基于串行通信的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在傳統(tǒng)的可調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)中，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)占絕對優(yōu)勢。但是直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，又有換向器和電刷，在運(yùn)行中常出故障。與此相反，鼠籠式異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是交流電動機(jī)調(diào)速困難。自從上世紀(jì)80年代初交流變頻技術(shù)出現(xiàn)以來，使用變頻調(diào)速器和調(diào)節(jié)器來進(jìn)行交流電動機(jī)無級調(diào)速成為可能。它具有調(diào)速范圍

2、寬，穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行可靠等技術(shù)性能，已逐步取代直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。然而目前的變頻器大部分都是線路復(fù)雜，價格昂貴，常用于大、中功率的電動機(jī)。對于國內(nèi)占有率極大的中、小型電動機(jī)采用這類變頻器無疑是難以普及的。鑒于這種情況，我們設(shè)計了此種由89C51單片機(jī)為主控制器的，具有高度靈活性和可靠性的低價格交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計中以Inter公司的89C51單片機(jī)作主控制器，并且采用了功率晶體管作輸出，具有完善的電流、電壓、轉(zhuǎn)速

3、的檢測和顯示，以及過壓，過流保護(hù)。另又增加了串行通訊口，采用兩線制RS-485通訊結(jié)構(gòu)?？煽客ㄓ嵕嚯x為1.2km，并且可加上中繼來加長距離。該系統(tǒng)可方便的組網(wǎng)控制或組成分布式集散控制系統(tǒng)，也可單獨(dú)作為直接控制器來使用。電路中還采用</p><p>　　關(guān)鍵詞：交流電動機(jī)；變頻器；89C51單片機(jī)；RS485通訊。</p><p><b>　　目錄</b></p&

4、gt;<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　一、系統(tǒng)控制器單片機(jī)的選擇</p><p>　　自單片機(jī)誕生以來的40年中，單片機(jī)已有70多個系列，500多個機(jī)種，如今單片機(jī)廠商眾多，生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品性能各異，種類繁多。以Inter(美

5、國英特爾)公司的MCS-51系列產(chǎn)品為例，其一般可以分為普通型和增強(qiáng)型。他們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要的差別在于存儲器的不同，如89C51是以FlashROM為存儲器。為了符合系統(tǒng)的要求，本課程設(shè)計選用89C51作為微機(jī)控制核心。其特點(diǎn)如下：面向控制的8位CPU；一個片內(nèi)震蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，振蕩頻率為0~24MHz；片內(nèi)4kbFlashROM程序存儲器；128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；可尋址64KB的片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器控制電路；2個

6、16位定時/計數(shù)器；4個并行I/O口，共32條可單獨(dú)編程的I/O線；5個中斷源和2個中斷優(yōu)先級；一個全雙工的異步串行口等。</p><p>　　二、RS485串行通信方式</p><p>　　在各種應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信有兩種基本方式，即并行通信與串行通信。并行通信方式簡單、速度快。串行通信速度雖然慢，但使用的數(shù)據(jù)線較少，工程實(shí)現(xiàn)造價低，因此已被廣泛使用。RS485串行通信為異步通信方式。異

7、步通信時，數(shù)據(jù)是以字符為單位進(jìn)行傳送的。一個字幅又稱為一幀信息，每個字符由4部分組成：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶效驗(yàn)位和停止位。</p><p><b>　　三、變頻器的選擇</b></p><p><b>　　1.限制最低轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　2.潛水泵的變頻調(diào)速</p><p>　　3.電

8、磁干擾和漏電流</p><p>　　變頻器對風(fēng)機(jī)和水泵等普通負(fù)載的選擇要求很簡單，只要變頻器的容量等于電動機(jī)容量即可。本系統(tǒng)的水泵額定功率為30KW，所以選擇的變頻器容量只要等于或稍大于30KW即可。考慮工程成本和設(shè)備價格本設(shè)計選用臺達(dá)VFD370B23A變頻器調(diào)速器，該變頻器能夠通過通訊進(jìn)行參數(shù)的讀寫和控制，隨著單片機(jī)功能的越來越強(qiáng)大，在嵌入式中的應(yīng)用更加的廣泛。</p><p>　　四

9、、變頻器外圍電氣電路設(shè)</p><p>　　外圍電氣電路包括主電路和控制電路兩部分。其中主電路包括熔斷器、開關(guān)、熱繼電器和水泵；控制電路包括變頻器、微機(jī)控制器及壓力感應(yīng)裝置等。</p><p>　　五、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)由8098，eprom2764，ram6264和74ls373構(gòu)成主體部分。外圍擴(kuò)展有鍵盤和數(shù)碼顯示接口芯片8279、并

