基于串行通信的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、摘要在傳統(tǒng)的可調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)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(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是交流電動(dòng)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(lái)，使用變頻調(diào)速器和調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速成為可能。它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高，動(dòng)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(dòng)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(jià)格昂貴，常用于大、中功率的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于國(guó)內(nèi)占有率極大的中、小型電動(dòng)機(jī)采用這類變頻器無(wú)疑是難以普及的。鑒于這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了此種由89C51單片機(jī)為主

2、控制器的，具有高度靈活性和可靠性的低價(jià)格交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)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)速的檢測(cè)和顯示，以及過(guò)壓，過(guò)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)。可靠通訊距離為1.2km，并且可加上中繼來(lái)加長(zhǎng)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(lái)使用。電路中還采用了美國(guó)達(dá)拉斯公司最新生產(chǎn)的時(shí)鐘芯片ds-12887，內(nèi)含128字節(jié)的不揮發(fā)ram，可以記錄下電動(dòng)機(jī)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)時(shí)的時(shí)間和電流電壓數(shù)據(jù)，供查詢使用。關(guān)鍵詞：交流電動(dòng)機(jī)；變頻器；89C51單片機(jī)；RS

3、485通訊。目錄第一章 緒論系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)一、系統(tǒng)控制器單片機(jī)的選擇自單片機(jī)誕生以來(lái)的40年中，單片機(jī)已有70多個(gè)系列，500多個(gè)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(美國(guó)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(chǔ)器的不同，如89C51是以FlashROM為存儲(chǔ)器。為了符合系統(tǒng)的要求，本課程設(shè)計(jì)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(gè)片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，振蕩頻率為024MHz；片內(nèi)4kbFlashROM程序存儲(chǔ)器；128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；可尋址64K

4、B的片外程序存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器控制電路；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；4個(gè)并行I/O口，共32條可單獨(dú)編程的I/O線；5個(gè)中斷源和2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；一個(gè)全雙工的異步串行口等。二、RS485串行通信方式在各種應(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(jiǎn)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(jià)低，因此已被廣泛使用。RS485串行通信為異步通信方式。異步通信時(shí)，數(shù)據(jù)是以字符為單位進(jìn)行傳送的。一個(gè)字幅又稱為一幀信息，每個(gè)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。起始位D0D1DN奇偶效驗(yàn)位停止位三、變頻器的選擇1.限制最低轉(zhuǎn)速2.潛水泵的變頻

5、調(diào)速3.電磁干擾和漏電流變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等普通負(fù)載的選擇要求很簡(jiǎn)單，只要變頻器的容量等于電動(dòng)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?？紤]工程成本和設(shè)備價(jià)格本設(shè)計(jì)選用臺(tái)達(dá)VFD370B23A變頻器調(diào)速器，該變頻器能夠通過(guò)通訊進(jìn)行參數(shù)的讀寫(xiě)和控制，隨著單片機(jī)功能的越來(lái)越強(qiáng)大，在嵌入式中的應(yīng)用更加的廣泛。四、變頻器外圍電氣電路設(shè)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(kāi)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。五、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由8098，eprom2764，ram6264和74ls37

6、3構(gòu)成主體部分。外圍擴(kuò)展有鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示接口芯片8279、并行輸入輸出芯片8255、時(shí)鐘芯片ds12887、定時(shí)器計(jì)數(shù)器接口芯片8254、雙四選一模擬開(kāi)關(guān)4052、鎖存器74ls373和串行rs-485標(biāo)準(zhǔn)通訊驅(qū)動(dòng)接口芯片75176構(gòu)成一個(gè)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(pán)矩陣。32位數(shù)碼顯示分別顯示6位時(shí)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(gè)3位的運(yùn)行電壓、3個(gè)3位的運(yùn)行電流。鍵盤(pán)矩陣分別有0至9共10個(gè)數(shù)字鍵和8個(gè)功能鍵與2個(gè)備用鍵。并行輸入輸出接口8255的c7與c6兩個(gè)口作為雙四選一開(kāi)關(guān)4052的控制信號(hào)。a口作為輸

