課程設計--微型計算機系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　微型計算機系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　學生姓名：xxx</b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　學生學號： </b></p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及

2、其自動化</p><p>　　信息技術學院電氣工程系</p><p>　　2013年11月24 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　微型計算機系統(tǒng)簡稱“微機系統(tǒng)”。是由微型計算機、顯示器、輸入輸出設備、電源及控制面板等組成的計算機系統(tǒng)。配有操作系統(tǒng)、高級語言和多種工具性軟件等。“微機系統(tǒng)”是

3、20世紀最重要的科技成果之一。它是一種能自動、高速、精確地處理信息的現(xiàn)代化電子設備，計算機具有算術運算和邏輯判斷能力，并能通過預先編好的程序來自動完成數(shù)據(jù)的加工處理，因此，也可以說計算機也是一種幫助人類從事腦力勞動(包括記憶、計算、分析、判斷、設計、咨詢、診斷、決策、學習和創(chuàng)造等思維活動)的工具。利用微型計算機系統(tǒng)控制電動機，實現(xiàn)電動機的正反轉?，F(xiàn)在，計算機的應用已深入到社會的各個角落，極大地改變著人們的工作、學習和生活方式，成為信息時

4、代的主要標志。</p><p>　　關鍵詞：計算機、可編程控制器、電動機、中央處理器</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>

5、;　　2 微型計算機1</b></p><p>　　2.1微型計算機組成1</p><p>　　2.1.1 硬件部分1</p><p>　　2.1.1.1中央處理器1</p><p>　　2.1.1.2 存儲器1</p><p>　　2.1.2 軟件部分1</p><p>

6、;　　2.2 PLC工作原理1</p><p>　　2.3 PLC應用2</p><p>　　3 三相異步電動機3</p><p>　　3.1 三相異步電動機的啟動3</p><p>　　3.2 三相異步電動機的制動4</p><p>　　3.3 三相異步電機的正反轉PLC控制5</p>&l

7、t;p>　　3.4 兩臺電動機順序起動聯(lián)鎖PLC控制7</p><p>　　3.5 三相異步電動機使用PLC控制優(yōu)點9</p><p><b>　　參考文獻11</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　計算機從誕生到現(xiàn)在不過半個多世紀， 但是它的發(fā)展速度

8、是驚人的， 它把人 類的計算速度提高了數(shù)千億倍。計算機的發(fā)展先后經(jīng)歷了電子管、 晶體管、 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路為主要器件的四個發(fā)展時代。計算機發(fā)展至今， 一直沿用“存儲程序” 的思想。這是計算機科學發(fā)展史上的一個重要里程碑，它奠定了計算機發(fā)展的科學基礎。</p><p><b>　　2．微型計算機</b></p><p>　　2.1微型計算機組成</

9、p><p>　　一臺完整的微型計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。</p><p><b>　　2.1.1硬件部分</b></p><p>　　2.1.1.1中央處理器</p><p>　　中央處理器（Central Processing Unit，CPU）制作在一塊集成電路芯片上，也成為微處理器（Micro Proc

10、essor Unit，MPU）。計算機利用中央處理器處理數(shù)據(jù)，利用存儲器來存儲數(shù)據(jù)。CPU是計算機硬件的核心，主要包括運算器和控制器兩大部分，控制著整個計算機系統(tǒng)的工作。計算機的性能主要取決于CPU的性能。運算器又稱為算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。操作時，控制器從存儲器取出數(shù)據(jù)，運算器進行算術運算或邏輯運算，并把處理后的結果送回存儲器。</p><p>　　2.1.1.2 存

11、儲器</p><p>　　存儲器是計算機中的記憶存儲部件。存儲器既能夠接受和保存數(shù)據(jù)，又能夠向其他部件提供數(shù)據(jù)。存儲器分為內(nèi)存和外存兩大類。</p><p>　　在計算機系統(tǒng)中，習慣上把內(nèi)存、CPU合稱為主機。</p><p>　　內(nèi)存儲器分為隨機讀/寫存儲器（Random Access Memory，RAM）、只讀存儲器（Read OnlyMemory，ROM）和