10、行輸入輸出芯片8255、時鐘芯片ds12887、定時器計數(shù)器接口芯片8254、雙四選一模擬開關(guān)4052、鎖存器74ls373和串行rs-485標(biāo)準(zhǔn)通訊驅(qū)動接口芯片75176構(gòu)成一個完整的變頻調(diào)速中心控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)由8279構(gòu)成了32位數(shù)碼管顯示和四乘五鍵盤矩陣。32位數(shù)碼顯示分別顯示6位時間、4位給定轉(zhuǎn)速、4位實(shí)際轉(zhuǎn)速、4位運(yùn)行頻率、2位運(yùn)行指示和1個3位的運(yùn)行電壓、3個3位的運(yùn)行電流。鍵盤矩陣分別有0至9共10個數(shù)字鍵和8個功能鍵與

11、2個備用鍵。</p><p>　　并行輸入輸出接口8255的ｐc7與ｐc6兩個口作為雙四選一開關(guān)4052的控制信號。ｐa口作為輸入口，用光電耦合器隔離，輸入8路狀態(tài)量。ｐb口作為輸出口，經(jīng)mc1413隔離驅(qū)動后，經(jīng)過繼電器輸出7路開關(guān)量。這一部分主要是作為擴(kuò)展系統(tǒng)時使用。</p><p>　　ds12877是一片內(nèi)帶鋰電池、晶振的時鐘芯片。它可以為系統(tǒng)提供一個時間基準(zhǔn)。在電動機(jī)電流過大保護(hù)

12、時可以記錄下時間。并且此芯片內(nèi)有128字節(jié)的不掉電ram，可以在停電后保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。所以把系統(tǒng)運(yùn)行中的一些參數(shù)儲存在這里，如鍵盤輸入的給定轉(zhuǎn)速、最大電流等。</p><p>　　8254是1個內(nèi)含3路16位可編程計數(shù)器定時器。8098單片機(jī)定時對頻率給定信號進(jìn)行采樣，根據(jù)a/d 轉(zhuǎn)換的結(jié)果或鍵盤的設(shè)定，或從上位機(jī)通過串行通訊口設(shè)定的轉(zhuǎn)速，經(jīng)軟件處理為適合8254可編程計數(shù)器的計數(shù)常數(shù)。8254裝入由單片機(jī)送出的

13、計數(shù)常數(shù)后便產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波信號。單片機(jī)一旦改變送出的計數(shù)常數(shù)，就可以改變8254輸出的方波信號的頻率。這個方波信號作為pwm芯片hef4752的時鐘輸入fct。因此，調(diào)節(jié)頻率給定信號，也就是改變了8254的計數(shù)常數(shù)，也即改變了hef4752的時鐘輸入fct的頻率，從而改變逆變器輸出的頻率，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變頻調(diào)速。</p><p>　　雙四選一模擬開關(guān)4052是作為8098模擬輸入的擴(kuò)展來使用的。因?yàn)?098有4

14、路10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入，其中的ach4與ach5通過外接可調(diào)模擬電壓作為頻率給定和v/f調(diào)節(jié)。ach6與ach7通過4052擴(kuò)展為8路模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中4路接一個電壓與3個電流信號，另4路可根據(jù)不同需要作不同的用途。8098單片機(jī)通過74ls373鎖存與74ls274驅(qū)動后控制整流晶閘管與hef4752的５腳、24腳來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的啟停控制與正反轉(zhuǎn)控制。75176是rs-485標(biāo)準(zhǔn)的通訊驅(qū)動芯片。在2400波特時有效距離為1200m，用于系

15、統(tǒng)中有上位機(jī)時，8098單片機(jī)與上位機(jī)之間的通訊。上位機(jī)可通過串行口向單片機(jī)下達(dá)開關(guān)機(jī)等命令與各種運(yùn)行參數(shù)，也可隨時得到現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)與電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩級控制。</p><p>　　六、單片機(jī)和變頻器串行接口電路設(shè)計</p><p>　　臺達(dá)VFD370B23A變頻器調(diào)速器支持Modbus通信協(xié)議，該協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（

16、如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。變頻器具有RS－485通信接口接線端子為“SG＋”和“SG－”，定義如下：SG＋：信號正端，連接轉(zhuǎn)換接口的RS－485口引腳“3” SG－：信號負(fù)端，連接轉(zhuǎn)換接口的RS－485口引腳“8” 對變頻器進(jìn)行串口通信時，必須預(yù)先設(shè)置好變頻器的功能參數(shù)。設(shè)置如下所示：F2－00 d4 由RS－485通信界面輸入F2－01 d3 由RS－485通信界面操作，鍵盤STOP鍵有效F9－00 dn 通信地址

