测距。 由于题目要求的测距范围是80m以下因此激光的波速太快其往返时间太短，接收系统很难捕捉到反射信号。而且在工厂中，油污粉尘比较大。而激光的衍射能力弱，激光发射器探头极易受到油污的干扰。因此不能选择激光测距系统。

经过多方面研究调查，选用超声波发生器最为合适。因为超声波的波速慢。因此80米的距离往返时间比较大。接收器更容易捕捉到反射信号。

为了以超声波作为检测手段必须产生超生波和接收超声波。因此我们需要设计使用超声波发送器和接收器。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。防撞报警系统主要是利用超声波的特点和优势，所以选择超声波方案。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即S=VT.

超声波接收器使用CX20106芯片。使用CX20106集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。该芯片接受信号后直接进行处理分析。输出数字信号可直接输入单片机。不需要模数转换，可以大大的简化了电路设计。从而降低设计成本。

该题目的重点是距离检测。因次选择设计一个好的超声波传感器就显得尤为重要。下面介绍一下压电式传感器的原理和设计思路。

压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振

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动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了，如图2.2：

图2.2 超声波接收器

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器特性为例子。

图2.3超声波传感器的升压能级和灵敏度

如图2.3所示是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并目在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并目最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏

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度。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f = 40kHz ,波长λ = 0. 85cm。

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表而上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球而波(子波)，这些子波没有一指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果(衍射)，却有一指向性。图2.4是电路中选用的发射传感器的指向图。

图2.4 超声波传感器指向特性及结构

超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40到80度，课题要求发射传感器的指向角为60度。

综上所述选择恒隆达GH-311RT超声波模块。论文基于AT89C51单片机天车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的天车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。

2.4显示模块的选择

单片机应用系统中，常用的显示器件有LED和LCD。这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。LCD每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。而且体积小、重量轻。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。LCD功耗低。相对而言，LCD的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

因此根据本设计的要求对天车距离进行显示选择LCD显示，且由于需要显

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示的内容不多，所以选择LCD显示模块。在液晶(LCD)方面，从选型角度，我们将常见液晶分为以下几类：段式（也称8字）、字符型和图形点阵。

常见段式液晶的每字为8段组成，即8字和一点，只能显示数字和部分字母，如果必须显示其它少量字符、汉字和其它符号，一般需要从厂家定做，可以将所要显示的字符、汉字和其它符号固化在指定的位置，比如计算器。对于段式液晶，我们提供定做业务。字符型液晶，顾名思义，字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异。字符型液晶一般有以下几种分辨率，8×1，16×1、16×2、16×4、20×2、20×4、40×2、40×4等，其中8(16、20、40)的意义为一行可显示的字符(数字)数，1(2、4)的意义是指显示行数。

因此综上所述，LCD1602液晶模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。LCD1602模块可以显示两行，每行16个字符，采用5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，与有很高的性价比。因此选择LCD1602作为显示模块

2.5电机调速模块的选择

在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

（1）变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

（2）变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

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变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

（3）串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

（4）绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

（5）定子调压调速方法

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点： 调压调速线路简单，易实现自动控制； 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。 调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

（6）电磁调速电动机调速方法

电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由电枢、磁极

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和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：

装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速； 对电网无谐影响； 速度失大、效率低。 本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。

（7）液力耦合器调速方法

液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为： 功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要； 结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低； 尺寸小，能容大； 控制调节方便，容易实现自动控制。 本方法适用于风机、水泵的调速。

改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频器调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度降低。

实现变频器调速的关键因素有两点：一是大功率开关器件。虽然早就知道变频器调速是交流调速中最好的方法，但是受限于大功率电力电子器件的实用化问题，变频器调速直到20实际80年代才取得了长足的发展。二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究使得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。

变频调速的特点有：可以使用标准电机，可以连续调速，可以通过电子回路改变相序、改变旋转方向。其优点是启动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全。变频调速的应用领域非常广泛，原因是节能效果显著。它应用于机床和起重机等。

变频调速的实现必须使用变频器，变频器有很多种类型宣选择合适的变频器很重要。

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根据变流分类可分为

现在使用的变频器主电路大多数为交-直-交电压型变频器，它整流器、中间电路和逆变器组成，而对逆变器的控制主要采用V/f控制、矢量控制和直接转矩控制三种方式。

变频器的选择大致分为3类，通用型变频器、高性能变频器和专用变频器。 （1）通用型变频器通常指配备一般V/F控制方式的变频器，也成简易变频器。该类变频器成本较低，使用较为广泛。

（2）高性能变频器通常指配备矢量控制功能的变频器。该类变频器使得自适应功能更加完善，用于对调速性能较高的场合。

（3）专用变频器针对某种类型的机械而设计的变频器，如泵、风机用变频器，电梯专用变频器，起重机专用变频器，张力控制变频器等。

综合本设计的要求，我们选择通用型变频器。

变频器容量的选择变频器的容量一般用额定输出电流(A)、输出容量(kVA)、适用电动机功率(kW)表 示。其中，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流有效值。

额定输出电流

采用变频器驱动异步电动机调速时，在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来选择变频器。

（1）连续运行的场合

由于变频器供给电动机的电流是脉动电流，其脉动值比工频供电时的电流要大。因此须将变频器的容量留有适当的裕量。

一般令变频器的额定输出电流（1.05～1.1）倍的电动机的额定电流(铭牌值)或电动机实际运行中的最大电流。

（2）短时加、减速运行的场合

变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。一般情况下，对于短时间的加、减速而言，变频器允许达到额定输出电流130% ～150% (视变频器容量有别)。因此，在短时间加、减速时的输出转矩也可以增大；反之如只需要较小的加、减速转矩时，也可降低选择变频器的容量。由于电流的脉动原因，此时应将变频器的最大输出电流降低10%后再进行选定。

（3）频繁加、减速运转时的场合

对于频繁加、减速运转时，运行曲线如图5-4所示。变频器容量的选定可根据加速、恒速、减速等各种运行状态下变频器的电流值来确定变频器额定输出电流IINV。

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额定输出电压

变频器的输出电压按电动机的额定电压选定。在我国低压电动机多数为380 V，可选用 400V系列变频器。应当注意变频器的工作电压是按U/f曲线变化的。变频器规格表中给出 的输出电压是变频器的可能最大输出电压，即基频下的输出电压。

