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1、 学士学位毕业设计（论文）基于单片机的感应节能扶梯的设计学生姓名：指导教师：所在学院：信息技术学院专 业：电气工程及其自动化中国 *200* 年 6 月 本科毕业设计（论文）任务书教授基于单片机的感应节能扶梯设计本课题需要完成从检测到控制的全过程，从感应器到节能控制，利用单片机完成，自行选择器件，构建电路，设计软件程序，难点在节能控制上，需要确定节能方法，要求设计完整，计算充足。10传感器与检测技术-陈洁1、 （.3.54.1）查找资料，分析、总结所查资料的技术内容；2、 （4.14.15）提出设计思路；3、 （4.156.1）进行系统设计；4、 （6.16.15）修改设计，并撰写论文。年月日
2、注：1任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。2此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。 摘要摘要本论文所设计的扶梯为一款能够根据负载状态不同自动调节转速的自动节能扶梯。由于能源和电力资源的匮乏，自动扶梯在空载状态下的运转成为一种巨大的浪费。本设计中的自动扶梯自动检测到空载状态一段时间后，命令扶梯由全速运转减速至半速运转，这样便可实现节省电能达 30%50%左右。当有乘客踏上自动扶梯床盖板时，扶梯可通过设置在床盖板入口处的光电感应装置自动感知乘客的到来，开始全速运转。本设计中变频部分用 PWM 波生成电路 HEF4752 来生成变1频过程用的 PWM 波。此方法简单，
3、实用，与专用变频器相比，投资显著减少。关键词：节能 变频 红外线开关2I ABSTRACTABSTRACTThe staircase designed in this article can coordinate its rotational speedautomatically according to the different states of operating load. want ofBecause ofelectrical power resources, the staircases operating under non-load state become a kindof
4、 huge waste. The staircase designed in this article can slow its rotational speed downautomatically from the top speed to half speed after a short time when the state of non-load is checkouted, so the electrical power resource can be saved by 30% 50%. Whenthe passenger step on the cover plate, the s
5、taircase can detect this by the photoelectricsensor on the entrance to the staircase and operate itself at the top speed. The frequencychanger circuit in this design adopted the HEF4752 to generate the PWM signal. Tocompare with special frequency transformer, this method can not only reduce the cost
6、but also be simple and practical.Keywords: Energy conservationFrequency transformInfrared switchII 目录目录摘要.IABSTRACT.II前言.11 绪论.21.1 自动扶梯的变频节能运行原理 .21.2 变频器的主要作用 .21.3 自动扶梯的变频节能运行特点 .21.4 本设计的优点 .22 系统设计方案的确定 .42.1 控制对象的确定 .42.2 控制方案 .42.3 系统总体结构 .43 硬件电路.63.1 SPWM 波生成电路 .63.2 红外线遮断开关的设计.123.3 转差频率控制
7、原来及调节器的设计.173.4 PWM 控制信号的产生及变换器的设计 .183.5 系统主回路的设计.223.6 光电隔离及驱动电路设计 .243.7 故障检测及保护电路设计.253.8 模拟量输入通道的设计.264 系统软件的设计.274.1 系统主程序.274.2 转速调节程序.274.3 启动、停车与正反转程序.27结论.28参考文献.29致谢.30附录.31III *大学毕业设计（论文）前言自动扶梯和自动人行道在酒店、商场、地铁、火车站、写字楼、会馆、机场等场所应用较多，在方便顾客和提高服务质量等方面起到了相当重要的作用。但由于其使用场合的特殊性，部分扶梯经常处于空转的状态，这必将浪费
