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1、毕业设计（论文）基于模糊控制技术摆动式球磨机控制系统设计The Design of Base on Fuzzy Control Technology Swing Type Ball Mill Control System： ： 本 科 ： 电气与信息学院 ： 自动化 ： ： 讲师 助理试验师 ： 2008年6月 20日 学生姓名学历层次所在系部所学专业指导教师教师职称完成时间摘 要超微细粉碎技术是在伴随纳米技术和新材料而发展起来的一项新的粉碎加工技术，随着现代工程技术的发展，许多基础工业对超微细粉末的粒度、粒度分布、粒形等特性提出了更高的要求。如何突破物料的“粉碎极限”已成为制备超微细粉末的关
2、键技术。针对被控对像具有非线性、多变量强耦合、不确定性和大滞后以及获得精确数学模型困难的特点，设计了模糊控制器。本系统经过设计、安装和现场调试，能够快速的突破物料的“粉碎极限”，取得较好的加工效果。关键词超细粉末加工；模糊控制；单片机控制系统；球磨机Abstract：The ultrafine comminution technology is a new smashing processing technology which developed with the nanotechnology and the new materialAs the modern institute techn
3、ology developing ,lots of basic industry missions higher requirement to the ultrafine comminutions granularity 、granularity spread 、graininess and so on .How to breakthrough material the smashing limit” becomes a key technology about making the ultrafine comminution.This article introduced the type
4、of multi-dimensional swings nanometer level ball mill principle of work based on the fuzzy control technologyIn view of controlled the object is non-linearity，the multi-variables strong-coupling，uncertainty and greatly lags as well as obtains the precise mathematical model is difficultHas designed t
5、he fuzzy controllerThis system will be able to quickly breakthrough material “the smashing limit”, has obtain the better processing effect Keywords: Superfine Powder Processing； Fuzzy Control；Monolithic Integrated Circuit Control System；Ball Mill目 录1 引言11.1 摆动式球磨机模糊控制背景分析11.2摆动式球磨机模糊控制的提出及研究意义21.3 基
6、于模糊控技术摆动式球磨机电气控制系统的研究32 摆动式球磨机控制系统方案的确定42.1 摆动式球磨机粉碎过程模型解析42.2 主电路方案的确定62.3 控制系统的确定72.4 输入通道的确定72.5 系统原理框图93 电气控制系统硬件设计103.1 电气控制系统的硬件组成103.2 89C52单片机应用介绍103.3 输入检测放大电路及A/D转换设计133.4 变频驱动电路设计173.5 人机对话通道设计213.6 变频调速主电路的设计264 模糊控制算法的设计274.1 球磨过程的数学模型解析274.2 模糊算法284.3 模糊控制器294.4 模糊控制器的工作365 系统软件设计365.1
