液压千斤顶设计

济源职业技术学院毕业设计液压千斤顶设计目录1. 引言21.1 选题的依据及课题的意义21.2 国内外的研究概况31.3 单片机控制系统的发展概况41.4 PID控制算法的发展概况51.5 设计要求及工作内容61.6 目标、主要特色及工作进度72 机械结构与液压传动系统设计72.1系统结构分析72.2 千斤顶零部件分析92.3 油缸与螺纹的校验122.3.1油缸的壁厚校验122.3.2 锁母螺纹牙剪切强度校验132.3.3锁母螺纹牙的弯曲强度校验142.4 液压系统分析142.5 液压泵与电动机的选择152.6 超高压泵站简介163 . 单片机控制系统设计173.1 单片机的选用及功能介绍173.2 片外存储器功能简介183.3 显示部分设计213.4 键盘部分设计253.5 交流异步电动机变频调速系统273.5.1 交流异步电动机变频调速原理283.5.2主电路和逆变电路工作原理283.5.3 变频与变压323.6 位移检测部分的设计383.6.1 位移检测传感器的选用383.6.2 光栅位移传感器与单片机的接口设计403.7 位移传感器部分的设计433.7.1 A/D转换器的选择433.7.2 压力传感器与单片机的接口设计474系统的PID控制算法484.1 PID控制原理484.2 数字PID控制算法504.2.1 位置式PID控制算法504.2.2 增量式PID控制算法514.3 智能自适应PID控制器525. 系统模拟仿真575.1 SIMULINK概述585.2 SIMULINK的窗口和菜单585.3 用SIMUINK创建模型605.4 用SIMULINK进行系统仿真与分析615.4.1 建立控制系统模型615.4.2 系统模块参数设置与仿真参数设置625.4.3 系统仿真与分析646.结论677.致谢688. 参考文献681. 引言1.1 选题的依据及课题的意义随着现代社会的不断发展，工业化程度的不断深入，大尺寸、大重量、不规则表面的工件越来越多的成为工厂加工的对象。而在加工过程中如何将这些工件准确的提升至预定位置则成为最难解决的问题，这时传统的千斤顶和起重机等设备就显示出先天不足的缺陷来。也正是在这种环境下，同步顶升系统应运而生，并在建筑、机械加工、造船等行业扮演着越来越重要的角色。同步顶升系统是由控制系统协调控制多个千斤顶，使其具备顶升大重量、大体积、复杂工作表面的工件的能力，并具有同步升降、点动升降、连续升降、侧翻仰俯等功能的机电一体化设备。其控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等；其动力系统有液压式、气电式、汽液两用式等；吨位从几百公斤到几千吨不等，主要由动力方式和千斤顶的个数来决定 。由于其体积小、承载重、精度高、结构简单、控制方便、使用灵活等优点被广泛的用于电力、建筑、机械制造、矿山、铁路桥梁、造船等多种行业中，在设备安装、起顶拆卸、静力压桩、设备校调、基础沉降等工作岗位发挥了重要的作用。基于单片机控制、液压传动的四顶顶升系统是较常见的，控制算法较简单的一种。由于其控制简便、吨位适中、价格也很低廉的优点使得其在中小企业、民营单位甚至轻工业领域都有很高的使用度。其重要性不言而喻，对其进行研究和开发具有很大的市场空间和实用价值。1.2 国内外的研究概况国外对同步系统的研究起步较早，基于单片机控制、液压传动的四顶顶升系统是较常见的，控制算法较简单的一种。由于其控制简便、吨位适中、价格也很低廉的优点使得其在中小企业、民营单位甚至轻工业领域都有很高的使用度。美国实用动力ENERPAC是这一行业的佼佼者，在澳大利亚的昆士兰州，G&S 工程技术 服务公司就采用了 ENERPAC（恩派克）提供的同步顶升液压系统 成功地完成了重达 3500 多吨的矿山巨型索斗铲的顶升，误差小于 0.5mm。在上海因广场改造而需要整体平移的上海音乐厅使用了ENERPAC公司开发的一套具有四组共60个高精度顶升点的计算机控制同步顶升和顶推系统，以小于0.2mm的误差将建筑物同步顶升至预定高度并顺利完成平移任务。 我国在这领域起步虽晚，但发展迅速，经过多年的发展也获得了许多曙目的成就，今年（2006年）1月4日，目前世界上最大的闸门葛洲坝1号船闸重达200吨、面积相当于篮球场大的上游人字闸门安装就位。此举标志着我国自主研制的第一套大型船闸门同步顶升系统获得成功。在上海兴建的磁悬浮列车的关键基础部件轨道梁是确保磁悬浮列车快速、平稳、安全的重要保证，其加工精度要求非常高，但每段轨道梁长25米，重16吨，对其进行精确升举困难重重，上海千斤顶厂自主开发的高精度同步顶升装置不负众望，顺利完成任务，其同步顶升精度0.03mm，达到国际先进水平。我国浙江省海盐县有“千斤顶之乡”的美誉。在千斤顶和同步系统方面形成规模化生产，年生产能力达800万台以上，销量位居世界前列。1.3 单片机控制系统的发展概况单片机，就是单片微型计算机的简称，又称微控制器。自上世纪70年代面世以来不过短短30余年的历史，但因嵌入式应用而得到迅猛的发展，各种新颖的单片机层出不穷，令人目不暇接。它具有因体积小、成本低、控制能力强等优点，又由于现在开发环境的不断改善，正在以空前的速度迅速取代经典电子系统，广泛的应用于家用电器、机器人、工业控制单元、仪器仪表、汽车电子系统、金融电子系统、通讯系统等嵌入式产品中。目前单片机的种类繁多，世界各国厂商已研制出大约50个系列、30多个品种的单片机产品。与早期经典的8位单片机MCS51相比，无论是频率、字宽、寻址范围、集成度等方面都有了巨大的突破。现代科技的发展使得单片机的功能正日渐完善:1、单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时系统也更加稳定，目前该方向即是发展为SOC(片上系统)。2、单片机抗干扰能力加强，使的它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景。3、单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。