输出频率

变频器的最高输出频率根据机种不同而有很大不同，有50Hz/60Hz、120 Hz、240 Hz或 更高。50 Hz/60 Hz的变频器，以在额定速度以下范围内进行调速运转为目的，大容量通用 变频器几乎都属于此类。最高输出频率超过工频的变频器多为小容量。在50 Hz/60 Hz以上 区域，由于输出电压不变，为恒功率特性，要注意在高速区转矩的减小。例如，车床根据工 件的直径和材料改变速度，在恒功率的范围内使用；在轻载时采用高速可以提高生产率，但 需注意不要超过电动机和负载的允许最高速度。

考虑到以上各点，根据变频器的使用目的所确定的最高输出频率来选择变频器。

变频器内部产生的热量大，考虑到散热的经济性，除小容量变频器外几乎都是开启式结 构，采用风扇进行强制冷却。变频器设置场所在室外或周围环境恶劣时，最好装在独立盘 上，采用具有冷却热交换装置的全封闭式结构。

对于小容量变频器，在粉尘、油雾多的环境或者棉绒多的纺织厂也可采用全封闭式结构。

变频器容量的选择归根结底是对其额定电流的选择。总的原则是变频器的额定电流一定要大于拖动系统在运行过程中的最大电流。

由于本设计是驱动单一的电机，所以变频器的额定电流选择为电动机的额定电流的1.倍即可。

综上所述减速控制模块选用西门子MM440变频器作为减速控制模块。因为变频控制是目前最简单有效的交流电机速度控制方法。可以实现高性能高可靠性的控制。

只要将单片机的数字控制型号经数模转换，输入到变频器中，就可实现电机的调速控制。因为DAC0832与微处理器完全兼容。具有8为分辨率。其价格便宜、接口简单、转换容易等优点，在单片机系统中应用广泛。因此数模转换选用了DAC0832芯片。 由于电机需要根据单片机的判断工作，电机为高压设备，为了防止高压电进入烧坏单片机。因此电机的真反转开关需要做光电隔离。选用TCP571作为光电隔离。

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方案确定

综上所述，本设计基于AT89C51单片机天车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，使用CX20106作为超声波接收模块。使用DAC0832作为数模转换芯片。采用LCD1602液晶显示模块。利用变频器西门子MM440进行点击调速。

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第3章 硬件电路设计

3.1 AT89C51主控制模块

本系统中所用到的主要芯片有单片机AT89C51、LCD1602、CX20106、DAC0832、74LS373。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含4K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PERONM)和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域[3]。与MCS-51产品指令系统完全兼容，4K字节可重檫写Flash闪速存储器，1000次檫写周期，全静态操作：0Hz--24MHz，三级加密程序存储器，128x8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，2个16位定时/计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，低功耗空闲和掉电模式。

AT89C51的结构如图3.1所示

图3.1 AT89C51的内部结构图

如图3.2所示该模块选用89C51单片机作为主控模块，利用LCD1602液晶显示实时距离。 按钮S1为复位按钮，S2为电机前进按钮，S3为电机后退按钮。

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12345 本科生课程设计（论文） P2.0口接发光二极管 用于危险距离警示。P2.6口接蜂鸣器报警器。报警系统将在单片机检测到危险距离时启动。此时P2.6口输出高电平，三极管导通，蜂鸣器通电。X1\\X2引脚外接晶振。P0口作为输出口时必须外外接上拉电阻才能有高电平输出。 VCCR11kR21kR51KR61KR71KR81KR91KR101KR111KR121KRxGNDVSSVDDVQS2S1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6S5R18R164.7KR174.7KP1.7RETP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2P3.3P3.4/T0P3.5/T1P3.6/_WRC3P3.7/_RDXTAL2XTAL125PFVCCC4LED25PFCSXFERWR1WR2DGNDVCCY112MVSS89C51C5VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7_EAALE_PESNP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0BELLR191kVCCILEDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7DAC0832VCC4.7K100VCCRES2LCD1602RSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7LEDALEDEVCCVCC 图3.2 AT89C51控制电路 TitleSizeNumber图3.2中DAC0832 是采样频率为八位的D/A 转换器件, DAC0832 内部结构1BDate:File:27-Jun-2011H:\\毕业设计 改\\BA0D0B~1.DDB资料:芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832 具备双缓冲、单缓冲和直通三种输2345入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A 异步输入、同步转换等)。D/A 转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB 端引用片内固有电阻，海可以外接。当ALE为高电平控制调速数字信号经过DAC0832数模转换，输入到MM440中进行电机减速。只要二进制数据送到DAC0832 的数据口,则会自动把数据转为相应的电压。但电压输出一般不可能达到基准。电压.要想达到基准电压则要提高运放的电压。当基准为负是,只要提高运放的正电压就可以使输出达到基准电压了，当基准为正是,则为提高运放的负电压，一般的运放提高两伏就可以了。其他模块将在具体模块介绍中详细说明。

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本科生课程设计（论文） 3.2 CX20106超声波接受模块 如图3.3所示使用CX20106集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106的引脚接法。 1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。 2 脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R40或减小C12,将 使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C12的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，选用参数为 R40=4.7Ω，C12=1μF。 3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，选用参数为3.3μf。 CX20106200kR42+510kGNDAGCOUT7330RC0123456+R40C103.3ufC11C121ufR418RC1C0INC图3.3 CX20106超声波信号接收模块 4脚：接地端。 5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。取R=200kΩ时，f0≈42kHz 6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：电源正极，4.5～5V。 15 P2.5+

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3.3发射电路方案设计

单片机与超声波发生器之间接入一个驱动电路，如图3.4所示。在单片机的一个输出口接一个非门，而后接入由4个非门两两并联的电路，由于非门是有源器件，这样就使得输入倍频电路的信号能量大大提高，起到驱动电路的功能。

