畢業(yè)論文-天車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　目前，很多廠礦企業(yè)車間使用的天車往往是多臺配合使用。一直以來，因天車碰撞發(fā)生的安全事故給國民生產(chǎn)生活造成了巨大損失。傳統(tǒng)的解決方案難以有效解決這一難題，本文將超聲波測距技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，提出了一種較為可靠的方案。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)為核心，搭建系統(tǒng)的控制模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度

2、，信號的處理，并給出相關(guān)的外圍接口電路。超聲波接收模塊選用CX20106作為接收器，完成信號的采集處理放大。電機(jī)減速模塊選用西門子MM440變頻器，利用DAC0832將單片機(jī)的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬控制信號，然后將模擬信號輸入到變頻器中達(dá)到改變頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。通過利用單片機(jī)對超聲波往返時(shí)間的計(jì)算，達(dá)到測量天車距離的目的。然后使用LCD1602液晶模塊顯示實(shí)時(shí)距離，并利用單片機(jī)判斷天車距離是否達(dá)到報(bào)警距離和危險(xiǎn)距離，并做出相應(yīng)的處

3、理。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的天車防碰撞系統(tǒng)技術(shù)可靠經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有很好的使用價(jià)值。設(shè)計(jì)功能完善，接口資源豐富，可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波；測距；報(bào)警</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Cranes are often used

4、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 ident

5、ification technology has been used in this system，proposed amore reliable option．</p><p>　　This design uses AT89C51 microcontroller as the core, to build the system control module, responsible for the schedu

6、ling, 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 Sieme

7、ns MM440 Inverter module selection, the use of the DAC0832 digital control signal the microcontroller converts the analog control signal, then the analog signal inp</p><p>　　This design of crane anti-collisi

8、on 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. </p><p>　　Keywords: microcontrolle

9、r； ultrasonic； range- distance；warning;</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1天車防碰系統(tǒng)研究意義與前景1</p><p>　　1.2天車防碰系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展1</p

10、><p><b>　　1.3任務(wù)要求2</b></p><p>　　第2章 方案論證3</p><p>　　2.1 總方案框圖3</p><p>　　2.2 主控制模塊的選擇3</p><p>　　2.3 測距模塊的選擇4</p><p>　　2.4顯示模塊的選擇6

11、</p><p>　　2.5電機(jī)調(diào)速模塊的選擇7</p><p><b>　　方案確定12</b></p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 AT89C51主控制模塊13</p><p>　　3.2 CX20106超聲波接受模塊15</p>

12、<p>　　3.3發(fā)射電路方案設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.4系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.5驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件功能程序流程圖25</p><p>　　4.2系統(tǒng)安全天車距離模型28</p>

13、;<p>　　4.2.1系統(tǒng)安全跟車距離模型的建立28</p><p>　　4.2.2模型中各參數(shù)的確定31</p><p><b>　　第5章 結(jié)論33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b&g

14、t;</p><p><b>　　附錄 Ⅰ36</b></p><p><b>　　附錄 Ⅱ37</b></p><p><b>　　附錄 Ⅲ55</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　

15、1.1天車防碰系統(tǒng)研究意義與前景</p><p>　　天車又稱起重機(jī)、吊車，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要裝備，種類繁多，使用量大。它是一種用來起吊、放下和搬運(yùn)重物的設(shè)備，在工礦企業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成矩形的工作范圍，可以充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。隨著天車在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位越來越重要，天車的使用越來越廣泛

16、，對于天車的使用、管理與安全檢驗(yàn)等方面的要求也越來越嚴(yán)格，尤其是安全檢驗(yàn)方面。為此，國家專門頒布了《起重機(jī)安全檢驗(yàn)大綱》等規(guī)定，對起重機(jī)的安全防碰撞裝置有了更新的要求。</p><p>　　很多廠礦企業(yè)車間使用的天車往往是多臺配合使用，以起吊大型超重的設(shè)備。在同一建筑物內(nèi)，同層、上下層、或上中下三層設(shè)置軌道運(yùn)行式起重機(jī)的情況下，由于調(diào)度不易，容易出現(xiàn)碰撞事故，造成操作人員生命威脅和財(cái)產(chǎn)損失。而且天車使用頻繁、現(xiàn)場

17、灰塵大、噪音大、電磁干擾嚴(yán)重、環(huán)境惡劣，尤其是夜間操作時(shí)，視線昏暗，更容易出現(xiàn)生產(chǎn)事故。近年來，天車撞人致傷、致死事故屢屢發(fā)生。經(jīng)分析，事故發(fā)生的原因是天車自帶的安全裝置即防碰撞裝置未起作用或根本就沒有安裝防碰撞裝置所致。因此，研究一種安全可靠，能夠穩(wěn)定運(yùn)行的天車防碰系統(tǒng)有著重要的意義。</p><p>　　1.2天車防碰系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展</p><p>　　天車防碰系統(tǒng)是石油、天然氣、鹽

18、業(yè)、地礦等鉆探作業(yè)中，鉆機(jī)游動滑車頂撞天車事故安全預(yù)防的保障系統(tǒng)。隨著微電子學(xué)、傳感技術(shù)、自動化控制的迅猛發(fā)展，這些技術(shù)已經(jīng)完全應(yīng)用于天車防碰系統(tǒng)中，出現(xiàn)了新一代的數(shù)顯防碰裝置。在鉆井過程中，它能對鉆機(jī)游動滑車的上升或下放過程實(shí)行直觀的高度顯示，并對頂撞天車事故實(shí)施隨鉆監(jiān)測、聲光報(bào)警、自動控制，特別在雪天、雨天、大霧天、夜間等特殊情況下，使司鉆可直觀方便地通過觀察顯示數(shù)據(jù)而清楚地知道此刻游動滑車所處的距離位置。</p>&