4、在线仿真变的容易。用户一旦开发一个比较大的系统，开发调试变的非常复杂，同时由于单片机资源有限，不能象PC一样直接调试自己的软件，于是出现了品种繁多的专业仿真器，为用户的开发提供了强大功能，加速了开发进程，降低了开发难度。目前还已经有公司推出了可以在线调试的单片机，使得单片机系统的调试与开发变得更加方便、快速。随着单片机的发展，人们对事物的要求越来越高，单片机的应用软件技术也发生了巨大的变化，从最初的汇编语言，开始演变到C语言开发，不但增加了语言的可读性，结构性，而且对于跨平台的移植也提供了方便，另外一些复杂的系统开始在单片机上采用操作系统，一些小的嵌入式实时操作系统（RTOS）等，一方面加速了开发人员的开发速度，节约开发成本，另外也为更复杂的实现提供了可能。当前比较流行的RTOS有:WINCE，uClinux，Linux，uC/OS等等。本次设计的四顶同步顶升系统再选择控制系统时在综合考虑了微机、单片机和可编程控制器的成本、控制的难易程度和结构化布线等因素后，也拟定采用单片机进行控制。1.4 PID控制算法的发展概况PID（Proportional-Integral-Derivative）即比例、积分、微分，指的是一项流行的线性控制策略。由于在工业生产过程的实际控制中，总是存在外界的干扰和系统中各个参数的变化，它们将会使系统性能变差。为了改善系统的性能，提高控制质量，通常在控制中引入比例（Proportional）环节来提高系统的快速性；为了消除静态误差，提高精度，加强系统对参数变化的适应能力，引入积分(Integral)环节；为了提高系统对动态过程的预知能力，克服惯性的影响，引入微分(Derivative)环节。这就是通常所说的PID控制。按照偏差的比例、积分、微分进行控制（PID控制）是连续系统控制理论中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制技术。它结构简单、参数易于调整、稳定性能好、可靠性高，使它在控制理论和技术飞速发展的今天仍然具有强大的生命力，在长期应用中已经积累了丰富的经验。特别是工业过程控制中，在决定系统参数的时候往往要借助现场调试和经验，在这种情况下，PID控制就更显示它的威力。其应用经久不衰，应用范围越来越广泛，改进方法也越来越多。二十世纪60年代发展、成熟起来的现代控制理论和近几年发展的智能控制理论仍在大量的PID控制的方法和思想。按照偏差的比例、积分和微分进行控制是过程控制中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行经验和理论分析都充分证明，这种控制规律在相当多的工业对象的控制中是可以得到较满意的控制效果的，在计算机控制系统里首先采用的控制算式也是PID。1.5 设计要求及工作内容1.由单片机控制四个液压千斤顶以设定的速度同步顶升大重量工件。要求四顶顶升时必须同步，顶升速度和高度可以人为设定。2.设计具有位置检测功能的液压千斤顶。3.设计千斤顶的液压回路。4.设计单片机控制系统的电路。5.设计相关控制算法。6.使用MATLAB进行仿真试验。1.6 目标、主要特色及工作进度目标：设计一个由液压驱动，单片机控制，使用PID控制算法的四顶同步顶升系统。 特色：该系统具有位置检测和压力检测功能，可适用于不规则工作表面的工件，并且体积小、承载适中、精度高、结构简单、控制方便，具有很高的实用价值和市场空间。 2 机械结构与液压传动系统设计四顶同步顶升系统由千斤顶、超高压泵站、控制系统和操作台四部分组成。我们所设计的四顶顶升系统的主要参数是每只千斤顶高约1000mm，最大行程为400mm，最大载荷为20t。因千斤顶载荷较大，位置精度要求较高，故顶升速度不宜过大，最大顶升速度应控制在60mm/min以内。千斤顶的动力系统有液压式、气电式、汽液两用式等，考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终选用了技术比较成熟的液压系统。2.1系统结构分析由于千斤顶的外形尺寸较大，需承受的较大的冲击载荷，所以初步拟定采用了法兰型液压缸的结构原型，并在此基础上针对液压千斤顶的使用特性进行调整。为了适应复杂工作表面的工件，千斤顶的工作台与活塞杆应采用转动连接副相连。当顶升系统工作时，液压千斤顶工作台可随工件表面形状进行自由转动调节，所以设计时将活塞杆顶部插入球头，与工作台形成转动副。如图2.1-1所示。球头与活塞杆采用紧固螺钉固定。为了能使顶升系统能够提供长时间而稳定的支撑力，采用锁母来提供机械支撑，当活塞上升时，锁母随其同步上升，到达预定位置后，活塞停止上升，再将锁母旋到螺纹底部，这时通过千斤顶箱体对锁母的支撑使得工作台所受载荷全部转变为锁母和活塞杆之间的梯形螺纹所受到的切应力。这样即使是在油压压力不足或掉电的情况下也能稳定的承载重物。由于光栅尺的尺寸较长，只能将活塞和活塞杆做成中空状来放置光栅传感器。这样活塞与活塞杆之间就不宜采用螺母紧固，为方便起见，我们将活塞和活塞杆合为一体，材料同为45号钢。工作时发光元件与光敏元件随活塞作同步运动，光栅尺下端固定在底盖上不动，光源与光栅尺的相对位移量通过读数头转化为数字信号传递给单片机。 图2.1-1 千斤顶的工作台与活塞之间的连接由于千斤顶的行程较长，达400mm，当工作台旋转一个角度去承载重物时容易产生较大的弯曲力矩使活塞杆折断。所以有必要设计一个支撑套进行保护。支撑套与油缸壁之间采用通孔螺钉紧固。 图2.1-2 液压缸底盖的固定方式由于光栅传感器放在千斤顶内部，考虑到其信号线的连接问题，我们将油缸底盖与千斤顶底座之间留有一定空间。为了方便装卸，不宜将底盖与油缸焊接。经过多方面的考虑，比较了多种方案后，采用了如图2.1-2所示的方法固定底盖。图2.1-2中千斤顶底座处转有4个螺纹孔，用4个型号为M32x85的六角头螺栓将底盖顶起至油缸卡槽处。螺杆长度比实际所需的长35mm，可通过增加垫片的方法达到使4个螺栓平均分配载荷的目的。