数显磁力搅拌器的设计与制作

编号 毕 业 设 计（论文）题目 数显磁力搅拌器的设计与制作二级学院 应用技术学院 专 业 电气工程及其自动化（电力拖动方向）班 级 112217402 学生姓名 李中志 学号 11221740223指导教师 邱宇 职称 副教授 时 间 重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 开发背景 .11.3 选题意义 .21.4 本文的主要内容 .22 系统总体设计 .32.1 系统总方案讨论 .32.1.1 控制系统方案选择 .32.1.2 搅拌子驱动方式选择 .52.2 主要芯片选型 .62.2.1 STC15W4K32S4 的主要特性 .62.2.2 选择 STC15W4K32S4 的原因 .73 硬件电路组成 .93.1 转速检测回路及方案论证 .93.2 温度检测回路 .113.3 按键电路 .113.4 显示电路 .133.5 单片机及电机供电电源设计 .133.5.1 元器件的选型 .144 硬件电路设计 .15重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作4.1 PWM 控制原理 .154.2 H 桥原理 .164.3 系统的硬件电路的设计与分析 .164.4 H 桥的驱动电路设计方案 .174.5 主电路设计 .185 机械结构设计 .205.1 机械结构部件组成 .205.2 机械结构总体装配图 .216 系统软件程序设计 .226.1 主程序及系统初始化模块 .226.2 变量定义 .236.3 按键控制部分 .236.4 温度检测部分 .246.5 显示控制部分 .246.6 定时器部分 .256.7 PWM 部分 .257 系统调试 .277.1 显示电路 .277.2 电机部分 .287.3 A/D 部分 .287.4 按键部分 .297.5 温度部分 .297.6 PWM 部分 .307.7 转速部分 .30重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作8 总结 .329 致谢 .33参考文献 .34附录 1 实物样机 .36附录 2 程序清单 .38重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作II摘 要数显磁力搅拌器是用于液体混合的实验室仪器，其主要用于搅拌或同时加热搅拌低粘稠度的液体或固液混合物。磁力搅拌器的工作原理遵循磁的库仑定律，即两个相隔一定距离的磁体,由于磁磁场的感应效应，它们不需要任何传统机械构件 ,通过磁体的耦合力，就能把功率从一个磁体传递到另外一个磁体，构成一个非接触传递扭矩机构。因此，本设计对数显磁力搅拌器进行了研究。直流电机作为外部旋转磁场的动力来源，也是目前最常用的手段和方法。对电机的启动、停止和速度调节控制是实现良好搅拌的关键，本设计采用脉宽调制控制电机电枢电压的通断时间来调节电机的转速，并通过光电门传感器检测电机的转速。STC15W4K32S4 是本次设计的控制核心， DS18B20 温度传感器是本次设计液体检测工具。LCD12864 显示屏作为本次设计的显示核心，它能够将搅拌器的实时工作状态进行快速有效的反馈给操作者。关键词：磁力搅拌器； 直流电机； H 桥；PWM 脉宽调制； DS18B20 温度传感器重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作IIAbstractDigital magnetic stirrer is used for liquid mixture of laboratory equipment, mainly used for mixing or heating and mixing of low viscosity liquid or solid-liquid mixture. The working principle of magnetic stirrer follow magnetic coulombs law, namely two magnets at intervals, due to the induction effect of magnetic field, they do not need any traditional mechanical components, through the bonding force of magnets, can make the power transmitted from a magnet to another magnet, constitute a non-contact transmission torque mechanism. Based on this, the design of digital magnetic stirrer were studied.DC motor as the power source of the external rotating magnetic field, but also the most commonly used means and methods. Of motor start, stop and speed control is the key to the realization of the well stirred, this design adopts the pulse width modulation control on-off time of the motor armature voltage to adjust the motor speed, and through the photoelectric door sensor measuring motor speed. STC15W4K32S4 is the design of the control core. DS18B20 temperature sensor is the design of the liquid testing tool. LCD12864 display as the core of this design, it can be the blender of the real-time operating status of fast and effective feedback to the operator.Key words: Magnetic stirrer； DC motor ； H-bridge ； PWM pulse width modulation； DS18B20 temperature sensor重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作11绪论1.1 课题背景磁力搅拌器是用于液体混合的实验室仪器，主要用于搅拌或同时加热搅拌低粘稠度的液体或固液混合物。