7、 系统软件设计思路365.2 系统主程序流程图385.3 中断保护程序425.4 软件抗干扰技术426 系统测试分析436.1 系统测试436.2 系统分析447 总结44参考文献45谢 辞46附录 一47附录 二631 引言1.1 摆动式球磨机模糊控制背景分析自1893 年球磨机出现以来，它就一直在矿业、冶金、建材、化工及电力部门等若干基础行业的原料粉碎中得到广泛的应用。随着陶瓷工业的发展，球磨机也成为了陶瓷工业中制粉工序中不可缺少的机械设备。从长远来看，今后相当长的时期内球磨机仍将是陶瓷工业中原料磨碎作业的主要设备，因此对球磨机的研究也受到了相关专家的高度重视。1 球磨机是制粉系统中的大型
8、重要设备，其安全可靠地运行与最佳工作状况是设计单位所追求。但使用中还存在着一些急待解决的问题，最突出的是难以实现自动控制，运动轨迹过于单一不能有效的粉碎物料。不能运行在最佳经济出力。多变量祸合、多变量时滞和模型时变特性是球磨机控制的主要困难。由于球磨机运行具有纯滞后、大惯性和非线性的显著特点，事态特性复杂，数学模型难以建立，采用常规PID调节难以奏效，所以，传统的控制方案大多都是建立在精确测量球磨机存物料为已知量的基础上，并且是人工手动操作，其经济性完全取决于人员的操作水平、调整能力和工作责任心。这类方法投资大，改装工作量也客观，各制粉系统水平参差不齐，控制效果并不十分明显，不适合我国采用。模
9、糊控制是本世纪70年代才发展起来的一种新型控制算法，其本质是一种非线性控制。它不需要知道被控对象的数学模型，并具有比常规控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。模糊控制是建立在人工经验基础之上的。对于一个熟练的操作人员，他往往凭借丰富的实践试验，采取适当的对策来巧妙的控制一个复杂过程。若能将这些熟练操作员的实践试验加以总结和描述，并用语言表达出来，就会得到一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化，就转化为模糊控制算法，从而形成模糊控制理论。模糊控制理论具有的特点：（1）模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无须知道被控对象的数学模
10、型。（2）模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。（3）模糊控制易于被人接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示的，如“今天气温高，则今天天气暖和”等，易于被一般人所接受。（4）构造容易。模糊控制规则易于软件实现。（5）鲁棒性和适应性好。通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象进行有效的控制。模糊控制策略可以保证球磨机安全、经济运行，可以对球磨机负荷(装物料的量)、球磨机出口成品的温度、球磨机罐内负压进行调节。调节球磨机负荷的任务就是保证
11、球磨机在最经济工况下运行，维持球磨机罐内负压稳定，达到球磨机温度量恒定，从而维持粉碎的细度，还可防止粉末外喷，影响安全和环境卫生。球磨机内粉末混合物的温度反映了物料的干湿度，同时也是防暴安全性的重要指标。基于模糊控制的这些特点，可以确定为对球磨机的基本控制策略。2随着先进控制理论和检测手段以及计算机技术的发展，火电厂热工过程控制水平有了大幅度的提高，制粉系统球磨机这一较难控制的系统开始受到重视，并取得了一些理论和应用方面的研究成果。一批以多变量控制理论、模糊控制理论及自适应优化理论为基础，在充分考虑了制粉系统特点的基础上，针对不同被控过程的具体特性，基于不同控制理论的实用控制策略已被提出。这对
12、球磨机制粉系统的自动控制和优化运行起到一些积极的指导作用。1.2 摆动式球磨机模糊控制的提出及研究意义（1）、摆动式球磨机模糊控制的提出 球磨机制粉系统是一个典型的多变量非线性时变系统，球磨机罐内的存料量、罐内温度、罐内负压及球磨机转速等之间存在着相当严重的藕合，其运行轨迹单一，基于经典PID控制器的控制系统很难正常投入运行，即使投入也难于保证球磨机处于最佳工况。因此实现球磨机的自动控制问题尤为关键。而摆动式球磨机的提出解决了这些问题。关于球磨机的运动为多维复合曲线运动。随着自动控制技术的广泛应用和自动控制水平的不断提高，国内外对球磨机的自动控制也在进行着大量的研究。传统的控制方案大多都是建立
13、在精确测量球磨机存料量的基础上，并且是人工手动操作，其经济性完全取决于人员的操作水平、调整能力和工作责任心。这类方法投资大，改装工作量也客观，各制粉系统水平参差不齐，控制所带来的经济效益很差，对于用电量需求巨大而经济技术落后的中国来说，不宜采用。为了保证球磨机安全运行，降低成本，提高经济效益，提高机组的自动投入率，本文在智能控制理论的基础上，研究探讨专家模糊控制系统在球磨机自动控制中的应用，即总结归纳传统控制思想，采用简单的静态解祸网络与动态前馈补偿相结合的解祸方法，采用模糊语言规则，存储到计算机中进行数值运算，设计出了新型的球磨机智能控制系统。它不需要知道被控对象的数学模型，且具有比常规控制