底盖上套有密封圈，防止漏油。千斤顶底座与油缸通过6个内六角螺钉紧固。在底座和油缸两侧各开一个通孔用于连接光栅传感器和压力传感器的信号线。2.2 千斤顶零部件分析由于顶升系统可能会在比较恶劣的条件下使用，而且在装载和卸载重物时，可能会因操作不当而对千斤顶底座造成较大冲击，导致整个系统遭到破坏。所以底座采用具有较高强度和韧性的球墨铸铁QT600。油缸是液压系统的主要零件，它与底座、底盖、油口、导向套等零件构成密封的容器，用于容纳压力油液，同时还是活塞的运动轨道。所以设计油缸时，应该正确的确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的公差等级、表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。对油缸材料的可选空间很大，对其进行筛选需要有足够的耐心。对油缸的要求：1要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态压力而不致产生永久变形；2要有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装时的反作用力而不致产生弯曲；3内表面与活塞密封件及导向套的摩擦作用下，能长期工作而磨损很少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性；4最好还需要有良好的可焊性，以防在需要焊接的时候不致产生裂纹或过大变形。最后我们选定各方面性能良好的45号钢。油缸毛坯普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，现在国内市场上已有内孔经珩磨或内孔精加工的无缝钢管卖，只需按所要求的长度切割即可。本次设计虽然活塞与活塞杆采用了一体式设计，采用相同的材料，但对他们的工艺要求很不相同，所以分开来介绍。由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。活塞材料我们选用的是45号钢。活塞外径的配合一般采用f9的公差等级，外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，端面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，内孔的工作表面粗糙度Ra值选用0.16m。活塞杆要在导向套中滑动，一般采用H8/f7的配合。太紧了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损。其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。安装活塞的轴径与外圆的同轴度公差不大于0.01mm，是为了保证活塞缸外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞现象。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，以保证活塞安装不产生歪斜。活塞杆的外圆粗糙度Ra值取0.16m。太光滑了，表面无法形成油膜，反而不利于润滑。为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚0.030.05mm，并进行抛光或磨削加工。活塞杆导向套装在缸筒和支撑套的内侧，被限制在缸筒和支撑套的卡槽之内，但不固定死。用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒的密封。上方装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。如图2.2-1所示： 图2.2-1 导向套的设计导向套的材料我们选用的是摩擦系数较小、耐磨性好的青铜ZQSn-1。导向套外圆与缸筒内孔工作表面的配合多为H8/f7，内孔与活塞杆外圆的配合也可采用H8/f7。外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03mm，圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。本次设计中所有的密封装置都采用的是O型密封圈。O型密封圈在往复运动过程中，除了自密封作用外，由于压力的作用和液体分子与金属表面相互作用的结果，又业中所含的“极性分子”便在金属便表面形成一个坚固的边界层油膜，且对轴产生很大的附着力。该油膜始终存在于密封件与往复运动轴之间，从泄露的角度看，这是有害的，长时间的使用后会造成油液的泄露；但它对运动密封面的再润滑却起到异常重要的作用。所用材料是橡胶。符合GB3452.1-82的标准。千斤顶底座与油缸之间的连接、光栅尺密封层与活塞之间的连接还有支撑套与油缸壁之间的连接件采用的都是沉头内六角螺钉。符合GB70-85的标准。工作台与盖板之间的连接和对油缸底盖的顶升都采用了六角头螺栓，并符合GB5783-86的标准。2.3 油缸与螺纹的校验2.3.1油缸的壁厚校验油缸的额定压力Pn应低于一定极限：（2.3.1-1）式中：Pn额定工作压力；D1油缸外径，本次为175mm；D油缸内径，本次为147mm；S油缸材料屈服强度。油缸的材料为45号钢，查表可得S=360MPa；由此可知上式 右边=37.094 MPa液压缸最大工作载荷为20t，面积为7077.56mm2(2.3.1-2)其中：Wmax为最大工作载荷，本次为200000N。经校验，油缸壁所受压力在许可范围之内。2.3.2 锁母螺纹牙剪切强度校验螺纹牙的剪切应力：(2.3.2-1)式中: F为千斤顶的最大载荷，本次为200000N； d为公差直径； b为螺纹牙根部宽度； u为旋合圈数； 为材料许用剪切应力锁母内螺纹的公差直径d设为160mm，查表可得 螺距P为16mm，梯形螺纹牙根宽度b=0.65P=10.4mm。