12、高速緩沖存儲器（Cache）三類。內(nèi)存一般指的是RAM。外存儲器主要包括硬盤、光盤、U盤和移動硬盤等。輸入設備主要包括鍵盤、鼠標等。輸出設備主要有顯示器和打印機等。</p><p><b>　　2.1.2軟件部分</b></p><p>　　硬件雖是組成計算機的基礎，軟件才是計算機的靈魂。計算機的硬件系統(tǒng)上只有安裝了軟件后，才能發(fā)揮其應有的作用。使用不同的軟件，計算機

13、可以完成各種不同的工作。配備上軟件的計算機才成為完整的計算機系統(tǒng)。</p><p>　　2.2 PLC的工作原理</p><p>　　當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 </p><p>　?。?）輸入采樣階

14、段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 </p><p>　?。?）用戶程序執(zhí)行階段 在用

15、戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)

16、不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出

17、過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 </p><p>　?。?）輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。</p><p><b>　　2.3 PLC應用</b></p><p&g

18、t;　　PLC在三相異步電動機控制中的應用，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比具有速度快，可靠性高，靈活性強，功能完善等優(yōu)點。長期以來，PLC始終處于自動化領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非?？煽康目刂茟?，它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。本文設計了2個三相異步電動機的PLC控制電路，分別是三相異步電動機的正反轉控制和兩臺電動機順序起動聯(lián)鎖控制，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有控制

19、速度快、可靠性高、靈活性強等優(yōu)點。</p><p>　　三相異步電動機的應用幾乎涵蓋了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個領域,在這些應用領域中,三相異步電動機常常運行在惡劣的環(huán)境下,導致產(chǎn)生過流,短路,斷相,絕故,對緣老化等事故，應用于大型工業(yè)設備重要場合的高壓電動機,大功率電動機來說,一旦發(fā)生故障所造成的損失無法估量。</p><p>　　本系統(tǒng)的控制是采用PLC的編程語言----梯形語言,梯形

20、語言是在可編程控制器中的應用最廣的語言，因為它在繼電器的基礎上加進了許多功能，使用靈活的指令，使邏輯關系清晰直觀，編程容易，可讀性強，所實現(xiàn)的功能也大大超過傳統(tǒng)的繼電器控制電路，可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它是專為在惡劣工業(yè)環(huán)境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)和算術等操作的指令，并采用數(shù)字式，模擬式的輸入和輸出，控制各種的機械或生產(chǎn)過程。</p><

21、p>　　長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化設備提供了非?？煽康目刂茟?，它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)，企業(yè)對自動化的需要。進入20世紀80年代，由于計算機技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，極大地推動了PLC的發(fā)展，使得PLC的功能日益增強，目前，在先進國家中，PLC已成為工業(yè)控制的標準設備，應用面幾乎覆蓋了所有工業(yè)，企業(yè)。由于PLC綜合了計算機和自動化技術，所

22、以它發(fā)展日新月異，大大超過其出現(xiàn)時的技術水平，它不但可以很容易的完成邏輯，順序，定時，計數(shù)，數(shù)字運算，數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制。特別是超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展以及信息，網(wǎng)絡時代的到來，擴展了PLC的功能，使它具有很強的聯(lián)網(wǎng)通訊能力，從而更廣泛的運用于眾多行業(yè)。</p><p><b>　　3.三相異步電動機</b

23、></p><p>　　三相異步電動機由靜止的定子和旋轉的轉子兩個重要部分組成，定子和轉子之間由氣隙分開。三相異步電動機的幾個工作過程的分析：</p><p>　　3.1 三相異步電動機的起動</p><p>　　三相異步電動機接通電源，使電機的轉子從靜止狀態(tài)到轉子以一定速度穩(wěn)定運行的過程稱為電動機的起動過程。起動方法有直接起動和降壓起動兩種。</p&g

24、t;<p>　　(1) Y-△降壓起動 這種起動方法適用于電動機正常運行時接法為三角形的三相異步電動機。電機起動時，定子繞組接成星形，起動完畢后，電動機切換為三角形。 </p><p>　　圖3-1 Y-△降壓起動控制線路</p><p>　　圖1-4是一個Y-△降壓起動控制線路，起動時，電源開關QS閉合，控制電路先使得KM2閉合，電機星形起動，定子繞組由于采用了星形結

