基于PIC單片機電動機智能軟起動控制器畢業(yè)設(shè)計

1、shandong畢業(yè)設(shè)計說明書基于pic單片機電動機智能軟起動控制器設(shè)計學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2012 年 6 月摘要本設(shè)計是一個電動機軟啟動控制系統(tǒng)，對電動機的啟動進(jìn)行控制，使大容量電動機的啟動電壓從某一值逐步升高，以減少電動機的啟動電流，從而保護(hù)電機和周邊的用電設(shè)備。在大型電動機的啟動過程中，往往會存在很大的沖擊電流，污染電網(wǎng)，損壞電機繞組。針對此，需要對大中型異步電機在啟動時的沖擊電流問題及各類降壓啟動的方式進(jìn)行分析研究。引出啟動裝置軟啟動器的原理、功能和特點，以及針對軟啟動出現(xiàn)的問題提出改進(jìn)意見和觀點，對于完善軟啟動器在控制功能

2、和普及應(yīng)用起到探討作用。由于現(xiàn)代技術(shù)快速的發(fā)展，智能方式的軟啟動器得到人們廣泛應(yīng)用。智能的軟起動器是一種用來控制異步電動機的新設(shè)備，它集成了電動的機軟啟動、軟停車和輕載節(jié)能，還有多種保護(hù)功能為一起電動機控制裝置，在國外把它稱為soft starter。它不僅實現(xiàn)了在整個起動過程中無沖擊而平滑的啟動電機，而且可根據(jù)電動機負(fù)載的特性來調(diào)節(jié)啟動過程中的參數(shù)，如限流值、起動時間等。設(shè)計的電機軟啟動控制器是專為中高壓三相交流電機降低啟動電流而它在大功率電機啟動過程中，通過控制電機的電流,避免直接啟動中啟動電流和沖擊力對電機自身、電機負(fù)載、電網(wǎng)以及同電網(wǎng)其他設(shè)備造成的影響和損害，提高電網(wǎng)的工作效率，從而達(dá)

3、到啟動和保護(hù)設(shè)備的作用。關(guān)鍵詞：電動機，軟啟動，單片機abstractthe design is an electric motor soft start control systems, control the motor starting, the start of large-capacity motor voltage is gradually increased from a value, in order to reduce the starting current of the motor, thereby protecting the motor and the surroun

4、ding electrical equipment.large motor starting process, often there will be a great impact on current, the grid of pollution, damage to the motor windings. for this, the need for large and medium-sized induction motor during start-up the impact of current problems and various buck starts were analyz

5、ed. leads to the boot device soft-start principle, functions and features, as well as for the soft-start problems and suggest improvements and point of view, to explore the role play to improve the soft-start control functions and wider application of.due to the rapid development of modern technolog

6、y, the soft-start of the smart way people widely used. intelligent soft starter is used to control asynchronous motors of the new equipment, which integrates the electric machine soft start, soft stop and light-load energy-saving, there are a variety of protection functions with the motor control de

7、vice, it said in a foreign country the soft the starter. it is not only in the entire starting process no impact on the smooth start the motor, and can be adjusted according to the characteristics of motor loads during startup parameters, such as current limit and start-up time.design of motor soft-

8、start controller is designed for medium and high voltage three-phase ac motor to reduce the starting current in the high-power motor to start the process by controlling the motor current, to avoid direct start to start the current and the impact on the motor itself, the motor load , power grids, and

9、 other devices of the same power grid caused by the impact and damage, to improve the work efficiency of the grid, so as to achieve the role of start-up and protection equipment.keywords: motor, soft start, scm目 錄摘要abstract 目 錄 第一章 緒論 11.1 課題研究的目的意義 11.2 軟啟動的發(fā)展現(xiàn)狀 21.3設(shè)計內(nèi)容和技術(shù)要求31.3.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計模塊 31.3.2系

10、統(tǒng)的軟件設(shè)計模塊 31.3.3主要設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)與參數(shù) 41.4 實現(xiàn)的功能 4第二章 課題的關(guān)鍵技術(shù)52.1 軟啟動器的工作原理52.2 軟啟動器啟動方式52.3 pid控制 72.4 pwm輸出9第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 103.1 pic16f916芯片103.1.1 pic16f916單片機簡介 103.1.2 引腳功能123.2 電流檢測電路設(shè)計133.3 缺相檢測133.3.1光電耦合器 133.3.2 缺相檢測電路 143.4 顯示電路143.5 鍵盤電路163.6 繼電器電路 183.6.1 旁路繼電器183.6.2 遠(yuǎn)程繼電器193.7 電源設(shè)計 193.8通訊電路設(shè)計203.

