基于51單片機的三相電動機模式控制

張兆友

（山東省寧陽縣職業中等專業學校，山東寧陽，271400）

0 引言

最近一農村小型養豬場的場長給我反映：“他的豬舍內臭味非常濃，在冬天打開排氣扇有時忘了關，致使豬舍內的溫度下降，導致豬生病。”他讓我為豬舍1.5kW的三相排氣扇加裝定時排氣功能，要求要有三種模式：30分鐘啟動3分鐘；1小時啟動3分鐘；2小時啟動3分鐘。

豬舍的排氣扇是1.5kW的三相電機，設計控制電路可以用PLC來進行控制，但對于小型養豬場來說成本太高。我以操作安全、成本低廉、具有可拓展性為出發點，設計了以51單片機為核心的控制電路，控制交流接觸器的通斷，以弱電控制強電，從而完成養豬場場長所提出的定時功能。

1 系統方案設計

本系統由強電部分和弱電部分組成：強電部分主要是三相排氣扇的供電，在電路上由交流接觸器和三相排氣扇組成；弱電部分由電源電路、按鍵電路、單片機電路、顯示電路及輸出電路組成，其框圖如圖1所示。

圖1 整機電路框圖

在框圖中，左側為強電部分，主要由三相四線輸入、交流接觸器和三相電動機組成，右側為弱電控制部分。其基本控制過程為：電源電路是利用三相四線輸入中的一相火線及零線為降壓變壓器供電，得到低壓部分所需要的12V和5V電壓；顯示電路可以看出單片機的工作狀態；輸入控制電路利用按鍵來控制所需要的三種工作模式；單片機電路是整個電路的控制核心，也為功能的拓展提供了可能；控制輸出電路是利用單片機的輸出指令來控制交流接觸器的工作狀態，從而控制了三相電動機的工作狀態。

圖2 電源電路原理圖

2 電路組成及器件選擇

■2.1 電源電路

電源電路的原理圖如圖2所示。在電路中在三相四線輸入取出的220V交流電壓經T1降壓得到12V交流電壓，再經VD1～VD4橋式整流、C1濾波后得到約15V直流電壓；15V電壓為U2(7812)供電得到的直流電壓VC1為12V；12V電壓經C2濾波后除了為控制輸出電路中的直流繼電器供電外，還為U3(7805)供電，輸出經C3濾波后得到5V直流電壓，為單片機電路、顯示電路、輸出控制電路及控制輸出電路供電。

■2.2 單片機電路

單片機電路如圖3所示，采用AT89S52作為核心器件。焊接時根據位置把四個I/O口大致劃分為：P0口作為數碼管的驅動口，P1口作為輸出口，P2口作為輸入口，P3口作為預留端口。

在電路中18、19腳是晶振的接入端，晶振的本振頻率是12MHz，C6、C7為啟振電容；9腳為復位端口，外部通過10μF的電解電容C4接電源，通過一個10k的電阻R5接地，如圖5所示，兩個元件組成RC電路的時間常數能保證單片機在開機的瞬間使用內部處理器復位。

為讓這一電路具有拓展性，當場長提出新的要求時避免重新制作,我在未使用的部分I/O口上接出了輸入輸出端的外圍電路。

圖3 單片機電路

■2.3 顯示電路

為方便在調試電路時清晰的觀察到其工作狀態，我在P0口接入了顯示電路，電路如圖4所示。由于AT89S52輸出的拉電流較小，而灌電流大，為使電路簡單化，我接入了共陽極數碼管。在電路中，R6～R13為限流電阻，保證數碼管正常工作，其阻值為510Ω。

圖4 顯示電路

■2.4 輸入控制電路

輸入控制電路主要由按鍵組成，如圖5所示。按鍵的作用是當按鍵閉合時給單片機的I/O口輸入一個低電平，當單片機檢測到低電平時作出相應的處理。按照場長提出的要求，我設計了SET1、SET2、OK三個按鍵，分別對應2小時啟動3分鐘、1小時啟動3分鐘和30分鐘啟動3分鐘三個模式。