锁母高度H为48mm，旋合圈数u=H/P=3锁母材料为45号钢，查表可知这种材料的屈服极限S为240Mpa，许用应力=S/4=60Mpa，材料许用剪切应力=0.6=36MPa将以上数据代入式中，得=12.76MPa36MPa经检验，锁母的螺纹牙根的剪切强度在许用范围之内。2.3.3锁母螺纹牙的弯曲强度校验螺纹牙的弯曲应力：(2.3.3-1)式中：l*为弯曲力臂; b为许用弯曲应力。锁母内螺纹的公差直径d为160mm，查表可知螺纹中径d2为152mm弯曲力臂l*=(d-d2)/2=4mm，许用弯曲应力b=1.2=72Mpa经计算b=29.44MPa72Mpa经校验螺纹牙的弯曲强度在许用范围之内。2.4 液压系统分析液压系统的主要功能是为千斤顶提供动力，通过换向装置使千斤顶具有上升和下降的功能。为千斤顶的正常工作提供保证和保护措施。由于该顶升系统采用单片机控制，并配有压力传感器和光栅位移传感器来检测压力信号和千斤顶的位移量，所以可通过单片机控制油缸内的压力、进油口的流量和活塞的运动速度。这样在一般液压系统中常用到的节流阀、调速阀、背压阀、减压阀等元器件可不必使用到，液压回路得到极大的简化。在液压油路的进油端设置一个溢流阀，给液压系统提供双重保护。在回油端设置一滤油器，保证油液清洁，可提高使用寿命。使用二位四通的电磁换向阀改变油路方向。为使液压缸的运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定，我们在油缸的下腔进油口处安装一个平衡阀，该阀不但能保证千斤顶升降时都处于进油调速状态，同时还具有单向阀的功能，所以无论是停电还是破管时，平衡阀均能无泄漏的立即将下腔封闭，保证工件不会自由下滑。使千斤顶在停电状态仍能可靠承载。综合上述观点，我们将液压原理图设计如下：如图2.4-1所示，二位四通电磁换向阀的电磁铁的工作状态是由单片机控制的，当换向阀电磁铁通电时，换向阀左位接入系统，油液经电磁换向阀和平衡阀进入油缸下腔，使得千斤顶上升，再从油缸上腔流出，经电磁换向阀和滤油器流回到油箱内，这时平衡阀的作用相当于一个单向阀；反之，当换向阀电磁铁断电时，换向阀右位接入系统，油液经换向阀流入油缸上腔，当上腔压力达到一定值时，平衡阀上位接入系统，这时平衡阀的作用相当于一个节流阀，油液从油缸下腔流出，经平衡阀、电磁换向阀和滤油器流回到油箱。从而实现了千斤顶升降换向功能，并具有过载保护和断电保护的功能。2.5 液压泵与电动机的选择为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定压力的80%左右。正常工作时千斤顶的最大压力为28.656MPa。所以为满足要求，泵的工作压力为：p=28.565/0.8=35.71 MPa千斤顶的最大运动速度为60mm/min，液压缸的有效面积为7077.56mm2。所以液压泵向液压缸提供的最大流量为：q=7077.56x60/1000000=0.425L/min若回路中的泄漏按液压缸输入流量的10%估计，则液压泵的总流量为Q=0.425x1.1=0.467L/min。根据以上压力和流量的数值查阅产品目录，最终确定所选液压泵的型号为7631-R0.61。这种液压泵的额定工作压力为40MPa，流量为0.61L/min，完全符合工作要求。千斤顶的最大工作载荷为20t，即200000N，运动速度为60mm/min，即0.001m/s。按液压泵的总效率为0.75，则液压泵驱动电动机所需的功率为：P=200000x0.001/0.75=0.266kW根据此数据查阅电动机产品目录选用功率大于0.266kW的电动机。2.6 超高压泵站简介最后我们综合考虑了液压泵、电动机、液压回路等因素后，选用BZ40-0.61型超高压油泵站。这个油泵站的外形尺寸（mm）为650x370x765，主要部件包含有1 个HAWE公司生产的7631-R0.61液压泵、1个二位四通的电磁换向阀与溢流阀组件，一个ABB公司生产的M2QA 90L4A型电动机、两根63MPa高压软管和两个软管接头。液压泵的额定压力为40Mpa，流量为0.61L/min，电动机的功率为1.5kW，所采用的工作介质是Y-N32型抗磨液压油，储油量为45L。这种液压油需要经过过滤精度为0.5m过滤后才能使用，这样可提高同步系统的可靠性并延长泵站使用寿命。选用这个超高压的原因是站内设有溢流阀和二位四通电磁换向阀组件，具有电动控制部分，使油泵站具备操作简单、使用方便、安全可靠的优点。3 . 单片机控制系统设计同步顶升系统的控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的顶升系统仅有4个千斤顶，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机MCS-51足以。所以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。将本次单片机的控制系统划分为以下几个模块： 图3-1 单片机模块图3.1 单片机的选用及功能介绍MCS-51系列单片机是美国INTEL公司在1980年推出的8位单片微型计算机。其典型产品有8031、8051和8751三种机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全相同。在此我们选用了较为常用的8051芯片。其引脚示意图如图3.1-1所示：MCS-51系列单片机由微处理器、存储器、定时器/计数器、串行和并行的I/O接口、中断系统合振荡器构成。8051的P0.0P0.7这8根引脚采用分时复用的方法作低8位地址线与双向8位数据线；P2.0P2.4这5根引脚在访问片外存储器或扩展I/O接口时，提供高位地址；P2.5P2.7和P1.0这4根引脚接2片74LS138译码器，产生片选信号；引脚ALE接地址锁存器74LS373、8155、8279和SA4828的使能端；EA/VPP端因不访问片内存储器而接地；X1、X2接6MHz的晶振；RESET端接重启电路。 