19、lt;p>　　天車防碰系統(tǒng)發(fā)展分為普通型防碰系統(tǒng)和數(shù)字型防碰系統(tǒng)。國內(nèi)外1997年以前生產(chǎn)的天車上配備大多為普通型防碰系統(tǒng)，它是通過絞車滾筒軸上方的防碰肘閥(過卷閥)來控制剎車氣路。國外IDECO公司系列天車、修井機(jī)所采用的天車防碰系統(tǒng)(KOoMEY公司的產(chǎn)品)均屬此原理。國內(nèi)部分產(chǎn)品離合器控制閥的進(jìn)氣不是來自天車防碰開關(guān)，天車防碰系統(tǒng)不起作用，離合器仍能結(jié)合進(jìn)行作業(yè)，一旦滾筒過卷，剎車氣缸作用，滾筒離合器不能自動斷開，如果司鉆沒

20、能及時(shí)關(guān)閉離合器控制閥，動力或傳動系統(tǒng)的勢能仍能輸入滾筒，滾筒在動力或傳動系統(tǒng)的勢能和剎車的共同作用下，不能保證迅速制動。</p><p>　　自從1997年數(shù)顯防碰天車問世以來，國內(nèi)外生產(chǎn)的電驅(qū)動天車及部分機(jī)械驅(qū)動天車配備了此套裝置。它是集顯示天車游動滑車距離及防止游動滑車碰撞天車于一身的新型控制器，能顯示游動滑車從0.1m至鉆臺以上200 m內(nèi)任意位置距離，具有在特定位置報(bào)警并對絞車制動的動能，可以大大方便司

21、鉆的操作。</p><p>　　該裝置由可編程控制器、數(shù)顯操作盤、編碼器等主要部件組成。由安裝在絞車滾筒軸端的編碼器，將游車大鉤的距離轉(zhuǎn)換成絞車滾筒的旋轉(zhuǎn)量，再把滾筒的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖輸出給可編程控制器，可編程控制器通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，將編碼器送來的脈沖進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換后輸出2路信號：一路送至數(shù)顯操作盤以供顯示；一路輸出給天車電動機(jī)，控制剎車動作。</p><p>　　普通型天車防碰系統(tǒng)根據(jù)對現(xiàn)場

22、使用情況的考查，工作基本正常。但由于天車防碰系統(tǒng)屬于一種安全預(yù)防事故發(fā)生的裝置，安全可靠很總要。普通型天車防碰系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)機(jī)械式防碰系統(tǒng)。無法顯示實(shí)時(shí)距離，設(shè)備可靠性差。 已經(jīng)屬于淘汰產(chǎn)品。</p><p>　　數(shù)顯型天車防碰系統(tǒng)數(shù)顯天車防碰系統(tǒng)以其安全可靠、操作簡便、數(shù)據(jù)直觀等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)完全被現(xiàn)場使用者所認(rèn)可。在近幾年現(xiàn)場使用情況的基礎(chǔ)上，又對其進(jìn)行了改進(jìn)，使用性能不斷趨于合理和完善，從而很好的滿足了天車現(xiàn)場的

23、需要。</p><p><b>　　1.3任務(wù)要求</b></p><p>　　該設(shè)計(jì)主要完成對天車距離的自動監(jiān)測與報(bào)警。包括傳感器與測量電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)、主機(jī)及擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)、通信部分和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　技術(shù)要求：</b></p><p>　　（1）天車行進(jìn)不能碰撞

24、。</p><p>　?。?）當(dāng)天車之間的距離小于5米時(shí)，提出聲光報(bào)警，當(dāng)距離小于2米時(shí)，切斷天車的電源，并啟動制動裝置，同時(shí)繼續(xù)報(bào)警，只有當(dāng)天車啟動反向運(yùn)動時(shí)才能重新開啟天車。</p><p>　　（3）距離檢測范圍：0.2m-8m，檢測精度：0.1m；當(dāng)距離小于5m時(shí)，控制天車減速，并以低速運(yùn)行，防止因天車高速行進(jìn)并瞬間急停造成吊鉤的擺動。</p><p>

25、　?。?） 檢測目標(biāo)距離 并顯示在液晶屏上；</p><p><b>　　第2章 方案論證</b></p><p><b>　　2.1 總方案框圖</b></p><p>　　如2.1系統(tǒng)方框圖所示單片機(jī)作為主控制模塊。超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波，之后接收模塊接收到反饋信號。利用發(fā)射與接收的時(shí)間差t，來計(jì)算出天車的距離，利用

26、單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷。 并進(jìn)行距離顯示。當(dāng)單片機(jī)判斷為警報(bào)距離時(shí)，光報(bào)警模塊便會啟動。以提醒天車駕駛員注意，同時(shí)控制模塊控制三相電機(jī)減速。當(dāng)單片機(jī)檢測到危險(xiǎn)距離時(shí)，單片機(jī)會強(qiáng)制輸出停止指令，令電動機(jī)馬上停止。從而保證了人員安全。只有距離大于危險(xiǎn)距離時(shí)，電機(jī)才能前進(jìn)。</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)方框圖</p><p>　　2.2 主控制模塊的選擇</p><p&

27、gt;　　單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及其采用的半導(dǎo)體工藝，使之具有顯著的特點(diǎn)，優(yōu)異的性價(jià)比。大大降低了控制成本。</p><p>　　單片機(jī)的體積小，可靠性高，其內(nèi)部采用總線式結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性和抗干擾能力，可以用于惡劣的環(huán)境下工作。單片機(jī)的控制能力強(qiáng)大能滿足設(shè)計(jì)要求單片機(jī)指令系統(tǒng)中均含有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O接口指令及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能均高于同一檔次的微機(jī)。因此選用單片機(jī)作為

