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1、基于单片机熔炼炉炉门控制系统设计摘要本设计主要是基于电动机正反转的自锁，从而运用单片机通过按键开关来实现对熔炼炉炉门的开和关的远程控制。MCU采用AT89C51单片机，完成对三相电机的控制、显示等功能。本设计由三个部分组成： LED显示器、驱动电路、和电源模块。对三相电机进行控制，同时电机的工作状态用LED显示器显示出来。关键词 单片机/LED显示器/电机控制系统Based on SCM expatiated door control system designABSTRACTThis design is mainly based on motor positive &negative, th
2、us the self-locking single-chip processor is used to achieve by button switches expatiated door on or off of remote control. MCU AT89C51 microcontroller and the completion of the three-phase motor control, display, and other functions. This design consists of three parts: the LED display, control ci
3、rcuit, and the power modules. Control of three-phase motor, and motor with LED display the working state of the display. Keywords ：microcontroller / LED display / Motor control system 1 绪论随着数字化技术发展，数字控制技术得到了电路，降低了成本，如果再辅以适当的软件抗干扰广泛而深入的应用。由于电动机组成的控制技术，还可以极大提高系统的可靠性。系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制电机正反转控制原理的基本要
4、求，得到了极其广泛的应用。而单片机技术的成动，使得对步进电动机的控制更加得心应手，更加便于操作。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的做功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非
5、常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。电动机的发展：1831年美国物理学家亨利设计出最初的电子式电动机。受到亨利的启发，一位名叫威廉里奇的人设计并造出了一台可以转动的电动机。里奇的这架电动机类似于我们今天在实验室里组装的直流电动机模型。到了19世纪40年代，俄国科学家雅科比使电动机变得更为实用了。他用电磁铁替代永久磁铁进行工作。这种新型电动机当时被装在一艘游艇上，载着几名乘客驶过了涅瓦河。此事引起了
6、极大的轰动。此后，出生于克罗地亚的美国人特斯拉于1888年，制造出了第一台感应电动机，他在各种电动机中，算是被应用最广的一种。感应电动机会将交流电快速输入一组称为“定子”的外线圈，继而产生一个旋转磁场。转轴内的一组线圈则称为“转子”，它会被定子的旋转磁场感应出电流，然后转子会因电流变化而转变成电磁铁。美国物理学家亨利于法拉第同时作出电磁感应的伟大发现，1830年8月，亨利在实验中已经观察到了电磁感应现象，这比法拉第发现电磁感应现象早一年。但是当时亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表这一实验成果，也没有及时的去申请专利，失去了发明权。可是亨利从不计较个人名利，他认为知识应该为全世界人类
7、所共享，从未与法拉第争过发现权，仍然专心致志地献身于科学事业。亨利的高尚品德受到世人的称赞。所以最后，人们还是将电磁感应现象的发现归于法拉第。特别值得一提的是，亨利实验装置比法拉弟感应线圈更接近于现代通用的变压器。2 方案论证与比较2.1 方案一采用直流控制交流的固态继电器对三相电机进行正反转的控制，用按键给单片机输入信号，由单片机对转换开关进行通断电，从而实现设计的目标。2.2 方案二运用驱动 ULN2003 对电机进行控制，同时由LED 显示出电机的工作状态（正反转）键控开关单片机（AT89C51）数据显示（LED）驱动ULN2003 方案二功能框图2.3方案论证与比较 方案一结构复杂，采
8、用固态继电器通过直接控制交流通断的方法，由按键开关给单片机提供信号从而控制固态继电器的通断来实现控制电机的正反转。这样的话，如果其中的一个固态继电器发生故障就会使电机不能处于额定电压下，进而损坏电动机。方案二运用按键的连锁来控制三相电机的正反转，在有保护电阻且有自锁控制的情况下，比较安全，即使有短路、断路的情况发生，由于开关的自锁反应，出现问题会自动停下，不会有下一步的进行。本设计的可燃气体警报器由三个部分组成：LED显示器、驱动电路和电源模块组成。3 硬件电路设计3.1 概述 该设计中采用按键开关给单片机AT89C51 送入信号，通过单片机控制LED显示和驱动的工作，进而对三相电动机进行正反
9、转的控制，从而实现熔炼炉炉门的开与闭。3.2 AT89C51单片机AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案
10、。1主要特性： 8031 CPU与MCS-51 兼容 全静态工作：0Hz-24KHz 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路2管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH
11、进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取
12、时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /I
13、NT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口的内部结构： I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心。 读引脚时也就
14、是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P
15、0P2P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，
16、置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 ULN2003ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了
17、一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。 ULN2003是一个非门电路，包含
18、7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。 比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。 ULN2003的作用： ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。 ULN200
