恒定磁场发生器的设计 毕业论文.doc

i 恒定磁场发生器设计 摘 要 恒定磁场发生器的应用范围非常广泛,特别是在粮食加工的磁选过程中,是必不可少 的装置。现有的粮食磁选机械中大都采用永磁体作为磁场发生装置，而永磁体产生的磁 场具有不能调节、磁感应强度小等缺点。为了解决此缺点,本文采用电磁铁的方法设计磁 场发生器。 该电磁铁磁场发生机装置以 stc12c5a08s2 单片机为控制核心，采用具有高共模抑制 比的 op07 运算放大机和达林顿管产生恒定直流电流，电流大小可步进调节。将恒定电流 输出给亥母霍兹线圈以产生恒定磁场。设计思路为：单片机输出数字量给 d/a 转换器， d/a 转换器输出模拟量给运放，运放在深度负反馈情况下输出恒定电流供给亥母霍兹线 圈，产生恒定磁场；为了达到恒磁场的目的，利用霍尔元件对输出的磁场进行测量，霍 尔元件的输出量经信号调理后给 a/d 转换器，单片机读取 a/d 后和设定量的磁场强度进 行比较，经过 pid 算法后，改变 d/a 输出量，来获得稳恒磁场。为了提高驱动能力，采 用达林顿管作为线圈的驱动元件。 关键词：恒定磁场；pid 控制算法；单片机 ii title the design of the constant magnetic filed generator abstract constant magnetic filed generator is a wide rang of applications, which is usually used in food processing as the magnetic separation process, and the component is essential. permanent magnet are mostly used as magnetic separation machine in the food processing today. but what the shortcomings of the magnetic filed generated by a permanent magnet are not being adjusted and the magnetic filed is very small. to address these shortcomings, an elctromagnet is a good choice. this constant magnetic field generator device based on stc12c5a08s2 mcu, using a high common mode rejection ratio amplifier op07 and power transistor to produce an adjustable dc current, which is output to helmholtz coils to produce a constant magnetic field. the overall design can concept as: mcus digital output to the d / a converter, d /a converters anlog output to the operational amplifier, because the negative feedback is in the depth, so the output current is unchanged similarly. then the constant current output to the helmholtz coil to generate magnetic filed. and the next step is using hall element to measure the magnetic field, after the analog signal is conditioned, send the signal to a / d converter, then the mcu read the digital and make pid control algorithm to make the feedback comparison to change d /a converters output, so we can gain constant magnetic filed. key words: constant magnetic field; pid control algorithm; mcu iii 目 录 1 绪论 1 1.1 课题的研究背景 1 1.2 本课题现状 5 2 硬件模块设计 6 2.1 总体方案的选择及系统性能 6 2.2 控制器简介及相关最小系统电路 7 2.3 led 显示接口 10 2.4 键盘接口 .13 2.5 a/d 转换接口 15 2.6 d/a 转换接口 17 3 系统的总体设计 .18 3.1 系统的总体设想 .18 3.2 实际的大电流源 .20 3.3 恒定磁场的产生 .21 3.4 磁场测控系统设计 .23 4 系统的软件设计 .24 4.1 控制算法 .24 4.2 主程序流程图 .26 4.2 键盘工作流程图 .27 4.2 显示中断流程图 .28 结 论 .30 致 谢 .31 参 考 文 献 32 附录 a .33 1 1 绪论 1.1 课题的研究背景 随着人们生活水平的提高和食品安全意识的增强，面粉作为居民主要口粮和食 品工业的基础原料，其质量安全越来越受到政府、面粉厂、食品厂和消费者的重视。 