潍坊科技学院毕业设计（论文）

第一章 绪论

1.1基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统研究目的及意义

随着国民经济的快速发展，挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设中所起的重要作用越来越明显，挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈被广泛使用。随着工程设备日益朝着高速、大型化自动化方向发展，设备成本日益提高，对操作人员的素质要求越来越高来愈高[1]。因此，操作人员的技术熟练程度对设备使用效率、使用寿命及经济效益起着至关重要的作用。

挖掘机等工程用设备各个控制环节大多由电机控制, 目前我校实验室中有可用PLC或单片机控制的挖掘机模型，如图1-1，该模型以直流电动机模拟三相交流电动机的工作，学生在进行机电控制练习时，由于线路太多，很容易出错，但排错却非常困难。利用单片机设计一套可根据接线判断提示接线错误的系统，既可大大提高实践的效率，又可避免接线错误造成电机不必要的损坏。单片机的结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的优点和特点，因而能在各个领域得到广泛的应用[2]。其主要特点如下：

①有优异的性能价格比。

②集成度高、体积小、有很高的可靠性。 ③控制功能强。

④低功耗、低电压，易于生产便携式产品。

⑤单片机的系统扩展、系统配臵比较典型、规范，有很多成熟的电路可以参照，容易构成各种规模的应用系统。

单片机生产厂商很多，如 Atmel、Philips、NEC、SST、华邦和 Microchip 等。针对不同的用途，上述这些公司研制生产了很多性能各异的单片机，甚至有些单片机的性能差异极大。因此，在设计应用系统时，选择合适的单片机，可以达到事半功倍的效果[3]。本课题设计使用的是8051单片机。

8051 是由美国INTEL 公司生产的高性能单片机, 其内部拥有4k 掩膜ROM, 在出厂时由厂家烧入程序。拥有24 个I/O 输入输出口, P0 口可直接驱动LED, 5 个中断源, 若选用12M晶振, 则其机器周期为1μs, 单周期指令执行时间就为一个机器周期, 即为1μs,双周期指令执行时间为2μs。乘法和除法指令为4μs[4]。

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图1-1 挖掘机结构图 设备说明：

1． 2． 3． 4． 5． 6．

三相交流电机：驱动挖掘机水平旋转；

变频调速器：受PLC控制，控制三相交流电机运行状态； 直流减速电机：驱动挖掘臂动作； PLC：实现电机运行控制； 驱动板：驱动电机；

手操盘：向PLC发出控制指令；

1.2基于单片机的教学用挖掘机训练系统研究现状及存在问题

1.2.1 基于单片机的训练系统研究现状

大连交通大学机械工程学院的李平副教授等研究的自行车训练装臵检测控制系统运用了电机变频技术对自行车转速进行控制，通过无线遥控技术实现教练员的指令发送和转速信息接收，利用单片机作为实时控制的芯片，解决了自行车教练员对运动员训练强度难以把握的难题[5]。

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潍坊科技学院毕业设计（论文） 1.2.2 电机驱动诊断系统现状

在20世纪70年代末、80年代初，汽车使用专用的故障检测仪检测车辆电控系统的故障，80年代后出现了随车诊断系统，该系统利用电控单元对电控系统的各部件进行检测和诊断，可以自行找出电动机的故障，称为故障自诊断系统[6]。最初的自诊断系统要求车辆以一定的测试规范进行，系统才能记录下故障代码，从而找出故障部位。几年后，又出现了一种可以对车辆电控系统参数实行连续监控的自诊断系统，该系统能记录电控各系统的间歇故障，查找故障方便又及时，得到了广泛应用[7]。在马自达MX-6和626型涡轮增压型轿车上便利用这种检测方法对其伺服步进电机控制系统进行故障检测。但这些检测方法和手段在实验室教学设备上使用的很少[8]。 1.2.3 挖掘机训练系统研究现状及存在问题

随着电子技术，计算机技术和控制技术的飞速发展，挖掘机、起重机等工程设备和汽车制造业向电子化、智能化方向迈进。国内有一些关于挖掘机等训练系统的研究，为了在普通微机上实时模拟挖掘机作业，有些研究部门采用了固定与变化的视景相结合成像方法,视景中需要显示的模块激活方法，多部件复合运动的独立控制与模块触发成像方法,运动干涉分析中区域激活方法等方法,解决了空间结构变化的视景成像中大量现场数据处理的技术问题[9]。但是对于挖掘机电机控制训练系统的研究涉及的不多。

本课题研究的对象是基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统，主要用于训练学生进行电机控制接线，在实验室中使用的挖掘机系统模型是用直流电机模拟三相交流电机的工作，由于三相电机控制接线繁多，且接线次序并不固定唯一，所以如何设计模拟三相交流电机接线面板，实现故障检测发现三相交流电机接线中的接线错误，并发出相应的报警提示和错误类型提示是本课题应重点解决的问题。另外，用单片机汇编语言完成直流电机驱动程序的设计，使各个电机在接线正确的情况下正常工作，也是本课题应当解决的问题。

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潍坊科技学院毕业设计（论文） 第二章 总体方案设计论证

2.1研究方案的拟定

本课题研究的基于单片机的教学用挖掘机电机控制训练系统在拟定分为硬件、软件两部分。硬件结构上主要包括：模拟接线前面板和面板后面的检测电路。根据挖掘机用到的两组三相交流电机，模拟接线前面板上安排两组三相交流电机的主线路及控制线路接线。后面板为检测线路，要求能够检测每个器件两端的接线情况及与其他端口的接线情况。软件部分要求能够实现对每个被测点作出检测，判断三相交流电机的接线是否正确，是否发生短路故障，能够检测出训练系统对电机正反转实际接线情况，并按实际接线驱动直流电机转动，驱动实验室挖掘机模型。

2.2研究方案的提出

按照三相交流电机正反转控制接线图可确定前面板。但对于后面板的检测线路，初步提出两个方案检测被测点与其他点的连接情况。

方案一：利用光电耦合器件检测器件的通电情况。光电耦合器间的输出情况是由输入所决定的，当输入为高电平时，输出为高电平，输入为低电平，输出也为低电平。

图2-1 光电耦合器件工作原理

如图2-1所示，图中3K电阻起限流作用，保证当光敏器件倒通时，电流在6mA以下。当A端接5V电压时，输出端a输出高电平。将图中的A、B两个点看作前面板

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