图3.1-1 MCS-51芯片引脚示意图3.2 片外存储器功能简介片外存储器扩展包括程序存储器（ROM）扩展和数据存储器（RAM）扩展。MCS-51系列单片机具有64KB的程序存储空间，其中8051、8071片内有4KB的程序存储器，8031片内无程序存储器。当采用8051、8071型单片机而程序超过4KB，或采用8031单片机时，就需对程序存储器进行外部扩展。外部程序存储器的扩展原理如图3.2-1所示：指令EPROMP0口ALEP2口 数据输出锁存器数据输入 图3.2-1 外部程序存储器扩展原理图外部程序存储器可选用EPROM、EPROM、PAGED EPROM和KEPROM等。紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM，典型产品有Intel公司的系列芯片2716（2K8位）、2732A（4K8位）、2764A（8K8位）、27128A（16K8位）、27256（32K8位）和27512（64K8位）等，在这些芯片上均设有一个玻璃口，在紫外线下照射20分钟左右，存储中的各位信息均变为1。以后通过编程器可将这些程序固化到这些芯片中。Intel 2764是8K8位的EPROM，单一+5V供电，最大工作电流为140mA，维持电流60 mA，其24脚的管脚及原理框图见图2-6。由于片内编程所需要的高压脉冲产生电路，因此无需外加编程电源和写入脉冲。8031单片机内部仅有128个字节RAM存储器，而CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。如在实时数据采集和处理时，仅靠内部的RAM是远远不够的，因此必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM两种。以下为静态RAM与MCS-51的接口外部数据存储器的扩展方法如图3.2-2所示：DD地址 RAMP0口ALEP2口锁存器译 码 图3.2-2 外部数据存储器的扩展原理图8031单片机应用系统中，静态RAM最为常用，因为这种这种存储器无需考虑刷新问题。但是与动态RAM相比，需要消耗较大的功率，价格也较高。下面对本文中所涉及的6264为例，介绍静态RAM的扩展。6264是8K 8位的静态随机存储芯片，采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功率200mW，典型存储时间200ns，为28线双列直插式封装。6264的AA这13条地址线与锁存器的输出及P2口对应线相连，6264的DD这8条数据线与8031的P0口对应相连，6264的和与8031的和对应，CS接高电平。按照这种片选方式，6264的8KB地址范围不唯一，6000H7FFFH是一种地址范围。当向该片6000H单元写有个数据DATA时，可用如下指令：MOV A，#DATAMOV DPTA，#6000HMOVX DPTR，A从7FFFH单元读一个数据时，可用如下指令：MOV DPTR，#7FFFHMOVX A，DPTR上面讨论的是8031扩展一片EPROM或RAM的方法。在实际应用中，可能需要扩展多片EPROM或RAM。本次设计要扩展8K8位的EPROM和8K8位的RAM各3片。当CPU通过指令MOVC A，A+DPTR发出读EPROM操作时，P2、P0发出的地址信号应能选择其中一片的一个存储单元，即8片2764不应该同时被选中，这就是所谓的片选。我们采用了地址法译码，译码芯片为2片74LS138。总共可提供16个片选信号。3.3 显示部分设计显示设备有CRT、LCD、LED等，我们选用的是功能简单的LED数码管显示器。LED显示器由7条发光二极管组成显示字段，有的还带有小数点dp。将7段发光二极管阴极连在一起，称为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。如下图所示点亮LED显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种方式，每一显示位都需要一个8位输出口控制，占有硬件较多，一般仅用于显示器位数较少的场合。图3.3-1 数码管的引脚示意图所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示位的亮度显示位的亮度跟导通电流有关，也和点亮时间和间隔时间的比例有关。动态显示器因为其成本较低，多数显示撕常常采用。为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字形的7段，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供LED显示器的显示段码为一个字节。各段码位的对应关系如表3.3-1： 表3.3-1 段码位DDDDDDD显示位dpgfedcbaLED要正常工作需要通过I/O接口芯片8155与8051相连。8155芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个6位的可编程I/O和一个14位计数器，与MCS-51接口简单，是单片机应用系统中使用最广泛的芯片8155的结构框图如图3.3-2所示。 图3.3-2 8155的逻辑结构图和引脚示意图在8155内部具有：（1）256字节的静态RAM，存取时间为400ns。（2）三个通用的输入/输出口。（3）一个14位的可编程定时/计数器。（4）地址锁存器及多路转换的地址和数据总线。（5）单一+5V电源，40脚双列直插式封装。8155可以和MCS-51直接相连，见附图所示。8155的RAM和各端口地址如下：RAM的地址：000H00FFH命令口：0200HA口：0201HB口：0202HC口：0203H定时器低位：0204H定时器高位：0205H6位LED显示器和8155的接口逻辑见附录图所示。设8051RAM中有6个显示缓冲单元79H7EH，分别存放6位显示器的显示数据。