面粉的理化指标中有一项磁性金属物含量，这项指标也可以看作是面粉的卫生指标， 从面粉的质量安全方面考虑，它也是面粉诸多指标中比较重要的指标之一。国家质 量监督检验检疫总局颁布的小麦粉生产许可证实施细则和gb 13122-1991面 粉厂卫生规范中明确规定：“入磨小麦必须经过筛打、磁选、风选、去石等清理 过程”，“小麦粉输人成品打包工序之前，必须经过磁选”。小麦粉国家标准和行 业标准中也明确规定了面粉中磁性金属物含量不得超过0.003 g/kg,这些规定说明 了制粉车间合理配置磁选机的必要性。对制粉车间来讲，如果磁性金属杂质混人面 粉产品中会危害人体健康，混入副产品中也可能妨碍牲畜的饲养；如果磁性金属杂 质随物料进入高速运转的设备，将会严重损坏设备部件，甚至因碰撞摩擦而产生火 花，造成粉尘爆炸安全事故。因此，制粉车间很有必要合理地配置磁选机来确保生 产安全和最终产品质量安全。 制粉车间的磁性金属物的主要来源有4个方面：小麦在收割、晾晒、储存、 保管及运输等过程中难免会混人铁钉、铁丝、铁屑、铁锈、垫片等磁性金属；制 粉车间的机械设备、管道及用来加水润麦的自来水管等容易磨损或生锈，磨损或生 锈产生的铁屑、铁末和铁锈等磁性金属杂质会混人到物料中去；设备与厂房设施 的维修过程中很容易产生磁性金属杂物。制粉车间的机械设备安装与维修、管道安 装与维修及建筑物装修与维护过程中经常要进行电焊、切割作业，在维修作业时， 如没有采取保护措施或采取的保护措施不当，作业完成后没有及时清理或清理不彻 底，清理后的物料没有妥善处理等都容易使磁性金属杂物混人物料或设备中；车 间现场的生产操作人员自身携带的磁性金属物、改良剂及包装袋里面混人的磁性金 属物都可能成为磁性金属的来源之一。 磁选机的主要工作元件是磁体，磁体有永磁体和暂时磁体（电磁体）之分。现 2 在制粉车间一般采永磁体磁选机。目前粮机厂家开发生产的磁选设备比较多，如永 磁筒、永磁滚筒、磁力分选机、栅式磁选机、栏式磁选机、溜管式磁选机及溜板式 磁选机等等，他们一般都采用永磁体做磁体，用不锈钢材质制作筒体或附属结构。 衡量磁选机性能的主要指标是永磁体的磁感应强度和磁性物质去除率，在选择磁选 设备时主要看其磁感应强度的高低，磁感应强度越强，磁性金属杂质去除率就越高。 目前面粉车间使用比较普遍的磁选设备有永磁筒、管式磁选机和栅式磁选机等。面 粉生产工艺一般包括初清、清理、制粉、配粉和包装等五个工段。在每个阶段磁选 机的配置都有不同的要求，分别如下： 1、初清工段磁选机配置 初清工段主要是初步清理小麦中的大杂、小杂、轻杂以及磁性杂质。该工段小 麦流量比较大，应配置与产量相配套的永磁筒或磁力分选机，来清除小麦中大部分 的磁性杂质，以减轻后道磁选的压力。由于原料小麦中含有大量的麦秸秆、绳头等， 容易堵塞永磁筒内物料通道，如果选择的是永磁筒，应把它安装在初清筛的后道。 2、清理工段磁选机配置 清理工段又分为一次清理和二次清理，有的还包括下脚料粉碎。该工段主要是 通过磁选、筛选、风选、磁选、精选、去石、打麦等工序尽最大可能地把小麦中的 各种杂质去除干净，通过加水润麦来保证人磨小麦的研磨效果和最终产品的水分符 台标准，同时，把所有清理出的有机杂质回收起来集中粉碎以利用。清理工段一般 在第一道清理工序设置永磁筒以进一步去除小麦中还可能混有的磁性金属杂质；在 一次打麦机、二次打麦机及粉碎机人口处安装永磁筒或溜管式磁选机，以防止生产 过程中混人的磁性金属随物料进人高速运转的设备中，避免生产安全事故发生。 3、制粉工段磁选机配置 制粉工段是把清理干净和着水润麦后的小麦，经过研磨、松粉、清粉、筛粉及 打数等工序生产出3种或3种以上的基础面粉。该工段一般在i皮磨粉机人口处装永 磁筒，在撞击松粉机入口处装管式磁选机，以保护磨粉机和撞击松粉机；在面粉进 人散存粉仓（打包粉仓）之前安装永磁筒或溜管式磁选机或溜板式磁选机，以确保 生产的各种驻础粉磁性金属物含量不超标。因为该工段有面粉检查筛，它可以从面 粉中筛选出大于筛孔直径的磁性金属物，所以，进入粉仓之前安装磁选机的重要性 往往会被面粉厂家所忽视。 3 制粉工段除了制粉外，还承担着不合格面粉回机与回收的落地粉回机的任务。 落地粉中难免会混人磁性金属杂物，为了防止回机物料中的磁性金属杂物进人高方 筛中损坏筛绢，应在回粉机出口到提升管人口之间安装溜管式磁选机或溜板式磁选 机。 4、配粉工段磁选机配置 配粉工段主要是为面粉搭配和添加改良剂而设置的，配粉的整个过程就是把不 同的基础粉按一定比例搭配，同时添加改良剂，然后把搭配好的且添加过改良剂的 面粉经过混合机混合均匀，最后把混合均匀的面粉通过正压输送管道送人到打包仓 （散装发送仓）。