11、8.1 rs485通訊協(xié)議 203.8.2 max485 22第四章 軟件設(shè)計 234.1 資源分配 234.2 系統(tǒng)初始化 234.3 系統(tǒng)主流程圖 244.4 子流程圖 264.4.1 顯示模塊流程圖264.4.2 串行通訊流程圖264.4.3 初始化流程圖274.4.4 鍵盤掃描流程圖27第五章 誤差分析 295.1 軟啟動器的常見故障 295.2 誤差分析 29總結(jié)31致謝32參考文獻(xiàn)33第一章 緒論1.1 課題研究的目的意義電動機在起動的時候電流高達(dá)額定電流的58倍，這樣就對電網(wǎng)造成較大干擾，尤其在工業(yè)領(lǐng)域中的重載起動，有時可能對設(shè)備安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的降壓起動方式，如星三角減壓

12、起動、自耦變壓器減壓器起動等，這些啟動方式要么起動電流和機械沖擊過大，要么體積龐大笨重、損耗大，要么起動力矩小等等，都不盡人意。軟啟動技術(shù)不僅實現(xiàn)在整個起動過程中無沖擊而平滑地起動電動機，而且可根據(jù)電動機負(fù)載的特性來調(diào)節(jié)起動過程中的參數(shù)如限流值、起停時間等，以達(dá)到最佳的起停狀態(tài)。軟起動器是一種用來控制異步電動機的新設(shè)備，它集成了電動的機軟啟動、軟停車和輕載節(jié)能，還有多種保護(hù)功能為一起電動機控制裝置，在國外把它稱為soft starter。它的主要構(gòu)成就是串行連接在電源和被控制的電動機之間的兩個三相的反并聯(lián)閘管和其對電動機控制的電子控制電路。它可以運用不同的方法來，控制兩個三相的反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)

13、通角來，使被控的電動機的輸入電壓按照不同的要求來變化，這樣就可以來實現(xiàn)許多不同的功能?，F(xiàn)在人們所使用的軟啟動器，一般都是用的單片機來作為控制中央的控制核心來完成各種測量和各種算法，用程序來自動的控制整個起動過程。它通過單片機和相應(yīng)的pwm電路來控制兩個反并聯(lián)的晶閘管的觸發(fā)角的大小，從而來改變了反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通時間，最終就可以改變加到電動機三相繞組的電壓大小。由于電動機轉(zhuǎn)矩近似與定子的電壓的平方成正比，電流又和定子的電壓成正比。這樣，電動機的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的限制就可以通過用定子的電壓來控制實現(xiàn)，而定子的電壓又是可以通過用可控硅的導(dǎo)通的相角來控制的，因此不同的初始相角則可以實現(xiàn)不同的端電壓，

14、電動機的起動轉(zhuǎn)矩與起動電流的最大值都是可也根據(jù)負(fù)載來設(shè)定的,可以實現(xiàn)不同負(fù)載的起動要求。電動機起再動過的程中，隨著兩個反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角不斷增大，晶閘管的輸出電壓則也不斷增加，電動機是從零開始加速，直到兩個反并聯(lián)晶閘管全導(dǎo)通，從而實現(xiàn)電動機的無級平滑的起動，并使電動機工作在額定電壓的機械特性上。1.2 軟啟動的發(fā)展現(xiàn)狀 軟起動器于上世紀(jì)80年代初在國外得到應(yīng)用，90年代初引入國內(nèi)。但由于其相對昂貴的價格和認(rèn)知度較低等原因，一直未引起中國用戶的重視。近四五年，隨著人們對軟起動器的逐漸了解和認(rèn)同，才得到了廣泛的應(yīng)用，并保持快速增長的勢頭。并有專家指出：如果電機的制造機理短期內(nèi)不發(fā)生革命性的變革，

15、只要有電機，就有軟起動器的市場，軟起動器未來的市場需求將穩(wěn)定在1015億從我國軟啟動器的國內(nèi)外品牌競爭格局看，隨著我國軟啟動器技術(shù)的不斷成熟，生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量的不斷增多，目前我國國內(nèi)品牌的市場占有率已達(dá)到40%的市場份額，而國外品牌份額近年來也有所下降，我國軟啟動器自有品牌在國內(nèi)市場競爭中正逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其在低壓軟啟動器市場，完全占據(jù)主導(dǎo)地位。發(fā)達(dá)國家的電動機軟起動產(chǎn)品的競爭領(lǐng)域主要在固態(tài)軟起動裝置：晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器，尤其是中高壓領(lǐng)域，低壓軟啟動器產(chǎn)品較少。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時，當(dāng)然采用變頻裝置，在沒有調(diào)速要求的使用場合下，起動負(fù)載較輕時（例如風(fēng)機、水泵）采用晶閘管軟起動

16、，在重載或負(fù)載功率特別大的時候，使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，有瑞士的abb、法國的施耐德、德國的西門子、美國的羅克韋爾、丹麥的丹佛斯等，在其功能上又各具特色。能夠生產(chǎn)中壓（610kv）晶閘管軟起動產(chǎn)品的廠家不多。晶閘管軟起動裝置的最高電壓等級為12kv，最大容量為5000kw。而液態(tài)軟起動由于其產(chǎn)品的種種缺點，液態(tài)軟起動產(chǎn)品在降壓軟起動領(lǐng)域難有立錐之地。發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的液態(tài)軟起動產(chǎn)品，一律用在中壓繞線轉(zhuǎn)子電動機軟起動中。隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼開發(fā)出以晶閘管為主電路元件、單片機為控制核心的電子型起動