17、為n，根據(jù)變頻器的站號設(shè)置n為1，2，3 ……要與上位機(jī)一致 F9－01 d1 波特率為9600位/秒F9－04 d1 ASCII mode 7，E，1Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式，用戶根據(jù)需要選擇模式，包括串口通信參數(shù)，在配置每個控制器時，一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。本設(shè)計采用ASCII模式，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為兩個AS</p>&l

18、t;p>　　一般常用的PC機(jī)都有RS－232串行通信接口，但很少有RS－485串口（工控機(jī)除外）。為了與變頻器通信，可以添加RS－485串口模塊，但成本相對較高。為此，我們采用RS－232/ RS－485接口轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計中采用西門子公司的 RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。一端可以直接插在計算機(jī)COM口上，另一端提供一個半雙工的RS－485接口，直接連接變頻器的接線端子。但是這種轉(zhuǎn)換器多為有源轉(zhuǎn)換電路，而變頻器的RS－485接

19、口不提供電源，所以需要外接24V直流電源。如下圖：</p><p>　　這種RS－485控制對用戶是完全透明的，為RS－232串口編寫的程序可以直接用在這里，不必修改，使用非常方便。</p><p>　　七、單片機(jī)和變頻器的通訊</p><p>　　臺達(dá)VFD370B23A變頻器和C51單片機(jī)采用串行異步原理進(jìn)行通訊。通訊速度用波特率表示。波特率即數(shù)據(jù)傳送的速率。其

20、定義是每秒鐘傳送的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。例如，數(shù)據(jù)傳送的速率是120字符/s，而每個字符如上述規(guī)定包含10數(shù)位。則傳送波特率為1200波特。通訊方向：在串行通訊中，把通訊接口中能發(fā)送或接受的單行傳送方法建甌彈弓傳送；而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機(jī)之間的雙向傳遞稱之為雙工傳送。在雙工傳送方式中又分為版雙工傳送和全雙工傳送。半雙工傳送是兩機(jī)之間不能同時進(jìn)行發(fā)送和接收，任意時刻，只能發(fā)或者只能收信息。</p><p>　　單片機(jī)串行異步

21、通訊的方式用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束。其每幀的格式如下：在一幀格式中，顯示一個起始位0，然后是8個數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來是奇偶效驗(yàn)位，最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符可以一個接一個地傳送。在異步通訊中，CPU與外設(shè)之間必須有兩項(xiàng)規(guī)定，即字符格式和波特率。字符格式的規(guī)定是雙方能夠在對同一種0和1的串理解成同一種意義。原則上字符格式可以由通訊的雙方自由制定，但從通用、方便的角度出發(fā)，一般還是

22、使用一些標(biāo)準(zhǔn)為好，如采用ASCII標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　軟件編程</b></p><p>　　通訊地址(Address)</p><p>　　00H：所有驅(qū)動器廣播(Broadcast)</p><p>　　0IH：對第01地址驅(qū)動器</p><p>　　OFH：對第15地址驅(qū)動器&

23、lt;/p><p>　　10H：對第16地址驅(qū)動器，以此類推??，最大可到達(dá)</p><p><b>　　254(FEH)。</b></p><p>　　功能碼(Function)與資料內(nèi)容(DataCharacters)</p><p>　　03H：瀆出寄存器內(nèi)容</p><p>　　06H：寫入一

24、筆資料至寄存器</p><p>　　功能碼03H：讀出寄存器內(nèi)容</p><p>　　八、串口通信部分流程圖 </p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p>

25、<p><b>　　是</b></p><p>　　8051串行接口是一個可編程的全雙工串行通訊接口。它可用作異步通訊方式（UART），與串行傳送信息的外部設(shè)備相連接，或用于通過標(biāo)準(zhǔn)異步通訊協(xié)議進(jìn)行全雙工的8051多機(jī)系統(tǒng)也可以通過同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來擴(kuò)充I/O口。8051單片機(jī)通過引腳RXD（P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端）和引腳TXD（P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）

26、與外界通訊。SBUF是串行口緩沖寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器。它們有相同名字和地址空間，但不會出現(xiàn)沖突，因?yàn)樗鼈儍蓚€一個只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個只能被CPU寫入數(shù)據(jù)。 </p><p>　　臺達(dá)變頻器接受的RS485信號，單片機(jī)輸出的是TTL電平。因此要變頻器和單片機(jī)通訊要有通訊轉(zhuǎn)換芯片，目前常用的RS485芯片有MAX485、MAX483,S75176等。在本例子中采用了MAX485和S75176芯片，