28、主控制器。</p><p>　　AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲器(PERONM)和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域</p>

29、;<p>　　2.3 測距模塊的選擇</p><p>　　本文涉及到距離的檢測?？捎?種方案供選擇。 其一是激光測距，其二是超聲波測距。 由于題目要求的測距范圍是80m以下因此激光的波速太快其往返時(shí)間太短，接收系統(tǒng)很難捕捉到反射信號。而且在工廠中，油污粉塵比較大。而激光的衍射能力弱，激光發(fā)射器探頭極易受到油污的干擾。因此不能選擇激光測距系統(tǒng)。</p><p>　　經(jīng)過多方面研

30、究調(diào)查，選用超聲波發(fā)生器最為合適。因?yàn)槌暡ǖ牟ㄋ俾?。因?0米的距離往返時(shí)間比較大。接收器更容易捕捉到反射信號。</p><p>　　為了以超聲波作為檢測手段必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。因此我們需要設(shè)計(jì)使用超聲波發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波;而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。防撞報(bào)警系統(tǒng)主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)

31、勢，所以選擇超聲波方案。</p><p>　　超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即S=VT. </p><p>　　超聲波接收器使用CX20106芯片。使用CX20106集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波。該芯片接受信號后直接進(jìn)行處理分析。輸出數(shù)字信號可直接輸入單片機(jī)。不

32、需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以大大的簡化了電路設(shè)計(jì)。從而降低設(shè)計(jì)成本。</p><p>　　該題目的重點(diǎn)是距離檢測。因次選擇設(shè)計(jì)一個(gè)好的超聲波傳感器就顯得尤為重要。下面介紹一下壓電式傳感器的原理和設(shè)計(jì)思路。</p><p>　　壓電式超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。</p>

33、<p>　　超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。</p><p>　　如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了，如圖2.2：</p><p>　　圖2.2 超聲波接收器<

34、/p><p>　　超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的傳感器特性為例子。</p><p>　　圖2.3超聲波傳感器的升壓能級和靈敏度</p><p>　　如圖2.3所示是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。其中，40KHz處為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在40KHz處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在40KHz處所產(chǎn)生的超聲聲壓能

35、級最高。而在40KHz兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率40KHz的交流電壓來激勵(lì)。</p><p>　　另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在40KHz處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在40KHz處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R也有很大關(guān)系，如果R很大，頻率特性是

36、尖銳共振的，并目在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并目最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。考慮到實(shí)際工程測量要求,可以選用超聲波的頻率f = 40kHz ,波長λ = 0. 85cm。</p><p>　　實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表而上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源

37、，輻射出一個(gè)半球而波(子波)，這些子波沒有一指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果(衍射)，卻有一指向性。圖2.4是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向圖。</p><p>　　圖2.4 超聲波傳感器指向特性及結(jié)構(gòu)</p><p>　　超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是0度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40到80度，課

38、題要求發(fā)射傳感器的指向角為60度。</p><p>　　綜上所述選擇恒隆達(dá)GH-311RT超聲波模塊。論文基于AT89C51單片機(jī)天車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和AT89C51單片機(jī)結(jié)合于一體，設(shè)計(jì)出一種基于AT89C51單片機(jī)的天車防撞報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。</p><p>　　2.4顯示模塊的選擇</

39、p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有LED和LCD。這兩種器件都具有成本低廉、配置靈活、與單片機(jī)接口方便的特點(diǎn)。LCD每一個(gè)點(diǎn)在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。而且體積小、重量輕。液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，

40、在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。LCD功耗低。相對而言，LCD的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。</p><p>　　因此根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求對天車距離進(jìn)行顯示選擇LCD顯示，且由于需要顯示的內(nèi)容不多，所以選擇LCD顯示模塊。在液晶(LCD)方面，從選型角度，我們將常見液晶分為以下幾類：段式（也稱8字）、字符型和圖形點(diǎn)陣。 </p><

41、p>　　常見段式液晶的每字為8段組成，即8字和一點(diǎn)，只能顯示數(shù)字和部分字母，如果必須顯示其它少量字符、漢字和其它符號，一般需要從廠家定做，可以將所要顯示的字符、漢字和其它符號固化在指定的位置，比如計(jì)算器。對于段式液晶，我們提供定做業(yè)務(wù)。字符型液晶，顧名思義，字符型液晶是用于顯示字符和數(shù)字的，對于圖形和漢字的顯示方式與段式液晶無異。字符型液晶一般有以下幾種分辨率，8×1，16×1、16×2、16

42、5;4、20×2、20×4、40×2、40×4等，其中8(16、20、40)的意義為一行可顯示的字符(數(shù)字)數(shù)，1(2、4)的意義是指顯示行數(shù)。 </p><p>　　因此綜上所述，LCD1602液晶模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)。LCD1602模塊可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用5V電源供電，外圍電路配置簡單，價(jià)格便宜，與有很高的性價(jià)比。

43、因此選擇LCD1602作為顯示模塊</p><p>　　2.5電機(jī)調(diào)速模塊的選擇</p><p>　　在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對數(shù)的多速電動機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無換向電動機(jī)調(diào)速等。</p><p>　　

44、從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速指時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法（如串級調(diào)速等）。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。</p><

45、;p>　?。?）變極對數(shù)調(diào)速方法</p><p>　　這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： 具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 接線簡單、控制方便、價(jià)格低； 有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速； 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備