磁力搅拌器的工作原理遵循同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的原理，即两个相隔一定距离的磁体，由于磁场的感应效应，它们不需要任何传统机械结构连接，仅通过磁体的耦合力，就能把功率从一个磁体传递到另外一个磁体，构成一个非接触传递扭矩机构 1。工作时通过直流电机带动外部永久磁体进行转动，同时通过磁场耦合原理驱动液体容器内的带磁性的搅拌子进行旋转运动，从而实现将外部旋转动力传递到液体容器内部里的搅拌子，继而实现对高压容器中的液体进行搅拌。因而在工程应用中可实现静密封、耐高压、无泄漏搅拌的目的。配合加热温度控制系统，可以实现不同实验的加热要求并控制搅拌液体的温度，维持实验条件所需的温度条件，从而保证液体混合达到实验需求。电机作为外部旋转磁场的动力来源，对电机的启动、停止和速度调节控制是实现良好搅拌的关键。在小型磁力搅拌器中，通常采用直流电机带动外部磁体旋转形成旋转磁场。随着电力电子技术的发展，对磁力搅拌器的调速逐步从模拟电路实现转变成数字电路，尤其是近几年来单片机技术的成熟及普及，使得磁力搅拌器功能更加多样化，控制技术更加智能化，操作使用更加人性化。1.2 开发背景随着各行各业加工工艺的要求提高，传统的桨式搅拌器不能满足现代工艺的要求，必须采用更加先进的磁力搅拌方式。磁力搅拌器依靠同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引的原理，让放在容器里的搅拌子实现无轴旋转，从而带动容器里的液体转动实现搅拌的目的。由于它采用无轴驱动，在许多场合下都能将需要搅拌的液体做到密封，使之不发生泄漏或溢出。所以它能够适应搅拌要求非常苛刻的环境，如搅拌有毒，易燃，易爆等化学物质。如果采用传统搅拌器搅拌以上物质，由于受传动装置的限制不能将搅拌液体做到密封，很有可能会造成有毒、有强腐蚀性的液体溢出，还有可能会将机械传动装置给腐蚀掉，造成实验器材的损坏。因此，本设计在不改变搅拌器驱动电机的电压下采用脉宽调制（PWM）控制电重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作2机电枢电压通断的时间来控制电机的转速，从而通过磁力耦合原理控制搅拌子旋转达到调速的目的。1.3 选题意义在磁力搅拌器使用上，磁力搅拌技术对各个领域发挥着不可或缺的作用，随着科学技术的发展和改进，更使磁力搅拌器的使用范围得到进一步的扩展，特别是在搅拌有强腐蚀性等常规搅拌器无法搅拌的物质上更能体现出非常可观的优势；在控制系统上，由于需要直流电机旋转带动永久磁铁从而驱动放在液体里面的搅拌子，所以对电机的控制是磁力搅拌器最实质的东西，这个课题的核心问题最终归结于PWM 脉宽调制上，PWM 脉宽调制在多个领域都有运用，比如灯光的亮度调节，交直流电机的调速等；在市场需求上，由于传统搅拌器不能满足现代加工工艺的需求，从而触发了人们开拓使用磁力搅拌器或者研究更加智能化搅拌器的市场。为了进一步探讨及解决这些问题，我选择了数显磁力搅拌器这个课题。1.4 本文的主要内容本次设计通过改变加有电压的滑动变阻器阻值,从而通过单片机自带的 A/D 端口将其实时电压值读回并存储于单片机内部相应的寄存器中，在输出 PWM 波时将其调用并与电压最大值进行相除得出 PWM 的占空比 ,然后通过单片机的 PWM 端口输出任意占空比的 PWM 波,从而控制电枢电压在一定时间范围内的平均值大小以达到数显磁力搅拌器的平稳调速。按键控制搅拌器的正转和反转，温度传感器传回搅拌液体温度，并通过液晶显示屏进行实时显示搅拌器的工作状态。本文主要从控制系统方案的选择，机械结构的设计，硬件的设计，软件设计及调试等几个方面阐述了数显磁力搅拌器，着重论述了调试过程中在硬件及软件上遇到的各种问题并提出了相应的解决方案。重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作32系统总体设计2.1 系统总方案讨论2.1.1 控制系统方案选择方案一：模拟式脉宽调制调速 2。通过 555 定时器的无稳态模式产生脉宽可调的 PWM 波，其波形占空比通过调整滑动变阻器而改变。再将其调制完成的 PWM波通过驱动电路及功放电路最后调节电机一端的电位，通过改变加在电机两端的电压来对其电机调速。其原理图如下：图 2.1 方案一系统结构随着单片机控制技术的发展，对电机的调速控制一般采用单片机作为控制器的数字电路已成为主流，目前运用单片机输出 PWM 波对直流电机进行调速的方案有以下两种方式：方案二：数字式脉宽调制型非线性 DC/DC 开关变换 3。该方案由单片机产生PWM 波通过 DC/DC 转换器将其电压幅度成倍的转换成搅拌器的额定工作电压，其占空比没有发生任何改变，所以此方案也常被人们采用。其系统结构如下图：重庆理工大学毕业论文 数显磁力搅拌器的设计与制作4单片机电源板AC/DCDC/DC转换器M显示电路按键电路测速模块图 2.2 方案二系统结构方案三：基于电机驱动和 STC15W4K32S4 单片机数字式脉宽调制型 4。以STC15W 系列单片机为控制器来产生 PWM 脉冲,并通过光耦再将信号传递给电机驱动电路，这里使用光耦的原因是实现电机驱动电路与单片机控制电路的强弱电隔离，避免出现损坏单片机 I/O 端口。采用