17、設(shè)備，用于異步電動機的起動控制，以取代傳統(tǒng)減壓設(shè)備。它平滑了異步電動機加速過程，大大減緩了對電網(wǎng)的沖擊，減輕對機械設(shè)備的振動；而且可根據(jù)電動機負(fù)載特性調(diào)節(jié)起動過程的各種參數(shù)，增加了對不同負(fù)載的適應(yīng)；同時具有節(jié)能和對電動機的多種保護(hù)功能，進(jìn)而增長電動機本身及被拖動設(shè)備的使用壽命。目前國外的知名公司有瑞士的abb、法國的施耐德、德國的西門子、美國的羅克韋爾等。占我國國內(nèi)市場60%的市場份額。我國國內(nèi)的公司有上海雷諾爾、上海西普、上海和平、長沙奧托、西安西馳等。占國內(nèi)市場40%的市場份額。在我國品牌的競爭格局中，目前軟啟動器市場集中度較高，和平、雷諾爾、奧托市場份額已經(jīng)超過50%，在國內(nèi)全部品牌競爭

18、中占有率超過30%。從目前的市場情況看，國外品牌由于具備技術(shù)以及質(zhì)量等部分優(yōu)勢，短期內(nèi)難以大幅改變市場的競爭格局，隨著軟啟動器技術(shù)的不斷發(fā)展，我國國內(nèi)品牌的市場占有率快速提高，而國外品牌在我國市場的份額下降幅度有減小的趨勢。1.3設(shè)計內(nèi)容和技術(shù)要求1.3.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計模塊缺相檢測，電流測量電路的設(shè)計；pic單片機鍵盤和lcd顯示電路的設(shè)計；或hs12832-4lcd顯示電路的設(shè)計；pic單片機與pwm控制電路的設(shè)計；開關(guān)電源電路的設(shè)計，開關(guān)量輸出電路設(shè)計；旁路繼電器電路的設(shè)計；rs485串行通訊接口電路的設(shè)計。1.3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計模塊系統(tǒng)初始化及主程序的模塊設(shè)計；電流測量數(shù)據(jù)采集及濾波

19、程序的模塊設(shè)計；中斷處理、定時器處理程序的模塊設(shè)計；lcd顯示程序和自診斷程序的模塊設(shè)計；pwm控制程序；rs485串行通訊程序；等1.3.3主要設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)兩行液晶顯示，顯示運行電流、電壓、軟起、軟停時間等；cpu芯片 pic16f916，實現(xiàn)鍵盤設(shè)計靈活，兩行l(wèi)cd漢字顯示直觀。電流測量精度 0.5級系統(tǒng)電源 5vdc，max500ma綜合精度 0.5級掉電存儲 存儲設(shè)置的信息；1.4 實現(xiàn)的功能電動機軟起動時,是通過軟起動器來控制器控制兩個三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，從而來實現(xiàn)調(diào)壓。本文主要實現(xiàn)電壓斜坡升壓啟動，恒定電流啟動，和轉(zhuǎn)矩突跳啟動。用芯片hs12864-4來實現(xiàn)啟動時的各項

20、顯示。并在正常運行時用旁路繼電器來代替晶閘管正常運行。在停止時還可以用晶閘管來實現(xiàn)軟停車。還可以通過缺相檢測來實現(xiàn)電壓的缺相保護(hù)。還設(shè)計了串行通訊，實現(xiàn)多臺電動機之間的信息通訊。圖1-1主框圖第二章 課題的關(guān)鍵技術(shù)2.1 軟啟動器的工作原理軟啟動器就是一種用來控制三相交流電動機的專用產(chǎn)品，它實現(xiàn)了交流電動機的軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)，其功能完善，性能優(yōu)越，可以實現(xiàn)工業(yè)電動機控制的需要，從而替換了傳統(tǒng)的y/啟動與自耦變壓器啟動方式的控制。軟啟動器就是用兩個三相反并聯(lián)的晶閘管來調(diào)節(jié)電動機的啟動電壓，把它接在電源和電動機之間，和三相全控整流電路相似。軟啟動器在啟動電動機的時候，兩個三相反并

21、聯(lián)晶閘管的輸出電壓就不斷增加，從而電動機的轉(zhuǎn)速也就逐步加速，直至兩個反并聯(lián)晶閘管完全導(dǎo)通，使電動機完全工作于額定電壓機械特性上，從而達(dá)到了平滑的啟動，大大減小了啟動的電流，避免了啟動時過流跳閘，再等待電動機達(dá)到了額定的轉(zhuǎn)速以后，整個啟動的過程就結(jié)束了。在正常運行的過程中軟啟動器是可以自動的鏈接上旁路接觸器來代替運行的兩反并聯(lián)晶閘管，來提供電動機正常運行時所需要的電壓，以減小兩反并聯(lián)晶閘管的熱損耗，做到了使軟啟動器的壽命更加的長并提高它的工作效率。軟啟動器還提供了軟停止的功能，軟停止與啟動過程正好是相反的，電壓逐步降低，電動機的轉(zhuǎn)速逐漸下降至零，避免了自由停車時引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。2.2 軟啟動器啟