19、3 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 ULN2003A引脚图及功能ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。 经常在以下电路中使用，作为： 1、显示驱动2、继电器驱动3、照明灯驱动4、电磁阀驱动5、伺服电机、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它 能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500m
20、A，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 的封装采用DIP16 或SOP16 ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以
21、达到更高的输出电流能力。ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7k的电阻，可直接与TTL或5V CMOS器件连接ULN2003一般用来驱动大电流的装置，如继电器，LED灯等，在驱动继电器这种装置时，COM端最好接上电源，以用来泄放继电器线圈的反向电动势显示电路主要包括大型LED数码管BSI20-1(共阳极，数字净高12 cm)和高电压大电流驱动器ULN2003，大型LED数码管的每段是由多个LED发光二极管串并联而成的，因此导通电流大、导通压降高。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有7个独立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达500 mA，导通时输出电压约1
22、 V，截止时输出电压可达50 V。ULN2003的17脚为信号输入脚，依次对应的输出端为1610脚，8脚为接地端。当驱动电源电压为+12 V时，若要求数码管每段导通电流为40 mA，则每段的限流电阻为50。则一块ULN2003恰好驱动一个LED数码管的7段。大数码管采用共阳极接法，低电平有效。锁存器输出的电平经NPN三极管9014反相后，再由ULN2003放大后推动大数码管显示。3.4 HD7279A本设计采用可同时驱动8位共阴式数码管(或46只独立LED)的智能显示驱动芯片HD7279A。该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，且64键键盘控制器内含有去抖动电路;无需外围元件便可直接驱动LED
23、，一片芯片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。HD7279A内部含译码器，可直接接收BCD码或是16进制码，并同时具有2种译码方式，各位可独立控制译码1不译码、消隐和闪烁等属性;具有(循环)左移/(循环)右移指令;具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管； HD7279A和微处理器之间采用串行接口，.其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。本数据采集系统不需要按键，只用到HD7279A的显示功能。电路原理图如图HD7279A电路原理图HD7279A一共有28个引脚，引脚连接说明
24、如下：VDD：正电源，接系统电源VCC。NC：无连接，必须悬空。VSS：接地。CS：片选输入端，与单片机AT89S15的P2.4口连接。此引脚为低电平时，单片机AT89S52可向芯片发送指令。CLK：同步时钟输入端，与单片机AT89C52的P2.5口连接。向芯片发送数据，此引脚电平上升沿表示数据有效。DATA：串行数据输入/输出端，与单片机AT89C52的P2.2口连接。当HD7279A芯片接收指令时此引脚为输入端。KEY：按键有效输出端。 SG-SA：段G段A驱动输出。 DP:小数点驱动输出。DIG0-DIG7：8个LED管的位驱动输出端。本系统只使用4个LED管用以现场显示，所以只使用了D
25、IG0DIG3四个端口。CLK：振荡输出端。RC：RC振荡器终接端。其中电阻的值为1.5K。，电容的值为15PF。ERSE：Tt复位端。接+5电源。当该端由低电平变成高电平，并保持25ms后，复位过程结束。串行接口HD7279A采用串行方式与微处理器通信，串行数据从Data引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，Data引脚上的数据在CLK引脚上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。如图2所示，HD7279A与AT89C2051通过串行接口连接。 图二 串行接口图3.5 电源模块的设计电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工
26、作。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。模拟电源基本电路由基准比较器、误差放大器和闭锁电路组成，基本电路占用非常小的硅片面积，补偿和实现架构易于理解，以较低的成本实现高精度，低功耗，不受分辨率限制，没有系统抖动，控制权很少需要额外的供电电源等优点。该电路是由LM7805三端稳压器构成的典型稳压电路，输入220V交流电，经过电桥整流，再由极性电容滤波，由稳压器稳压后输出直流5V电压。3.6 LED显示及驱动电路设计LED即发光二极管，它是一种由某些特殊的半导体材料
27、制作成的PN结，由于掺杂浓度很高，当正向偏置时，会产生大量的电子一空穴复和，把多余的能释放变为光能。LED显示器具有工作电压低、体积小、寿命长(约十万小时)、响应速度快，颜色丰富等特点。LED的正向电压降一般在1.2-2.6V，发光工作电流在5mA-20mA。七段LED显示器由数个LED组成一个阵列，并封装于一个标准的外壳中。为适用于不同的驱动电路，有共阳极和共阴极两种结构。本文采用的是共阴极结构。其BCD码转换为对应的段码这项工作由软件来完成3。为了显示某个数或字符，就要点亮对应的段，这就需要译码。译码有硬件译码和软件译码。硬件译码电路的优点是计算机时间开销比较小，但硬件开支大。软件译码与硬
28、件电路相比，省去了硬件译码器，但占用了程序的执行时间。根据的要求本次设计采用硬件译码。其电路设计如图所示4 软件设计本文在前文搭建了一个较为简单的硬件电路，系统功能的主要实现是依靠软件的设计来完成的。本系统的软件采用模块化设计，将系统分为若干个模块，分别实现各项功能，这样在系统软件的调试过程中，各个模块的独立调试有助于问题的发现和解决，在一定程度上节约了程序的调试时间。本系统的软件设计是用AT89c52的C语言在KeilC编程软件里运行，调试，完成的。本文所述系统的软件主要包括：主程序，系统初始化与自检， LED 显示等部分。整个系统的功能分析如图4.1所示。下面就将各主要程序逐一介绍。开始 初始化是否有按键按下 电动机无响应（否） （是）单片机处理判断哪个按键按下运行电动机待添加的隐藏文字内容1LED显示电动机运行的状态是否到达按键所对应的行程开关继续运行（）（否） （是）停止 图4.1 主程序流程图
