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风机调速控制系统设计
风机调速控制系统设计（总27页）
毕业论文（设计）
论文题目：
风机调速控制系统设计
学生姓名：
高乐
学号：
07
所在院系：
电气信息工程学院
专业名称：
自动化
届次：
2014届
指导教师：
苗磊
风机调速控制系统设计
学生：
高乐（指导老师：
苗磊）
（淮南师范学院电气信息工程院）
摘要:
目前风机调速控制的方式方法有许多种，根据调速方式的优点还有缺点,本文设计了一个风机调速控制系统方案。
本文选择NUC140单片机完成硬件设计，主要是交流电机驱动的设计，绘制相应电路图，完成该系统的软件设计，程序编写，具有风速的显示及设定功能。
所用单片机主要用于处理数据，并执行程序，控制为交流电机驱动。
当打开电源后，通过触摸屏上的按键来控制风机的启动、停止、加速和减速。
关键词:
UNC140嵌入式单片机；交流电机驱动；风机
FanSpeedControlSystemDesign
Student:
GaoLe（FacultyAdviser：
MIAOLei）
（CollegeofElectricalandInformationEngineering,HuainanNormalUniversity）
Abstract：
Atpresenttherearemanywaystofanspeedcontrolmethods,accordingtotheadvantagesanddisadvantagesofspeedcontrolmode,thispaperdesignedafanspeedregulationcontrolsystemsolutions.ChooseNUC140microcontrollertocompletethehardwaredesign,thispaperismainlythedesignoftheacmotordrive,drawthecorrespondingcircuitdiagram,completedthedesignofthesystemsoftware,programming,withfunctionsofwindspeeddisplayandsetting.Usedbysinglechipmicrocomputerismainlyusedforprocessingdataandexecuteaprogram,controlofacmotordrive.Whenturnedonthepower,throughthetouchscreenbuttonstocontrolthefanstart,stop,accelerationanddeceleration.
Keywords：
UNC140embeddedmicrocontroller.;Acmotordrive;fan
前言
在我国风机的应用非常广泛，它的主要作用是通风，降温，引风设备的冷却，排尘等等许多作用，风机常见于工厂里，矿井中，隧道中，还有大棚以及车辆船只，不止这些，一些设备仪器中也是安装着风机，可以说作用大范围广。
对于风机的工作原理在我们的逐步的了解和学习中知道，它其实和透平压缩机的工作原理非常的接近，并且由于不用考虑气体的比容的改变状况，所以可以把气认为是不能进行压缩的流体来进行处理。
在风机的实际使用过程中，最传统的的调节方式就是对风门或者阀门进行开关的调节方式，但是这样的方式方法具有很大的缺点，比如说最造成很大的电流损耗，而且对这样的调节方式对系统自身来说是非长阶段性的，可以说缺点非常大，不但它的调节的速度会非常的慢，而且呢，它在进行调节时对于降低能耗方面的能力是非常有限的，可以说它在工作的时候对于系统对于生产相对来说负面的效应很严重。
本课题主要的任务是设计一个风机调速控制系统方案，实现闭环控制,具有风速实时检测、显示及风速的设定功能等功能。
系统主要四个部分组成：
液晶屏显示模块、交流电机驱动模块、供电模块还有风机组成。
主要实现风速实时检测、显示及风速的设定功能等功能。
1调速风机的简介
调速风机的分类
风机就是一种将气体进行压缩和传送的机械，本文所说的调速风机实际上就是一种能够改变风扇旋转速度和速率的风机，调速风机基本上可以分为两类：