22、動方式(1) 斜坡升壓軟啟動 輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動變?yōu)闊o級降壓起動，主要用于重載起動。它的缺點是起動轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線形上升，對起動不利； 起動時間長，對電機不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動:輸出電壓先迅速升至u，為電機起動所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值。然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至達(dá)到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種起動方式的特點是起動電流相對較大，起動時間相對較短。圖2-1 斜坡升壓啟動方式(2) 斜坡恒流軟啟動 這種啟動方式是在電動啟動的前階段電流逐漸增加，當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定，直到啟動完畢。啟動過程中，電流上升變化

23、速率是可以根據(jù)電動機負(fù)載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大，則啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動時間短。這種啟動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可以按需要調(diào)整起動電流的限定值，缺點是由于在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用降壓空間，會損失起動力矩。該啟動方式是應(yīng)用最多的啟動方式，尤其適用于風(fēng)機、泵類負(fù)載的啟動。圖2-2 恒流啟動方式(3) 帶突跳啟動方式帶突跳的啟動方式主要是用于有帶重載的電動機，例如磨粉機、攪拌機、帶皮帶的傳送機等，因為它們的靜阻力矩很大，所以在啟動時就得加載一個短時大啟動力矩，來克服這些電機的較大的靜摩擦。接著啟動轉(zhuǎn)矩再迅速的逐漸上升，以減短啟動的時間。帶突跳的啟動方式對電網(wǎng)會發(fā)出尖脈沖，會干擾到其它的運

24、用負(fù)荷，所以對其使用要特別的注意。圖2-3帶突跳的啟動方式2.3 pid控制按偏差的比例，積分和微分進(jìn)行控制（稱為pid控制）是在系統(tǒng)控制中用的最多的控制技術(shù)。在實際的運行經(jīng)驗與理論分析看，這種控制在許多的過程控制中，都得到了滿意的結(jié)果。但是，想要計算機來進(jìn)行pid控制，也不是那么容易的。它不是簡單的讓模擬pid數(shù)字化，也是和計算機進(jìn)一步的結(jié)合，實現(xiàn)邏輯功能的判斷，使得他在控制中更加的靈活，滿足所有生產(chǎn)過程中的參數(shù)。pid調(diào)節(jié)按其調(diào)節(jié)規(guī)律可分為比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)等。下面分別介紹他們的作用。 比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的作用的大小，除了和偏差e(t)有關(guān)外，主要取決與比例系數(shù)kp。kp越大，

25、調(diào)節(jié)的作用就越是強大，動態(tài)性能也越好；反之，kp越小，調(diào)節(jié)的作用就越是弱小。但是由于大多數(shù)餓慣性環(huán)節(jié)，kp太大，因此就會出現(xiàn)自激振蕩。比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)有著靜差缺點的存在，屬于有差調(diào)節(jié)。擾動比較大，而慣性也比較大的系統(tǒng)，如果是采用單純的比例調(diào)節(jié)，那么就難以兼顧動態(tài)還有靜態(tài)的特性，因此需要采用比較復(fù)雜的調(diào)節(jié)規(guī)律。 比例-積分調(diào)節(jié)在pi調(diào)節(jié)器中，只要偏差e(t)的存在，積分調(diào)節(jié)就會開始運行，對給入的偏差量進(jìn)行積分運算，使的積分調(diào)節(jié)器輸出開始逐漸的變化，直至給出的新的值不再出現(xiàn)偏差，因此pi調(diào)節(jié)器就可以實現(xiàn)比例調(diào)節(jié)快速性和積分調(diào)節(jié)除去偏差相結(jié)合起來的作用，以改善系統(tǒng)特性。 比例-微分調(diào)節(jié)運用積分調(diào)節(jié)器可以

26、除去偏差，從而使系統(tǒng)的靜態(tài)特性得到了改善。然而，有時遇到的受控對象有著很大的慣性環(huán)節(jié)，這樣用pi調(diào)節(jié)器是不可能實現(xiàn)滿意的調(diào)節(jié)。當(dāng)有微分調(diào)節(jié)作用添加在里面時，就算有偏差的存在，只要偏差值不是很大，就可以根據(jù)偏差的變化規(guī)律，給出微分調(diào)節(jié)來將偏差消除，這是微分調(diào)節(jié)器的作用，由于微分調(diào)節(jié)及時，可以大大減小系統(tǒng)的動態(tài)偏差及調(diào)節(jié)時間，從而改善過程的動態(tài)品質(zhì)。 比例積分微分調(diào)節(jié)（pid）為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，往往把比例、積分，微分三種作用結(jié)合起來，形成pid作用調(diào)節(jié)器。pid調(diào)節(jié)器無論從靜態(tài)，還是從動態(tài)的角度看，調(diào)節(jié)品質(zhì)均得到了改善。數(shù)字pid控制算法實際上，位置式與增量式控制對整個閉環(huán)系統(tǒng)并無本質(zhì)區(qū)別，