14、系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。实验证明，将它确定为球磨机的基本控制策略是可行的。（2）、球磨机模糊控制的研究意义目前，国内大部分球磨机控制都是人员手动操作。对于运行经验不足的操作人员而言，长期手动控制球磨机的运行，不仅容易造成球磨机满料、断料、跑粉、超温事件的发生，而且也不能使系统长期保持在最佳工况下运行。如何在保证球磨机安全运行的前提下，降低单位球磨机电耗，提高经济效益，提高机组的自动投入率，己经成为自动控制中的一个非常重要的环节。此外，在经济全球化、节省能源和保持经济可持续发展的背景下，球磨机这样一个耗电大户进行行之有效的自动控制也有十分重要的社会意义。本论文的意义主要表现在以下几个方面
15、:第一， 提高了机组运行时的安全性，延长了设备的使用寿命；第二，降低了电耗，减轻了运行人员的劳动强度，提高了经济效益；第三，磨机控制目前仍是热工过程控制中的一大技术难题，如果对此有较好的解决方案，必将促进其相关技术的发展，也会为更复杂系统的控制提供行之有效的方法，同时也会促进 控制理论的进一步发展。1.3 基于模糊控技术摆动式球磨机电气控制系统的研究摆动式球磨机的电气控制部分是球磨机的重要组成部分，本设计的电气控制算法采用目前先进的模糊算法，模糊控制(FC)算法是20世纪70年代才发展起来的一种新型控制算法，其本质是一种非线性控制，并具有比常规控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。FC采用模糊变
16、量，具有良好的抗噪性能，而且容易与人工操作经验相结合，它不需要知道被控对象，的数学模型，可以有效地应付非线性对象。基于模糊控制技术的多维摆动式球磨机的控制系统，是通过使罐体进行多级复合运动，从而增加单位时间冲击和接触次数，延长运动轨迹，提高冲击能，减少盲点，显著提高球磨效率和罐体内粉末度的均匀性。模糊控制技术的介入，将快速的突破物料的“粉碎极限”，极大提高了加工效率的同时，解决了超细粉末制备过程中迫切需要解决的难题-被加工物料的保护和保原问题3。采用模糊控制实现多维摆动式球磨机的控制要求，本系统研究设计的主要内容：（1）交流电机变频调速电路的设计；（2）气压（真空度）监测电路的设计；（3）工作
17、机温度监测电路的设计；（4）气压（真空度）、温度数据采集部分程序设计；（5）模糊控制算法的实现；（6）掉电后时间自动记忆功能的实现。本系统的控制对象是交流异步电机，这一被控对象具有强非线性、多变量耦合、不确定性和大滞后的特点，而且调速系统是一类不确定的复杂系统，其难以获得精确的数学模型。因而用模糊控制解决其控制问题。为此设计了模糊控制器，通过对变频器的控制，实现电机转速的自动调节；以AT89C52单片机为控制核心，温度传感器、压力传感器采集信号，并对采集信号做出相应处理，实现了工作机温度和罐内气体压力的实时监测；设计了时间记忆电路，保证掉电时间数据不丢失。以提高系统的可靠性；利用看门狗电路，提
18、高系统的抗干扰能力，保证系统在工业的工作环境下能够稳定工作；设计友好的人机交互界面，使操作简单、快捷。2 摆动式球磨机控制系统方案的确定2.1 摆动式球磨机粉碎过程模型解析2.1.1 球磨机简介摆动式球磨机它包括曲轴、曲轴支座、缸体支架、轴承、摆动专制、缸体及固定装置，曲轴置于曲轴支座内，曲轴与罐体支架通过轴承连接，罐体支架与罐体连接，所述固定装置一端连接在罐体支架上另一端固定，可保证罐体支架及罐体不随曲轴作圆周运动而只作一定幅度的多维摆动，罐体内的磨球运动轨迹长且复杂，磨介的冲击能量大，罐体内几乎无盲点，可大大地提高球磨效率和体内粉末粒度的均匀性。球磨机工作时，研磨体由于重力、离心力、摩擦力
19、作用贴在球磨机筒体内壁上与筒体一道回转，并被带到一定高度后，由于重力大于离心力和摩擦力的合力，此时研磨体被抛落出去，下落时将筒体内的物料击碎，并靠磨介与罐壁的研磨作用使物料粉碎。影响球磨机产量的因素比较复杂，实践证明，球磨机的回转速度、物料粒度、物料水分和温度、物料的易磨性、衬板结构、筒体研磨体的填充系数、磨介等等都有直接的影响。还有一点常被忽略的是操作工人对磨机加料的控制，也同样影响到球磨机的产量和质量。102.1.2 球磨机的粉碎过程球磨机制粉系统的特点是工作可靠性高，系统中发生故障不立即影响其它设备的运行，球磨机的工作与外接设备工况不相牵连。因此，球磨机经常可以保持满负荷工作，以减少电能