■2.5 控制輸出電路

控制輸出電路如圖6所示，由集成運放LM358、三極管S8050、直流繼電器K1和交流接觸器KM組成。在電路中，集成運放U4的一個運放單元組成電壓跟隨器作為驅動電路，來彌補AT89S52輸出的拉電流小的不足；三極管V1作為開關管使用，來控制直流繼電器線圈電流的通與斷，從而控制了繼電器的工作狀態。

圖5 輸入控制電路和復位電路

在電路中，C5的作用是吸收開機時單片機輸出端口的瞬間高電平，VD5的作用是吸收直流繼電器K1線圈在斷電時產生的自感電壓，對V1起到保護作用。

圖6 控制輸出電路

交流接觸器的型號是CJT1-10，其外形如圖7所示，線圈使用220V交流電，允許通過的最大電流是10A，滿足了1.5kW排氣扇的需要。

圖7 交流接觸器

設計好的整機電路如圖8所示。

3 程序設計

本電路所使用的程序附后，現在只說一下流程圖和部分程序進行說明，不再一一闡述。

圖8 整機電路

■3.1 程序流程

由于操作人員的專業水平較低，為使用這一電路的操作變簡單，設計的程序流程如圖9所示，用三個按鍵設置SET值，SET值對應三種工作模式，SET=0時作為初態，當SET=1時工作在模式1，當SET=2時工作在模式2，當SET=3時工作在模式3。

圖9 程序流程圖

■3.2 程序說明

在編寫程序時設計了四個子函數：具有分時判斷的函數void timeadd(uc min2,uc hour2)、按鍵檢測函數void key()、輸出時間控制函數void outlimit(uc min1)和T0中斷函數void timer0() interrupt 1。下面重點說一下具有分時判斷功能的函數void timeadd(uc min2,uc hour2)。

void timeadd(uc min2,uc hour2)是在常用的走時函數中增加了兩個時間常數，這一函數具有時間累加和分時判斷功能，有三種工作模式：當電路工作在模式1時，uc min2和uc hour2分別設定為61和1，即分鐘可以到達60正常進位，當小時大于1，即到達2小時時小時數回零，電路工作在2小時啟動一次的狀態；當電路工作在模式2時，uc min2和uc hour2分別設定為61和0，分鐘可以到達60正常進位，當小時大于0，即到達1小時時小時數回零，電路工作在1小時啟動一次的狀態；當電路工作在模式3時，uc min2和uc hour2分別設定為31和0，分鐘只能到達30后回零，電路工作在30分鐘啟動一次的狀態。通過引入這一函數，大大簡化了主程序的編寫。

4 焊接與調試

焊接完成的電路如圖10所示。電源部分布局在左下方，為7812和7805加上散熱片，以保證電路長時間工作。輸入的按鍵電路在右下方，適應人右手操作的習慣，又預留出P2.3、P2.4兩個輸入端口。顯示電路在右上方，周圍元件少，便于觀察。輸出電路在左上方，在焊接的后期，又增加了P1.1輸出端口。

圖10 焊接完成的電路

組裝調試過程如圖11所示，低壓部分在控制板的右側，高壓部分在控制板的左側，保證了操作人的安全。

圖11 組裝調試過程

5 結束語

總結這一電路的設計，且有成本低、操作簡單、使用安全，適合專業水平低人員操作。在設計方面，實現了弱電與強電的有機結合，用單片機的程序控制交流接觸器，從而控制了三相排氣扇的工作狀態。器件的布局實現了強電與弱電的分離，操作起來安全可靠。經過一個多月的使用，運行狀態良好，也受到了養豬場場長的好評。

* [1]侯殿有.單片機C語言程序設計[M].北京:人民郵電出版社 ,2010:74—85.

* [2]陳振源.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2015:181—183.

* [3]張兆友.一款對交流電流取樣的電動車充電定時器[J].電子制作 ,2015,(296):69—72.

* [4]張兆友. 51單片機I/O口瞬間高電平的研究[J].電子制作 ,2015,(296):68—100.