图3.4 超声波发射模块

3.4系统显示电路设计

使用LCD1602作为显示模块。 显示天车的实时距离。LCD1602具有一下特点：

图3.5LCD1602模块

图3.6中 VSS为电源地，VDD为供电电源，RS为输入指令输入数据控制，R/W为读写指令控制，E脚为1时读取信息下降沿时执行指令，数据线DB0~DB7接单片机P0接口。3条控制线分别接P2.1、P2.2、P2.3接口。电阻Rx用来改变

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显示屏的对比度，Rx为5K的电位器。

图3.6 LCD1602显示模块

3.5驱动电路的设计

利用D/A转换DAC0832，把单片机数字信号转换成模拟信号。然后将该模拟信号输入西门子MM440变频器中。从而实现对三相电机的速度控制。

DAC0832 系列产品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，它们可以完全相互代替。它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路，为20脚双列直插式封装结构。DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。旨在直接与8080，8048，8085，Z80及其他通用的微型处理器进行相接。存储的硅铬R-2R电阻梯形网络将参考电流分开，并为电路提供合适的温度处理特性（全范围最大线性温度误差的0.05%）。电路利用CMOS电流开关和控制逻辑来取得最少的电能损耗和最小的输出泄露电流误差。特殊的电路也能提供TTL逻辑输入电压的水平兼容。

CS：芯片选择（低电平工作）CS与ILE结合可使发挥WR1.作用。 线性误差

ILE:数据输入允许锁存信号引脚（高电平有效），与CS一起选通输入寄存器WR1。

WR1:输入寄存器写选通信号，当WR1为高电平时，输入锁存器的数据开始锁存，当ILE为高电平，同时CS和WR1为低电平，输入锁存器数据更新。

WR2:写选通信号2（低电平有效）。这个信号和XFER逻辑组合，使输入寄存器的8位数据打入DAC寄存器并开始D/A 转换。

XFER:传送控制输入线，低电平有效，使WR2工作。

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其他引脚功能：

DI0-DI7:数据输入端，DI0是最低信号输入位（LSB），DI7是最高信号位（MSB）

IOUT1：DAC电流输出1端。当数模转换锁存器全1或全0时，IOUT1为最大值。

IOUT2:DAC电流输出2端。IOUT2是一个持续的负IOUT1 ，或IOUT1 + IOUT2 =常数（固定参考电压的满幅值）。

RFB: 反馈电阻。反馈电阻为IC芯片提供并联反馈电阻，外部运算放大器是用来数模转换器提供输出电压。这个片内电阻应始终使用（而不是外部电阻器） ，因为它与所用的芯片的R - 2R介变电阻匹配并跟踪这些电阻温度。

VREF:输入参考电压。这种输入将外部精密电压源与内部R-2R阶梯电阻连接起来。VREF的选择范围可以是+10V到-10V。这也是四象限乘法数模转换器1234所适合的模拟输入电压。 VCC:数字电源电压。是整个部分的电源供应引脚。VCC可接5V到15V的直流电压。运行时的最佳电压是15V。 GND：10号引脚必须与地相连，使IOUT1和IOUT2作为电流输出开关，10号引脚与地的任何误差将会导致如下的线性变化：VOS PIN10/3VREF。 +5VVrefR2115KRfbIout1-4558R2215K+4558-VoutIout2+0832 图3.7 DAC0832数模转换电路 图3.7所示为利用4558运算放大器组成模拟电压输出电路。经过第一个放大器输出为单极性模拟电压输出电压为0~-5V。再利用另一个放大器，把电压放大2倍。从而匹配西门子MM440的模拟电压输入范围。 改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频器调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度降低。 18

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实现变频器调速的关键因素有两点：一是大功率开关器件。虽然早就知道变频器调速是交流调速中最好的方法，但是受限于大功率电力电子器件的实用化问题，变频器调速直到20实际80年代才取得了长足的发展。二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究使得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。

变频调速的特点有：可以使用标准电机，可以连续调速，可以通过电子回路改变相序、改变旋转方向。其优点是启动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全。变频调速的应用领域非常广泛，原因是节能效果显著。它应用于机床和起重机等。

变频调速的实现必须使用变频器，变频器有很多种类型选择合适的变频器很重要。

根据变流分类可分为

现在使用的变频器主电路大多数为交-直-交电压型变频器，它整流器、中间电路和逆变器组成，而对逆变器的控制主要采用V/f控制、矢量控制和直接转矩控制三种方式。变频器的组成方框图如图3.8所示。

RST整流器中间电路逆变器UVW控制器图3.8 变频器的组成方框图

图3.8中整流器由VD1～VD6组成三相整流桥，它们将三相380V工频交流电整流成直流。中间电路包括滤波电路、限流电路和制动电路三部分。

1、滤波电路

整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。图中的滤波电容CF的主要作用就是对整流电压进行滤波，另外，它在整流器与逆变器之间起去藕作用，以消除相互干扰。值得指出的是CF是一个大容量电容器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定，通常称这样的变频器为电压型变频器，电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机绕组感性负载滤波后接近于正弦波。如果将滤波电路的元件改为电感，这样可使加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载影响，通常称这样的变频器为电流型变频器，电流型变频器逆变电流波形为方波，而电压的波形经电动机绕组感性负载的滤波后接近于正弦波。

2、限流电路

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在电压型变频器的二极管整流电路中，由于在接通电源时，滤波电容CF的充电电流很大，该电流过大时能使三相整流桥损坏，还可能形成对电网的干扰，影响同一电源系统的其他装置正常工作。为了限制滤波电容CF的充电电流，在变频器开始接通电源的一段时间内，电路串入限流电阻RL，当滤波电容CF充电到一定程度时将SL闭合，将RL短接。

3、制动电路

制动电路包括制动电阻RB和制动控制管VB

1）制动电阻RB。电动机在降速时处于再生制动状态，回馈到直流电路中的能量将使电压UD不断上升，可能导致危险。因此需要将这部分能量消耗掉，使UD保持在允许的范围内，制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。

2）制动控制管VB。制动控制管一般由功率晶体管GTR（或IGBT）及其驱动电路构成，其作用是控制流经RB的放电电流。

图3.9 变频器结构图

逆变器的基本作用是将直流变成交流，是变频器的核心部分。它一般由逆变桥、续流电路和缓冲电路组成。

1）逆变桥由V1～V6组成三相逆变桥，V1～V6工作在开关状态，V1～V6导通时相当于开关接通，V1～V6截止时相当于开关断开。V1～V6交替通断，将整流后的直流电压变成交流电压。目前，常用的逆变管有可关断晶闸管（GTO）、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和智能功率模块（IPM）等。