第一类是电动机的变速带动着风机和它一起变速，另一类就是电动机的旋转速度不发生变化，但是在风叶这部分和电机二者之间安装一个能够变速的耦合器。
上面说的电机的调节速度的方式方法又可以分为；两种，一种是交流调速的方法，另一个是直流调速的方法。
通过我们逐步的学习，我们了解到，在上述的交流调速的方法中，经常会使用四种调速方式：
串级调速的方式、调压调速的方式、变频调速的方式以及变极调速的方式。
调速风机的现状
风机已有悠久的历史。
从两千多年前中国的那种古老的风车来对农田进行灌溉，对谷物进行加工。
到了现代，调速风机应用于生产和生活的各种方面，金属的冶金，电力的生产，各种工厂和公司矿井等等地方的通风和换气还有降温排尘的作用，而且风机的发展前景仍然非常的巨大。
但是由于风机的生产制造之间的竞争压力不断加剧，致使我们国内一些非常优秀的风机的生产厂家对于风机市场的研究的重视正在逐步的看重起来，所以，我们可以直观的感受到，愈来愈多的优秀的风机在国内涌现出来。
在风机使用的主要领域来看，通风换气风机的需求量是最为巨大的，因为它的使用范围最为广泛，所以说需求量非常的巨大，而且生产制造商也非常的多，竞争压力非常的大，可是说，通风换气风机的提供量大于需求量。
因此优秀的风机生产具有重要的意义。
根据我国风机的使用情况来看，大部分的机械设备还有电气设备都有配置相应的风机。
我国的风机在使用过程中都存在能量浪费的情况的现象，再加上由于生产方式、工艺手段等方面的不断变化，要对气体的压力值、温度值还有流量值进行频繁的调节，而且非常多的公司单位仍然在使用那些非常的落后的用挡风板进行调节的风机，或者就是用开始阀门的方法来调节，这种人工的增加阻力的调节方式可以说是非常浪费电能还有金钱，对于现代的工业农业等各个行业的生产制造的需求以及要求来书是不能满足的了，这些方式的调节方式它的效果地下，效应比较差。
风机调速控制系统的研究目的
现阶段我国风机广泛应用于工业的生产，农业的生产以及各个行业，应用非常广泛，可以说我国对风机的需求量非常大，但是我国现在风机的使用存在缺点，最明显的就是在使用过程中能量浪费非常大，改进方式又极其浪费金钱，可以说现在的风机很难满足现在的生产需要，所以需要一款节能简便易于调控的风机控制系统来满足生产生活的需要。
本课题主要的任务是设计一个风机调速控制系统方案，实现闭环控制,具有风速实时检测、显示及风速的设定功能等功能。
本设计的系统主要由四个模块组成：
液晶屏显示模块、交流电机驱动模块、供电模块还有风机组成，实现功能如下:
（1）用单片机控制交流电机驱动板上DA值来改变风机功率；
（2）在液晶板上显示当前速度；（3）触摸屏按钮：
触摸屏上有启动、加速、减速;（4）通过控制触屏按钮来控制风机的启动、停止、加速还有减速。
2风机调速控制系统整体设计方案
风机调速控制系统的设计方案
本方案对风机调速控制系统设计所用的核心单片机为UNC140嵌入式单片机，其最主要用于处理数据，并执行程序，触摸频显示界面的制作是在应用UCGUI的前提下，通过供电系统提供电源，按触摸频上的启动、停止、加速和减速按钮，由单片机进行数据的处理，同时交流电机驱动接收了单片机传递的数据，对DA值进行比较，产生移相电压，移相电压再经过放大器的放大，经过处理，再产生不同的脉冲，来触发各种晶闸管，改变风机的转动速率，这就是本设计方案所要达到的设计要求。
风机调速控制系统的硬件设计总框图
如图1所示，此系统由以下几个部分组成，分别是NUC140单片机最小系统、供电模块、触摸屏模块、交流电机驱动模块还有风机组成。
供电模块是给整个NUC140最小系统提供一个稳定的电源，NUC140单片机最小系统是进行数据的处理，以及执行自身的程序，触摸屏屏主要是现实当前的风速，以及通过触摸上面的启动、停止、加速和减速按钮改变风速，驱动模块是由单片机控制的DA值经过交流电机驱动的处理从而改变风机的功率，从而改变风机的转速。
通过这些模块达到本设计方案的设计要求。
图1风机调速控制系统的硬件设计图
风机调速控制系统的模块
供电模块
供电模块是插头、开关、稳压芯片（LM1086）、二极管组成，其主要功能是为单片机提供的稳定电压。
芯片是一种的线性稳压器集成电路，它的输出是电压。