进人该工段的基础粉已经经过磁选，且后道包装工段还要装磁选 机。因此，配粉工段可以不再设置磁选机。 5、包装工段磁选机配置 包装工段包括面粉包装、面粉散装及副产品包装等工序。该工段是对磁性金属 物控制的最后一道关口，不仅要在该工序上保证成品面粉中的磁性金属物含量不超 标，而且要保证前道磁选机之后到本道磁选机之前所有可能进人的磁性金属杂物不 得随面粉进人包装袋或散装罐中。因此，必须在面粉包装或散装前安装磁选机，永 磁简、管式磁选机、栅式磁选机均可以作为选择对象，安装位置必须是最接近包装 机或散装车的人口处。 次粉和麸皮常常被面粉厂当作副产品，其质量安全一般不容易引起重视，但对 客户来讲副产品也是产品，因此不能掉以轻心，最好在包装前也安装磁选机。在选 择和安装磁选机时应考虑到鼓皮的散落性，防止麸皮在通过磁选机时被堵塞。 各个面粉车间的生产工艺和设备不一定相同，在选择和配置磁选机时应充分结 合自身的工艺和设备特点，不一定各道磁选机都配置齐全，但至少在清理工段中小 麦进人打麦机之前，制粉工段中小麦进入1皮磨粉机之前，面粉进入包装袋（散装 罐）之前安装合适的磁选机，以满足生产安全与产品质量安全的基本需要。 制粉车间只有合理地选择和配置磁选机，规范地操作和维护磁选设备，科学地 检测磁性金属含量，才能保证最终产品的磁性金属物含量符合国家标准，才能避免 由于磁性金属硬物进入设备或最终产品中从而导致安全事故和产品质量安全事故的 发生。可见，粮食加工的磁选过程是非常重要的环节。本设计就是以此为背景，设 计了一种宽量程的恒定磁场发生器。 随着电子技术的发展，模拟电子技术和数字电子技术正在发生着极速变化，有 4 人说，模拟电子技术在电子技术中的地位是无法撼动的，的确如此，但随着数字化 时代到来的不可逆转，很多电子产品、测控仪器、信号发生器都披上了数字化的外 衣。特别是在人机接口、实时控制方面更少不了数字化的身影，对于恒定磁场发生 器而言，其核心问题肯定主要由模拟电子技术解决，譬如说，恒定电流的产生问题、 运放的选择、如何选择驱动电路等。这些都是核心问题，但是如果选择了数控恒定 磁场发生器的话，数字控制系统要和模拟执行机构协同工作，你中有我、我中有你， 从而实现产生恒定磁场的功能。总之，模拟电子技术和数字电子技术是互补的关系， 二者结合起来功能更加强大。下面举一个简单的例子。如图 1.1 所示： 图 1.1 模电和数电的比较 此图是最简单的数字电子技术的应用，按钮未按下时三极管截止，led 灭，按下按 钮，三极管导通，led 亮。而对于模拟电子技术来说，它不光研究 led 的亮灭，主 要研究的是 led 亮的程度。接下来讨论，如果用数字控制器，控制按钮的开关和三 极管的基极电压(三极管一直工作在放大状态下)，此时很容易控制三极管的明亮程 度，这就是最简单的数字电子技术和模拟电子技术的结合，堪称完美。其实数控恒 定磁场发生器的设计也是基于上述原理。只不过控制器变成了 stc12c5a08s2 单片 机、被控对象变成了运算放大器、执行机构变成了功率管。再加上霍尔元件的检测 磁场信号，经过信号调理电路后送回控制机进行处理，根据设定值，做出相应判断， 5 改变输出，控制执行机构，达到产生恒定磁场的目的。总之，在这个数字化时代， 不管是工业仪器还是商业机器都会具有自己的数字逻辑，也肯定会有自己的模拟量。 1.2 本课题现状 在制粉车间中，大都采用永磁磁选机作为磁选设备，主要原因是电磁磁选机不 仅耗用电能，而且在停电后吸住的磁性金属物会掉人物料中，所以制粉车间一般不 采用电磁磁选机。除此之外，电磁铁需经常进行维护，比如电磁铁工作中，需要考 虑两方面温度要求：环境温度和电磁铁温升。环境温度是指电磁铁工作前的温度。 温升是指电磁铁工作时受激励会导致线圈发热，输入功率越大发热量越多，温度越 高，温升越大，电磁铁的寿命就会大大减短，所以，在电磁铁的工作场合中需要做 一些保护措施，如增加过热保护、过流保护以及电磁铁驱动控制电路保护等。 尽管电磁铁磁选机有上述缺点，但其前景非常好，由于在面粉加工的各道工序 中需要不同强度的磁场，由于利用永磁体制成的磁选机的磁感应强度是固定的，在 面粉加工的不同环节必须定制不同的永磁磁选机，这不仅浪费金属资源，而且还使 磁选设备占用不必要的空间。同时，如果要想获得强度更大的磁场，永磁体部分必 须做的很大，这样的话，磁选机就会很笨重，带来了许多麻烦。所以很多磁选设备 公司都在积极的研发高性能、调节方便的电磁铁磁选机 现代电力电子的飞速发展，使得 ups 技术非常的成熟，电磁铁磁选机已经完全 能应对突然停电带来的麻烦。 6 2 硬件模块设计 2.1 总体方案的选择及系统性能 方案一：使用晶体管恒流源产生恒定电流来产生恒定磁场，利用晶体三极管集电极 电压变化对电流影响小，并在电路中采用电流反馈来提高输出电流的恒定性。晶体 管恒流源虽然能得到恒流源，但是产生的电流太小，达不到要求被淘汰了。 方案二：采用集成稳压器产生恒定电流，来产生恒定磁场，开关恒流源电路虽然能 实现大一点的电流输出，但存在问题，对产生的电流大小调节很困难，只能通过数 字电位器来实现，数字电位器比较贵不划算，另一个问题是稳压芯片都有静态电流， 所以产生的恒定磁场精度不高，此方案淘汰。 