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各自的特点如下：

可关断晶闸管（GTO）的优点是电压、电流容量较大，目前其电压可达到6000V，电流可达到6000A，多应用于大功率高压变频器；其缺点是驱动功率大，驱动电路复杂；关断控制易失败，工作频率不够高，一般在10KHz以下。

电力场效应管（MOSFET）属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单；开关速度快，开关频率可达500KHz以上。MOSFET的缺点是电流容量小，耐压低。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）的输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达20KHz以上，通态压降比MOSFET低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。目前在中小容量变频器电路中，IGBT的应用处于绝对优势。

智能功率模块（IPM）是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路集成在同一个模块内。这种功率集成模块特别适应逆变器高频化发展方向的需要，而且由于高度集成化，结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。目前IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，构成一相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。

（2）续流电路

续流电路由反向并联在六个逆变管的六个续流二极管VD7～VD12组成。续流二极管主要有以下功能：

1）由于电动机是一种感性负载，在导通的桥臂开关管关断时，电流不可能降为零，此时由与其并联的二极管进行续流，将其能量返回直流电源。

2）当电机降速时，电动机处于再生制动状态，VD7～VD12为再生电流返回直流电源提供通道。

（3）缓冲电路

缓冲电路由R01～R06，VD01～VD06, C01～C06组成。当逆变管V1～V6每次由导通状态切换至截止状态的关断瞬间，集电极和发射极（即C、E）之间的电压UCE很快地由0V升至直流电压UD，这过高的电压增长率会导致逆变管损坏。C01～C06的作用就是减少电压增长率。当逆变管V1～V6每次由截止状态切换到导通状态的瞬间，C01～C06上所充的电压将向V1～V6放电。该放电电流的初始值是很大的，R01～R06的作用就是减小C01～C06的放电电流。而VD01～VD06接入后，在V1～V6的关断过程中，使R01～R06不起作用。而在V1～V6的接通过程中，又迫使C01～C06的放电电流流经R01～R06。

2、逆变原理

电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是1800导通方式，即每个桥臂的

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导电角度为1800，同一组上下两个桥臂的2个逆变管交替导电，6个逆变管每隔600触发导通一次，相邻两相的逆变管触发导通时间互差1200，一个周期共换相6次，对应6个不同的工作状态。

从上述分析可以看出，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过调节UD的大小来实现。

变频器选择的方式分为V/F控制和矢量控制，根据实际情况我们选择了V/F控制方法。因为异步电机的转数由电源频率和对数决定，所以改变频率，就可以对电动机进行调速。但是频率改变时电动机内部阻抗也改变，仅改变频率会产生有弱励磁引起的转矩不足或由过励磁引起的饱磁现象。是电动机功率因数和效率下降。

V/F控制方式是这样一种控制方式，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较广泛的范围内调速运转时，电动机的功率因

1数和效率不下降。但是V/F控制是一种开环控制不能精确地控制转速，电路设计234简单比较经济化。此设计并不要求非常精确的控制转速。因此选择西门子公司的MM440变频器，作为控制电机用的变频器。 L1L2L3VoutL1L2L3AINI-AINI+西门子MM440DIN1UVWPEK1K2DIN2+24vM 3~ 图3.10 电机驱动电路 如图3.10所示使用西门子MM440变频器实现正反向运行、调速功能。根据功能要求，首先要对变频器进行调试。根据控制要求选择合适的运行方式。如线性V/F控制、无传感器适量控制等；频率设定值信号源选择模拟输入，由DAC0832进行模拟量输入。选择控制端的功能，将变频器DIN1、DIN2分别设置为正转运行和反向运行。当运行时单片机发出数字调速信号，经DAC0832进行数模转换22

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后，把模拟信号输入到西门子MM440变频器中，从而实现调速功能。

1234 图3.11 电机热保护模块 D如图3.11所示MICROMASTER 440 有一个完善的、新的集成方案用于电动机热保护。它有许多电动机有效保护的可能性，但同时应确保电机高的利用率。该改进方案的基本原理是检测临界热状态，输出报警和初始的适当的响应。利用对临界状态的响应，它可以将传动系统运行在热功率限值并避免在所有情况下的立即断开(传动变频器脱扣)。 VCCP1.0VCCCK1R317.5KDIN1VCCP1.1VCCBK2R307.5KDIN2 图3.12 电机控制开关电路 A如图3.12所示，变频器的DIN1为正转、DIN2为反转控制。当P1.0口发生信号时，电磁开关闭合，DIN1产生高电平从而控制电动机正转。当P1.1口发生信号时，电磁开关闭合，DIN2产生高电平从而控制电动机反转。 1234当单片机检测到报警距离时，单片机会输出调速数字信号，该数字信号经过

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D/A转换后输入到MM440中。从而实现电动机降速。 当单片机检测到危险距离是，P1.0口强制停止信号输出，同时P1.1口启动反转信号，从而达到立刻停车。只有当检测距离大于危险距离时，P1.0口才会重新输出信号。

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第4章 软件设计

软件编程是系统功能实现不可或缺的组成部分。秉承结构化程序设计思想，系统程序具有良好的模块性、可修改性和可移植性。所有程序均结合硬件电路板卡进行了调试，系统预设的各项功能均能实现。程序的控制功能应通过以下步骤来实现:

4.1系统软件功能程序流程图

开始程序使单片机显示等芯片初始化。 执行超声发射程序，同时计时程序启动。当接收模块接收到信号时，向单片机输出高电平。同时计时程序停止，获得超声波往返时间t。单片机计算出距离（0.5t x340m/s）d。然后调用比较子程序进行判断比较。