7、入口，用光電耦合器隔離，輸入8路狀態(tài)量。b口作為輸出口，經(jīng)mc1413隔離驅(qū)動(dòng)后，經(jīng)過(guò)繼電器輸出7路開(kāi)關(guān)量。這一部分主要是作為擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)使用。ds12877是一片內(nèi)帶鋰電池、晶振的時(shí)鐘芯片。它可以為系統(tǒng)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。在電動(dòng)機(jī)電流過(guò)大保護(hù)時(shí)可以記錄下時(shí)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(chǔ)存在這里，如鍵盤(pán)輸入的給定轉(zhuǎn)速、最大電流等。8254是1個(gè)內(nèi)含3路16位可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器。8098單片機(jī)定時(shí)對(duì)頻率給定信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)a/d 轉(zhuǎn)換的結(jié)果或鍵盤(pán)的設(shè)定，或從上位機(jī)通過(guò)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(jì)數(shù)器的計(jì)

8、數(shù)常數(shù)。8254裝入由單片機(jī)送出的計(jì)數(shù)常數(shù)后便產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波信號(hào)。單片機(jī)一旦改變送出的計(jì)數(shù)常數(shù)，就可以改變8254輸出的方波信號(hào)的頻率。這個(gè)方波信號(hào)作為pwm芯片hef4752的時(shí)鐘輸入fct。因此，調(diào)節(jié)頻率給定信號(hào)，也就是改變了8254的計(jì)數(shù)常數(shù)，也即改變了hef4752的時(shí)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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。雙四選一模擬開(kāi)關(guān)4052是作為8098模擬輸入的擴(kuò)展來(lái)使用的。因?yàn)?098有4路10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入，其中的ach4與ach5通過(guò)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(guò)4052擴(kuò)展為8路模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中4路接一個(gè)電壓與3個(gè)電流

9、信號(hào)，另4路可根據(jù)不同需要作不同的用途。8098單片機(jī)通過(guò)74ls373鎖存與74ls274驅(qū)動(dòng)后控制整流晶閘管與hef4752的腳、24腳來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟?？刂婆c正反轉(zhuǎn)控制。75176是rs-485標(biāo)準(zhǔn)的通訊驅(qū)動(dòng)芯片。在2400波特時(shí)有效距離為1200m，用于系統(tǒng)中有上位機(jī)時(shí)，8098單片機(jī)與上位機(jī)之間的通訊。上位機(jī)可通過(guò)串行口向單片機(jī)下達(dá)開(kāi)關(guān)機(jī)等命令與各種運(yùn)行參數(shù)，也可隨時(shí)得到現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)控制。六、單片機(jī)和變頻器串行接口電路設(shè)計(jì)臺(tái)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(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制

10、器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。變頻器具有RS485通信接口接線端子為“SG”和“SG”，定義如下：SG：信號(hào)正端，連接轉(zhuǎn)換接口的RS485口引腳“3” SG：信號(hào)負(fù)端，連接轉(zhuǎn)換接口的RS485口引腳“8” 對(duì)變頻器進(jìn)行串口通信時(shí)，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：F200 d4 由RS485通信界面輸入F201 d3 由RS485通信界面操作，鍵盤(pán)STOP鍵有效F900 dn 通信地址為n，根據(jù)變頻器的站號(hào)設(shè)置n為1，2，3 要與上位機(jī)一致 F901 d1 波特率為9600位/秒F904 d1 ASCII mode 7，E，1Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCI

11、I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(gè)控制器時(shí)，一個(gè)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(jì)采用ASCII模式，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送，這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。消息幀格式如下表所示例如發(fā)送的字符串為：01 06 2000 0012 B7：為起始位01為變頻器站地址06為功能碼，表示寫(xiě)入字符至變頻器2000為寫(xiě)入地址0012為命令碼，在此表示正轉(zhuǎn)啟動(dòng)B7為校驗(yàn)位結(jié)束符為回車(chē)換行:一般常用的PC機(jī)都有RS232串行通信接口，但很少有RS485串口（工控機(jī)除外）。為了與

12、變頻器通信，可以添加RS485串口模塊，但成本相對(duì)較高。為此，我們采用RS232/ RS485接口轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)中采用西門(mén)子公司的 RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。一端可以直接插在計(jì)算機(jī)COM口上，另一端提供一個(gè)半雙工的RS485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RS485接口不提供電源，所以需要外接24V直流電源。如下圖：這種RS485控制對(duì)用戶是完全透明的，為RS232串口編寫(xiě)的程序可以直接用在這里，不必修改，使用非常方便。七、單片機(jī)和變頻器的通訊臺(tái)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)