它的工作条件是在其内部所有的电路的输入到输出的都是1V的电压差值的情况下。
此系统是由供电开关控制系统安全供电，稳压器件将高电压转变为所需低电压，经，DC-CD数模转换传输电压。
如图1所示，这是供电系统的原理图，由三个主要部分组成。
图2供电模块的系统原理图
触摸屏模块
触摸屏其实是一种触摸电压反馈模块。
当用户触摸到该屏幕提前设定（程序）的按钮上，会驱动相应的功能，可以代替按键。
在生活中最常见的就IPHONE.本系统触摸屏模块在UCGUI平台下实现两大功能：
（1）显示风机的风速;
（2）人机交互界面。
本设计所用的触摸屏模块具有以下的特点：
寸320*240,262色，并且触摸屏屏带PCB板，PCB板带的液晶屏，还有40脚插针。
如图3所示，这是触摸屏模块的借口部分的原理图。
图3液晶显示模块的接口原理图
交流电机驱动模块
交流电机驱动模块由许多的器件和芯片组成，如图4所示便是整个交流电机驱动模块的电路图。
图4交流电机驱动的电路图
如图所示便是全部的电路图，接下来将会具体的介绍各个部分电路的功能以及芯片的作用。
（1）首先介绍TLC5615芯片，TLC5615芯片它是一种数模转换器，芯片本身带有上电位复位的功能，它的输出是电压型。
如图5便是TLC5615器件的电路连接图还有TLC芯片的各个引脚图的介绍，介绍它的功能。
图5TLC5615电路图和引脚图
TLC5615各个引脚的功能如下。
SCLK：
串行时钟输入端；
/CS：
这个是芯片的选用通端，只对低电平有作用；
DOUT：
这个是串行数据输出端；
AGND：
模拟地；
REFIN：
基准电压输入端
OUT：
DAC模拟电压输出端；
VDD：
这是它的正电源端，正常情况下取5V。
当单片机传输数据到TLC5615时，TLC5615对其进行数模转换，输出为电压型，它是根据原本给定的DA值进行比较，然后经过转换后的输出电压再和一个电压进行比较，形成一个电压差值，在经过放大电路进行放大。
（2）第二个部分介绍的是TCA985电路和芯片的功能介绍，TLC5615是晶闸管单片移相触发集成电路，与其它芯片进行比较，TCA785芯片具有许多的优点，比如说它能更可靠的识别过零点，它的输出脉冲更加的整齐它能在温度范围更大的情况下工作，这些都是它的优点，而且最主要的就是我们可以自己手动的调节它的输出脉冲的宽度，所以说它的应用范围还有使用范围都比其他的芯片要更为广泛。
如图6是TCA985芯片的电路图和芯片引脚图及各引脚功能。
图6TCA785电路和芯片引脚图
各个引脚的名称还有功能如下。
VS：
这个是电源端；
Q1-和Q2-：
输出脉冲1和2的非端；
Q1和Q2：
输出脉冲1和2端；
L：
这个是脉宽控制的非输出端；
C12：
脉宽控制端；
V11：
移相控制直流电压输入端；
C10：
电容连接端；
R9：
锯齿波电阻连接端；
VREF：
高稳定基准电压端；
QZ：
TCA785逻辑脉冲信号端；
INHIBIT：
脉冲信号禁止端；
VSINC：
同步电压输入端。
TCA785接收到TLC5615电路进行放大的电压值，然后进行处理，而且它对交流电源的过零点的识别能力非常的可靠，这样就可以用来触发各种晶闸管的控制脉冲，因此可以实现本系统的交流调速的目的。
（3）第三个为介绍的是ICL7660电路和芯片功能，它是一种小功率极性反转电源转换器，如图7便是它的引脚图以及它的功能。
图7ICL7660电路和芯片引脚图
各个引脚的名称还有功能如下。
BOOST：
空脚；
CAP：
储能电容正极；
CAP-：
储能电容负极；
VOUT：
负电压输出端；
LV：
输入低电压控制端，
OSC：
工作时钟输入端；
V+：
电源输入端。
ICL7660主要的工作模式有两种：
转换器还有分压器,ICL7660芯片在本系统中的功能是作为转换器，它可以将这个范围的输人电压转换为相应的负电压。
（4）第四个为介绍的是LM393芯片，它是一个双电压比较器集成电路，主要功能就是对两个电压的大小进行比较，它的作用就是作用于数字电路和模拟电路的接口。
如图8就是LM393芯片的电路图和它的引脚，各个引脚的名称和功能如下。
OUTA：
通道1输出；
INA-：
通道1负输入；
INA+：
通道1正输入；
INB+：