开始 定时器和单片机初始化 超声发射程序 计时程序启动 接收模块程序 计时程序停止 0.5时差乘以波速 计算距离d 处理子程序

图4.1 主程序流程图

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判断子程序先判断单片机计算的距离d与5m的关系。 当d>5m时为安全距离，直接调用显示子程序显示当前距离d并返回。当5m>d>2m时为警告距离，启动灯光报警用以警示天车司机，调用显示模块显示当前距离d，然后单片机控制步进电机减速。当d<2m时为危险距离，启动蜂鸣器报警，调用显示子程序用以显示实时距离d，控制步进电机反转制动，继续判断直到实时距离d大于2m安全距离时才能解除制动与报警。 处理子程序入口 N 实测距离d<2m Y N 启动危险声光报警 实测距离d<5m Y 调用显示子程序 启动灯光报警 调用显示子程序 自动制动 调用显示子程序 返回 是否安全 Y N 电机减速 报警解除 返回 图4.2 处理子程序流程图 返回 26

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开始 延时12个时钟周期 功能设置 查询忙标志 N 清显示 Y 查询忙标志 Y N 设置输入模式 查询忙标志 Y N 打开显示 返回 图4.3 液晶显示初始化子程序流程图

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4.2系统安全天车距离模型

如何保持合适的车间距离是天车行驶过程中的关键问题。间距过大，则会生产效率低下；间距过小，则天车行驶时发生交通事故的可能性增大驾驶员通常是按照自己的经验来判断自车行驶的安全状态，当感觉危险存在时，通常采用降低车速或者改变行驶方向的方法来避免危险情况的发生，但这种对行车安全状况的判断往往并不够准确。天车防碰撞系统作为天车驾驶的辅助系统，应当建立相对比较合理的安全跟车距离模型，准确判断前方目标物潜在的危险性程度，既保证天车行驶的安全性，又保持良好工作效率，即尽可能保持理想的安全间距。

天车安全行车间距的确定与天车的制动距离有着十分密切的联系，经对天车制动过程的分析，得出天车制动距离的计算公式如下：

d?v0(tx?ts2?thum)?v022amax (4.2.1)

d：制动距离，单位为m;

v0：天车制动时刻的初速度，单位为m/s;

thum：驾驶员反应动作时间，即驾驶员发现情况并做出决定，以及将右脚

从加速踏板移到制动踏板所需的时间，单位为s

tx ：制动协调时间，即消除制动踏板间隙，消除各种铰链、轴承间隙以及制动摩擦片完全贴在制动鼓或制动盘上所需的时间，单位为S。

ts: 制动减速度增长时间，制动力从0增长到最大所需的时间，单位为s amax: 天车的最大制动减速度，单位为m/s2。

4.2.1系统安全跟车距离模型的建立

根据行车过程的实际状况，把前目标车分为三种运行状态，即静止状态、减速状态以及匀速或加速状态，分别介绍如下:

前车处于静止状态时，两车间的最危险时刻是自车停止，且与障碍物相隔最 近的时刻，如图2-2所示。为了保证此刻自车的绝对安全，设定自车停止时，两车间还存在一定的安全间距d0(单位:m)，则危险报警距离db(单位:m)为:

db?v1(tx?ts2)?v122a1?d0 (4.2.2)

注:其它参数与式中相同符号参数的定义一致，下同。

提醒报警距离dw，是在危险报警距离的基础上，考虑了自车在驾驶员反应动作时间内行驶的距离，所以，其计算公式如下:

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dw?v1(tx?ts2?thum)?v122a1?d0 (4.2.3)

即：dw前车匀速或加速运动

?db?v1*thum

(4.2.4)

当前车做匀速或加速运动时，两车间的最危险时刻是后车的速度减小至与前车同速时，如图4.4所示。如果在两车速度相等的时刻还没有发生碰撞事故，之后就不再可能发生碰撞事故了，因为最危险时刻以后，前车继续保持匀速或加速

图4.4 前车匀速或加速运动时的t-v图

前车运动，而后车仍在做减速运动，两车间距将变得起来越大，因此只需保证两车速度相等时不发生碰撞，整个过程就能保证绝对安全。

db?vrel(tx?ts2)?v1?v22a122?v2vrela1?d0 (4.2.5)

式中：v2：前车的速度，单位为m/s vre：两车间的相对速度，单位为m/s l提醒报警距离dw，的计算公式如下：

dw?vrel(thum?tx?t22)?v1?v22a122?v2vrela1?d0

(4.2.6)

上面的公式是建立在前车匀速运动的基础上，如果前车做加速运动，而模型仍采用上面所列出的公式，不仅更能保证自车行驶的安全性，而且有利于模型数学计算的简化。

3) 前车减速运动或前车减速停止

把前后两车可能的行驶状态分为三种情况进行讨论：

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（1）前车先停止，自车后停止

图4.5前车匀减速先停止时的t-v图

图4.5表明，两车间的最危险时刻为自车停止的时刻。 （2）自车和前车同时停止

图4.6 前后两车减速同时停止时的t-v图

图4.6表明，两车间的最危险时刻为自车或前车停止的时刻。图中: 车停止时刻; ts2：前车停止时刻。 （3）自车先停，前车后停

ts1：自

图4.7 自行减速先停止时的t-v图

如图4.7 所示，两车间的最危险时刻本应为自车减速到与前车速度相同的时

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刻，但是，在能保证绝对安全的条件下，为了简化计算，把最危险时刻确定为前车停止的时刻。在这三种情况下，前车均制动至停止，自车也从某一速度采取制动至停止。所以，这三种情况在计算方法上均可简化为同一种，如图2-8所示。

该状况下的危险报警距离的计算如下 式中:

a2db?v122a1?v222a2?v1tx?vrelts2?d0(4.2.7)

：前车的最大减速度，数值与自车最大减速度相同，单位为m/s2。

提醒报警距离dw的计算公式如下：

dw?v1(thum?tx)?vrelts2?v122a1?v222a2?d0

(4.2.8)

即：

dw?db?v1*thum (4.2.9)