方案三：用集成运放反馈型恒流源，来实现恒定磁场的设计。集成运放是一种高增 益的直流放大器，一般工作在闭环状态，只要外接少数几个电阻，就可以构成深度 负反馈的放大器，因而可用作恒流源。通过负反馈的作用，使加到比较放大器的两 个输入端的电压相等，从而保持输出电流的恒定，恒流原理如图所示，并选择此方 案。 7 图 2.1 恒流源原理图 本毕业设计是基于单片机的数控恒定磁场发生器的设计，该设计运用宏晶科技 的 stc12c5a08s2 单片机为控制器，它内部包括 8 路 10 位 a/d 转换机，用来检测 外界的模拟量（由磁场转换成的电压信号） ，使用方便，此毕业设计的总体规划和 预期目标可叙述如下：由单片机输出数字量给 d/a 转换器，d/a 转换器输出模拟 量给运算放大器的同相输入端，运算放大器接成负反馈状态，其输出端接功率管的 基极，以产生偏压，产生磁场的线圈接在功率三极管的集电极上，由于运放工作在 深度负反馈状态下，其输出电流只和同相输入电压和反馈电阻有关而与负载无关， 此时，就有输出恒定电流的功能，将恒定电流加在线圈上，就产生了恒定磁场。如 图 2.1 所示，放大器工作在深度负反馈状态下，有 ,在加上流入运放同相和u 反相输入端的电流几乎为零，则流过负载端的电流为它： ,可以看出，负载1ril 电流大小只和运放同相输入端电压和反馈电阻有关，而与负载无关。如果负载为均 匀绕制的亥姆霍茨线圈，肯定会产生恒定磁场。本毕业设计采用的控制方针是不停 的对输出量进行检测，控制器检测输出量，将其和设定值进行比较，求出偏差，控 制器改变输出，以得到稳恒磁场。预期目标位：系统制作完成后，可以通过键盘设 定和调节恒定磁场的大小，通过键盘来实现磁感应强度的步进增加或步进减小。用 4 为数码管来显示磁场的大小。系统的框图如图 2.2 所示： 8 单 片 机 l e d 显示 键盘 控制 d / a 转换 恒流源 电路 a / d 转换 线圈 霍尔 元件 图 2.2 系统框图 2.2 控制器简介及相关最小系统电路 stc12c5a08s2 是由中国大陆宏晶科技公司生产的机器周期为一个时钟周期的 高速单片机，完全兼容传统的 8051 指令集，并配有 8 路 10 位 a/d 转换通道，内部 有 rc 振荡机。在对计时精确度要求不高的情况下可以省去外部晶振。 其引脚图如图 2.3 图 2.3 单片机管脚图 单片机的复位电路很重要，本次毕业设计采用上电复位的方式来复位单片机，复位 9 电路图如图 2.4 所示： 图 2.4 单片机复位电路图 没有电源控制器就没办法工作,本次毕业设计系统电源有集成稳压器构成，如图 2.5 所示： 图 2.5 单片机供电电源 单片机时钟电路接外部晶振。晶振大小为 11.0592m，图如图 2.6 所示： 图 2.6 单片机晶振电路图 用 stc 单片机最大的方便就是烧写程序了。由于 stc 单片机支持在系统可编程 10 （isp） ，所以在烧写程序是就不需要买专用的编程器了，只需要 rs232 串口配以 电平转换电路，将 pc 机与单片机相连接，利用宏晶公司官方提供的上位机软件， 很容易把编好的程序下载到单片机里，其中单片机与电脑的通信电路图如图 2.7 所 示： 图 2.7 rs232 串行口通信电路图 此时，把单片机最小系统焊好后，可以编写一个简单的流水灯程序来检查下载线能 否顺利被利用，单片机能否按预期工作。 2.3 led 显示接口 为方便人们观察和监视单片机的运行情况，通常需要用一种显示器作为单片机 的输出设备，用来显示单片机的键输入值、中间信息及运算结果等。在单片机应用 系统中，常用的显示器主要有 led(发光二极管)和 lcd（液晶显示器） 。这两种显示 器具有耗电省、配置灵活、线路简单、安装方便、耐振动、寿命长等优点。两者相 比，led 显示器价格更低廉，结构更简单，lcd 显示器功耗更低，显示清晰度更高。 用户可根据实际需要选择，由于磁选机是面粉加工厂里不可缺少的设备，在工厂里 要求显示器的亮度更高，所以此设计选用 led 作为显示器件。 led 显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也称为数码管。其外形结构 如图 2.8 所示 11 图 2.8 数码管图 由图可见它由 7 个（如果有小数点的话就是 8 个）发光二极管构成，通过不同的组 合可用来显示 09、af 及小数点等字符。数码管通常有共阴极和共阳极之分，共 阴极的公共端必须接低电平，同样共阳极的数码管的公共端必须接高电平。在实际 应用中，必须接限流电阻以延长数码管的使用寿命。数码管显示技术有静态显示技 术和动态显示技术，数码管工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极点连接在一起 接地或高电平，每位的段选线与一个 8 位并行口相连。只要在该位的段选线上保持 段选码电平，该位就能保持相应的字符。这里的 8 为并行口可以直接采用并行 i/o 接口片（例如 p1 口）,很显然，用静态显示技术，实现起来非常简单，并且系统稳 定性极高，其缺点是占用大量的 i/o 口，此时，动态显示技术尤为重要，动态扫描 式显示是常用的显示方式之一，其基本原理是利用人眼的视觉暂留效应，几个数码 管是快速交替显示的，但人体肉眼看来显示是静止的，因为它们交替显示的太快了， 察觉不到。