20、消耗，这对低负荷下工作经济性差的球磨机来说是非常重要的;此外运行灵活。球磨机结构图如图2-1筒体转动轴气孔筒盖加料口浆叶磨介 图2-1 球磨机结构图基于模糊控制技术的多维摆动式球磨机控制系统具体工作流程为：首先由操作者将被加工物料及磨介放入罐内，固定好后通过控制面板设定工作机罐体的温度上限、罐内压力下限、加工时间、基本转速、最高转速、升降速时间以及加工类型，然后通过单向阀向罐内注入保护气体，注入压力由压力表检测，当罐内压力达到要求值时。停止注入保护气体，取下注气管。关闭机器盖，开启冷却风扇，对罐体进行冷却。按“启动”键，使球磨机进入工作状态。工作时，球磨机将按照预先设定的值进行工作，系统对执行
21、机构进行智能控制，并实时显示控制时间和工作情况4球磨机制粉系统是一个具有纯迟延、强祸合的多变量非线性时变系统。球磨机本身是一个包含了机械能量转换、热交换和两相流动的复杂过程，任何一个控制变量的改变都会造成所有被控变量发生变化，因此变量之间的相互干扰十分严重。同时，由于物料的品种不一，物料的粒度、水份、温度、可磨性系数、挥发份等指标经常发生变化，另外，磨介在运行过程中不断被磨损，这些原因使得球磨机表现出时变系统的特征。此外，球磨机制粉系统还常受到一些不确定性干扰的影响，例如给料机断料、堵料及料的自流等。摆动式球磨机被控对象包括3个控制量（罐内负压p、罐内风粉混和物温度T及球磨机的转动速度)。若改
22、进参数检测方法，使用球磨机前轴瓦垂直振动分量万代替差压信号如表征存物料量， 于是原来的对象就分解为一个祸合的两输入两输出对象和一个单输入、单输出对象。对两输入两输出对象按照工艺要求进行变量配对，使用热风量控制温度，再循环风量控制负压，即输出信号，输入信号，两个回路(温度回路与负压回路)仍有很强的关联，则被控对象可描述为Y=GU，其中，G为传递函数矩阵由于整个建模过程主要是为控制系统的设计作参考，我们并不追求模型具有很高的精度，只要能反应出制粉系统的特点以便正确设计控制系统。因此， 在建模过程中作了如下简化:模型仅从整体上反映球磨机特性。球磨机罐内温度是风和物料混合物的温度;不考虑制粉系统内热损
23、失。2.2 主电路方案的确定本次设计的主电路采用交-直-交变频电路 如图2-2图2-2主电路图通用变频器的主电路主要有两种类型，即交交变频（直接变频）和交直交变频（间接变频）。由于交交变频主电路受到电网频率及整流电路脉冲波数的限制，输出功率较低，调频范围较窄（一般情况下，输出最高频率为电网的1/2-1/3），主电路元件多且元件利用率低，控制复杂，只适用于低速大功率拖动的场合。而交直交变频是把一定电压、定额的交流电，先经过整流器整流成直流电，然后再经过逆变器将此直流电变换成电压和频率都可以调的交流电。这种方式克服了交交变频的缺点，应用极为广泛，结合控制系统的特点和性能要求，本设计采用交直交变频电
24、路5。2.3 控制系统的确定本次设计选用单片机的控制。其最大特点就是设计者可以根据自己的实际需要开发、设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。其基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用于A/D、D/A转换接口，用于人机对话的键盘处理接口，LED和LCD显示接口等。然后开发一些应用软件。即可组成完整的单片机系统。6根据摆动式球磨机的工作模型和对目前单片机市场的调查，本次设计选用的单片机AT89C52，选用单片机的原因是其经济易用，性能可靠，易扩充，控制功能强。内部配置8KB的Flash Memory，无需扩展外部存储器，可点擦写，便于编程调试。AT89C52内部带有存储器件，
25、不用扩展程序存储器，减少硬件线路连接。其最大特点就是设计者可以根据自己的实际需要开发、设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。根据多维摆动式球磨机的特点及实现的功能，微机控制系统实现的功能主要有以下几点：（1）实现对交流电机的速度控制；（2）实现数据采集并做出相应处理；（3）实现实时记忆功能，保证时间数据掉电不丢失；（4）实现简单、直观的人机交互界面。2.4 输入通道的确定2.4.1温度传感器的确定由于摆动式球 磨机在研磨物料过程中，球磨机内的物料受磨介和罐体的作用，其物理形状发生改变，释放出能量，球磨机内物料碰撞周围物体，由于压力作用使物体表而产生微小的形变，球磨机内部产生很
26、高的温度。所以需要传感器的稳定性和耐高温的要求要很高。根据设计要求本设计采用热电偶温度检测。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。热电偶