8155的A口扫描输出总有一位为高电平，8155的B口输出相应位的显示数据的段数据，使每一位显示出一个字符，其余位为暗，依次改变A口输出的饿高电平位及B口输出对应的段数据，6位显示器就显示出缓冲器的显示字符。程序清单如下：DIR： MOV R0，#79H ；显示缓冲区首址送R0MOV R3，#01H ；使显示器最右边位亮MOV A，R3LD0： MOV DPTR，#0101H ；扫描值送入PA口MOVX DPTR，AINC DPTR ；指向PB口MOV A，R0 ；取显示数据MOV A，#12H ；加上偏移量MOVX A，A+PC ；取出字形MOVX DPTR，A ；送出显示ACALL DL1 ；延时INC R0 ；缓冲区地址加1MOV A，R3 ；JB ACC.5，LD1 ；扫到第6个显示位了吗？RL A ；没有，R3左环移一位，扫描下一个显示位MOV R3，AAJMP LD0LD1： RETDSEG： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH ；显示段码表DSEG1： DB 7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CHDSEG2： DB 39H，5EH，79H，71H，73H，3EHDSEG3： DB 31H，61H，1CH，23H，40H，03HDSEG4： DB 18H，00H，00H，00HDL1： MOV R7，#02H ；延时子程序DL： MOV R6，#0FFHDL6：DJNZ R6，DL6 DJNZ R7，DL RET3.4 键盘部分设计键盘共设有32个键，由4条行线8条列线组成开关矩阵。对于开关矩阵的接法大多数单片机的入门教科书上大多是采用8155作为键盘I/O的接口芯片，但8155芯片不具备中断请求输出端，于是不得不采用键盘扫描程序不断的检测是否有按键被使用，这样就给单片机造成了很大的运算负担，运算量较大时有可能造成系统无法响应，所以我们在这里选用了专门用于键盘连接的8279芯片。8279芯片的引脚示意图如图3.4-1所示： 图3.4-1 8279的引脚示意图 8279采用单一5V电源供电，40脚封装。 DB0DB7:双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。 CLK:时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。 RESET:复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。 CS:片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可以对8279读/写操作。 A0:缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态， 当为低电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。 RD:读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。WR:写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。IRQ:中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线重又变为高电平。在传感器工作方式中， 每当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。SL0SL3:扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字， 这些可被编程或被译码。RL0RL7:回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接， 这些回送线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。SHIFT:换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT开关时，SHIFT输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮起来。CNTL/STB:当CNTL/STB开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平， 对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFO RAM中。OUTA3OUTA0及OUTB3OUTB0:显示输出A口及B口，这两个口是164切换的数字显示。这两个端口可被独立控制，也可看成一个8位端口。BD:空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。VCC:5V电源输入线。VSS:地线输入线。3.5 交流异步电动机变频调速系统交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛应用。与其他种类电动机相比，交流异步电动机的市场占有量始终第一位。然而，长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题。直到20世纪70年代，由于计算机的产生，以及近20年来新型快速的电力电子原件的出现，才使得交流异步电动机调速成为可能，并得到迅速的普及。目前，交流异步电动机调速系统已广泛用于数控机床、风机、泵类、传带机、给料系统、空调器等设备的动力源或运动源，并起到节约电能、提高设备自动化、提高产品产量和质量的良好效果。因此，交流异步电动机调速技术是现代自动控制专业技术人员必须要掌握的知识。现代流行的交流异步电动机调速控制方法是变频变压法（VVVF）。