46、、風(fēng)機(jī)、水泵等。 </p><p><b>　?。?）變頻調(diào)速方法</b></p><p>　　變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點(diǎn)： 效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步

47、電動機(jī)； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。</p><p>　?。?）串級調(diào)速方法 </p><p>　　串級調(diào)速是指繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利

48、用方式，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為： 可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70％－90％的生產(chǎn)機(jī)械上； 調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)； 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。 </p><p&g

49、t;　?。?）繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 </p><p>　　繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。 </p><p>　?。?）定子調(diào)壓調(diào)速方法 </p><p>　　當(dāng)改變電動機(jī)的定子電壓時(shí)，

50、可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機(jī)，或者在繞線式電動機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。 調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自

51、耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： 調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動控制； 調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。 調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。 </p><p>　?。?）電磁調(diào)速電動機(jī)調(diào)速方法 電磁調(diào)速電動機(jī)由籠型電動機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器）三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的

52、導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。 電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵(lì)磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動。電樞與電動機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱主動部分，由電動機(jī)帶動；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對接稱從動部分。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對N、S極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過電樞。當(dāng)電樞隨拖動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對運(yùn)動，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動有磁極的轉(zhuǎn)子按

53、同一方向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速N1，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速方式，變動轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電磁調(diào)速電動機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)： 裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便； 調(diào)速平滑、無級調(diào)速； 對電網(wǎng)無諧影響； 速度失大、效率低。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。</p><p>　　（7）液力耦合器調(diào)速方法 </p><p>　

54、　液力耦合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當(dāng)泵輪在原動機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于其中的液體受葉片推動而旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下沿著泵輪外環(huán)進(jìn)入渦輪時(shí)，就在同一轉(zhuǎn)向上給渦輪葉片以推力，使其帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。液力耦合器的動力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相對充液量的大小是一致的。在工作過程中，改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉(zhuǎn)速，作到無級調(diào)速，其特點(diǎn)為： 功率適應(yīng)范圍大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦

55、不同功率的需要； 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價(jià)低； 尺寸小，能容大； 控制調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)自動控制。 本方法適用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速。</p><p>　　改變供電電壓的頻率可以實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的速度控制，這就是變頻器調(diào)速?，F(xiàn)在變頻器在電氣自動化控制系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，這得益于變頻調(diào)速性能的提高和變頻器價(jià)格的大幅度降低。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)變頻器調(diào)速的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)

56、：一是大功率開關(guān)器件。雖然早就知道變頻器調(diào)速是交流調(diào)速中最好的方法，但是受限于大功率電力電子器件的實(shí)用化問題，變頻器調(diào)速直到20實(shí)際80年代才取得了長足的發(fā)展。二是微處理器的發(fā)展加上變頻控制方式的深入研究使得變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠性。</p><p>　　變頻調(diào)速的特點(diǎn)有：可以使用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，可以連續(xù)調(diào)速，可以通過電子回路改變相序、改變旋轉(zhuǎn)方向。其優(yōu)點(diǎn)是啟動電流小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動機(jī)可以高速化和小型化

57、，防爆容易，保護(hù)功能齊全。變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，原因是節(jié)能效果顯著。它應(yīng)用于機(jī)床和起重機(jī)等。</p><p>　　變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)必須使用變頻器，變頻器有很多種類型宣選擇合適的變頻器很重要。</p><p><b>　　根據(jù)變流分類可分為</b></p><p>　　現(xiàn)在使用的變頻器主電路大多數(shù)為交-直-交電壓型變頻器，它整流器、中間電路和

58、逆變器組成，而對逆變器的控制主要采用V/f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種方式。</p><p>　　變頻器的選擇大致分為3類，通用型變頻器、高性能變頻器和專用變頻器。</p><p>　?。?）通用型變頻器通常指配備一般V/F控制方式的變頻器，也成簡易變頻器。該類變頻器成本較低，使用較為廣泛。</p><p>　?。?）高性能變頻器通常指配備矢量控制功能的變頻器。

59、該類變頻器使得自適應(yīng)功能更加完善，用于對調(diào)速性能較高的場合。</p><p>　?。?）專用變頻器針對某種類型的機(jī)械而設(shè)計(jì)的變頻器，如泵、風(fēng)機(jī)用變頻器，電梯專用變頻器，起重機(jī)專用變頻器，張力控制變頻器等。</p><p>　　綜合本設(shè)計(jì)的要求，我們選擇通用型變頻器。</p><p>　　變頻器容量的選擇變頻器的容量一般用額定輸出電流(A)、輸出容量(kVA)、適用電

60、動機(jī)功率(kW)表 示。其中，額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流有效值。</p><p><b>　　額定輸出電流</b></p><p>　　采用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)調(diào)速時(shí)，在異步電動機(jī)確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值(最大值)來選擇變頻器。</p><p>　?。?）連續(xù)運(yùn)

61、行的場合</p><p>　　由于變頻器供給電動機(jī)的電流是脈動電流，其脈動值比工頻供電時(shí)的電流要大。因此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)脑Ａ俊?</p><p>　　一般令變頻器的額定輸出電流（1.05～1.1）倍的電動機(jī)的額定電流(銘牌值)或電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流。</p><p>　　（2）短時(shí)加、減速運(yùn)行的場合</p><p>　　變頻器

62、的最大輸出轉(zhuǎn)矩是由變頻器的最大輸出電流決定的。一般情況下，對于短時(shí)間的加、減速而言，變頻器允許達(dá)到額定輸出電流130% ～150% (視變頻器容量有別)。因此，在短時(shí)間加、減速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩也可以增大；反之如只需要較小的加、減速轉(zhuǎn)矩時(shí)，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈動原因，此時(shí)應(yīng)將變頻器的最大輸出電流降低10%后再進(jìn)行選定。</p><p>　?。?）頻繁加、減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的場合</p><