通道2正输入；
INB-：
通道2负输入；
OUTB：
通道2输出。
图878L05电路图
如图所示，它是对INB-和INB+输入的电压进行比较。
（5）第五个介绍的是78L05稳压器，其电路图如图9所示。
图978L05电路图
78L05芯片是一种固定电压三端集成稳压器,如图可知，它的主要功能就是为交流电机驱动提供一个稳定的5V电压。
（6）第六个介绍的是MOC3021光电耦合器，还有它的电路图和功能，它是一种可控硅驱动的光电耦合器，它的作用就像三端双向可控硅开关元器件。
它主要功能在连接控制电器控制和可控硅控制220V的交流负载，如图10是MOC3021的电路图。
图10MOC3021电路图
MOC3021的输入端接收了TCA785发出的输出脉冲，对三端双向可控硅进行驱动，然后达到对风机的风速的控制，并且它有极好稳定的触发电流，很高的隔离电压。
以上就是交流电机驱动的各个部分电器元件还有电路模块的的介绍。
NUC140单片机最小系统模块
本系统用的NUC140嵌入式单片机，接下来介绍NUC140单片最小系统模块，本系统用的是NUC140VE3CN单片机，NUC140系列是32位单片机，内建ARMCortex-M0内核，具有32K/64K/128K字节内建Flash存储器，4K/8K/16K字节内建SRAM，如图11便是它的原理图，图12为单片机最小系统模块的晶振电路和复位电路，图中上面为复位电路，下面为晶振电路，这些都是NUC140单片最小系统模块，接下来将会一一介绍，首先介绍的是UNC140VE3CN的原理图如图所示。
·
图11NUC140最小系统图
图11右侧为单片机最小系统模块的晶振电路和复位电路，图中右上面为复位电路，右下面为晶振模块。
3系统流程图和实物图
系统总流程图
系统总流程图如图12所示。
图12系统总流程图
风机调速控制系统的原理图
如图13所示是单片机和供电模块系统的原理图。
图13单片机和供电模块的原理图
打开制图软件，绘制系统原理图，如图14是该NUC140最小系统的PCB图。
图14单片机控制模块的PCB图
风机调速控制系统的实物图
如图15所示是系统的电源模块的实物图。
图15电源模块的实物图
这个是电源模块的实物图，是由插头、开关、稳压芯片（LM1086）、二极管组成，其主要功能是为单片机提供的稳定电压。
如图16所示是系统的NUC140单片机模块的实物。
图16NUC140单片机模块的实物图
如图所示便是单片机为UNC140嵌入式单片机，主要用于处理数据，并执行程序。
如图17所示是系统的液晶显示屏模块的实物图。
图17液晶显示屏模块的实物图
如图所示便是触摸屏模块的实物图，具有风速实时检测、显示及风速的设定功能。
如图18所示是系统的交流电机驱动模块的实物图。
图18交流电机驱动模块的实物图
如图所示便是交流电机模块的实物图，它主要是用来接受NUC140单片机传输的数据，然后进行数模转换，和给定的DA值进行比较，产生电位差，然后进过放大电路的放大，产生不同的脉冲信号来控制晶闸管，达到控速的目的。
如图19所示是是整个系统的实物图。
如图19整个风机调速控制系统的实物图
4结论
经过一段时间的努力，毕业论文——风机调速控制系统的设计基本完成，详细说明了从方案的选择、原理图的绘制再到系统的的实物制作，系统性能达到了预期要求。
在这过程中，我对各个芯片的结构等有了更进一步的的认识，利用了制图软件制作了硬件电路图，掌握了设计调速风机的基本原理，积累了不少经验。
调速风机的制作方法有多种，本设计只是其中的一种，该系统线路简单、结构合理、功能优越。
但在设计时，也遇到了不少问题，例如，因液晶显示器的复位引脚没接电源，显示屏不能显示波形的相关参数。
同时，该设计也存在不足之处，不能智能的对风机进行调速。
对课题设计所需要的c语言知识，程序分析知识的了解不够深刻，在实际应用时不能很好的应用
总之这次毕业设计，满足了系统要求。
在今后的生活中，我将继续学习以加深对单片机的原理的认识，实事求是，设计出一些实用的调速风机。
参考文献：
[1]谭浩强.C语言程序设计[M].北京清华大学出版社.1999:
109-131.
[2]程佩青.数字信号处理教程[M].北京清华大学出版社.1999:
10-21.