这种调速方法的原理比较简单，而且有20多年比较成熟的发展经验，因此应用得较多，市场上也有较多的相关产品。3.5.1 交流异步电动机变频调速原理根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由式(3.5.1)表示： (3.5.1)式中: n-电动机转速 p-电动机磁极对数 f-电源频率 s-转差率由上式可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数p、转差率s和电源频率f。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。3.5.2主电路和逆变电路工作原理变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，即先将交流电转变成直流电（整流、滤波），再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变）。图3.5.2-1是主电路的原理图，它是变频器常用的最基本的格式。 图3.5.2-1 电压型交-直-交变频调速主田路（1）.主电路中各元件的功能主电路中各元件的功能如下。交-直电路整流管D1D6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的直流电压U=1.35 x 380V = 513V滤波电容Cr滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻Ra。延时一段时间后，通过控制电路使开关JK闭合，将限流电阻短路。电源指示灯LP除了指示电源通断外，还可以在电源断开时，作为滤波电容Cr放电通路和指示。滤波电容Cr容量通常很大；所以放电的时间较长（数分钟），几百伏的高电压会威胁人员安全，因此，在维修时要等指示灯熄灭后进行。Rc是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应给一个放电通路，使这部分再生电流耗在电阻Rc上。制动时，通过控制电路使开关管Tc导通，形成放电通路。直-交电路逆变开关管T1T6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管IGBT、功率效应管MOSFET。续流二极管D7D12的作用是：当逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然电压突变将为0，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二级管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二级管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻R1R6、电容C1C6、二极管D13D18组成缓冲电路，来保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流Ic和集电极与发射极间电压VCE的冲击，如图所示，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时，VCE迅速升高，Ic迅速降低，过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容（C1C6）来减少电压增长率；当逆变开关管开通时，VCE迅速降低，而Ic则迅速升高，并联在逆变开光管两端的电容（C1C6)由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流Ic的增长率，造成逆变开光管的损坏。所以增加电阻（R1R6），限制电容的放电电流。可是当逆变开光管关断时，该电阻又会阻止电容的充电。为了解决这个矛盾，在电子两端并联二极管（D13D18），使电容在充电时，避开电阻，通过二极管充电，在放电时，通过电子放电，实现缓冲功能。（2）.三相逆变桥的工作原理三相逆变桥的电路简图如图3.5.2-2（a）所示，图中R、Y、B为逆变桥的输出。图3.5.2-2（b）是各逆变管导通的时序，其中深色部分表示逆变导管。图3.5.2-2（b）可以看出，每一时刻总能有3只逆变管导通，另3只逆变管关断；并且T1与T4、T2与T5、T3与T6每对逆变管不能同时导通。 图3.5.2-2 电路简图和逆变管通断时序在t1时间段,T1、T3、T5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到Y和从B到Y（设从R到Y、从Y到B、从B到R为正方向），得到线电压为URY和-UYB。 在t2时间段，T1、T5、T6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到Y和从R到B，得到的线电压为URY和-UBR。 在t3时间段，T1、T2、T6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到B和从Y到B，得到的线电压为-UBR和UYB。 在t4时间段，T2、T4、T6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从Y到R和从Y到B，得到的线电压为-URY和UYB。 在t5时间段，T2、T3、T4这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从Y到R和从B到R，得到的线电压为-URY和UBR。 在t6时间段，T3、T4、T5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从B到R和从B到Y，得到的线电压为UBR和-UYB。线电压URY、UYB、UBR的波形见图3.5.2-3。