63、;p>　　對于頻繁加、減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)行曲線如圖5-4所示。變頻器容量的選定可根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下變頻器的電流值來確定變頻器額定輸出電流IINV。</p><p><b>　　額定輸出電壓</b></p><p>　　變頻器的輸出電壓按電動機(jī)的額定電壓選定。在我國低壓電動機(jī)多數(shù)為380 V，可選用 400V系列變頻器。應(yīng)當(dāng)注意變頻器的工作電壓是按U

64、/f曲線變化的。變頻器規(guī)格表中給出 的輸出電壓是變頻器的可能最大輸出電壓，即基頻下的輸出電壓。 </p><p><b>　　輸出頻率 </b></p><p>　　變頻器的最高輸出頻率根據(jù)機(jī)種不同而有很大不同，有50Hz/60Hz、120 Hz、240 Hz或 更高。50 Hz/60 Hz的變頻器，以在額定速度以下范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)為目的，大容量通用 變頻器幾乎都屬

65、于此類。最高輸出頻率超過工頻的變頻器多為小容量。在50 Hz/60 Hz以上 區(qū)域，由于輸出電壓不變，為恒功率特性，要注意在高速區(qū)轉(zhuǎn)矩的減小。例如，車床根據(jù)工 件的直徑和材料改變速度，在恒功率的范圍內(nèi)使用；在輕載時(shí)采用高速可以提高生產(chǎn)率，但 需注意不要超過電動機(jī)和負(fù)載的允許最高速度。 </p><p>　　考慮到以上各點(diǎn)，根據(jù)變頻器的使用目的所確定的最高輸出頻率來選擇變頻器。 </p><p&

66、gt;　　變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大，考慮到散熱的經(jīng)濟(jì)性，除小容量變頻器外幾乎都是開啟式結(jié) 構(gòu)，采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。變頻器設(shè)置場所在室外或周圍環(huán)境惡劣時(shí)，最好裝在獨(dú)立盤 上，采用具有冷卻熱交換裝置的全封閉式結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　對于小容量變頻器，在粉塵、油霧多的環(huán)境或者棉絨多的紡織廠也可采用全封閉式結(jié)構(gòu)。</p><p>　　變頻器容量的選擇歸根結(jié)底是對其額定電流的選擇?？偟脑瓌t是變

67、頻器的額定電流一定要大于拖動系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的最大電流。</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)是驅(qū)動單一的電機(jī)，所以變頻器的額定電流選擇為電動機(jī)的額定電流的1.倍即可。</p><p>　　綜上所述減速控制模塊選用西門子MM440變頻器作為減速控制模塊。因?yàn)樽冾l控制是目前最簡單有效的交流電機(jī)速度控制方法?？梢詫?shí)現(xiàn)高性能高可靠性的控制。</p><p>　　只要將單片機(jī)的數(shù)

68、字控制型號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸入到變頻器中，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。因?yàn)镈AC0832與微處理器完全兼容。具有8為分辨率。其價(jià)格便宜、接口簡單、轉(zhuǎn)換容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。因此數(shù)模轉(zhuǎn)換選用了DAC0832芯片。 由于電機(jī)需要根據(jù)單片機(jī)的判斷工作，電機(jī)為高壓設(shè)備，為了防止高壓電進(jìn)入燒壞單片機(jī)。因此電機(jī)的真反轉(zhuǎn)開關(guān)需要做光電隔離。選用TCP571作為光電隔離。</p><p><b>　　方案確定&l

69、t;/b></p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)天車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和AT89C51單片機(jī)結(jié)合于一體，使用CX20106作為超聲波接收模塊。使用DAC0832作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。采用LCD1602液晶顯示模塊。利用變頻器西門子MM440進(jìn)行點(diǎn)擊調(diào)速。</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)</p>&

70、lt;p>　　3.1 AT89C51主控制模塊</p><p>　　本系統(tǒng)中所用到的主要芯片有單片機(jī)AT89C51、LCD1602、CX20106、DAC0832、74LS373。</p><p>　　AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲器(PERONM)和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器

71、件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[3]。與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容，4K字節(jié)可重檫寫Flash閃速存儲器，1000次檫寫周期，全靜態(tài)操作：0Hz--24MHz，三級加密程序存儲器，128x8字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)可編程I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，可編程串行UAR

72、T通道，低功耗空閑和掉電模式。</p><p>　　AT89C51的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示</p><p>　　圖3.1 AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　如圖3.2所示該模塊選用89C51單片機(jī)作為主控模塊，利用LCD1602液晶顯示實(shí)時(shí)距離。 按鈕S1為復(fù)位按鈕，S2為電機(jī)前進(jìn)按鈕，S3為電機(jī)后退按鈕。P2.0口接發(fā)光二極管 用于危險(xiǎn)距離警示。P2.