动态显示技术，除了有位选端，还必须有片选段，位选段决定的是要显 示的字符，而片选段决定的是允许哪一片数码管显示，只要先允许某片数码管显示， 再决定此位数码管显示什么字。本次毕业设计要设计恒定磁场发生器，需要显示磁 场的大小，磁场大小精确到百分位，再加上单位，共需要 4 位数码管，为了节省 i/o 口，采用动态显示的方法。数码管采用 4 位共阴极的，如图 2.9 所示： 图 2.9 四位数码管图 其中片选段由 p0.0p0.3 控制，段选端由 p1 口给出，数码管与单片机的接口电路 如图 2.10 对电路图作一下说明：由于在前面的叙述中已经提到了单片机的复位电 12 路和晶振电路，所以说下面的电路图中将省略此两部分。 图 2.10 系统数码管显示接口图 其中在上图中 74hc244 是 4 路三态同相缓冲机，在调试数码管电路模块时，数码 管的亮度不高，究其原因，原来 stc 的单片机的 i/o 口工作模式有四种，分别为： 准双向口输出配置、强推挽输出配置、仅为输入（高阻）配置、开漏输出配置，当 单片机上电复位开始工作后，单片机默认的 i/o 口配置是准双向口输出配置，其输 出电流小，led 当然亮度不高。为了获得更高的亮度需重设单片机的 i/o 口工作模 式，运用四条指令： 13 mov p1m1,#00h mov p1m0,#0ffh mov p0m1,#00h mov p0m0,#0ffh 把 i/o 口配置成强推挽模式，数码管的亮度可见一斑。其中 p1m1 和 p1m0 是 p1 口输出配置寄存机，p0m1 和 p0m0 是 p0 口输出配置寄存机，具体机制可以用下 表 2.1 说明，用 p0 口举例。 表 2.1 p0 口工作方式配置表 p0m17：0 p0m07:0 i/o 口模式 0 0 准双向口输出,电流较小 0 1 强推挽输出 1 0 仅为输入 1 1 开漏输出 在编写数码管显示程序时，必须配以精准的延时程序，让人们看不出数码管在动， 一般延时越短越好，但是越短的话，单片机处理起来会有困难，速度适中就可以了。 比如，在某一时刻位选端 p0.0 是高电平，则选中了个位，然后 p1 口送显示字段码， 必须延时很短一段时间，才选择显示其他位。 2.4 键盘接口 键盘是微型计算机最常用的输入设备之一，通过键盘吧数据和操作命令输入到 计算机，实现人机对话。目前控制器中使用的键盘分为编码键盘和非编码键盘。编 码键盘带有必要的硬件电路，能自动提供按键的 ascii 编码，并能将数据保持到新 键按下去为止，还有去抖动和防止多键、串键等保护装置。编码键盘软件简短，它 根据编码就能识别是什么键按下，但硬件电路复位复杂、价格较贵。非编码键盘它 仅仅是按行、列排列起来的矩阵开关，其他的工作如识别键、提供代码、去抖动等 有软件来解决。目前，在单片机系统中，为了降低成本，简化硬件电路，大多采用 非编码键盘，此次设计要利用键盘设置或调整磁场的大小，由于只需要四个键，考 虑到键盘接口比较简单，所以此次设计利用非编码键盘。另外从制造学方面来分键 14 盘有，机械式按键、电容式按键、薄膜式按键、霍尔效应按键，本次毕业论文选择 用最便宜的机械式按键，键盘分为编码键盘和独立式键盘，编码键盘为当有键按下 去后，此时可以读到一个固定的键值，单片机必须通过软件计算出，是哪个键按下 了，以此来进行下一步的执行程序，而独立式键盘就非常简洁，只不过其占用大量 的 i/o 口，当有键按下后，由于键盘就是接在单片机对应的 i/o 口上，单片机只要 判断该 i/o 口的状态，就能判断是哪个键按下了，紧接着就会转入相应的子程序。 在键盘接口技术中，关键是如何响应键盘的按下，更关键的问题是按键去抖动，键 抖动可表述如下：在操作按键时会产生机械抖动，这种抖动经常发生在按键被按下 或抬起的瞬间，一般持续几毫秒到几十毫秒，键闭合及断开时的电压波动如图 2.11 图 2.11 键盘抖动图 如图所示，按键的稳定闭合时间，由操作人员的按键动作所确定，一般为十分之几 秒至几秒时间。为了保证单片机对键的一次闭合仅作一次键输入处理，必须去除抖 动影响。通常去抖动的影响的方法有硬、软两种。在硬件上是采取在键的输出端加 r-s 触发机或单稳态电路构成去抖动电路。在软件上采取的措施是：在检测到有键 按下时，执行一个 10ms 左右的延时程序后，再输入该键电平是否仍保持闭合状态 电平，若仍保持为闭合状态电平，则确认为该键处于闭合状态，从而去除了抖动影 响。本次毕业论文为节省开支，采用软件延时方法去抖动，采用四个按键的独立式 按键，实现开始工作、设定磁感应强度、步进增加磁感应强度、步进减少磁感应强 度。键盘的接口有 p0.4-p0.7 口分配；具体接口图如图 2.12 所示 15 图 2.12 键盘接口图 键盘接口任务中自认为比较关键的部分：可以表述如下：如果一个人长按按键不放 怎么办？