AT89C52單片機在捻度測量中的應用

紗線(xiàn)捻度測量是紡織生產(chǎn)中重要的環(huán)節。目前紗線(xiàn)捻度普遍采用機械式和半電子化測量。該測量方法精度低、操作人員勞動(dòng)強度大、易出現錯誤操作。為適應市場(chǎng)需求和社會(huì )發(fā)展，開(kāi)發(fā)了以單片機為核心捻度測量裝置，實(shí)現捻度測量的自動(dòng)化、微型化、數字化，從而大大提高了測試精度。

1 系統原理

本裝置如圖所1示。單片機將測量的電機轉速與鍵盤(pán)設置的工作方式和初始值進(jìn)行比較判斷，調整輸出脈沖的高電平，控制直流電機的速度和啟動(dòng)停止。同時(shí)將單片機計算的電機轉速和旋轉數(捻數)通過(guò)串行方式輸出顯示。

2 系統的硬件組成

系統的硬件基本上分為三個(gè)部分：即PWM脈沖轉換電路、速度測量電路和單片機電路組成。

1)速度測量電路

本裝置中電機的轉速比較低，采用霍爾元件作為傳感器。將磁芯固定在電機的轉子上，感應部分固定在電機外殼。當轉子旋轉，磁芯接近或遠離感應器，不同的磁感應強度使感應器產(chǎn)生微小的電壓差。差分放大器將電壓差放大后送給施密特觸發(fā)器整形為脈沖信號，經(jīng)過(guò)三極管驅動(dòng)取反后作為單片機INT1的中斷源。電路如圖2所示。

T1定時(shí)/計數器設為定時(shí)方式，與軟件配合組成脈沖周期測量。外部中斷INT1產(chǎn)生時(shí)，單片機讀取兩次中斷之間的時(shí)間，計算成速度和捻度輸出顯示。

2)PWM脈沖轉換電路

PWM控制系統是通過(guò)改變直流電機電樞上脈動(dòng)直流電的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電機的轉速。電樞電壓的平均值為：Umg= .Vcc=ρVcc, ρ= 稱(chēng)為占空比，其值由固定頻率調節脈沖寬度的方法來(lái)調節。本裝置采用H型單極受控可逆式PWM的功率轉換電路，如圖3所示。

它由四個(gè)大功率的場(chǎng)效應管和四個(gè)續流二極管組成。四個(gè)大功率的場(chǎng)效應管分為兩組，MOS1和MOS4為一組，

MOS2和MOS3為一組。當MOS2、MOS3導通，MOS1、MOS4關(guān)斷，電樞電壓Umg=Vcc，電樞電流img沿方向1流通，電動(dòng)機正轉;當MOS1、MOS4導通，MOS2、MOS3關(guān)斷，電樞電壓Umg=-Vcc，電樞電流img沿方向2流通，電動(dòng)機反轉;當MOS1、MOS2關(guān)斷，MOS3、MOS4導通，Vmg=0，電樞電流img按原先方向沿3構成續流回路。圖3中場(chǎng)效應管輸入端分別與單片機的P1.6、P1.7、P0.0和P0.1連接;為了更好的續流，獲得較大的轉距，應在場(chǎng)效應管柵極加入如圖4所示的電壓波形。圖4所示的柵極電壓波形由軟件產(chǎn)生，控制電機的啟停、轉動(dòng)方向和轉速。

3)單片機和鍵盤(pán)顯示電路

本裝置采用AT89C52單片機，其性能價(jià)格比高，內部具有3個(gè)16位定時(shí)/計數器、一個(gè)串行口、8K FLASH存儲器和256個(gè)字節的RAM及兩個(gè)外部中斷源，32個(gè)I/O線(xiàn)，完全滿(mǎn)足系統的要求。根據系統要求，設計出如圖5所示的電路，為了提高裝置的可靠性，通過(guò)光藕將PWM功率轉換電路和單片機鍵盤(pán)顯示電路隔離，并采用兩組電源供電。為防止死機現象，外加了定時(shí)看門(mén)狗(WATCHDOG)，在程序出現“死機”或“飛逸”時(shí)，系統能夠自動(dòng)進(jìn)行復位;同時(shí)定時(shí)看門(mén)狗內部的存儲器用來(lái)存儲鍵盤(pán)設置的工作方式和其他的基準值。