73、6口接蜂鳴器報(bào)警器。報(bào)警系統(tǒng)將在單片機(jī)檢測到危險(xiǎn)距離時(shí)啟動。此時(shí)P2.6口輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器通電。X1\X2引腳外接晶振。P0口作為輸出口時(shí)必須外外接上拉電阻才能有高電平輸出。</p><p>　　圖3.2 AT89C51控制電路</p><p>　　圖3.2中DAC0832 是采樣頻率為八位的D/A 轉(zhuǎn)換器件, DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料:芯片內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0

74、832 具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A 異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A 轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應(yīng)的模擬信號，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這個(gè)供功能。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB 端引用片內(nèi)固有電阻，?？梢酝饨印．?dāng)ALE為高電平控制調(diào)速數(shù)字信號經(jīng)過DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸入到MM440中進(jìn)行電機(jī)減速。只要二進(jìn)制數(shù)據(jù)送到DAC0832 的數(shù)據(jù)口,則會自動把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為相應(yīng)

75、的電壓。但電壓輸出一般不可能達(dá)到基準(zhǔn)。電壓.要想達(dá)到基準(zhǔn)電壓則要提高運(yùn)放的電壓。當(dāng)基準(zhǔn)為負(fù)是,只要提高運(yùn)放的正電壓就可以使輸出達(dá)到基準(zhǔn)電壓了，當(dāng)基準(zhǔn)為正是,則為提高運(yùn)放的負(fù)電壓，一般的運(yùn)放提高兩伏就可以了。其他模塊將在具體模塊介紹中詳細(xì)說明。 </p><p>　　3.2 CX20106超聲波接受模塊</p><p>　　如圖3.3所示使用CX20106集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大

76、、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106的引腳接法。</p><p>　　1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2 腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R40或減小C12,將 使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C12的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，選用參數(shù)為 R40

77、=4.7Ω，C12=1μF。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，選用參數(shù)為3.3μf。</p><p>　　圖3.3 CX20106超聲波信號接收模塊</p><p>　　4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻

78、率越低。取R=200kΩ時(shí)，f0≈42kHz</p><p>　　6腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kΩ，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時(shí)則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.5～5V。</p><p>　　3.3發(fā)射電路方案

79、設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)與超聲波發(fā)生器之間接入一個(gè)驅(qū)動電路，如圖3.4所示。在單片機(jī)的一個(gè)輸出口接一個(gè)非門，而后接入由4個(gè)非門兩兩并聯(lián)的電路，由于非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號能量大大提高，起到驅(qū)動電路的功能。</p><p>　　圖3.4 超聲波發(fā)射模塊</p><p>　　3.4系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　

80、使用LCD1602作為顯示模塊。 顯示天車的實(shí)時(shí)距離。LCD1602具有一下特點(diǎn)：</p><p>　　圖3.5LCD1602模塊</p><p>　　圖3.6中 VSS為電源地，VDD為供電電源，RS為輸入指令輸入數(shù)據(jù)控制，R/W為讀寫指令控制，E腳為1時(shí)讀取信息下降沿時(shí)執(zhí)行指令，數(shù)據(jù)線DB0~DB7接單片機(jī)P0接口。3條控制線分別接P2.1、P2.2、P2.3接口。電阻Rx用來改變顯示

81、屏的對比度，Rx為5K的電位器。</p><p>　　圖3.6 LCD1602顯示模塊</p><p>　　3.5驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　利用D/A轉(zhuǎn)換DAC0832，把單片機(jī)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。然后將該模擬信號輸入西門子MM440變頻器中。從而實(shí)現(xiàn)對三相電機(jī)的速度控制。</p><p>　　DAC0832 系列產(chǎn)品包括DAC

82、0830、DAC0831、DAC0832，它們可以完全相互代替。它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路，為20腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。旨在直接與8080，8048，8085，Z80及其他通用的微型處理器進(jìn)行相接。存儲的硅鉻R-2R電阻梯形網(wǎng)絡(luò)將參考電流分開，并為電路提供合適的溫度處理特性（全范圍最大線性溫度誤差的0.05%）。電路利用CM

83、OS電流開關(guān)和控制邏輯來取得最少的電能損耗和最小的輸出泄露電流誤差。特殊的電路也能提供TTL邏輯輸入電壓的水平兼容。</p><p>　　CS：芯片選擇（低電平工作）CS與ILE結(jié)合可使發(fā)揮WR1.作用。</p><p><b>　　線性誤差</b></p><p>　　ILE:數(shù)據(jù)輸入允許鎖存信號引腳（高電平有效），與CS一起選通輸入寄存器W

84、R1。</p><p>　　WR1:輸入寄存器寫選通信號，當(dāng)WR1為高電平時(shí)，輸入鎖存器的數(shù)據(jù)開始鎖存，當(dāng)ILE為高電平，同時(shí)CS和WR1為低電平，輸入鎖存器數(shù)據(jù)更新。</p><p>　　WR2:寫選通信號2（低電平有效）。這個(gè)信號和XFER邏輯組合，使輸入寄存器的8位數(shù)據(jù)打入DAC寄存器并開始D/A 轉(zhuǎn)換。</p><p>　　XFER:傳送控制輸入線，低電平有

85、效，使WR2工作。</p><p><b>　　其他引腳功能：</b></p><p>　　DI0-DI7:數(shù)據(jù)輸入端，DI0是最低信號輸入位（LSB），DI7是最高信號位（MSB）</p><p>　　IOUT1：DAC電流輸出1端。當(dāng)數(shù)模轉(zhuǎn)換鎖存器全1或全0時(shí)，IOUT1為最大值。</p><p>　　IOUT2:D

86、AC電流輸出2端。IOUT2是一個(gè)持續(xù)的負(fù)IOUT1 ，或IOUT1 + IOUT2 =常數(shù)（固定參考電壓的滿幅值）。</p><p>　　RFB: 反饋電阻。反饋電阻為IC芯片提供并聯(lián)反饋電阻，外部運(yùn)算放大器是用來數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供輸出電壓。這個(gè)片內(nèi)電阻應(yīng)始終使用（而不是外部電阻器） ，因?yàn)樗c所用的芯片的R - 2R介變電阻匹配并跟蹤這些電阻溫度。</p><p>　　VREF:輸入?yún)⒖茧?/p>