请看下面几句汇编程序： jb p0.4,key2 lcall delay jnb p0.4,$ lcall delay jb p0.4,k1 第一句语句的功能是，如果 p0.4 口为高电平，则证明此键没按下，跳转到第二个 键，如果该键按下，调用延时子程序，调用延时子程序后，再判断键值处于什么状 态，第三条指令是关键，当检测到 p0.4 口依然为低电平时，继续等待，只有当按 键释放后才执行按键子程序，这不仅解决了去抖动问题，而且也解决了长按键如何 处理的问题。此种方案已经的到了证实，的确管用。另外键盘处理采用软件查询方 式进行。 2.5 a/d 转换接口 由于 stc12c5a08s2 单片机内部集成了 8 路位 a/d 转换接口，使用起来非常方 16 便，只需对相应的寄存机进行设置就可以完成任务，使用 a/d 转换器的目的是用来 检测由磁场经过霍尔元件转化成的电压信号，将其转换成数字量，给单片机进行处 理，在 a/d 转换器的使用过程中，有很多实际问题需要解决，比如在外界温度变化 的情况下，在很短的时间下采样的电压会发生变化，如果在这中情况下连续对模拟 量进行数字转换将会得到不同的结果，此时必须确定一个值，这时可以选择采用第 一个值作为采样值，然后先停下 a/d 转换，进行数据处理。下面对 stc12c5a08s2 的 a/d 转换功能作一下简单描述。要想用 a/d 转换功能，必须给单片机的 p1 口的 某位赋予 a/d 转换功能。相关寄存器有：p1asf(它是用来设置单片机 p1 口各位是 工作在模拟状态下还是常规 i/o 口状态下)；adc_contr(它是 a/d 转换寄存器)； adc_res 和 adc_resl(它们是 a/d 转换结果寄存器)；auxr1(它是 a/d 转换结果保存 方式寄存器)，另外在中断允许寄存器 ie 和中断优先级寄存器中都有设置 a/d 转换 的工作，简单介绍一下这几个寄存器的用法，其中 adc_contr 最重要。具体细节如 表 2.2 表 2.2 p1 口 a/d 控制表 adc_contr adc_power speed1 speed0 adc_flag adc_start chs2 chs1 chs0 从第 7 为 到第零位 是否开启 a/d 转换 电源 a/d 转 换速度 设定 1 a/d 转 换速度 设定 0 a/d 转换 完成标志 位 开启 a/d 转换为 选 p1 口的 第几 位作 为 a/d 通道 选 p1 口的 第几 位作 为 a/d 通道 选 p1 口的 第几 位作 为 a/d 通道 表 2.3 为 p1 口功能控制表。 表 2.3 p1 口功能分配表 p1asf 第 7 位 第 6 位 第 5 位 第 4 位 第 3 位 第 2 位 第 1 位 第 0 位 p1 口工 作方式 寄存机 第七位 控制位 第六位 控制位 第五位 控制位 第四位 控制位 第三位 控制位 第二位 控制位 第一位 控制位 第零位 控制位 17 由于此 a/d 转换机为十位，而此单片机是 8 位的，所以说必须用用两个数据存储单 元存储转换数据，在编 a/d 转换程序时必须注意一下几点问题，第一次打开 a/d 转 换电源时,需延时几十微秒才能开始 a/d 转换，当 a/d 转换完成后，a/d 转换完成 标志位会变成 1，此时必须使用软件清零方式将其清零，以便进行下次 a/d 转换的 顺利进行，因为单片机的硬件没有自动清零功能。此单片机内部的 a/d 转换频率最 大为 250khz，由于其为十位 a/d 转换，则该 a/d 的分辨率为 ，但要明确记住，nrefu2 即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性度等原因而使其精度不够高。此次设 计选用通道 p1.2 作为 a/d 转换通道。 2.6 d/a 转换接口 d/a 转换是将数字量信号转换成与此数值成正比的模拟量。一个二进制数是由 各位代码组合起来的，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，应将 每一位代码按权大小转换成相应的模拟输出分量，然后根据叠加原理将各代码对应 的模拟输出分量相加，其总和就是与数字量成正比的模拟量，由此完成 d/a 转换， 传统的 d/a 转换，需要用解码网络，解码网络的主要形式有二进制权电阻解码网络 和 t 型电阻解码网络。选择 d/a 转换器要从以下几方面考虑，首先是 d/a 转换器的 精度，其次是 d/a 转换器的转换时间，由于 stc12c5a08s2 内置有 pwm 功能，通过 软件调节 pwm 波得占空比，然后外接电阻和电容，得到一定的时间常数，就可以得 到可调的模拟量，此方法完全可行，并且节省了 d/a 转换器的费用。 图 2.13 pwm 实现 d/a 转换器 18 3 系统的总体设计 3.1 系统的总体设想 前面已经提到，设计恒定磁场发生机的关键问题是设计恒流源，设计恒流源的 方案上面已经提到了，关键问题是如何实现。众所周知，任何恒定的电流源都是相 对的，也就是恒定磁场也是相对恒定的，本次设计实际上是一个完整的控制系统， 运用的算法就是 pid 算法，通过反馈不停的检测输出量，转换成数字量，经过软件 算法处理将其和设定值比较，改变输出量控制执行机构，使输出量始终保持与设定 值相等。