因為直流電機轉速都比較低，用兩個(gè)4位LED就可以滿(mǎn)足顯示的要求。顯示采用動(dòng)態(tài)工作方式，P1.0、P1.1和P1.3作為顯示端口，外接兩片CD4094進(jìn)行捻度和速度七段碼的串并轉換，經(jīng)過(guò)兩片2003驅動(dòng)送給數碼顯示器和狀態(tài)指示燈。P3.4和P3.5為鍵盤(pán)數據輸入端，P2口連接74LS138作為鍵盤(pán)和顯示器的掃描端口。

3 系統的軟件設計

軟件是配合硬件完成脈沖計數、速度與捻度顯示、鍵盤(pán)處理和轉速控制。主程序完成鍵盤(pán)處理，速度、捻度及狀態(tài)顯示。在外部中斷子程序中讀取定時(shí)/計數器T1和相關(guān)變量的值計算當前電機轉速，按一定算法調整PWM信號高電平寬度，同時(shí)根據設定的工作方式計算紗線(xiàn)捻數。在本裝置中關(guān)鍵是如何產(chǎn)生如圖4所示的PWM電壓波形，以確保電路和電機正常工作。

.

定時(shí)/計數器T2和T0用作PWM信號的產(chǎn)生，T2決定工作脈沖的基準周期T，T0控制工作脈沖高電平的寬度Ton，低電平寬度Toff為T(mén)2定時(shí)減去T0定時(shí)。圖3中跨接在直流電源Vcc兩端的上下兩個(gè)場(chǎng)效應管交替工作，由于場(chǎng)效應管不能立即關(guān)斷，因此，當一個(gè)場(chǎng)效應管關(guān)斷后，另一個(gè)場(chǎng)效應開(kāi)啟之前必須延時(shí)一段時(shí)間，以避免上下兩個(gè)場(chǎng)效應直通，造成短路。故對于圖4所示波形，在續流和方向改變的兩個(gè)場(chǎng)效應管交替時(shí)，通過(guò)軟件定時(shí)延時(shí)t時(shí)刻。軟件代碼如下：

;T2中斷服務(wù)子程序

;T2工作于16位常數自動(dòng)重新裝入方式，決定PWM工作周期

T2_INT：JB DIRECT_FLAG,T2_BACK ;判斷正反轉

CLR P1.7 ;無(wú)反轉輸出

CLR P0.1

NOP

NOP

SETB P1.6 ;正轉輸出高電平

SETB P0.0

SJMP T2_QUIT

T2_BACK：CLR P1.6

CLR P0.0

NOP

NOP

SETB P1.7

SETB P0.1

;T0置初值，啟動(dòng)

T2_QUIT: MOV TH0, SPEEDRAMH ;T0初值由預置速度和實(shí)際測量

MOV TL0,SPEEDRAML ;速度比較后決定

SETB TR0

SETB ET0

RETI

;定時(shí)/計數器T0中斷服務(wù)子程序

;T0工作于方式1，決定PWM信號的高電平

T0_INT： JB DIRECT_FLAG,T0_BACK

CLR P1.6 ;正轉輸出低電平

NOP

NOP

SETB P0.1 ;更好的續流，獲得較大轉距

SJMP T0_QUIT

T0_BACK：CLR P1.7

NOP

NOP

SETB P0.0

T0_QUIT：CLR TR0

RETI

4 結論

本裝置的硬件電路體積小、功耗低，抗干擾能力強，具有較好的穩定性和可靠性。采用結構化的軟件設計方法;用平滑濾波算法解決速度測量的干擾問(wèn)題

，實(shí)現速度平穩調節;用PWM實(shí)現較寬范圍的直流調速;采用冗余技術(shù)保證系統長(cháng)時(shí)間正常運行。經(jīng)用戶(hù)投產(chǎn)運行表明，操作方便，經(jīng)濟效益顯著(zhù)，具有較強的市場(chǎng)競爭力。