25、構，其每相繞阻上承受的電壓比正常接法時下降了。當電機轉速上升到穩(wěn)定值時，控制電路再控制KM1閉合，于是定子繞組換成三角形接法，電機開始穩(wěn)定運行。 </p><p>　　(2)自耦變壓器降壓起動 這種起動方法是指起動時，定子繞組接三相自耦變壓器的低壓輸出端，起動完畢后，切掉自耦變壓器并將定子繞組直接接上三相交流電源，使電動機在額定電壓下穩(wěn)定運行。 </p><p>　　3.2三相異步電動機

26、的制動</p><p>　　三相異步電動機脫離電源之后，由于慣性，電動機要經(jīng)過一定的時間后才會慢慢停下來, 但有些生產(chǎn)機械要求能迅速而準確地停車，那么就要求對電動機進行制動控制。電動機的制動方法可以分為兩大類：機械制動和電氣制動。機械制動一般利用電磁抱閘的方法來實現(xiàn)；電氣制動一般有能耗制動、反接制動和回饋發(fā)電制動三種方法。 </p><p>　　(a) 接線圖； (b) 原理圖</p

27、><p>　　圖3-2反接制動示意圖 </p><p>　　正常運行時，接通KM1，電動機加順序電源U—V—W起動運行。需要制動時，接通KM2， 從圖可以看出，電動機的定子繞組接逆序電源V—U—W，該電源產(chǎn)生一個反向的旋轉磁場，由于慣性，電動機仍然順時針旋轉，這時轉子感應電流的方向按右手螺旋法則可以判斷，再根據(jù)左手定則判斷轉子的受力F。顯然，轉子會受到一個與其運動方向相反，而與新旋轉磁場方向

28、相同的制動力矩，使得電機的轉速迅速降低。當轉速接近零時，應切斷反接電源，否則，電動機會反方向起動。反接制動的優(yōu)點是制動時間短，操作簡單，但反接制動時，由于形成了反向磁場，所以使得轉子的相對轉速遠大于同步轉速，轉差率大大增大，轉子繞組中的感應電流很大，能耗也較大。為限制電流，一般在制動回路中串入大電阻。另外，反接制動時，制動轉矩較大，會對生產(chǎn)機械造成一定的機械沖擊，影響加工精度，通常用于一些頻繁正反轉且功率小于10 kW的小型生產(chǎn)機械中。

29、 </p><p>　　3.3三相異步電機的正反轉PLC控制</p><p>　　 在生產(chǎn)過程中,往往要求電動機能夠實現(xiàn)正反兩個方向的轉動,如起重機吊鉤的上升與下降,機床工作臺的前進與后退等等。由電動機原理可知，只要把電動機的三相電源進線中的任意兩相對調(diào)，就可改變電動機的轉向。因此正反轉控制電路實質上是兩個方向相反的單相運行電路，為了避免誤動作引起電源相間短路，必須在這兩個相反方向的單

30、向運行電路中加設必要的互鎖。按照電動機可逆運行操作順序的不同，就有了“正-停-反”和“正-反-?！眱煞N控制電路。</p><p>　　圖3-3正反轉繼電器控制圖</p><p>　　圖3-4 I/O接線圖</p><p><b>　　圖3-5 梯形圖</b></p><p><b>　　指令程序</b&g

31、t;</p><p>　　地址 指令 數(shù)據(jù)</p><p>　　0000 LD0001</p><p>　　0001 OR 0500</p><p>　　0002 AND-NOT 0000</p><p>　　0003 AND-N

32、OT 0501</p><p>　　0004 OUT 0500</p><p>　　0005 LD 0002</p><p>　　0006 OR0501</p><p>　　0007 AND-NOT 0000</p><p&g

33、t;　　0008 AND-NOT 0500</p><p>　　0009 OUT 0501</p><p>　　0010 END(01)</p><p>　　PLC控制的工作過程的分析：</p><p>　　按下SB2，輸入繼電器0001動合觸點閉合，輸出繼電器0500線圈接通并自鎖，接觸

