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紗線捻度測量是紡織生產中重要的環節。目前紗線捻度普遍采用機械式和半電子化測量。該測量方法精度低、操作人員勞動強度大、易出現錯誤操作。為適應市場需求和社會發展，開發了以單片機為核心捻度測量裝置，實現捻度測量的自動化、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設置的工作方式和初始值進行比較判斷，調整輸出脈沖的高電平，控制直流電機的速度和啟動停止。同時將單片機計算的電機轉速和旋轉數（捻數）通過串行方式輸出顯示。 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器整形為脈沖信號，經過三極管驅動取反后作為單片機INT1的中斷源。電路如圖2所示。 T1定時/計數器設為定時方式，與軟件配合組成脈沖周期測量。外部中斷INT1產生時，單片機讀取兩次中斷之間的時間，計算成速度和捻度輸出顯示。 2）PWM脈沖轉換電路 PWM控制系統是通過改變直流電機電樞上脈動直流電的“占空比”來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= 稱為占空比，其值由固定頻率調節脈沖寬度的方法來調節。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。 它由四個大功率的場效應管和四個續流二極管組成。四個大功率的場效應管分為兩組，MOS1和MOS4為一組，MOS2和MOS3為一組。當MOS2、MOS3導通，MOS1、MOS4關斷，電樞電壓Umg=Vcc，電樞電流img沿方向1流通，電動機正轉；當MOS1、MOS4導通，MOS2、MOS3關斷，電樞電壓Umg=-Vcc，電樞電流img沿方向2流通，電動機反轉；當MOS1、MOS2關斷，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生，控制電機的啟停、轉動方向和轉速。 3）單片機和鍵盤顯示電路 本裝置采用AT89C52單片機，其性能價格比高，內部具有3個16位定時/計數器、一個串行口、8K Flash存儲器和256個字節的RAM及兩個外部中斷源，32個I/O線，完全滿足系統的要求。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，通過光藕將PWM功率轉換電路和單片機鍵盤顯示電路隔離，并采用兩組電源供電。為防止死機現象，外加了定時看門狗(watchdog)，在程序出現“死機”或“飛逸”時，系統能夠自動進行復位；同時定時看門狗內部的存儲器用來存儲鍵盤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4位LED就可以滿足顯示的要求。顯示采用動態工作方式，P1.0、P1.1和P1.3作為顯示端口，外接兩片CD4094進行捻度和速度七段碼的串并轉換，經過兩片2003驅動送給數碼顯示器和狀態指示燈。P3.4和P3.5為鍵盤數據輸入端，P2口連接74LS138作為鍵盤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、鍵盤處理和轉速控制。主程序完成鍵盤處理，速度、捻度及狀態顯示。在外部中斷子程序中讀取定時/計數器T1和相關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，同時根據設定的工作方式計算紗線捻數。在本裝置中關鍵是如何產生如圖4所示的PWM電壓波形，以確保電路和電機正常工作。 定時/計數器T2和T0用作PWM信號的產生，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T2定時減去T0定時。圖3中跨接在直流電源Vcc兩端的上下兩個場效應管交替工作，由于場效應管不能立即關斷，因此，當一個場效應管關斷后，另一個場效應開啟之前必須延時一段時間，以避免上下兩個場效應直通，造成短路。故對于圖4所示波形，在續流和方向改變的兩個場效應管交替時，通過軟件定時延時t時刻。軟件代碼如下： ；T2中斷服務子程序 ；T2工作于16位常數自動重新裝入方式，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 T2_QUIT: MOV TH0, SPEEDRAMH ；T0初值由預置速度和實際測量 MOV TL0,SPEEDRAML ；速度比較后決定 SETB TR0 SETB ET0 RETI ；定時/計數器T0中斷服務子程序 ；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題，實現速度平穩調節；用PWM實現較寬范圍的直流調速；采用冗余技術保證系統長時間正常運行。經用戶投產運行表明，操作方便，經濟效益顯著，具有較強的市場競爭力。 |