27、只是將原來全部由計算機承擔(dān)的算式，分出一部分由其它部件去完成。但增量式具有如下的優(yōu)點：由于計算機每次只輸出控制增量，故機器故障時影響范圍就??；手動-自動在變換時的沖擊是很小的；算式是不必疊加的，而連續(xù)幾次采樣的到的值是確定控制增量的所需值，運用加權(quán)處理時可以得到比較好的控制效果的。 控制輸出對于不同的控制算法，可以設(shè)置不同的控制系數(shù)，來實現(xiàn)pid調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)參數(shù)來實現(xiàn)不同的pid調(diào)節(jié)，在編程實現(xiàn)中，可以提前把試驗好的參數(shù)寫入rom，做成數(shù)據(jù)表。2.4 pwm輸出pwm脈寬調(diào)制系統(tǒng)，是“pulse width modulation”的英語縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，它就是運用單片機輸出的數(shù)字信號來控制

28、模擬的電路。脈寬-調(diào)制就是用來實現(xiàn)模擬信號的控制，它是通過控制和調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角度，來改變晶體管的導(dǎo)通時間，這樣就可以讓電源輸出的電壓保持在恒定的工作條件下。隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了許種pwm控制技術(shù)，其中有：相電壓控制pwm、脈寬pwm法、隨機pwm、spwm法、線電壓控制pwm等。而本文是用的脈寬pwm法， pwm脈寬調(diào)制可以把模擬信號編碼成數(shù)字信號。它運用具有比較高分辨率的計算器，來編碼模擬信號。pwm脈寬調(diào)制的信號是數(shù)字的并且在每個時刻，要么是滿幅值的直流供電，要么就是沒有幅值。電源給出的是通或斷的重復(fù)脈沖信號，用于加載到模擬的負(fù)載上去的。開通就是當(dāng)直流電源加載到負(fù)載上

29、去的時候，斷開就是直流電源被斷開的時候。pwm脈沖調(diào)制可也編碼任意一個具有足夠的帶寬的模擬信號。pwm脈寬調(diào)制有個重要的結(jié)論：加載到有慣性環(huán)節(jié)的窄脈沖信號時，只要窄脈沖的沖量信號相等就算是形狀不同，它得到的接果也差不多是相同的.pwm脈寬調(diào)制技術(shù)以這個結(jié)論作為理論的基礎(chǔ)，來控制半導(dǎo)體的導(dǎo)通于關(guān)斷,從而就得到了脈沖的幅值相同但脈沖的寬度不相同的脈沖信號使，這樣就可以用所得的這些脈沖信號的替換正弦波信號或其他的波形信號。還可以通過pwm脈寬調(diào)制調(diào)解脈沖的寬度，來得到一個電壓和頻率都可以改變的輸出信第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計3.1 pic16f916芯片3.1.1 pic16f916單片機簡介單片機的選

30、擇是需要考慮很多因素的，對于本設(shè)計來言，有多種的微處理器芯片可提供選擇，例如pic單片機、51單片機、msp430單片機等。本設(shè)計選用pic16f916單片機。該單片機的特點：高精度內(nèi)部振蕩器：出廠設(shè)定的精度校準(zhǔn)值為 1% （典型值）；頻率使用范圍為 125 khz到8mhz ；可以用軟件調(diào)節(jié)；雙速啟動模式；適用于關(guān)鍵應(yīng)用的晶振故障檢測；在節(jié)能模式下工作時可進(jìn)行時鐘模式切換；寬工作電壓范圍 （2.0v 到5.5v）；上電復(fù)位 （power-on reset，por）；上電延時定時器 （power-up timer，pwrt）和振蕩器起振定時器 （oscillator start-up time

31、r，ost）；帶軟件控制選擇的欠壓復(fù)位 （brown-out reset，bor）；帶片上振蕩器 （可由軟件選擇預(yù)分頻比，當(dāng)預(yù)分頻比最大時其標(biāo)稱值為 268秒）并且可軟件使能的增強型低電流看門狗定時器；與上拉 /輸入引腳復(fù)用的主復(fù)位；cpu的特性：pic16f91x/946 系列器件包含的許多特性旨在最大限度地提高系統(tǒng)的可靠性，通過減少外部元件將成本降至最低，并且還提供了低功耗和代碼保護(hù)功能。 這些功能包括：復(fù)位：上電復(fù)位 （por）；上電延時定時器 （pwrt）；振蕩器起振定時器 （ost）；欠壓復(fù)位 （bor）；看門狗定時器 （wdt）；振蕩器選擇；在線串行編程；pic16f91x/946