34、器KM1主觸點，動合輔助觸點閉合，電動機M通電正轉。</p><p>　　按下SB1，輸入繼電器0000動斷觸點斷開，輸出繼電器0500線圈失電，KM1主觸點，動合輔助觸點斷開，電動機M斷電停止正轉。</p><p>　　按下SB3,0002動合觸點閉合,0501線圈接通并自鎖,KM2主觸點,動合輔助觸點閉合,電動機M通電反轉</p><p>　　3.4兩臺電動機順

35、序起動聯(lián)鎖PLC控制</p><p>　　在裝有多臺電動機的生產(chǎn)機械上，有時必須按一定的順序起動電動機，才能滿足工作的需要。例如某個設備要求:“必需首先起動甲電動機，然后才能起動乙電動機，當甲電動機停止后，乙電動機自動停止”。這種要求可采用下面的控制線路來實現(xiàn)。</p><p>　　圖3-6 順序啟動繼電器控制圖</p><p>　　圖3-7 I/O接線圖</

36、p><p><b>　　圖3-8 梯形圖</b></p><p><b>　　指令程序</b></p><p>　　地址 指令 數(shù)據(jù)</p><p>　　0000 LD 0000</p><p>　　0001 OR

37、 0500</p><p>　　0002 AND-NOT 0001</p><p>　　0003 OUT 0500</p><p>　　0004 LD 0002</p><p>　　0005 OR 0501</p>

38、<p>　　0006 AND 0500</p><p>　　0007 AND-NOT 0003</p><p>　　0008 OUT 0501</p><p>　　0009 END(01) </p><p>　　PLC控制的工作過程的分析：</

39、p><p>　　按下M1的起動按鈕SB1,輸入繼電器0000動合觸點閉合,輸出繼電器0500線圈接通并自鎖,接觸器KM1得電吸合,電動機M1起動運轉;同時連接在0501線圈驅動電路的0500動合觸點閉合,為起動電動機M2作準備?？梢?只有電動機M1先起動,電動機M2才能起動。這時如果按下M2的起動按鈕SB3,0002動合觸點閉合,0501線圈接通并自鎖,接觸器KM2得電吸合,電動機M2起動運轉。按下M1的停止按鈕SB

40、2，0001動斷觸點斷開，使0500線圈失電，并且由于連接在0501線圈驅動電路的0500動合觸點的斷開，使得0501線圈同時失電，兩臺電動機都停止運行。若只按下M2停止，按鈕SB4時，0003動斷觸點斷開；使得0501線圈失電，M2停止運行，而M1仍運行。</p><p>　　3.5三相異步電動機使用PLC控制優(yōu)點</p><p>　　本文設計就對三相異步電動機的正反轉控制，順序起動等系

41、統(tǒng)進行了設計，還有其它的像制動和調(diào)速控制在這里我就不再設計，主電路都是一樣的，就控制電路有一點小差異，使用PLC控制三相異步電動機有很多好處的：不易老化，設備簡單，結構合理，便于控制價格便宜等，三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是要來產(chǎn)生旋轉磁場的。</p><p>　　我們知道，在相電源與相之間是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也相差120

42、度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉磁場。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化時同步的。旋轉磁場的轉速為n=60t/p 式中f為電源效率，P是磁場的磁極對數(shù)，n的單位是：每分鐘轉數(shù)，根據(jù)此式我們知道，電動機的轉速與磁極數(shù)和使用的電源頻率有關，用PLC控制三相異步電動機也需要對電動機的屬性和旋轉方式有所了解，這樣才能控制好三相異步電動機的方向和特性，不至于使用不當使電動機

43、損壞，電動機的頻率一定要符合要求。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　《微型計算機系統(tǒng)設計》作者：朱家維 出版日期：1986年12月第一版;</p><p>　　《微型計算機嵌入式系統(tǒng)設計》作者：李播成 出版社：西安電子科技大學車版社第1版；</p><p>　　《單片微型計算機控制系統(tǒng)

44、設計》作者：范立南 李雪飛 九授遠 出版社：人民郵電出版社2004年；</p><p>　　4.《輕松學電機》作者：許順隆，徐朝陽. 出版社：中國電力出版社，2008</p><p>　　5.《機床電氣控制技術》作者：曹祥 出版社：國防工業(yè)出版社，2009.1</p><p>　　6.《電器控制與PLC應用》作者：孫余凱，吳鳴山 出版社：電子工業(yè)出版社，2006.