4.2.2模型中各参数的确定

自车速度v1由转速传感器测得，相对速度vrel由毫米波雷达测得，根据公式: v2?v1?vre l （4.2.10）

可计算出前车的速度v2,模型中的其他参数a1、a2、thum、ts、tx、d0的具体设置如下：

（1）a1、a2值的确定

a1、a2值的大小对安全跟车距离模型中提醒报警距离和危险报警距离的计

算有很大的影响。天车制动减速度随轮胎类型、天车的装载情况和路面附着条件的不同而不同。实时检测自车的附着系数会使计算更精确，但目前国内外均处于理论探讨的阶段，还没有研制出性能优越的车载实时测量工具。在实际的行车过程中，前车为主动制动，后车为被动制动，后车制动的减速度一般会大于前车制动的减速度。在设计天车制动时，对天车最大制动性能的要求是相同的，制动减速度主要取决于附着系数。

（2）thum、ts、tx值的确定

thum是驾驶员发现情况，意识到要制动，一并把脚从油门踏板移到制动踏板

上所需的时间，即驾驶员的反应动作时间。驾驶员反应动作时间的准确性对系统模型非常重要，若反应动作时间选取过长，则提醒报警距离的计算值偏大，会造成过多的虚报警，使驾驶员对显示系统产生厌烦感;若反应动作时间选取过短，则会导致系统的安全保障能力下降，不能完全避免事故的发生。由于驾驶员个体年龄、性别、情绪和反应能力等生理心理素质因人而异、因时而异，再加上车速、

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目标物的大小、状态等多种外在因素的影响，驾驶员反应动作时间是一个很不确定的值。大量的实验资料表明，驾驶员的反应动作时间一般为0.6—1.0s，本系统取thum=1.0S；

tx是制动协调时间，与天车采用的制动结构及制动方式有关，据资料显示液

压制动的小车的协调时间是0.1S，所以取tx=0.1S。ts为制动减速度的增长时间，一般选取数值0.2S

（3）绝对安全距离d0的确定

为了保证绝对安全，自车从采取制动至完全停止后，两车之间应保持一定的安全间距d0，该值选取的越大，系统的虚警率越高;选取的越小，系统的安全保障能力越小。对不同驾驶员的驾驶风格进行分析表明，谨慎型驾驶员希望d0值较大，果敢型驾驶员则希望d0值较小。国内外的资料一般选取为2—5米，为了保证系统的安全性，本系统取最大值5米。

综上 所 述 ，把相关参数代入公式得到的危险报警距离计算公式如下： (1)前车静止时： db?v1?0.2v1?5 （4.2.11） (2)前车匀速或者加速运动时：db?(3)前车减速运动时：db?2vrel2a2?0.2vrel?5

（4.2.12）

（4.2.13）

vrel(2v1?vrel)2a?0.1(v1?vrel)?5

提醒报警距离计算公式如下:

(1)前车静止或减速运动时：dw?db?v1 （4.2.14） 2)前车匀速或者加速运动时：dw?db?vrel （4.2.15）

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第5章 结论

本文针对国内天车碰撞事故频繁发生的客观现实，综合考虑了天车间的实际行车状况、系统信号的测量方案、系统测量误差、系统功能的进一步完善、系统可靠性及抗干扰能力等方面，在参考各类研究和设计的基础上，对该系统做了设计和改进，总结如下:

(1)根据两天车间的各种实际运行状况，采用了两天车间的提醒时刻和最危险时刻这一概念，建立了比较实用、简单的安全跟车距离模型。

(2) 根据系统技术指标和安全跟车距离模型的需要，对车间实际距离的测量方案进行了分析，确定采用超声波传感器测量两天车间的实际间距从理论上分析了各种信号测量方案所造成的误差，作为提高实际设计过程中系统测量精度及系统实时性的指导依据。

(3) 分析了目前天车电子控制单元的实际应用情况，确定选用8位微处理器完全能实现系统的功能，达到系统所要求的精度和实时性能。

(4) 本系统把信息采集、信息处理与安全状态报警提示分开成信息采集单元和主控制单元两部分。信息采集单元负责对两天车间的实际距离主控制单元负责对各种信息的处理，根据相应的安全天车距离模型计算危险报警距离和提醒报警距离，确定天车行驶的安全状况，并以相应的报警方式提醒驾驶员采取必要的措施。

(5)本系统软件采用C语言进行编写。秉承结构化程序设计思想，系统程序具有良好的实时性、模块性、可修改性和可移植性。

(6) 通过模拟实验表明，系统运行可靠，逻辑报警功能基本达到设计要求

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致谢

时光荏苒，日月如梭。四年的学习时光转瞬即过，在学习和课题研究期间，我得到了指导教师蓝和慧老师的大力支持和认真指导。蓝老师严谨的治学态度、渊博的专业知识以及忘我的工作热情对我的一生都将有着深远的影响。蓝老师为我们创造了良好的学习氛围，提供了大量的实践机会，正是在这种环境下我才能够顺利完成学位论文。

此外，读书期间，使我们受益的不仅仅是蓝老师广博的知识，丰富的经验，更为重要的是蓝老师在为人，为师，以及科研中的态度。在为人方面，我懂得了做人要积极乐观，正直，乐于助人；为师方面，不遗余力、无私奉献；科研中，要严谨认真、脚踏实地。这些在我以后的工作和生活中将是我所要努力做到的。

在论文撰写期间，我要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识的老师及同学们。他们是辽宁工业大学电气工程学院郑海英老师、刘春玲老师、张艳老师等。他们为我论文的完成提出了许多宝贵建议。这里还需要感谢和我一起学习的测控技术与仪器07级全体同学，和他们在四年的共同相处中，在生活和学习上进行广泛的交流，让我度过了人生中最愉快和最充实的岁月。他们营造出活跃的科研气氛及融洽的同学情谊，使我能在一种宽松且严谨的环境中顺利完成学业。

因水平所限，本文在某些方面难免存在不足，衷心感谢各位老师、专家批评指正。谢谢。

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参考文献

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2

7.5KL1L2L3AINI-AINI+西门子MM440VCCP1.1VCC330C11DIN1DIN2567R41200kR42K2R307.5KDIN2+510kP2.5ATitle8RC0COUTRC1CX20106UVWPE+24vK1K2M 3~A1234+