87、壓。這種輸入將外部精密電壓源與內(nèi)部R-2R階梯電阻連接起來。VREF的選擇范圍可以是+10V到-10V。這也是四象限乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器所適合的模擬輸入電壓。</p><p>　　VCC:數(shù)字電源電壓。是整個(gè)部分的電源供應(yīng)引腳。VCC可接5V到15V的直流電壓。運(yùn)行時(shí)的最佳電壓是15V。</p><p>　　GND：10號引腳必須與地相連，使IOUT1和IOUT2作為電流輸出開關(guān)，10號引腳與地

88、的任何誤差將會導(dǎo)致如下的線性變化：VOS PIN10/3VREF。</p><p>　　圖3.7 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　圖3.7所示為利用4558運(yùn)算放大器組成模擬電壓輸出電路。經(jīng)過第一個(gè)放大器輸出為單極性模擬電壓輸出電壓為0~-5V。再利用另一個(gè)放大器，把電壓放大2倍。從而匹配西門子MM440的模擬電壓輸入范圍。</p><p>　　改變

89、供電電壓的頻率可以實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的速度控制，這就是變頻器調(diào)速?，F(xiàn)在變頻器在電氣自動化控制系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，這得益于變頻調(diào)速性能的提高和變頻器價(jià)格的大幅度降低。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)變頻器調(diào)速的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)：一是大功率開關(guān)器件。雖然早就知道變頻器調(diào)速是交流調(diào)速中最好的方法，但是受限于大功率電力電子器件的實(shí)用化問題，變頻器調(diào)速直到20實(shí)際80年代才取得了長足的發(fā)展。二是微處理器的發(fā)展加上變頻控制方式的深

90、入研究使得變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠性。</p><p>　　變頻調(diào)速的特點(diǎn)有：可以使用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，可以連續(xù)調(diào)速，可以通過電子回路改變相序、改變旋轉(zhuǎn)方向。其優(yōu)點(diǎn)是啟動電流小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動機(jī)可以高速化和小型化，防爆容易，保護(hù)功能齊全。變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，原因是節(jié)能效果顯著。它應(yīng)用于機(jī)床和起重機(jī)等。</p><p>　　變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)必須使用變頻器，變頻器有很多種類型選擇合

91、適的變頻器很重要。</p><p><b>　　根據(jù)變流分類可分為</b></p><p>　　現(xiàn)在使用的變頻器主電路大多數(shù)為交-直-交電壓型變頻器，它整流器、中間電路和逆變器組成，而對逆變器的控制主要采用V/f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種方式。變頻器的組成方框圖如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 變頻器的組成方框圖</

92、p><p>　　圖3.8中整流器由VD1～VD6組成三相整流橋，它們將三相380V工頻交流電整流成直流。中間電路包括濾波電路、限流電路和制動電路三部分。</p><p><b>　　1、濾波電路</b></p><p>　　整流電路輸出的整流電壓是脈動的直流電壓，必須加以濾波。圖中的濾波電容CF的主要作用就是對整流電壓進(jìn)行濾波，另外，它在整流器與逆

93、變器之間起去藕作用，以消除相互干擾。值得指出的是CF是一個(gè)大容量電容器，這樣可使加于負(fù)載上的電壓值不受負(fù)載變動的影響，基本保持恒定，通常稱這樣的變頻器為電壓型變頻器，電壓型變頻器逆變電壓波形為方波，而電流的波形經(jīng)電動機(jī)繞組感性負(fù)載濾波后接近于正弦波。如果將濾波電路的元件改為電感，這樣可使加于逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負(fù)載影響，通常稱這樣的變頻器為電流型變頻器，電流型變頻器逆變電流波形為方波，而電壓的波形經(jīng)電動機(jī)繞組感性

94、負(fù)載的濾波后接近于正弦波。 </p><p><b>　　2、限流電路</b></p><p>　　在電壓型變頻器的二極管整流電路中，由于在接通電源時(shí)，濾波電容CF的充電電流很大，該電流過大時(shí)能使三相整流橋損壞，還可能形成對電網(wǎng)的干擾，影響同一電源系統(tǒng)的其他裝置正常工作。為了限制濾波電容CF的充電電流，在變頻器開始接通電源的一段時(shí)間內(nèi)，電路串入限流電阻RL，當(dāng)濾波電

95、容CF充電到一定程度時(shí)將SL閉合，將RL短接。</p><p><b>　　3、制動電路</b></p><p>　　制動電路包括制動電阻RB和制動控制管VB</p><p>　　1）制動電阻RB。電動機(jī)在降速時(shí)處于再生制動狀態(tài)，回饋到直流電路中的能量將使電壓UD不斷上升，可能導(dǎo)致危險(xiǎn)。因此需要將這部分能量消耗掉，使UD保持在允許的范圍內(nèi)，制動

96、電阻RB就是用來消耗這部分能量的。</p><p>　　2）制動控制管VB。制動控制管一般由功率晶體管GTR（或IGBT）及其驅(qū)動電路構(gòu)成，其作用是控制流經(jīng)RB的放電電流。</p><p>　　圖3.9 變頻器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　逆變器的基本作用是將直流變成交流，是變頻器的核心部分。它一般由逆變橋、續(xù)流電路和緩沖電路組成。</p><p&

97、gt;　　1）逆變橋由V1～V6組成三相逆變橋，V1～V6工作在開關(guān)狀態(tài)，V1～V6導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于開關(guān)接通，V1～V6截止時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開。V1～V6交替通斷，將整流后的直流電壓變成交流電壓。目前，常用的逆變管有可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和智能功率模塊（IPM）等。</p><p><b>　　各自的特點(diǎn)如下：</b></p>