而现在的关键技术是解决产生 10a 的大电流，此时，用电力电子技术可 以解决此问题，但如果使用电力电子技术的话，肯定会花费很多，在此之前，用运 放和达林顿管实现 2a 电流的技术已经很成熟，完全可以运用最简单的电路并联的 知识解决此问题。则此时需要用 5 个 2a 的恒流源，此时考虑到输出电流比较大需 要用达灵顿管驱动线圈。下面主要叙述一下恒流源的原理，恒流源的原理图为： 19 图 3.1 实际中的恒流源电路 恒流源的电路原理图如图 3.1 所示，尽管 d/a 转换器将数字量转换成模拟量， 但是这时的模拟量是不稳定的，但是这种不稳定的时间是很短暂的，解决此问题的 关键电是加电容来稳定电压，就是上图所示的 c3。此时，在经过 3.6k 的电阻和 1k 的滑动变阻机加到运放的同相输入端，调节电位机的大小可以调节同相输入端 的电位，输出电位加到达灵顿管的基极 b 上，达灵顿管通过自激产生信号，并通 过电容进行滤波，利用达林顿管的电流放大特性，可实现大电流的输出。电流放大 倍数为 100015000 倍。对于 bjt 管子来说集电极的电流约等于射极的电流，在 放大状态下集电极的电流又是基极电流的 倍，所以改变达林顿 b 管脚的电位可 改变达林顿管集电极 c 管脚的电流。达林顿管 e 管脚和地之间接一个功率电阻也 是采样电阻，因为集电极电流和射极电流基本上是相等的，采用 0.43 欧姆大功率 康铜丝电阻进行采样，是因为具有功率大、受热情况下阻止改变不大，把达林顿管 的 e 管脚和 op07 的反相输入端相连，使功率电阻的电位送到 op07，来钳位达林 顿管基极 b 管脚的电位。e 管脚电压需要采集送到单片机处理，接 c2 使采集电压 更加稳定。e 管脚电压： uf =ier4 20 u=ud/a-uf 当通过达灵顿管的发射极 e 和集电极 c 上的电流变大时，功率电阻上的电压升高， 此时 u 为负值，则 b 管脚的电位降低，从而使流过达林顿管的集电极 c 和发射 极电流降低。当通过达林顿管的集电极 c 和发射极 e 上的电流变小时，功率电阻 上的电压降低，此时 u 为正值，则 b 管脚的电位升高，从而使流过达林顿管的集 电极 c 和发射极电流升高，当 u 为零时电流稳定不变，由此来达到恒流的目的。 原理框图如图 3.2 所示： 流线圈电 流 集电极电 流 ic 发射极电 流 ie 负反馈 uf 基极电流 ib 图 3.2 恒流原理框图 21 3.2 实际的大电流源 图 3.3 实际大电流电路图 从图中可以明显的看出，本系统必须用大功率电源给运放供电。很容易可以看出必 须得找一个可以承受 10a 以上电流的电源。该电源可以用广视美公司推出的大电 流稳压机 gs3612 构成的稳压电源。gs3612 是一款高效率的同步稳压机，输入电 22 压可由最低 3.6 伏特达到最高的 25 伏特，输出电压可以 0.8v 到 23v 可调且输出电 流可高达 12a。具体电路图如图 3.4。 图 3.4 运放供电电源 有了此大电流稳压电源就能保证整个系统能顺利工作。此时恒定电流源的任务已经 完成。 3.3 恒定磁场的产生 电能生磁的现象早已发现，但是电怎样生磁，生的磁又会有多大，这都和设计 密切相关。恒定电流的磁场又称为静磁场或稳恒磁场，在静磁场中，任意一点的磁 感应强度 b 仅是空间坐标的函数，而与时间无关。著名的物理学家毕奥和萨法尔 通过大量的总结实验，发现并总结了以他们的名字命名的毕奥萨法尔定律：对于 载流导线来说，可以将其微分，把流过某一线元矢量的电流与该线元的乘积称作电 流元，而且把电流元中电流的流向就作为线元矢量的方向。那么，我们就可以把一 载流导线看成是由许多个电流元连接而成的，这样，载流导线在磁场中某点所激发 的磁感应强度 b,就是由这个导线的所有电流元在该点产生磁场的叠加，那么，电 流元与它所激发的磁感应强度之间的关系如何呢？毕奥和萨法尔是这样总结的：载 流导线上有一电流元在真空中某点 p 处的磁感应强度的大小，与电流元的大小成正 比，与电流元到点 p 的矢量 r 之间的夹角 的正弦成正比，并与电流元到点 p 的 23 距离 r 的二次方成反比，即 ，其中真空磁导率很小，有了毕奥萨法204rdl 尔定律再加上微积分的运用，不管是哪种形状的线圈，都可以计算出磁场的形状和 大小。本次毕业设计要设计恒定磁场发生机，必然要利用线圈，能产生稳恒磁场的 线圈必然螺线管线圈，在真空中，如果给螺线管通一恒定电流后，它产生的磁场与 其中通的电流的关系式为： ,其中 n 为线圈的匝数, 为真空磁导率,ib00 ，可以看出在真空磁导率非常的小，所以，为了使磁场区得到磁场强7-014 度更大，在缠绕线圈时需要围绕着硅钢片缠绕，硅钢片的磁导率一般为真空磁导率 的 倍，本次毕业设计选用磁导率为 型号为 qb30 的硅钢片，这样的53- 3-104 话如果要想产生大于 1.6t 的强磁场，本次设计的电磁场发生器的磁感应强度为 2t, 由于线圈流过最大电流为 10a,根据公式 3.1 可以计算出需要绕制 50 匝的线圈。 (3.1)nib 其中 为硅钢片的磁导率，大小为 。