27、测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-3所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作。加热点金属b金属a+图2-3热电偶常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。本次设计使用标准热电偶。标准化热电偶我国
28、从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。11热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。由于摆动式球磨机测量高温所以本次设计采用热电偶温度传感器。2.4.2 气体压力传感器罐内气体压力检测系统来监测罐体的安全状况是很必要的。机械法加工超细粉末的保护和保原问题，是超细粉末制备技术迫切需要解决的难题。当罐内气体压力低于
29、要求时，系统采用紧急停车，并且报警，避免了被加工物料的氧化和事故的发生。这里选用PTP708F压力传感器，其工作原理是：阳极相对于阴极施加正向电压，在阴极形成电场，使阴极产生电子发射。当敏感阳极膜受压变形时，阴阳极间距变化，阴极发射的电流发生变化。从而通过阴极发射电流的变化反映阳极膜所受压力的变化。该传感器上的施加在传感器上的压力在25g100g范围内，其压力与输出电压的曲线呈线性关系，从而反映出施加在传感器上的压力与传感器发射的电流成线性变化关系2.5 系统原理框图在主电路和控制电路的基础上加上必需的辅助和驱动电路，就构成了本次设计的整个系统，其系统原理图如图2-4所示。由图可知，本次设计以
30、AT89C52单片机为控制器，以交流电动机为控制对象，以直流测速发电机为速度传感器，构成了闭环控制系统；针对交流电动机具有非线性、多变量强耦合以及获得精确数学模型困难的特点，设计了模糊控制器，通过对变频器的控制，实现电机转速的自动调节；通过人机交互界面的设计，实现了加工时间、间歇时间、最高转速、升速时间、降速时间、允许温升范围、超强加工、柔性加工等设置；通过温度传感器、压力传感器，实现了工作机温度和罐内气体压力的监测。传感器单片机人机接口看门狗A/D装换时钟电 路报 警变频驱动电路电机检测电 路图2-4系统的原理框图3 电气控制系统硬件设计3.1 电气控制系统的硬件组成系统的硬件组成主要由五部
31、分：单片机最小系统，时间记忆电路，检测放大电路，变频驱动电路以及人机交互电路。本系统的实现对多维摆动式球磨机整个工作流程的智能控制，单片机选用AT89C52，经济易用，性能可靠，无须扩展外部存贮器，可多次修改程序，便于编程调试。控制对象是一台功率为3kW鼠笼式三相交流异步电动机，使用的主要元器件为SA8282和IGBT。控制系统采用的是闭环，运用了SPWM正弦脉宽调制方式进行交流电机的调速，提高粉末的加工细度。3.2 89C52单片机应用介绍3.2.1 单片机98SC52介绍AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存
32、储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合7。 单片机芯片的管脚描述如图3-1和表3-1所示。图3-1 AT98C52管脚图表3-1 AT89C52管脚详尽功能描述助字符名称和功能Vss接地Vcc电源P0.0-P0.7P0口P1.1-P1.7P1口P2.0-P2.7P2口P3.0-P3.7P3口RXD（P3.0)：串行输入口TXD（P3.1)：串行输出口I
33、NT0（P3.2)：外部中断INT1（P3.3）：外部中断T0 （P3.4）：TIMER0的外部输入脚T1 （P3.5）：TIMER1的外部输入脚WR （P3.6）：外部数据存储器的写入控制信号RD （P3.7）：外部数据存储器的读取控制信号RST复位端ALE地址锁存使能端PSEN程序存储器使能端外部访问使能编程电压提供XTAL1晶振1XTAL2晶振2功能特性概述： AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0HZ的静
34、态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2.2 单片机最小系统单片机最小系统包括：时钟电路、复位电路、看门狗电路以及使单片机正常工作的电源电路。时钟电路为单片机提供时钟控制信号，本系统采用了6M的晶振作为CPU的内部时钟源；复位电路可以在单片机正常工作中如需要一个复位信号，以便使单片机上电或按下复位开关时能从头开始工作，它的复位信号低电平有效；看门狗电路MAX813L在单片机受外界干扰时，保证单片机程序不跑飞。提高系