98、<p>　　可關(guān)斷晶閘管（GTO）的優(yōu)點(diǎn)是電壓、電流容量較大，目前其電壓可達(dá)到6000V，電流可達(dá)到6000A，多應(yīng)用于大功率高壓變頻器；其缺點(diǎn)是驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜；關(guān)斷控制易失敗，工作頻率不夠高，一般在10KHz以下。</p><p>　　電力場效應(yīng)管（MOSFET）屬于電壓驅(qū)動型器件，輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單；開關(guān)速度快，開關(guān)頻率可達(dá)500KHz以上。MOSFET的缺點(diǎn)是電流容

99、量小，耐壓低。</p><p>　　絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的輸出特性好，開關(guān)速度快，工作頻率高，一般可達(dá)20KHz以上，通態(tài)壓降比MOSFET低，輸入阻抗高，耐壓、耐流能力比MOSFET高，最大電流可達(dá)1800A，最高電壓可達(dá)4500V。目前在中小容量變頻器電路中，IGBT的應(yīng)用處于絕對優(yōu)勢。</p><p>　　智能功率模塊（IPM）是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路

100、集成在同一個(gè)模塊內(nèi)。這種功率集成模塊特別適應(yīng)逆變器高頻化發(fā)展方向的需要，而且由于高度集成化，結(jié)構(gòu)緊湊，避免了由于分布參數(shù)、保護(hù)延遲所帶來的一系列技術(shù)難題。目前IPM一般采用IGBT作為功率開關(guān)器件，構(gòu)成一相或三相逆變器的專用功能模塊，在中小容量變頻器中廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　?。?）續(xù)流電路</b></p><p>　　續(xù)流電路由反向并聯(lián)在六個(gè)逆變管的六

101、個(gè)續(xù)流二極管VD7～VD12組成。續(xù)流二極管主要有以下功能：</p><p>　　1）由于電動機(jī)是一種感性負(fù)載，在導(dǎo)通的橋臂開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流不可能降為零，此時(shí)由與其并聯(lián)的二極管進(jìn)行續(xù)流，將其能量返回直流電源。</p><p>　　2）當(dāng)電機(jī)降速時(shí)，電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)，VD7～VD12為再生電流返回直流電源提供通道。</p><p><b>　　（3）

102、緩沖電路</b></p><p>　　緩沖電路由R01～R06，VD01～VD06, C01～C06組成。當(dāng)逆變管V1～V6每次由導(dǎo)通狀態(tài)切換至截止?fàn)顟B(tài)的關(guān)斷瞬間，集電極和發(fā)射極（即C、E）之間的電壓UCE很快地由0V升至直流電壓UD，這過高的電壓增長率會導(dǎo)致逆變管損壞。C01～C06的作用就是減少電壓增長率。當(dāng)逆變管V1～V6每次由截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)的瞬間，C01～C06上所充的電壓將向V1～V

103、6放電。該放電電流的初始值是很大的，R01～R06的作用就是減小C01～C06的放電電流。而VD01～VD06接入后，在V1～V6的關(guān)斷過程中，使R01～R06不起作用。而在V1～V6的接通過程中，又迫使C01～C06的放電電流流經(jīng)R01～R06。</p><p><b>　　2、逆變原理</b></p><p>　　電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式是1800導(dǎo)通

104、方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為1800，同一組上下兩個(gè)橋臂的2個(gè)逆變管交替導(dǎo)電，6個(gè)逆變管每隔600觸發(fā)導(dǎo)通一次，相鄰兩相的逆變管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間互差1200，一個(gè)周期共換相6次，對應(yīng)6個(gè)不同的工作狀態(tài)。</p><p>　　從上述分析可以看出，通過6個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過調(diào)節(jié)UD的大小來實(shí)現(xiàn)。 </p><p>

105、　　變頻器選擇的方式分為V/F控制和矢量控制，根據(jù)實(shí)際情況我們選擇了V/F控制方法。因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)由電源頻率和對數(shù)決定，所以改變頻率，就可以對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。但是頻率改變時(shí)電動機(jī)內(nèi)部阻抗也改變，僅改變頻率會產(chǎn)生有弱勵(lì)磁引起的轉(zhuǎn)矩不足或由過勵(lì)磁引起的飽磁現(xiàn)象。是電動機(jī)功率因數(shù)和效率下降。</p><p>　　V/F控制方式是這樣一種控制方式，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動機(jī)的磁通保持一定，在較廣泛的

106、范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動機(jī)的功率因數(shù)和效率不下降。但是V/F控制是一種開環(huán)控制不能精確地控制轉(zhuǎn)速，電路設(shè)計(jì)簡單比較經(jīng)濟(jì)化。此設(shè)計(jì)并不要求非常精確的控制轉(zhuǎn)速。因此選擇西門子公司的MM440變頻器，作為控制電機(jī)用的變頻器。</p><p>　　圖3.10 電機(jī)驅(qū)動電路</p><p>　　如圖3.10所示使用西門子MM440變頻器實(shí)現(xiàn)正反向運(yùn)行、調(diào)速功能。根據(jù)功能要求，首先要對變頻器進(jìn)行調(diào)試。根

107、據(jù)控制要求選擇合適的運(yùn)行方式。如線性V/F控制、無傳感器適量控制等；頻率設(shè)定值信號源選擇模擬輸入，由DAC0832進(jìn)行模擬量輸入。選擇控制端的功能，將變頻器DIN1、DIN2分別設(shè)置為正轉(zhuǎn)運(yùn)行和反向運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行時(shí)單片機(jī)發(fā)出數(shù)字調(diào)速信號，經(jīng)DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，把模擬信號輸入到西門子MM440變頻器中，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。</p><p>　　圖3.11 電機(jī)熱保護(hù)模塊</p><p>