8、大量的电能，同时也使扶梯部件（如电机、减速箱、扶手带等）产生不必要的磨损及疲劳损伤。我们知道，由于能源和电力资源的匮乏，自动扶梯在空载状态下的运转成为一种巨大的浪费。因此，我们设想，如果能让自动扶梯自动检测到空载状态一段时间后，指令扶梯由全速运转减速至半速运转。在人员进出相对不频繁的场所，基于上述思想，自动扶梯检测到空载状态一段时间后，将由全速运转逐渐减速直到停止运转，这样便可实现节省电能达30%50%左右。当有乘客踏上自动扶梯床盖板时，扶梯可通过设置在床盖板入口处的光电感应装置自动感知乘客的到来，开始全速运转。变频电路的主要作用是用来调整扶梯转速，启动和运行平稳，在无人时，经过延时，系统自动
9、转入爬行运行，以达到节能的目的。将扶梯入口处安装光电开关，有乘客时光电开关发出信号，扶梯经变频调速至额定速度，当全部乘客离开扶梯后，扶梯又自动进入低速运行状态待客。节省电能、减少机械磨损、延长使用寿命。在本设计中，主控电路 CPU 采用的是凌阳公司的 SPCE061A 单片机，它是一款16 位单片机，内部集成了模数转换器，既能使数据运算方便，又在一定程度上减少了硬件电路。变频器没有用市场上的专用变频器，而是用 PWM 波生成电路HEF4752 来生成变频过程用的 PWM 波。此方法简单，实用，与专用变频器相比，投资显著减少。1 *大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 自动扶梯的变频节能运行原理我
10、们知道，由于能源和电力资源的匮乏，自动扶梯在空载状态下的运转成为一种巨大的浪费。因此，我们设想，如果能让自动扶梯自动检测到空载状态一段时间后，指令扶梯由全速运转减速至半速运转。在人员进出相对不频繁的场所，基于上述思想，自动扶梯检测到空载状态一段时间后，将由全速运转逐渐减速直到停止运转，这样便可实现节省电能达 30%50%左右。当有乘客踏上自动扶梯床盖板时，扶梯可通过设置在床盖板入口处的光电感应装置自动感知乘客的到来，开始全速运转。1.2 变频器的主要作用主要作用是用来调整扶梯转速，启动和运行平稳，在无人时，经过延时，系统自动转入爬行运行，以达到节能的目的。将扶梯入口处安装光电开关，有乘客时光电
11、开关发出信号，扶梯经变频调速至额定速度，当全部乘客离开扶梯后，扶梯又自动进入低速运行状态待客。节省电能、减少机械磨损、延长使用寿命。1.3 自动扶梯的变频节能运行特点1).无人乘梯时：保证扶梯自动平稳过渡到节能运行，以 1/5 额定速度运行。（可以选择当无人乘梯时，扶梯自动停止的功能）；2).有人乘梯时：保证扶梯自动以节能速度平稳过渡到额定速度运行，实际测量时得到了验证；3).扶梯空载时以节能速度模式运行，电流仅为空载时额定速度运行电流的1/3。5).由于无人乘梯时节能运行时速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。6).变频技术的采用大大降低了扶梯启动时对电网的冲击，采用变
12、频器可有效改善电网的功率因数，降低无功损耗。1.4 本设计的优点1).节电明显：扶梯电机所带负载为恒转矩负载，由于无人时扶梯电机的转速降为正常转速的一半，所以此时电机功率降为原来的一半。2).减少磨损：由于转速下降，使机械部件的磨损大大下降和扶梯维护费用成2 *大学毕业设计（论文）倍减少。3 *大学毕业设计（论文）2 系统设计方案的确定2.1 控制对象的确定3型号为 NFM（P）-1000 的单台自动扶梯，其 30 倾角的规格参数为：提升高0度4.5m，功率 8kW，电源电压 380V，额定电流 12A。我们按其规格参数来设计本自动扶梯系统。选择电机的额定功率为 8kW，额定电压为 380V，
13、额定电流为12A。2.2 控制方案将扶梯入口处安装光电开关，有乘客时光电开关发出信号，扶梯经变频调速至额定速度，当全部乘客离开扶梯后，扶梯又自动进入低速运行状态待客。为了使系统有较好的静动态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速单闭环控制系统，采用转差率调节方式，对转速进行动态调节。由于电动机负载为恒转矩负载，在高频段，即高速带负载运转时，采用恒比例控制方式来近似恒磁通控制方式。在低频段，即低速不带负载运转时，由于不带负载电梯空载运行，可不必进行转矩补偿。SPWM 波电路选用大规模集成电路 HEF4752 来产生 PWM 信号，以减轻单片机的负担，使它能有足够的时间完成闭环控制、系统检测和
14、保护等任务 。3单片机选用 SPCE061A16 位单片机，其内部集成了 DA 转换器，节省了系统的硬件电路，同时便于进行数据运算。将 IOB2、IOB3 端口设置为外部中断方式，分别接扶梯正转/反转与启动/停车按键。当键按下时引起中断，单片机进入相应中断程序的处理 。4由于电动机功率不大，整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。2.3 系统总体结构系统总体结构框图如图 1 所示，主电路包括：整流电路、逆变电路；控制电路包括：红外线开关、单片机、PWM 波生成电路；保护电路包括：过流保护电路、过压保护电路和结温保护电路。系统控制结构框图如图 2 所示。4 *大学毕业设
15、计（论文）结温保护电路速度反馈电图 1 系统总体结构图+fFCTU* n+HEF-MUn4752fVC TTG图 2 系统控制结构图5 *大学毕业设计（论文）3 硬件电路3.1 SPWM 波生成电路1HEF4752 是全数字化的三相 SPWM 波生成集成电路。这种芯片既可用于幼强迫换相电路的三相晶闸管逆变器，也可用于由全控型开关器件构成的逆变器。对于后者，可输出三相对陈 SPWM 波控制信号，调频范围为 0200HZ。由于它称称得SPWM 波的最大开关频率比较低，一般在 1KHZ 以下，所以比较适于以 BJT 或 GTO为开关器件的逆变器，而不适于 IGBT 逆变器。2827262524232