32、系列器件有兩個用于提供必要的上電延時定時器。 其中的一個是振蕩器起著振定時器（ost），它可以保證芯片的晶振器在達(dá)到穩(wěn)定前是一直處在復(fù)位狀態(tài)下的。 而另一個就是上電延時定時器（pwrt），它只是在單片機上電時提供64ms（標(biāo)稱值）的時間延時，這樣就保證了單片機在對其供電電壓達(dá)到穩(wěn)值前是處在復(fù)位的狀態(tài)下的。當(dāng)單片機是欠壓的狀態(tài)時，同樣有可使器件復(fù)位的電路，該電路使的單片機電壓的上電延時定時器提供了至少 64ms的時間延時復(fù)位。具有這三種片上功能，大多數(shù)應(yīng)用將不需要外部復(fù)位電路。休眠模式是為提供一種電流消耗很低的掉電工作模式而設(shè)計的。 用戶可通過以下方法將器件從休眠模式喚醒：外部復(fù)位；看門狗定時器

33、喚醒；中斷；還有幾種振蕩器可供選擇，以使器件適應(yīng)各種應(yīng)用。 選擇 intosc 可節(jié)約系統(tǒng)的成本，而選擇 lp 晶振可以節(jié)能。3.1.2 引腳功能外部結(jié)構(gòu)引腳圖如圖3-1所示，引腳功能簡介如表3-1所示，表中沒有按引腳號進(jìn)行介紹，而是通過引腳的名稱進(jìn)行介紹，有些是同一個引腳復(fù)用功能也根據(jù)名稱進(jìn)行了介紹。圖3-1 單片機的管腳圖表3-1 引腳功能簡介名稱功能簡介ra0ra7 rb0rb7 rc0rc7 通用的i/o口seg0seg15lcd的模擬輸出vlcd1vlcd3lcd模擬輸入t0cki，t1ckitimer的時鐘輸入rx，tx異步串行發(fā)送與接收int外部中斷帶有內(nèi)部上拉功能的主復(fù)位引腳a

34、n0an7模擬輸入通道單片機電源單片機接地參考3.2 電流檢測電路設(shè)計圖3-2 電流檢測電路3.3 缺相檢測 3.3.1光電耦合器光電耦合器的工作原理：耦合器是以光為媒介傳輸電信號的電路，如圖3-3所示。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光電耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（led），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向

35、導(dǎo)通的特性，這樣就擁有了比較好的隔絕電的能力。然而光耦合隔離器的輸入信號屬于低阻元件型，因此有比較強的共?？垢蓴_能力。光耦合隔離器在長距離傳輸信息過程中能夠較大提高訊噪比。并可以在微機數(shù)字通信和實時控制中當(dāng)作信號隔離的接口器件，這樣就增加了微機在工作時的可靠性。圖3-3 光電耦合電路3.3.2 缺相檢測電路如果處于正常工作狀態(tài)時，當(dāng)給電路通正向交流電時，電路一邊給電容充電，一邊與p5的零線構(gòu)成回路，當(dāng)給電路通負(fù)向電流時，電容放電，再次構(gòu)成回路；當(dāng)電路處于缺相狀態(tài)時，電容無法充電，電路無法形成回路，即說明電路缺相。圖3-4 缺相檢測電路圖3.4 顯示電路hs12864-4 系列中文圖形液晶模塊的

36、特性主要由其控制器st7920 決定。st7920可以同時當(dāng)作控制器和驅(qū)動器，它可提供33路com 輸出和64路seg輸出。在驅(qū)動器st7921的配合下，最多可以驅(qū)動25632點陣液晶。hs12864-4硬件特性如下： 提供8位，4位并行接口及串行接口可選； 并行接口適配m6800時序； 自動電源啟動復(fù)位功能； 內(nèi)部自建振蕩源； 6416位字符顯示ram（ddram 最多16字符4行，lcd 顯示范圍162 行）； 2m位中文字型rom（cgrom），總共提供8192 個中文字型（1616 點陣）； 16k 位半寬字型rom(hcgrom)，總共提供126 個西文字型（168 點陣）； 641

37、6位字符產(chǎn)生ram（cgram）；hs12864-4軟件特性如下： 文字與圖形混合顯示功能； 畫面清除功能； 光標(biāo)歸位功能； 顯示開/關(guān)功能； 光標(biāo)顯示/隱藏功能； 顯示字體閃爍功能； 光標(biāo)移位功能功能； 顯示移位功能； 垂直畫面旋轉(zhuǎn)功能； 反白顯示功能； 休眠模式； 圖3-5 hs12864芯片管腳配置hs12864-4芯片的引腳功能如下表3-2所示。表3-2 hs12832-4引腳引腳引腳名稱備注1kled背光接地2aled背光電源3rst復(fù)位信號4psb平行、串行模式選擇5-12db0-db7數(shù)據(jù)線13e啟動信號，允許信號14r/w讀寫信號15rs片選16v0對比度調(diào)節(jié)17vcc邏輯電源

38、18gnd電源地hs12864-4是一個12864（顯示8個中文字庫4行）點陣式lcd顯示器，其工作電壓為5v。單片機與hs12864-4芯片的連接以及其復(fù)位電路如圖3-6所示。3.5鍵盤電路人們在運用微機時，是通過運用鍵盤來實現(xiàn)人與微機之間的通訊。使用時運用鍵盤向微機寫入各種操作信息和數(shù)據(jù)信息。所以系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性直接由設(shè)計者設(shè)計的鍵盤的功能模塊密切相關(guān)。識別鍵盤按鍵可以分為兩個步驟進(jìn)行：第一步，識別是否有按鍵按下；第二步，如果有按鍵鍵按下，就識別出這個按鍵。具體說明如下：識別鍵盤是否有按鍵按下的方法；讓所有列線均置為0 電平，檢查各個行線是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒

39、有什么變化時，就可以說明沒有按鍵被按下。要識別出具體的按鍵的方法有：每一列按鍵逐步的設(shè)為零電平，而其它的各列都置為高電平，再開始檢測各個行線上的電平變化，如果有某一行上的電平從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，就可業(yè)確定該行該列交叉點的按鍵是被按下了。圖3-6 顯示驅(qū)動電路圖3-7 鍵盤電路圖3.6 繼電器電路繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器在本設(shè)計中的作用是當(dāng)檢測電路檢測出有缺相、過流現(xiàn)象等其他故障時，繼電器斷開，停

40、止向電機供電，并進(jìn)行故障顯示。為了避免自動控制系統(tǒng)受到強電回路的干擾，可應(yīng)用光電耦合器將自動控制系統(tǒng)的控制信號與強電回路進(jìn)行隔離。3.6.1 旁路繼電器大多數(shù)軟起動器在晶閘管兩側(cè)有旁路接觸器觸頭，其優(yōu)點是：（1）控制柜具有了兩種起動方式（直接起動、軟起動）。（2）軟起動結(jié)束，旁路接觸器閉合，使軟起動器退出運行，直至停車時，再次投入，這樣即延長了軟起動器的壽命，又使電網(wǎng)避免了諧波污染，還可減少軟起動器中的晶閘管發(fā)熱損耗。其電路圖如圖3-8 所示。當(dāng)軟起動結(jié)束后，單片機由ra3發(fā)出一個脈沖信號，繼電器閉合。當(dāng)需要軟停止時，單片機由ra4發(fā)出一個脈沖信號，繼電器斷開，轉(zhuǎn)入晶閘管工作狀態(tài)。圖3-8 旁

41、路繼電保護(hù)控制電路3.6.2 遠(yuǎn)程繼電器對于遠(yuǎn)程的信號傳送，可以通過以下電路，第一個繼電器進(jìn)行故障信號的傳送，當(dāng)出現(xiàn)故障時，繼電器吸合，故障顯示燈亮。第二個繼電器進(jìn)行運行信號的傳送，正常運行時繼電器吸合，運行顯示燈亮。圖3-9 遠(yuǎn)程繼電保護(hù)控制電路3.7 電源設(shè)計本電路是為整個電路供電，電網(wǎng)提供的交流電一般為220v（或380v），而各種電子設(shè)備所需要直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。電源電路各個組成部分及各部分的功能： 三相橋式整流電路。整流電路的任務(wù)是利用二極管的單相導(dǎo)電性，把正、

42、負(fù)交變的50hz電網(wǎng)電壓變成單方向脈動的直流電壓。本設(shè)計采用橋式全波整流，每個二極管輪流導(dǎo)通半個周期，因此其輸出波形正半軸不變，負(fù)半軸上翻。 濾波電路。整流電路只是將交流電變換為單方向的脈動電壓和電流，由于后者含有較大的交流成分，通常還需在整流電路的輸入端接入濾波電路，以濾除交流分量，從而得到平滑的直流電壓。在構(gòu)成方面，主要是利用電容兩端的電壓不能突變的特點。本設(shè)計選用大容量電解電容100uf/25v作為低頻濾波，選用普通0.1uf電容作高頻濾波。 穩(wěn)壓電路。整流濾波后的電壓是不穩(wěn)定的，在電網(wǎng)電壓或負(fù)載變化時，該電壓都會產(chǎn)生變化，而且紋波電壓又大。所以，整流濾波后，還須經(jīng)過穩(wěn)壓電路才能使輸出電

43、壓在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定不變。這里選用7805和7812穩(wěn)壓器，輸出+5v和+12v穩(wěn)壓，分別給單片機和其它芯片提供電源。圖3-10 電源電路圖3.8通訊電路設(shè)計本設(shè)計的系統(tǒng)為主從是的半雙工串行通訊系統(tǒng)，采用rs485通訊協(xié)議。3.8.1 rs485通訊協(xié)議rs485通訊協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息按本

44、協(xié)議發(fā)出?？刂破魍ㄐ攀褂弥鲝募夹g(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則從設(shè)備不作任何回應(yīng)。協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤(無相應(yīng)的功能碼)，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。在對等網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對等技術(shù)

45、通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。在消息位，本協(xié)議仍提供了主從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對等”。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣，當(dāng)控制器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。查詢回應(yīng)周期 查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。 回應(yīng)如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)。如果有

46、錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。 傳輸方式控制器能設(shè)置傳輸模式為rs485串行傳輸，通信參數(shù)為9600，n，8,1。在配置每個控制器的時候，在一個網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的串口參數(shù)。每個字節(jié)的位1個起始位；8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送； 1個停止位；3.8.2 max485max485接口芯片是maxim公司的一種rs485芯片。 采用單一電源+5 v工作，額定電流為300ua，采用半雙工通訊方式。它完成將ttl電平轉(zhuǎn)換為rs485電平的功能。max485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)