35、统可靠性12。其具体电路如图3-2：图3-2 单片机最小系统3.2.3 时间记忆电路设计本次设计的时钟芯片采用DS1302。如图3-3图3-3 时间记忆电路DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟和31字节静RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线，1 RES复位，2 I/O数据线，3 SCLK串行时钟。RAM 的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时，功率小于1Mw 表3-2 MAX813L管脚功能表X1，X2晶振
36、管脚 GND 地 RST 复位脚 I/O数据输入/输出引脚 SCLK串行时钟 Vcc1，Vcc2 电源供电管脚3.3 输入检测放大电路及A/D转换设计检测放大电路在整个控制系统中都具有重要作用，其检测精度可以直接影响系统控制精度。在本系统中检测放大电路可分为真空压力检测放大电路、温度检测放大电路和测速发电机检测放大电路三部分组成。3.3.1 压力检测电路压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证其正常运行，必须对压力进行监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作
37、用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差，称为表压力。用符号pb表示。即pb=pj-pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号pz表示。PTP708F压力传感器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、化工、医疗、空调等压力测量与控制，综合精度: 0.5%FS、1.0%FS。表3-3 PTP708F功能表供电电压24DCV(936DCV)介质温度-20200环境温度-2095负载电阻电压输出型：大于50
38、K绝缘电阻大于2000M长期稳定性能0.1%FS/年振动影响在机械振动频率20Hz2000Hz内，输出变化小于0.1%FS电气接口(信号接口)四芯屏蔽线、紧线螺母本设计使用的PTP708F空气压力传感器，电路如图3-4所示，本电路测量压力范围为-1.5MP4MP。传感器到输入放大器A1之间用双绞线联结，可避免干扰，并可提高测量精度。当PTP708F上的压力发生变化时，其两端的电压降随之线性变化（约1.66V/MP）。经A1放大后，送入A2。A2接成反相放大器。将被测信号送给AD574。通过调节R6，使压力P=-1MP时，A2端输出为0V。当压力变化范围为0MP-4.99MP时，A2输出电压变化
39、范围为0-4.98V。从而实现了压力、电压转换。图3-4压力检测放大电路3.3.2 温度检测放大电路本次设计采用的热电偶温度传感器，型号为WRB（铂铑13-铂），它采用恒流源电路来获取温度信号。本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理想。随着近年来微电子技术的发展，出现了不少专用的高性能放大芯片，AD620、AD623都具有运放结构，在本设计中我选用了AD620作为放大器电路的首级放大。AD620是低价格、低功耗放大器，它只需要一只外部电阻就可设置11000倍的放大增益，它具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度。图3-5为温度检测放大电路3.3.3 电机速度检测电路
40、由于多维摆动式球磨机中的电机在工作过程中是随罐体摆动而运动的，工作过程中震动较大。这里采用测速发电机对交流电机进行测速，可以构成闭环调速系统。测试电路采用高精度放大电路，使得即便是在电动机低速运转时，也有足够的测速精度。 电阻网络R2R4组成分压器，分别供给A1、A2同相端以基准电压。A1组成恒流源电路，其电流Io等于V3/（R7+R6）=2V/（R7+R6）。恒流源大小可通过R6控制，恒流电流Io流过传感器，其输出电压V=12V-IoRt。A1为比例放大器，外接+15V电源,A为直流测速发电机，输出电压限制在5V8。其电路图如3-6所示：图3-6电机速度检测电路3.3.4 A/D转换器接口在