[3]陈曾平.电路设计基础[M].北京高等教育出版社.2003:
100-110.
[4]俞金寿.过程控制系统[M].北京机械工业出版社.2001:
29-106.
[5]于海生.计算机控制技术[M].北京机械工业出版社.2003:
11-19.
[6]刘同法.单片机外围接口电路[M].北京航空航天大学出版社.2003:
95-129.
[7]冯先成.单片机应用系统设计[M].北京北京航空航天大学出版社.1999:
210-216.
[8]侯玉宝,李成群.基于Proteus的51单片机设计[M].北京电子工业出版社.2002:
110-140.
[9]肖洪兵.跟我学用单片机[M].北京航空航天大学出版社..
[10]何立民.单片机高级教程第1版[M].北京航空航天大学出版社.2001.
[11]李广第.单片机基础第1版[M].北京航空航天大学出版社.1999.
[12]徐惠民,安德宁.单片微型计算机原理接口与应用第1版[M].北京邮电大学出版社.1996.
[13]夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京航空航天大学出版社,2001.
[14]丁向容.单片机C语言编程与实践[M].北京：
电子工业出版社,2009,8：
185-191.
[15]陈小忠,黄宁,等.单片机接口技术实用子程序[M].北京：
人民邮电出版社,2005,9：
153-159.
[16]康华光等.电子技术基础数字部分[M].北京：
高等教育出版社,：
431-443.
[17]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分[M].北京：
高等教育出版社,：
23-25.
[18]张洪润,易涛.单片机应用技术教程（第二版）[M].北京：
清华大学出版,2003,2：
101-106.
[19]胡汗才.单片机原理及系统设计[M].北京：
清华大学出版社,2002,3：
10-13.
附录1
风机调速控制系统的C语言程序
主控程序
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineulongunsignedlongint
ulongi;
.......WM_InvalidWindowRect...WM_TIMERWM_InvalidWindowRect
GUI_TIMER_Restart（g_TimeTimer）;//
}
voidSUBSpeed_Dispose（void）
{
if（StartBrake_flag==1）
{
if（Speed_cnt>1）
Speed_cnt--;
switch（Speed_cnt）
{
case2:
EDIT_SetFont（hEdit,&GUI_FontHZ_KaiTi_32）;
EDIT_SetTextColor（hEdit,0,GUI_BLUE）;
EDIT_SetText（hEdit,"当前速度二级"）;
TLC5615_Start（400）;
break;
case3:
EDIT_SetFont（hEdit,&GUI_FontHZ_KaiTi_32）;
EDIT_SetTextColor（hEdit,0,GUI_BLUE）;
EDIT_SetText（hEdit,"当前速度三级"）;
TLC5615_Start（500）;
break;
case4:
EDIT_SetFont（hEdit,&GUI_FontHZ_KaiTi_32）;
EDIT_SetTextColor（hEdit,0,GUI_BLUE）;
EDIT_SetText（hEdit,"当前速度四级"）;
TLC5615_Start（600）;
break;
case5:
EDIT_SetFont（hEdit,&GUI_FontHZ_KaiTi_32）;
EDIT_SetTextColor（hEdit,0,GUI_BLUE）;
EDIT_SetText（hEdit,"当前速度五级"）;
TLC5615_Start（700）;
break;
case1:
EDIT_SetFont（hEdit,&GUI_FontHZ_KaiTi_32）;
EDIT_SetTextColor（hEdit,0,GUI_BLUE）;
EDIT_SetText（hEdit,"当前速度一级"）;
TLC5615_Start（300）;
break;
default:
break;
}
}
}
voidADDSpeed_Dispose（void）
{
if（StartBrake_flag==1）
{
if（Speed_cnt<6）
Speed_cnt++;
switch（Speed_cnt）
{
case2:
EDIT_SetFont（hEdit,&GUI_FontHZ_KaiTi_32）;
EDIT_SetTextColor（hEdit,0,GUI_BLUE）;
EDIT_SetText（hEdit,"当前速度二级"）;
TLC5615_Start（400）;
break;
case3:
EDIT_SetFont（hEdit,&GUI_FontHZ_KaiTi_32）;
EDIT_SetTextColor（hEdit,0,GUI_BLUE）;
EDIT_SetText（hEdit,"当前速度三级"）;
TLC5615_Start（5
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