47、部含有一個驅(qū)動器和接收器。ro和di端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的rxd和txd相連即可；和de端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)de為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為max485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；a端和b端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)a引腳的電平高于b時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)a的電平低于b端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制max485的接收和發(fā)送即可。同時將a和b端之間加匹配電阻，一般可選100的電阻?？梢源锌谌‰姡梢则?qū)動max2

48、32與max485實現(xiàn)通信。沒加負(fù)載時電壓有5.16v，加負(fù)載后降制3v左右。圖3-11 通訊部分電路圖第四章 軟件設(shè)計4.1 資源分配timer0：定時100ms；porta：ra0、ra1、為開關(guān)量輸入，ra2為電流輸入，ra3、ra4、ra5、ra6、ra7為開關(guān)量輸出；portb：ra4、ra5、ra6 為電壓輸入；portc：為控制lcd顯示、鍵盤和max485通訊輸出；4.2 系統(tǒng)初始化void start() trisa5=1； trisc0=0； /串行dac輸出 trisc1=0； trisc2=0； trisc3=0； /lcd顯示電路控制 trisc4=0； trisc5

49、=0；/鍵盤掃描 trisb0=0； trisb1=0； trisb2=0； trisb3=0； trisb4=1； /列輸入 trisb5=1；/在線調(diào)試和程序固化 trisb6=1； trisb7=1；/定時器及中斷的初始化void sciinitial() /串行通信初始化 trisa4=0； /串行通信發(fā)送接收使能端 txsta=0x04； rcsta=0x80； trisc= trisc|0x80； trisc= trisc&0xbf； spbrg=19； trisc6=0； trisc7=1；4.3 系統(tǒng)主流程圖系統(tǒng)每次上電時都要進(jìn)行初始化，讀取程序儲存器里的參數(shù)，讀取的內(nèi)容包括系

50、統(tǒng)的啟動方式，啟動時間，啟動電壓等等。初始化程序包括單片機的初始化和并行液晶驅(qū)動芯片hs12864-4控制字，然后打開中斷，開始掃描鍵盤，處理鍵盤各個鍵的命令。在開始選擇是否要啟動，還是已啟動了。如果選擇啟動，那再開始選擇啟動的方式；如果是已啟動了則要判斷是否要接著正常運行。再到顯示屏顯示當(dāng)前的狀態(tài)，啟動或停止；啟動的方式；啟動的時間；啟動的電壓。然后再判斷是否到了一個周期，到了就跳到掃描鍵盤，開始下一次循環(huán)。如果沒有到一個周期，那就接著刷新顯示。圖4-1主流程圖4.4 子流程圖4.4.1 顯示模塊流程圖該模塊為控制lcd顯示的部分。通過讀寫操作來完成當(dāng)前狀態(tài)，啟動方式，啟動時間，啟動電壓的顯

51、示。同樣的原理可以實現(xiàn)dac串行數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換。圖4-2 顯示模塊流程圖4.4.2 串行通訊流程圖圖4-3 串行通行流程圖串行接口（serial interfac）是指數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向通信，并可以利用電話線，從而大大降低了成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳送速度較慢。 一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點是：數(shù)據(jù)位傳送，傳按位順序進(jìn)行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進(jìn)一步分為單工、半雙工和全雙工三種。4.4.3 初始化流程圖

52、對于不同的單片機都要進(jìn)行初始化，來達(dá)到對各種資源定義和使用的目的，明確資源所處于的狀態(tài)，初始化部分流程圖如下：圖4-4 初始化子程序流程圖4.4.4 鍵盤掃描流程圖按鍵設(shè)置在行、列的交點上 ,行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端 ,行線或列線通過上拉電阻接到 + 5v上。平時無按鍵動作時 ,處于高電平狀態(tài) ,而當(dāng)有鍵按下時 ,電平狀態(tài)將發(fā)生改變。這一點是按鍵識別的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行線和列線為多鍵共用 ,各按鍵均影響該鍵所在的行和列的電平 ,即各鍵相互間有影響 ,必須協(xié)調(diào)處理。以下四鍵盤掃描流程圖：圖4-5 鍵盤掃描流程圖第五章 誤差分析5.1 軟啟動器的常見故障軟啟動器的故障大體分如下幾種。 電動機起不來電動機起不來的原因大致分兩種情況：一是六只晶閘管的其中一只觸發(fā)不可靠或是不導(dǎo)通，此時一相電路通過的是半波直流，電動機的兩相繞組通過的直流對電動機起到了制動作用，不僅電機起不來，嚴(yán)重的還會燒毀電機和晶閘管。二是啟動參數(shù)或起動曲線不合適造成電機起不來，這是常見故障。 晶閘管燒毀晶閘管擊穿或爆炸，此類故障不分國內(nèi)外品牌，因廠家而易，但都比接觸器的故障率低，而且主要問題出現(xiàn)在餅式倡閘管的安裝工藝上。