41、单片机的应用系统中，被测量的对象上的有关变量，如温度、压力、速度、的非物理量，需经过传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。单片机处理完毕的数字量，也常常需要转换为模拟信号。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器。实现数字量转换模拟量的器件称为D/A转换器。如下图3-7及表3-4。图3-7 AD574管脚图表3-4 AD574功能表分辨率12 位非线性误差小于1/2LBS或1LBS转换速率25us模拟电压输入范围05V和010V两档四种数据输出格式12位/8位 全速工作模式和单一工作模式 本设计使用的是AD574是美国
42、模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其管脚及主要特性。 3.3.5 多路开关多路开关也称为多路转换器或采样开关，它的作用是将输入信号按一定顺序送到放大器或采样保持器。为了提高过程参数的测量精度，系统对多路开关也提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还应具备切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠等特点。在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其种类、型号较多，
43、有8通道、16通道、32通道等多种。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。CD4051是8通道多路开关，由逻辑电平转换、二进制译码器和8个开关电路组成。CD4051的引脚如图3-8所示，图中A、B、C是二进制的控制输入端，INH是允许输入端。当INH为高电平时，不论从A、B、C端输入何值，8个通道均不通；当INH为低电平时，允许由A、B、C端输入3位二进制数，在8路通道中选择一路将输入和输出接通。图3-8 CD4051为管脚图。图3-8 CD4051管脚图3.4 变频驱动电路设计近十多年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论向交流电气传动领域
44、的渗透，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统。几乎可以说，有交流电动机的地方就有变频器的使用。其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。现在通用型的变频器一般包括以下几个部分:整流桥、逆变桥、中间直流电路、预充电电路、控制电路、驱动电路等。一台变频器的好坏，驱动电路起着至关重要的作用本次设计的变频驱动电路采用SA8282驱动模块， SA8282是英国Mitel公司推出的高精度PWM脉冲发生器，它在实现高精度方面采取了以下措施。（1）调制波形采用16位数度(以前的产品为12位精度)，这样用户可以获取更高的控制数度。（2）每相输出波形的幅值可以单独控制。
45、这样用户可以对三相不平衡负载，通过三个独立闭环分别控制，有效地实施补偿，使三相电压在不平衡负载下输出精度大大提高，尤其适用于静止逆变器及不间断电源（UPS）。13（3）内部集成“看门狗”定时器，加强了监控，提高了运行的可靠性。3.4.1 由SA8282组成的变频调速电路SA8282为28引脚，有双列直插式和贴片式两种封装，引脚如图3-9所示。其中AD0-AD7为位地址与数据复用总线，用来从微处理器接收地址和数据。3条控制线(引脚6 ，7 ，8)在采用Intel模式时为，在Motorola模式为，为片选输入；， ，为三相(以、标记)信号的六个输出端，指示输出封锁状态、为关断触发信号输入端，为内部
46、计数器复位输入端；为外部时钟输入端；、MUX、RS、分别为三相的零相位脉冲，为波形采样同频信号， 、分别为电源和接地端。图3-9 SA8282管脚图由SA8282构成的变频调速系统如图3-10所示。首先由键盘输入给定的转速nO(rpm)，单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字，写入到SA8282的控制寄存器，启动SA8282。从RTBB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM控制信号，经驱动芯片IR2136S分别控制智能功率模块IPM的6个IGBT的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三相SPWM电压，以驱动交流电动机运转。利用测速发电机可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精度。IPM的故障检测信号接到SA8282的SET TRIP端，一旦IPM发生过流、过热、短路和欠压等情况，将立即切断SA8
