基于dsPIC控制的離心機變頻調速系統的設計

李小琴

（寧波職業技術學院 電子信息工程系，浙江 寧波 315800）

離心機是將樣品進行分離的儀器，廣泛應用于生物醫學、石油化工、農業、食品衛生等領域，它利用不同物質在離心力場中沉淀速度的差異，實現樣品的分析分離。轉速調節系統是離心機的核心部分，交流變頻調速由于電機免維護和調速范圍更寬已逐步取代直流調速。由于市場上缺乏離心機專用的交流變頻調速控制器，離心機廠家通常采用通用“變頻器+定制人機界面+門鎖控制”的方案，存在線路復雜、安裝調試麻煩、成本高的缺點[1]。針對該問題開發了基于dsPIC控制的離心機專用交流變頻調速系統，擁有調速性能好、線路簡單可靠、安裝調試方便，性價比高的優點。

1 系統的功能

本系統以dsPIC30F3010為主要核心部件，通過軟件編程控制IPM模塊FSBB20CH60驅動離心機的交流感應電機進行變頻調速，概括起來具有如下功能[2]：

1）采用空間矢量變頻調制技術，調速范圍為（100～21 000）rpm；

2）具有轉差自動補償功能，轉速誤差??；

3）具有定時功能，定時范圍（1～99）分鐘；

4）雙窗口LED數碼顯示時間和轉速；

5）基于門開關檢測的門鎖控制功能；

6）具有欠壓、過壓、過流等多種保護功能。

2 儀表的硬件結構

本儀表主要由Philips P87C54單片機和外圍電路及其相應的軟件編程構成，如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖Fig.1 Hardware block diagram

本儀表基本上可分為以下6個模塊：A/D模塊、顯示模塊、鍵盤輸入、串口通信模塊、輸出控制模塊、電源模塊。

文中主要介紹A/D模塊、通信模塊（MAX232）及鍵盤輸入。

3 關鍵芯片及技術

3.1 A/D模塊

本設計采用了CRYSTAL公司生產的20bitA/D專用芯片CS5513。它是一種低成本、易于使用的Δ－∑A/D轉換器，其內部包括一個4階Δ－∑調制器和一個濾波器。CS5513片上自帶振蕩器。無需外加時鐘源。CS5513的基本參數和特點如下[3]：

1）Δ－∑A/D 轉換器；

2）線性誤差:±0.0015%FS；

3）無噪聲分辨率17位；

4）差分模擬輸入（雙極性）；

5）參考電壓范圍為 250 mV～5 V；

6）輸出字速率為 16～326；

7）帶有片上振蕩器；

8）可配置成5 V單電源和多種雙電源；

9）采用8腳SOIC塑料封裝，可節省設計空間。

原先模擬的高精度儀表數據采集部分使用的是通用的16位雙積分式模/數轉換器7135，其采集速度慢、外圍電路多、線路復雜?，F在采用CS5513后，PCB板面積只有原來的五分之一。同時由于是串行接口，因而與單片機的接口非常簡單，其采集速度可達到100 Hz以上，采集精度也進一步提高。

本設計的A/D模塊的硬件電路圖如圖2所示。J1接PT100傳感器，其與R1的分壓和R2與R3的分壓差分輸入到CS5513 的 Ain+和 Ain-。而 CS（CS5513 的片選）、SDO（串行數據輸出）和SCLK（串行時鐘輸入）接單片機端口。

圖2 A/D模塊的硬件電路Fig.2 Hardware circuit of the A/D module

A/D轉換的步驟如圖3所示，先將CS置0這樣就可以對CS5513操作了，此時單片機可以根據SDO當前的電平高低來判斷CS5513的工作狀態，并讀取數據，從圖3可以看出CS5513的轉換結果讀取過程十分簡單。

圖3 A/D轉換流程圖Fig.3 Flow chart of A/D converter

3.2 RS-232串口通信

單片機與計算機之間的雙向RS-232通信的目的是把儀表的溫度測量值、設定值及其他參數傳到上位機（計算機），上位機通過軟件接收數據，并進行更進一步的處理[4]。

單片機通過MAX232轉換模塊與PC機相連[5]，單片機晶振采用11.0592 MHz，使用T2定時器產生波特率，波特率為9 600 bit/s。數據傳送格式為1個起始位0、8個數據位（二進制，最小有效位先發送）、2個停止位1（無校驗）。

3.3 鍵盤設置

儀表的面板上有4個按鍵SET、<、∧、∨。鍵盤設置用來設定各種參數，操作起來簡單明了。不像模擬表通過電位器來設定溫度，操作麻煩。本儀表通過鍵盤接口的編程把各模塊聯系起來統一工作。

4 軟件設計

由于本儀表采用單片機控制，所以必須需要強大的軟件系統支持。本儀表的軟件系統由一個主程序和多個子程序組成，圖4主程序流程圖。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

儀表的軟件系統總的來說由4大部分組成：

1）系統的初始化

包括P87C54芯片本身的初始化，串口、鍵盤接口、顯示模塊的初始化。

2）鍵盤掃描及鍵盤功能程序

通過該程序可以修改儀表所有參數，可以達到用戶所需的要求。

3）數據采集、顯示部分

4）PID計算程序及輸出控制程序[6]

PID 1秒鐘計算一次，每次計算出合理的控制量，以便達到精確控制溫度。

5 結束語

隨著用戶對高精度溫度儀表的精度、外觀、操作等要求的提高，用本方法設計的高精度溫度儀表基本能滿足用戶的要求，現已經形成產品并大量應用于工業現場。

[1]張琳，嚴國琦.基于PLC控制的1250離心機變頻調速系統的設計[J].電氣自動化，2005，27（3）:173-176.ZHANG Lin，YAN Guo-qi.Design of variable frequeney speed-adjusting system of unloading cen-trifuger based on PLCcontrol[J].Electrical Automation，2005，27（3）:173-176.

[2]王飛，劉鐵湘.dsPIC30F在交流感應電機磁場定向控制中的應用[J].工業控制計算機，2009，22（7）:93-94.WANG Fei，LIU Tie-xiang.Study of AC induction motor field-oriented digital control[J].Industrial Control Computer，2009，22（7）:93-94.

[3]王洪亮，易宇權，曹蘇明，等.串行20位ADCCS5513及其應用[J].微電子技術，2003，31（3）:58-61.WANG Hong-liang，YI Yu-quan，CAO Su-ming ，et al.Serial 20 bit ADC CS 5513 and its application[J].Microelectronic Technology，2003，（3）:58-61.

[4]潘方.RS 232串口通信在PC機與單片機通信中的應用[J].現代電子技術，2012，35（13）:69-71.PAN Fang.Application of RS232 serial port in communication between PCand MCU[J].Modern Electronics Technique，2012，35（13）:69-71.

[5]吳興中，歐青立.一種PC與單片機多機RS232串口通信設計[J].國外電子測量技術，2009，28（1）:74-76.WU Xing-zhong，OU Qing-li.Design of a RS232 serial port communication for singlechips with PC[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2009，28（1）:74-76.

[6]蔣平.一種PID模糊控制器[J].自動化博覽，2011（1）:68-70.JIANGPing.A PIDfuzzy controller[J].Automation Panorama，2011（1）:68-70.