自動化系統(tǒng)設計與能力創(chuàng)新案例教程

內容概要

李宇成等編著的《自動化系統(tǒng)設計與能力創(chuàng)新案例教程》從理論聯(lián)系實際與工程應用的角度出發(fā)，全面系統(tǒng)地介紹了7個有代表性的現(xiàn)代自動化系統(tǒng)的典型應用案例，內容包括基于單片機、DSP、ARM、PLC與計算機等組成的自動化系統(tǒng)。每個案例首先介紹相關的硬件技術，然后給出具體的設計方案及詳細的程序設計步驟。
《自動化系統(tǒng)設計與能力創(chuàng)新案例教程》內容豐富，涵蓋各種典型的自動化控制應用系統(tǒng)，有較強的先進性、實用性和可操作性。本書以工程實踐為特色，突出硬件設計和程序設計，重在功能實現(xiàn)。
《自動化系統(tǒng)設計與能力創(chuàng)新案例教程》可供各類自動化、計算機應用、機電一體化、測控儀器等專業(yè)的大學生、研究生學習現(xiàn)代測控系統(tǒng)使用，也可供從事自動化系統(tǒng)研發(fā)的工程技術人員參考。

書籍目錄

案例1  基于51單片機的出租車計價器
  1.1  出租車計價器功能描述
  1.2  出租車計價器的系統(tǒng)方案設計和硬件電路設計
    1.2.1  單片機最小系統(tǒng)設計
    1.2.2  里程檢測電路
    1.2.3  顯示驅動與鍵盤控制模塊(CH451)設計
    1.2.4  時鐘電路
    1.2.5  數(shù)據(jù)存儲電路
    1.2.6  語音提示電路
    1.2.7  打印機驅動電路
    1.2.8  串口通信電路
    1.2.9系統(tǒng)硬件電路原理圖
  1.3  計價器固件程序設計
    1.3.1  程序設計思路和程序結構
    1.3.2  各模塊程序設計
    1.3.3  程序調試
  1.4  計價器系統(tǒng)模擬仿真
    1.4.1  硬件電路圖的繪制
    1.4.2  系統(tǒng)仿真運行
  1.5  整機制作與調試
  1.6  結論
  參考文獻
案例2基于nRF2,4EI的無線數(shù)字乒乓球拍
  2.1  無線數(shù)字乒乓球拍功能描述
  2.2  數(shù)字乒乓球拍硬件設計
    2.2.1  三軸加速度傳感器MMA73311
    2.2.2  角速度檢測陀螺儀ADXR300
    2.2.3  nRF24EI
    2.2.4  數(shù)字乒乓球拍電路原理圖
    2.2.5  電源電路設計
    2.2.6  數(shù)據(jù)采集器電路設計
  2.3  無線數(shù)字乒乓球拍單片機固件設計
    2.3.1  對nRF24El中A／D單元的配置及應用
    2.3.2  對nRF24E1中RF的配置及應用
    2.3.3  串口的配置
    2.3.4  通信協(xié)議設計
    2.3.5  程序流程圖
  2.4  無線數(shù)字乒乓球拍單片機程序
    2.4.1  下位機工程所包含的文件
    2.4.2  數(shù)字球拍(下位機)單片機固件程序清單
    2.4.3  上位機工程所包含的文件
    2.4.4  數(shù)據(jù)采集器(上位機)單片機固件程序清單
  2.5  無線數(shù)字乒乓球拍單片機固件調試
    2.5.1  單片機程序開發(fā)環(huán)境
    2.5.2  程序燒寫
    2.5.3  利用串口助手軟件調試通信協(xié)議
  2.6  上位機軟件設計
  2.7  分析與改進
  參考文獻
案例3  基于AVR單片機的云臺控制解碼器
  3.1  云臺控制解碼器功能描述
  3.2  云臺控制解碼器硬件設計
    3.2.1  AVR單片機最小系統(tǒng)
    3.2.2  撥碼開關設置模塊
    3.2.3  高速光耦和Rs一485通信模塊
    3.2.4  光耦電路模塊
    3.2.5  電機驅動模塊
    3.2.6  譯碼器電路
    3.2.7  鏡頭驅動電路
    3.2.8  雨刷控制模塊設計
    3.2.9  電源電路設計
  3.3  系統(tǒng)軟件設計
    3.3.1  概述
    3.3.2  RS一485標準
    3.3.3  云臺協(xié)議