从图中可以看出，三者之间互差120，它们的幅值是U。 图3.5.2-3 逆变输出线电压波形因此，只要按图的规律控制6只逆变管的导通和关断，就可以把直流电逆变成矩形波三相交流电；而绝、形波三相交流电的频率可在逆变是受到控制。然而，矩形波不是正弦波，含有许多高次谐波成分，将使交流异步电动机产生发热、力矩下降、振动噪声等不利结果。为了使输出的波形接近正弦波，可采用正弦脉宽调制波。3.5.3 变频与变压由前面的叙述可知改变电源频率可达到改变电动机转速的目的，但实际上当交流异步电动机进行变频调速时，必定会造成通过电动机铁芯的磁通量的改变。由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时与达到最大容量，因此，当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。为了解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变，即设法使 E / f = K = 常数这就要求，当电动机改变电源频率f时，E与应该作相应的变化，来维持它们的比值不变。由于阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压U很小，可略去。则： U E这就说明可以通过调节电压U，使其跟随频率f的变化的方法达到使磁通恒定不变的目的，从而调整电动机的转速。怎样实现变频的同时也变压？我们采用的方法是脉宽调制（PWM）。将图3.5.2-3所示的一个周期的输出波形用一组等宽脉冲波来表示，如图3.5.3-1所示。 图3.5.3-1 含有等宽载波的脉宽调制波形如图3.5.2-3所示，买个脉冲的宽度为t1,相邻脉冲的间隔为t2，t1+t2=Tz(脉冲周期)。则等宽脉冲的占空比为=t1/（t1+t2）调节占空比，就可以调节输出的平均电压；调节PWM波的频率1/T，就可以改变电源频率，实现调速。通过控制电路，可以容易的实现对脉冲波的占空比和PWM波的频率分别进行调整。但是，虽然实现了变频与变压，可是逆变电路输出的电压波形仍然是一组矩形波，而不是正弦波，仍然存在许多高次谐波的成分，因此还要进行改变。一种方法是将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦波的变化规律，如图所示。我们把这样的波称为正弦脉宽调制波，简称SPWM波。SPWM波大大地减少了谐波成分，可以得到基本满意的效果。产生正弦脉宽调制波SPWM的方法是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图所示，其相等的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻。 图3.5.3-2 SPWM波形生成方法将这组等腰三角形波称为载波，而正弦波则称为调制波。正弦波的频率和扶植时刻控制的，如图3.5.3-2所示，改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。3.5.4 电动机与单片机的接口在调制波的频率、幅值和载波的频率这3项参数中，不论哪一项发生变化时，都使得载波与调制波的交点发生变化。因此，在每一次调整时，都要重新计算交点的坐标。显然，单片机的计算能力和速度不足以胜任这项任务。过去通常的作法是：对计算做一些简化，并事先计算出交点坐标，将其制成表格，使用时进行查表调用。但即使这样，单片机的负担也很重。为了使单片机从这一沉重的负担中解脱出来，近些年来，一些厂商推出了专用于生成三相或单项SPWM波控制信号的大规模集成电路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA4828等。采用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻单片机的负担，使单片机可以空出大量的时间用于检测和监控。在本次设计中，我们采用的便是SA4828 三相SPWM波控制芯片。SA4828时MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。它既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。该芯片的主要特点为：全数字控制；兼容INTEL系列和MOTOROLA系列单片机；输出调制波频率范围04kHz；16位调速分辨率；载波频率最高可达24kHz；内部ROM固化3种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。SA4828采用28脚的DIP和SOIC封装。其引脚如图3.5.4-1所示。SA4828的各引脚功能如下：AD0AD7：地址或数据输入通道。 SETTRIP：通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，高电平有效。RESET：硬件复位引脚，低电平有效。复位后，寄存器的INH、CR、WTE和RST各位为0。图3.5.4-1 SA4828的引脚示意图CLK：时钟输入端，SA4828既可以单独外接时钟，也可以与单片机公用时钟。MUX：用于总线选择。当MUX高电平时，使用地址与数据共用总线，这时，地址/数据引脚RS不用；当MUX低电平时，使用地址与数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。CS：片选引脚。WR、RD、ALE：用于“RD/WR”模式，分别接收写、读、地址锁存指令。R/W、AS、DS：用于“R/W”模式，分别接收读/写、地址、数据指令。RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管。RPHT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相