23456VCCR51KR61KR71KR81KR91KR101KR111KR121KRxGNDVSSVDDVQRSR/WVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7_EAALE_PESNR44.7KR3ILEVCCDI1DI2DI3BELLDI5DI61kLEDIout1CSXFERWR1WR2VCCP1.0VCCVCCDGNDIout2+4558R2215K-+4558-VoutR13DAC0832DI7RfbDI415KCDI0VrefR21VCCLCD1602+5VP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0VCC100LEDEVCCLEDADB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0EDK1C12R311ufR40C103C012INAGCDIN1B1R1R21K1K\\D附录 Ⅰ S2S1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6S5R18P1.7RETR16P3.0/RXDVCCP3.1/TXDC54.7KP3.2R174.7KP3.3P3.4/T0P3.5/T1P3.6/_WRC3P3.7/_RDXTAL2XTAL1C25PFVSSVCCY112M89C51C425PF

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L1L2L3BVout

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一种新的五相步进电机驱动电路开发

T.S.维拉孔和T. 萨马拉纳亚克

摘要

本文详细地介绍了一种新的五相步进电机驱动电路。这种新的驱动电路是由商业上现成的，廉价的，标准的步进电机驱动IC搭建，它能实现由内部电流回路驱动的闭环速度和位置控制。经证明，这种驱动电路能推广到任何更多相数的奇数相的步进电机。

这种驱动电路具有速度控制和方向控制，包括全步、半步、顺时针、逆时针控制模式。

一、 概述

在大多数机器人和自动化工程设计中，各种各样步进电机都被广泛应用来得到需要的运动姿态。步进电机倍受人们青睐是因为它不需要频繁的维护并能在苛刻的环境中运行。步进电机及其驱动器的选择要根据具体应用中需要的效果来决定。市场上最常见的是两相和四相步进电机。

可是，实际应用中要求高精度，低噪声和低震动，因此五相步进电机得以应用。因为步距角较小，五相步进电机有较高的分辨率，较低的震动和良好的加速与减速特性。因此，确保设计的驱动电路能使步进电机充分发挥这些优点非常重要。

因为在机器人应用中是很少见得类型，而且结构很复杂，很难找到它们的驱动IC，只能专门定做。结果导致五相步进电机的驱动电路产品异常昂贵。

用普通步进电机如二相与四相步进电机的驱动控制IC来制作其它步进电机的驱动电路是一种经济有效的方法。

L297继承了控制单极性和双极性步进电机所需要的所有控制电路系统。L298N双H桥驱动器形成了一个完善的步进电机微处理器接口。在这里，我们通过给L297和L298N加上微处理器和逻辑控制系统研究开发出了一种新的五相步进电机驱动电路。

第二部分解释了元器件特性。第三部分介绍了控制逻辑电路设计。第四部分是接口设计，结果在第五部分。最后，第六部分加以总结。

二、 主要元器件特性分析

如图一所示，集成块L297可以与H桥集成电路一起使用作为步进电机驱动器。在该设计中，H桥的功能用L298N或者L293E实现。这要根据步进电机的额定功率而定。输入L297的控制信号可能来自为控制器或者外部开关。一个IC能驱动一个两相双极性永磁式步进电机，一个四相单极性永磁式步进电机或者一个四相变磁阻式步进电机。因为用到的电子元器件非常少，该设计好处颇多，比如，花费少，可靠性高，占用的空间相对较小。按照接收到的输入信号的不同，

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L297产生三种不同模式的相位序列，即半步模式，全步模式和波形模式。

图一 用L297和L298N构成的驱动一个两相单极性步进电机或一个四相单

极性步进电机的电路图

A. 电流控制 小型步进电机一般小型直流电源来控制绕组电流，它们的绕组电阻也是有限制的。在另一方面，拥有较大额定扭矩值的步进电机具有较小的绕组电阻。因此，它们需要对电流进行控制。

L297以两个脉冲宽度调制（PWM）斩波电路的形式提供负载电流控制，每个斩波电路由一个比较器，一个触发器和一个外部感应电阻组成。

在该理论中，当电机电流增加时，控制系统将电源电压施加到电机。如图二所示，当电流值达到阈值时，控制系统将通过改变电源电压的占空比来维持电流的期望值。对于每一个斩波电路来说，步进电机电源电压的占空比（D）定义为：

D = Ton / (Ton + Toff),

其中Ton 和Toff分别是H桥的导通和断开时间。

在斩波电路中，触发器由来自振荡器的各个脉冲置位，从而允许输出和允许负载电流增长。

感应电阻两端的电压随着负载电流的增长而增长，当电压增长到Vref时，触发器被重置，输出中断直到下次振荡器脉冲到来。在该方法中，Vref决定了负载电流的峰值。

图二 包含触发器、振荡器和电压比较器的电流控制电路

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图三 用于电流控制的PWM操作的电压

图三展示了穿过电机的电流是如何被控制的。当电机的电流超过设定值时，施加于电机端得电压将降为零。因此，电流将会衰减，最终电机电流被控制住。

L298N是一块包含着两个H桥的单片集成电路。此外，低位晶体管的发射极被引出来作为扩展端子以允许电流敏感电阻的连接。

B．抑制斩波模式下的电流控制

抑制斩波控制模式和相位线斩波控制模式是当今两种最常见的电流控制技术。在后一种方式中，当敏感电阻的电压达到Vref时,只有低端的开关断开。因此这种方法并不适用，我们选用抑制斩波模式。需要的开关序列可以直接来自L297N。

抑制斩波模式可以通过将L297N的CONTROL端接地实现。然后斩波作用于INH端来控制通过电机线圈的电流。因此，L297输出的INH信号对创造L298N的使能信号起着非常重要的作用。在敏感电阻的电压达到Vref的情况下，斩波触发器被重置，INH端子被激活并处于低电平状态。然后，所有四个桥电路截止。斩波频率由L2907内部的振荡器决定。在所有的晶体管截止之后，二极管为绕组电流提供转移通路。在下一个振荡周期里，H桥导通。

图四说明了当相信号A处于高电平而相信号B处于低电平的时刻的电流控制情况。为了产生和INH1信号相同的激发信号来控制负载电流，这些A和B信号被输入到与L298N中高、低电平开关相连的两个与门。当且仅当INH1为高电平时，与门的输出为高电平。