    3.3.4  開發(fā)工具和編程環(huán)境介紹
    3.3.5  軟件程序設計
  3.4  抗干擾設計
  3.5  系統(tǒng)調試與結果
  參考文獻
案例4  基于ATmega64的多量程溫度／電壓記錄儀
  4.1  多量程溫度／電壓記錄儀功能概述
  4.2  系統(tǒng)硬件設計
    4.2.1  ATmega64單片機
    4.2.2  模擬量信號采集模塊
    4.2.3  電源模塊設計
    4.2.4  通信模塊設計
    4.2.5  人機接口電路設計
    4.2.6  實時時鐘模塊設計
    4.2.7  數(shù)據(jù)存儲模塊設計
  4.3  固件設計
    4.3.1  單片機及外圍模塊初始化
    4.3.2  人機接口程序設計
    4.3.3  定時采樣及秒標志閃爍子程序
    4.3.4  信號處理子程序
    4.3.5  存儲器操作程序
    4.3.6  通信程序設計
  4.4  系統(tǒng)調試
    4.4.1  電壓測量信號校準
    4.4.2  溫度測量精度測試
  4.5  上位機軟件設計
  參考文獻
案例5  基于TMS320F2812  DSP的數(shù)字式逆變電源
  5.1  數(shù)字式逆變電源功能描述
  5.2  單相電壓型逆變電路
    5.2.1  逆變電路工作原理
    5.2.2  SPWM控制原理及其應用
    5.2.3  絕緣柵雙極晶體管IGBT
    5.2.4  硬件驅動電路設計
    5.2.5  光耦隔離、過流保護系統(tǒng)設計
  5.3  DSP控制器設計
    5.3.1  控制模塊設計
    5.3.2  TMS320F2812系統(tǒng)
    5.3.3  顯示、按鍵功能設計
  5.4  SPWM波形的實現(xiàn)算法
    5.4.1  HPWM控制方式
    5.4.2  改進的SPWM波生成
    5.4.3  關于輸出波形對稱性的分析
    5.4.4  關于輸出波形死區(qū)補償?shù)挠懻?br />  5.5  軟件設計及實驗結果
    5.5.1  程序實現(xiàn)功能
    5.5.2  主程序框架設計
    5.5.3  狀態(tài)遷移鍵盤設計
    5.5.4  定時中斷程序流程
    5.5.5  調試結果
  5.6  完整程序清單
  參考文獻
案例6  基于ARM7的仿真電能表綜合檢定系統(tǒng)
  6.1  仿真電能表綜合檢定系統(tǒng)功能描述
  6.2  仿真電能表硬件設計
    6.2.1  核心板設計
    6.2.2  三相電能表底板設計
    6.2.3  單相電能表底板設計
    6.2.4  接線檢測裝置底板設計
    6.2.5  ZigBee無線通信系列模塊設計
  6.3  軟件功能設計
    6.3.1  下位機軟件功能設計
    6.3.2  上位機校驗軟件設計
  6.4  系統(tǒng)調試與結果
  參考文獻
案例7基于PLC的四軸數(shù)控加工中心控制系統(tǒng)設計
  7.1  數(shù)控加工中心的功能描述
    7.1.1  總體結構概述
    7.1.2  主要技術參數(shù)
  7.2  交流變頻調速系統(tǒng)
    7.2.1  主要元器件選型
    7.2.2  轉向控制原理
    7.2.3  變頻調速控制原理
  7.3  步進電機控制系統(tǒng)
    7.3.1  主要元器件選型
    7.3.2  步進電機單軸定位控制
    7.3.3  步進電動機兩軸聯(lián)動控制
  7.4  交流伺服電機控制系統(tǒng)
    7.4.1  主要元器件選型
    7.4.2  交流伺服電機定位控制
  7.5  綜合控制實驗
    7.5.1  硬件部分設計
    7.5.2  軟件部分設計
    7.5.3  綜合實驗