27、同時電路圖中預(yù)留了RS232電路的接口，方便單片機(jī)以RS232通訊方式和其他外設(shè)進(jìn)行通訊。主單片機(jī)采用ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)。 </p><p>　　3.2 軟件調(diào)試界面 </p><p>　　單片機(jī)程序通過在KEIL環(huán)境下開發(fā)編譯的，調(diào)試界面如下：</p><p>　　#include <reg51.h> </p><

28、p>　　char send[17]={0}; </p><p>　　char send1[8]={0x01,0x06,0x01,0x00,0x17,0x70,0x86,0x22}; </p><p>　　char count; </p><p>　　int temp; </p><p>　　bit motor_flag=0; </

29、p><p>　　/*********ASCII格式變量定義**********/ </p><p>　　char number ; //設(shè)備站號 </p><p>　　char function ; //功能 </p><p>　　char address_h; //地址高 </p><p>　　char address_

30、l; //地址低 </p><p>　　char data_h ; //數(shù)據(jù) </p><p>　　char data_l ; //數(shù)據(jù) </p><p>　　char CRC_H; //校驗(yàn) </p><p>　　char CRC_L; //校驗(yàn) </p><p>　　char send_temp; </p&g

31、t;<p>　　int sum_temp; </p><p><b>　　/* </b></p><p>　　函數(shù)ASCII()實(shí)現(xiàn)了臺達(dá)變頻器通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為ASCII協(xié)議格式的功能。 </p><p><b>　　*/ </b></p><p>　　void ASCII(void);

32、 </p><p><b>　　/* </b></p><p>　　init_serial()函數(shù)串行通訊初始化函數(shù) </p><p>　　實(shí)現(xiàn)了：波特率的設(shè)定，定時器的選擇，發(fā)送模式的選擇 </p><p><b>　　*/ </b></p><p>　　void init

33、_serial(void); </p><p>　　//函數(shù)ASCII7N2()以數(shù)據(jù)格式 7，N 2方式發(fā)送數(shù)據(jù) </p><p>　　void ASCII7N2(void); </p><p>　　//函數(shù)ASCII7O1()以數(shù)據(jù)格式 7，O 1方式發(fā)送數(shù)據(jù) </p><p>　　void ASCII7O1(void); </p&

34、gt;<p>　　//函數(shù)ASCII7E1()以數(shù)據(jù)格式 7，E 1方式發(fā)送數(shù)據(jù) </p><p>　　void ASCII7E1(void); </p><p><b>　　main() </b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　init_serial(

35、); </p><p>　　/***********VFD系列變頻器通訊資料初始化*****/ </p><p>　　number=0x01; </p><p>　　function=0x06; </p><p>　　address_h=0x20; </p><p>　　address_l=0x00; </p&g

36、t;<p>　　data_h=0X00; </p><p>　　data_l=0x12; </p><p>　　/******************************************/ </p><p><b>　　while(1) </b></p><p><b>　　{ <

37、;/b></p><p>　　if(P1!=0XFF) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　for(temp=0;temp<3000;temp++)//延時一段時間 </p><p><b>　　{;} </b></p><p>　　i

38、f(P1!=0XFF) </p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　P2=0; </b></p><p><b>　　TI=0; </b></p><p>　　ASCII();//發(fā)送數(shù)據(jù)的處理 </p><p>　　ASCI

39、I7N2();//以通訊協(xié)議為ASCII 9600,7,N,2發(fā)送數(shù)據(jù) </p><p>　　ASCII7O1();//以通訊協(xié)議為ASCII 9600,7,O,1發(fā)送數(shù)據(jù) </p><p>　　ASCII7E1();//以通訊協(xié)議為ASCII 9600,7,E,1發(fā)送數(shù)據(jù) </p><p>　　for(temp=0;temp<10000;temp++) &l

40、t;/p><p>　　//發(fā)送完數(shù)據(jù)之后延時一段時間 </p><p><b>　　{;} </b></p><p>　　for(temp=0;temp<10000;temp++) </p><p><b>　　{;} </b></p><p>　　motor_flag=~

41、motor_flag; //完成了變頻器啟動和停止之間的切換 </p><p>　　if(motor_flag==1){data_l=0x11;} </p><p>　　else{data_l=0x12;} </p><p><b>　　P1=0XFF; </b></p><p><b>　　P2=0XFF;

42、</b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　五、總