16、221201918171615OBC1OB M2OB M1RCTCWOCTKOR M1OR M2ORC1ORC2FCTAVDDOBC2VavRSYNOYM1OYM2OYC 1OYC 2CSPVCTCB图3 HEF4752 的管脚图3.1.1 HEF4752 的管脚功能HEF4752 为 28 脚双列直插式芯片，如图 3 所示。它有 12 个逆变器驱动输出端，3 个控制输出端，7 个控制输入端，4 个电源段。说明如下：3.1.1.1 12 个驱动输出端（1） 三相逆变器主开关器件驱动输出端：R 相的 ORM1、ORM2（第 1 个字母表示输出口，第 2 个字母表示相序，M 表示主开关器件，数字
17、1、2 分别表示该相上、下桥臂）；Y 相的 OYM1、OYM2；B 相的 OBM1、OBM2（表示方法均与上述类同）。这里，用 R、Y、B 表示三相，分别对应于常用的 U、V、W。（2）三相逆变器换相电路辅助开关管的驱动输出端：R 相的PRCS1、ORC2（C 表示换相输出）；Y 相的 OUC1、OYC2；B 相的 OBC1、OBC2。3.1.1.2 4 个时钟输入端（1）FCT 端 ，为频率控制时钟输入端，用以控制 SPWM 波的基波频率（即逆6 *大学毕业设计（论文）变器输出频率）f。输入的时钟频率 f (HZ)与所要求的逆变器输出频率 f 之间有FCT如下关系 =3360（3.1）FCT
18、显然，f 应是可调的，其精度决定了输出频率 的精度。FCTfVCT1fVCT2f 时，在f 2/3V，VI 1/3V 时，比较器 C 输出低电平，比较器 C 输出高1CC2CC12电平，基本 RS 触发器被置 0，放电三极管 T 导通，输出端 V 为低电平。O当 VI 2/3V，VI 1/3V 时，比较器 C 输出高电平，C 输出低电平，基1CC2CC12本 RS 触发器置 1，放电三极管截止，输出端 V 为高电平。O当 VI 1/3V 时，基本 RS 触发器 R=1,S=1，触发器状态不变，1电路亦保持原状态不变。CC2CC3.2.2 由 NE555 构成的单稳态触发器由 555 构成的单稳
19、态触发器及工作波形如图 14 所示。电源接通瞬间，电路有14 *大学毕业设计（论文）一个稳定的过程，即电源通过电阻 R 向电容 C 充电，当 v 上升到 2/3Vcc 时，触C发器复位，v 为低电平，放电 BJT T 导通，电容 C 放电，电路进入稳定状态。O若触发输入端施加触发信号（v 1/3Vcc），触发器翻转，电路进入暂稳态，Iv 为低电平，T 导通，电容 C 放电，电路恢复至稳定状态。O如果忽略 T 的饱和压降，则 v 从零电平上升到 2/3V 的时间，即为输出电CCC压 v 的脉宽 tOWt =RCln31.1RCWVc cR8VoNE5553Vi5CVC0.01uFa)vIttvC
20、vOtb)图 14 由 NE555 构成的单稳态触发器a) NE555 单稳态触发器 b) 工作波形这种电路产生的脉冲宽度可从几个微妙到数分钟，精度可达 0.1%。通常 R 的取值在几百欧姆至几兆欧姆之间，电容取值为几百皮法到几百微法。由图 14a 可知，如果电路的暂稳态持续时间内，加入新的触发脉冲，如图 14a 中的虚线所示，则该脉冲不起作用，电路为不可重复触发单稳。由 555 定时器构成的可重复触发单稳电路如图 15 所示当 v 输入负向脉冲后，I电路进入暂稳态，同时 BJT T 导通，电容 C 放电。输入脉冲撤除后，电容 C 充电，在 v 未充到 2/3V 之前，电路处于暂稳态。如果在此
21、期间，又加入新的触发脉CCC冲，BJT T 又导通，电容 C 再次放电，输出仍然维持在暂稳态。只有在触发脉冲15 *大学毕业设计（论文）撤除后且在输出脉宽 t 时间间隔内没有新的触发脉冲，电路才返回到稳定状态。W在本设计的红外检测电路中使用的就是这种由 555 定时器构成的可重复触发单稳电路。VccRR148voNE5553VI150.01uFa）vItttvC2/3VccvOtWb)图15 由 NE555 构成的可重复触发单稳电路a）NE555 构成的可重复触发单稳电路 b)工作波形3.2.3 电路工作原理接收模块接收到发射模块发出的红外线信号并正确译码后，其输出端输出低电平信号（小于 0.
22、1V），V T1 截止，其集电极为高电平，由 NE555 等原件组成的单稳态电路不动作。当红外线信号被人或其他物体遮挡住时，接受模块接收不到红外线信号，模块输出高电平信号，VT1 导通，集电极出现低电平跳变，触发单稳态电路，NE555 的 3 脚输出高电平，晶体管 VT2 导通，继电器吸合，其常开触电接通被控负载。经过延时后，NE555 的 3 脚恢复低电平输出，VT2 由导通变为截止，继电器释放。本电路应采用稳压电源供电，以防电压波动损坏模块。16 *大学毕业设计（论文）3.3 转差频率控制原理及调节器的设计3.3.1 转差频率控制原理由电机学知识可知T = Cm I cosjf(3.10)22EsE其中I =2=2rr + (sx )2222+ x222s22r srcos =f22rr +