  參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   5.2.3絕緣柵雙極晶體管IGBT 逆變電路中的電力電子器件性能直接影響著電源的性能和指標參數(shù)。近年來，交流電氣傳動、UPS等技術領域的逆變電路中的開關管大都采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管），IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。IGBT的應用范圍一般都在耐壓幾百伏、電流從幾安到幾百安，頻率可達幾kHz的區(qū)域。相比于晶閘管，IGBT具有開關速度快、開關損耗小的特性。而在相當多的應用場合，開關頻率是用戶選擇適合的IGBT時所考慮的重要的參數(shù)。 為滿足實際電路中的要求，IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起制成模塊，該二極管為應用電路提供續(xù)流通路。IGBT的開啟電壓UGE隨溫度的升高而略有下降，在+25℃時，小功率IGBT的UGE的值一般為2V～6V，大功率IGBT開啟電壓更高。在實際的高速大功率開關的應用電路中，驅動電壓可以達到15V～20V左右。 鑒于對開關頻率和耐壓參數(shù)的要求，本系統(tǒng)選用的是模壓樹脂密封的三端單體封裝HGTG40N60型IGBT。 5.2.4 硬件驅動電路設計 1.上橋臂IGBT的懸浮驅動 逆變驅動電路是逆變電源的重要組成部分。當Q1和Q4導通時，A點電壓對地為+E，為使Q1全導通，Q1柵極電壓還需要高于A點電壓15V以上；類似地當Q3和Q2導通時，B點電壓對地為+E，為使Q3全導通，Q3柵極電壓也需要高于B點電壓15V以上。如果+E為幾百伏電壓時，顯然專門產生出這樣的高電壓來驅動IGBT是完全不可能的。 實際應用中可以考慮用兩路獨立的電壓懸浮地加載到Q1或Q3的柵、漏極上，使得Q1和Q3完全導通。另外下橋的2只IGBT也需要相應的柵極驅動電壓，這樣，對于單相橋式逆變主電路就需3組獨立的柵極驅動電源，而對三相橋式逆變主電路則需4組獨立電源。 工程上通常有兩種方法來加以實現(xiàn)：一種方法是考慮到所需要的獨立電源電流（或功率）很小，可以采用小功率PWM：電路和高頻小型變壓器，由同芯的多路副邊繞組直接生成多路10V左右的交流電壓，經(jīng)整流后，產生多路獨立的+15V電源電壓。懸浮獨立電源的可靠性好，驅動能力強，開關時間短，缺點是高頻變換電路對整個逆變電子電路存在高頻干擾，例如可能降低檢測電流時的A／D轉換精度。另一種方法是采用具有電壓自舉功能的專用IGBT驅動集成電路，實現(xiàn)對多路IGBT的驅動，這種方法的特點是：沒有高頻干擾，但驅動能力較弱，相應開關時間較長。 本案例采用的是美國國際整流器公司（IR）生產的專用驅動芯片IR2136，該芯片采用電壓自舉原理，只需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關管，或單相逆變電路的4個功率開關管，使整個驅動電路相對簡單實用。 2.IR2136驅動器及其應用 IR2136是功率MOSFET和IGBT專用柵極驅動集成電路，獨有的HVIC（High Voltage Integrated Circuit）技術使得它可用作驅動工作在母線電壓高達600V的電路中的功率MOS器件。其內部采用自舉技術，使得功率驅動元件驅動電路僅需輸入一個直流電源，使其實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅動。它還具有完善的保護功能，可提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，大大簡化了驅動電路的設計。 作為專用的三相橋驅動器，IR2136帶有3個獨立的高壓側和低壓側輸出通道，可輸出6路驅動脈沖，而只需兩個直流工作電源（其中一個可以分壓獲得），工作頻率可達幾十kHz，它可應用于三相變頻電源、交流調速、不間斷電源（UPS）等系統(tǒng)中，具有以下特點： （1）具有驅動高端橋臂IGBT 的浮地輸出，可直接驅動600V高壓系統(tǒng)。 （2）能產生10V～20V的驅動信號。 （3）典型開通時間Ton=0.43μs，關斷時間Toff=0.40μs，死區(qū)時間=0.29μs。 （4）具有欠壓保護和過流保護功能，能使驅動信號關閉。 （5）具有欠壓鎖定功能并能指示欠壓和過流故障狀態(tài)，輸入端具有噪聲抑制功能。 （6）邏輯輸入和CMOS、LSTTL輸出兼容。

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