图四 当CONTROL为低电平时的抑制斩波波形

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三、 逻辑电路设计

如图五所示，在任何运行模式下，L297的A,B,C,D相的波形每隔四个时钟周期重复一次。为构建五相步进电机驱动电路，在十个时钟周期之后对相波形进行转换十分重要。

图五 在一般工作模式下，L297四相步进电机的两相或者两相步进电机绕组被导通，

每四个时钟周期后序列重复

图六 五相激励序列

通过分析L297的3种工作模式，很明显应该选择一般工作模式，也通常被称作两相导通模式，来产生如图六所示的激励五相步进电机的序列。

通过研究五相步进电机所需要的激励序列和L297的A,B,C,D相序列来设计出需要的逻辑电路。按照下列步骤进行。

1、 如图六所示，从五相的激励序列中分离出每一相的高低侧晶体管激励模

式。

2、 从L297的A,B,C,D选出合适的相位来产生高侧激励序列。

3、 利用微控制器的A,B,C,D输出信号和相关的与门产生L298N的输入信

号。

4、 产生L298N的ENA（A使能）和ENB（B使能）信号。

将10步的相型分为20步等同于L297输出的四个时钟周期的相型。图七解释了高、低侧激励序列的时钟周期选择。

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通过选择L297的合适的输出相位，可以产生高侧晶体管的激励序列。已经选择的顺序，即L297的两相导通模式如图八所示。微控制器信号用以产生所需的高侧脉冲模型。有四个输入端的DM74LS08含有两个门，用来将接收到的L297信号和微控制器信号相与。

如图九所示，输入信号和使能信号共同决定了高低侧晶体管的开关模式。因此，微控制器提供了使能（EN）信号。但是为了达控制电机电流的目的，INH信号必须与L298N的使能信号衔接，这在下面的电流控制部分会有解释。图十解释了怎样利用由微控制器产生的所需的使能信号和来自L297的抑制（INH）信号来产生L298N的EN信号。这两种信号的与操作产生了L298N相关的EN信号。

图七 需要的高低侧晶体管的激励序列

图八 L298N输入信号的产生

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L298N包含两个H桥，其中一个H桥的输出端被用作一相。H桥的两个输入端彼此独立。因此，单独一个H桥的两个输出端都无法使用。为了产生五个相数（的信号），需要使用3个L298N双H桥驱动IC。L298N的输入端与输出端选择将在第四部分的图十三中加以说明。

图九 L298N的拉高与接低操作

图十 使能信号的产生

四、 接口设计

用以产生L298N需要的输入信号的逻辑电路和微控制器控制信号在驱动电路中扮演着主要角色。图十一展示了L297的接口，DM74LS08双与门IC和与微控制器PIC16F877A相连的L298N。

图十二说明了电路的配置。为了限制通过电机绕组的电流，控制信号必须接地以进入抑制控制模式。微控制器提供了CLOCK信号，HALF/FULL引脚必须接地来进入全步模式（两相导通模式）。ENABLED是用来控制电机运转的。当它处于低电平状态时，INH1, INH2, A, B, C, D都被置于低电平状态。Vref的取值设定了通过电机的电流。这里用到了两个L297，必须使它们同步。这可以通过

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使用L297的SYNC引脚轻易做到。

图十一 系统框图

图十三说明了L298N的输入与输出端的使用方法。通常会在Vs 和 Vc 与地之间使用100nF的无感电容。为了避免大电流时的大幅度电压降落，电流敏感电阻器的阻值必须小到0.5Ω。

当IC的输入被截断时，外部桥式二极管提供电流通路。这里通常使用肖特基二极管，因为肖特基二极管容易恢复。

五、 结论

对步进电机驱动电路的设计方式的理论分析和逻辑分析显示了驱动电路是一种具有几种操作模式和控制模式的简单结构。

图十二 L297的配置 图十三 L298N的配置

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如图十四所示的步进电机驱动电路实物通过了下列性能测试：

1. 速度控制性能 2. 电流控制性能

图十五（a）和（b）展示了在每一相线端得激励信号波形。步进电机五相的激励序列说明它们是按要求工作的。图15（b）显示了橙色的和绿色的激励序列来使黑色的激励序列与其他激励序列相比较。因为流过电机绕组的电流会使电容器充放电，在每一个激励点都会发生突变。通过变换电机五相的激励序列的频率，可以达到控制电机速度的目的。可以明显地看到，在相同的时间分辨率5ms/div下，在图十六（a），（b）中的电压序列的脉冲宽度是图十五（a），（b）中的两倍。可以看出，与图十五所示的激励序列相关的步进电机的转动速度（速度1）是与图十六所示激励序列相关的步进电机转动速度的一半。因此，通过改变由PIC微控制器产生的激励序列的脉冲频率，步进电机的速度也随之改变。

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附录 Ⅲ #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define k 2000

Uchar table1[]=[ 10 ] Uchar table2[]=[ 5 ] Uchar table3[]=[ 1 ] void send() { Uchar I,in; csb_in=1; for(i=0;i<1;i++) { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();

}

csb_in=0; _nop_(); _nop_();

_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();

_nop_();

_nop_(); _nop_(); }

void duqu()

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程序

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{ }

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uchar num;

num0=num1=num2=num3=num4=0; csb_out=1;

for(num=0;num<10;num++) send(); TR0=1;

if (csb_out==0) {

TR0=0;

time=(TH0*256+TL0)/2; Long=0.344*time; distance=Long; P1=distance;

num4=distance/10000; num3=distance000/1000; num2=distance00/100; num1=distance0/10; num0=distance;

write_com(0x80+0x40+0x10); write_date(0x30+num4); delay(10);

write_date(0x30+num3); delay(10);

write_date(0x30+num2); delay(10);

write_date(0x30+num1); delay(10);

write_date(0x30+num0); delay(10); TH0=0X00; TL0=0X00;

delay(1000);

}

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void delay(z) {

Uchar x,y; For(x=0;x

} bit lcd_busy() { bit result; lcdrs=0; lcdrw=1;

lcden=1;

_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result = (bit)(P0&0x80); lcden = 0; return result; }

void write_com(uchar com) {

while(lcd_busy()); lcdrs=0; lcdrw=0; lcden=0; P0=com;

_nop_();

_nop_(); _nop_(); _nop_();

lcden=1;

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f0jp.html