13、據(jù)傳送的速率。其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(gè)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(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，任意時(shí)刻，只能發(fā)或者只能收信息。單片機(jī)串行異步通訊的方式用一個(gè)起始位表示字符的開(kāi)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(gè)起始位0，然后是8個(gè)數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來(lái)是奇偶效驗(yàn)位，最后是停止位1。

14、用這種格式表示字符，則字符可以一個(gè)接一個(gè)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(duì)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)，一般還是使用一些標(biāo)準(zhǔn)為好，如采用ASCII標(biāo)準(zhǔn)。軟件編程通訊地址(Address)00H：所有驅(qū)動(dòng)器廣播(Broadcast)0IH：對(duì)第01地址驅(qū)動(dòng)器OFH：對(duì)第15地址驅(qū)動(dòng)器10H：對(duì)第16地址驅(qū)動(dòng)器，以此類推，最大可到達(dá)254(FEH)。功能碼(Function)與資料內(nèi)容(DataCharacters)03H：瀆出寄存器內(nèi)容06H：寫(xiě)入一筆資料至寄

15、存器功能碼03H：讀出寄存器內(nèi)容八、串口通信部分流程圖 初始化串行口輸入設(shè)定數(shù)據(jù)格式化數(shù)據(jù)想串行口發(fā)送數(shù)據(jù)如此3次有數(shù)據(jù)返回嗎 否 是觸發(fā)事件，處理數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)正確嗎 否 是結(jié)束8051串行接口是一個(gè)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(guò)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(guò)同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來(lái)擴(kuò)充I/O口。8051單片機(jī)通過(guò)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）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

16、間，但不會(huì)出現(xiàn)沖突，因?yàn)樗鼈儍蓚€(gè)一個(gè)只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個(gè)只能被CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)。 臺(tái)達(dá)變頻器接受的RS485信號(hào)，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，同時(shí)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)。 3.2 軟件調(diào)試界面 單片機(jī)程序通過(guò)在KEIL環(huán)境下開(kāi)發(fā)編譯的，調(diào)試界面如下：#include <reg51.h> char send17=0

17、; char send18=0x01,0x06,0x01,0x00,0x17,0x70,0x86,0x22; char count; int temp; bit motor_flag=0; /*ASCII格式變量定義*/ char number ; /設(shè)備站號(hào) char function ; /功能 char address_h; /地址高 char address_l; /地址低 char data_h ; /數(shù)據(jù) char data_l ; /數(shù)據(jù) char CRC_H; /校驗(yàn) char CRC_L; /校驗(yàn) char send_temp; int sum_temp; /* 函數(shù)ASCI

18、I()實(shí)現(xiàn)了臺(tái)達(dá)變頻器通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為ASCII協(xié)議格式的功能。 */ void ASCII(void); /* init_serial()函數(shù)串行通訊初始化函數(shù) 實(shí)現(xiàn)了：波特率的設(shè)定，定時(shí)器的選擇，發(fā)送模式的選擇 */ void init_serial(void); /函數(shù)ASCII7N2()以數(shù)據(jù)格式 7，N 2方式發(fā)送數(shù)據(jù) void ASCII7N2(void); /函數(shù)ASCII7O1()以數(shù)據(jù)格式 7，O 1方式發(fā)送數(shù)據(jù) void ASCII7O1(void); /函數(shù)ASCII7E1()以數(shù)據(jù)格式 7，E 1方式發(fā)送數(shù)據(jù) void ASCII7E1(void); main() init_serial(); /*VFD系列變頻器通訊資料初始化*/ number=0x01; function=0x06; address_h=0x20; address_l=0x00; data_h=0X00; data_l=0x12; /*/ while(1) if(P1!=0XFF) for(temp=0;temp<3000;temp+)/延時(shí)一段時(shí)間 ; if(P1!=0XFF) P2=0; TI=0; ASCII();/發(fā)送數(shù)據(jù)的處理 ASCII7N2();/以通訊協(xié)議為ASCII 9600,7,