基于51单片机的三相电动机模式控制

2018-05-03张兆友

电子制作 2018年7期

张兆友

（山东省宁阳县职业中等专业学校，山东宁阳，271400）

0 引言

最近一农村小型养猪场的场长给我反映：“他的猪舍内臭味非常浓，在冬天打开排气扇有时忘了关，致使猪舍内的温度下降，导致猪生病。”他让我为猪舍1.5kW的三相排气扇加装定时排气功能，要求要有三种模式：30分钟启动3分钟；1小时启动3分钟；2小时启动3分钟。

猪舍的排气扇是1.5kW的三相电机，设计控制电路可以用PLC来进行控制，但对于小型养猪场来说成本太高。我以操作安全、成本低廉、具有可拓展性为出发点，设计了以51单片机为核心的控制电路，控制交流接触器的通断，以弱电控制强电，从而完成养猪场场长所提出的定时功能。

1 系统方案设计

本系统由强电部分和弱电部分组成：强电部分主要是三相排气扇的供电，在电路上由交流接触器和三相排气扇组成；弱电部分由电源电路、按键电路、单片机电路、显示电路及输出电路组成，其框图如图1所示。

图1 整机电路框图

在框图中，左侧为强电部分，主要由三相四线输入、交流接触器和三相电动机组成，右侧为弱电控制部分。其基本控制过程为：电源电路是利用三相四线输入中的一相火线及零线为降压变压器供电，得到低压部分所需要的12V和5V电压；显示电路可以看出单片机的工作状态；输入控制电路利用按键来控制所需要的三种工作模式；单片机电路是整个电路的控制核心，也为功能的拓展提供了可能；控制输出电路是利用单片机的输出指令来控制交流接触器的工作状态，从而控制了三相电动机的工作状态。

图2 电源电路原理图

2 电路组成及器件选择

■2.1 电源电路

电源电路的原理图如图2所示。在电路中在三相四线输入取出的220V交流电压经T1降压得到12V交流电压，再经VD1～VD4桥式整流、C1滤波后得到约15V直流电压；15V电压为U2(7812)供电得到的直流电压VC1为12V；12V电压经C2滤波后除了为控制输出电路中的直流继电器供电外，还为U3(7805)供电，输出经C3滤波后得到5V直流电压，为单片机电路、显示电路、输出控制电路及控制输出电路供电。

■2.2 单片机电路

单片机电路如图3所示，采用AT89S52作为核心器件。焊接时根据位置把四个I/O口大致划分为：P0口作为数码管的驱动口，P1口作为输出口，P2口作为输入口，P3口作为预留端口。

在电路中18、19脚是晶振的接入端，晶振的本振频率是12MHz，C6、C7为启振电容；9脚为复位端口，外部通过10μF的电解电容C4接电源，通过一个10k的电阻R5接地，如图5所示，两个元件组成RC电路的时间常数能保证单片机在开机的瞬间使用内部处理器复位。

为让这一电路具有拓展性，当场长提出新的要求时避免重新制作,我在未使用的部分I/O口上接出了输入输出端的外围电路。

图3 单片机电路

■2.3 显示电路

为方便在调试电路时清晰的观察到其工作状态，我在P0口接入了显示电路，电路如图4所示。由于AT89S52输出的拉电流较小，而灌电流大，为使电路简单化，我接入了共阳极数码管。在电路中，R6～R13为限流电阻，保证数码管正常工作，其阻值为510Ω。

图4 显示电路

■2.4 输入控制电路

输入控制电路主要由按键组成，如图5所示。按键的作用是当按键闭合时给单片机的I/O口输入一个低电平，当单片机检测到低电平时作出相应的处理。按照场长提出的要求，我设计了SET1、SET2、OK三个按键，分别对应2小时启动3分钟、1小时启动3分钟和30分钟启动3分钟三个模式。

■2.5 控制输出电路

控制输出电路如图6所示，由集成运放LM358、三极管S8050、直流继电器K1和交流接触器KM组成。在电路中，集成运放U4的一个运放单元组成电压跟随器作为驱动电路，来弥补AT89S52输出的拉电流小的不足；三极管V1作为开关管使用，来控制直流继电器线圈电流的通与断，从而控制了继电器的工作状态。

图5 输入控制电路和复位电路

在电路中，C5的作用是吸收开机时单片机输出端口的瞬间高电平，VD5的作用是吸收直流继电器K1线圈在断电时产生的自感电压，对V1起到保护作用。

图6 控制输出电路

交流接触器的型号是CJT1-10，其外形如图7所示，线圈使用220V交流电，允许通过的最大电流是10A，满足了1.5kW排气扇的需要。

图7 交流接触器

设计好的整机电路如图8所示。

3 程序设计

本电路所使用的程序附后，现在只说一下流程图和部分程序进行说明，不再一一阐述。

图8 整机电路

■3.1 程序流程

由于操作人员的专业水平较低，为使用这一电路的操作变简单，设计的程序流程如图9所示，用三个按键设置SET值，SET值对应三种工作模式，SET=0时作为初态，当SET=1时工作在模式1，当SET=2时工作在模式2，当SET=3时工作在模式3。

图9 程序流程图

■3.2 程序说明

在编写程序时设计了四个子函数：具有分时判断的函数void timeadd(uc min2,uc hour2)、按键检测函数void key()、输出时间控制函数void outlimit(uc min1)和T0中断函数void timer0() interrupt 1。下面重点说一下具有分时判断功能的函数void timeadd(uc min2,uc hour2)。

void timeadd(uc min2,uc hour2)是在常用的走时函数中增加了两个时间常数，这一函数具有时间累加和分时判断功能，有三种工作模式：当电路工作在模式1时，uc min2和uc hour2分别设定为61和1，即分钟可以到达60正常进位，当小时大于1，即到达2小时时小时数回零，电路工作在2小时启动一次的状态；当电路工作在模式2时，uc min2和uc hour2分别设定为61和0，分钟可以到达60正常进位，当小时大于0，即到达1小时时小时数回零，电路工作在1小时启动一次的状态；当电路工作在模式3时，uc min2和uc hour2分别设定为31和0，分钟只能到达30后回零，电路工作在30分钟启动一次的状态。通过引入这一函数，大大简化了主程序的编写。