3-104 实际需要绕制 50 匝，又由于大电流电磁线的截面直径为 3mm，这样可以确定 线圈的实际长度为 15cm，同时为了留出 15cm 的磁场区域，可得到如图 3.5 所示产 生磁场的亥姆霍兹线圈详图。其中线圈的直径为 30cm。由于 10a 的电流已经很大， 在选择线圈材料是需要选用大电流电磁线。此次毕业设计选用鄢陵华创科技实业公 司生产的大电流电磁线,此产品耐流值为 15a,完全满足要求。线圈具体形状尺寸图 如图 3.5 所示： 图 3.5 实际线圈图 磁场区15cm长 线圈总长30cm亥姆霍兹线圈 24 3.4 磁场测控系统设计 产生磁场后必然要对磁场的大小进行测量，本次毕业设计采用霍尔元件来测量 磁场的大小。霍尔元件是一中电磁磁传感机，它是利用霍尔效应通过磁场对带电载 流子运动影响的关系来确定磁场大小的，置于磁场中的静止载流导体，当它的电流 方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生 电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势。霍尔电势的大小 ,其dribu 中 r 为霍尔常数，i 为霍尔元件激励电流，d 霍尔元件两极板的间距。在利用霍尔 元件时，必须给霍尔元件提供激励电流，霍尔元件的工作电流一般为：2ma 到 5ma，本次毕业设计利用市场上有销售的 lm334z 三端恒流源给霍尔元件提供激励电 流，霍尔元件的用法也比较简单，将霍尔元件置于磁场中，霍尔元件的两个端子接 激励电流，另两个端子通过滑动变阻机调节霍尔电势，将此电压信号调理后送给 a/d 转换机送入单片机，单片机通过执行软件就能知道磁场的大小，本次毕业设计 采用 ss100 系列的霍尔传感机。知道了磁场的大小，就能驱动 led 数码管显示磁场 的大小，就能实时监测磁场的大小，将其和预设值进行比较，达到数控的目的。 25 4 系统的软件设计 4.1 控制算法 比例、积分、微分控制(简称 pid 控制)是过程控制中应用最广泛的一种控制规 律。控制理论可以证明，pid 控制能满足相当多工业对象的控制要求。所以，它至 今仍然是一种基本的控制方法。 一个典型的 pid 单回路控制系统如图 4.1 所示。图中 c 是被控参数，r 是给定 值。 p i d 控制对象 r e cu 图 4.1 pid 单回路控制系统 pid 调节机的基本输入输出关系可用微分方程表示为 dtettetkddp1tu (4.1) 式中，u(t)为调节机的输出信号； e(t)为调节机的输入偏差信号，e(t)=r(t)-c(t)；kp 为调节机的比例系数； ti 为调节机积分时间； td 为调节机微分时间。 由于本系统属于一种采样控制，它只能根据采样时刻的差值来计算控制量。因此， 在控制系统中，必须首先对式(4.1)离散化。用数字形式的差分方程代替连续系统 的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示： nni niettedt000 (4.2)tte11 (4.3) 将式(4.2)和式(4.3)代入式(4.1)，可得离散的 pid 表达式：001unetienekunidip (4.4) 26 式中，t=t采样周期，必须使 t 足够小，才能保证系统有一定的精度； e(n)第 n 次采样时的偏差值； e(n-1)第(n-1)次采样时的偏差值； n采样序号，n=0,1，2； u(n)第 n 次采样时调节机输出。 式中的第一项起比例控制作用，称为比例(p)项，即时成比例地反映控制系统的偏 差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制机立即产生控制作用，以减少偏差。 第二项起积分控制作用，称为积分(i)项，主要用于消除静差，提高系统的无差 度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 t，t 越大，积分作用越弱，反之则越强。 第三项起微分控制作用，称为微分(d)项，能反映偏差信号的变化趋势 (变化速 率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号， 从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 u0 是偏差为零时的初值。 这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用，常用的组合有： p 控制、pi 控制、pd 控制和 pid 控制。 由式(4.4)可以看出，要想计算 u(n)，不仅需要本次与上次的偏差信号 e(n)和 e(n-1)，而且还要在积分项把历次的偏差信号 e(i)进行相加，即 。这样，不仅ie 计算繁琐，而且还要为保存 e(i)占用很多的内存。因此，用式 (4-4)直接进行控制很 不方便。为此做如下改动。 根据递推原理，可写出(n-1)次的 pid 输出表达式：rnentieneknundip !21111 (4.5) 用式(4.4)减去式 (4.5)，可得 eekedp (4.6) 式中， 为积分系数； 为微分系数。dpitkipit 由式(4.6)可知，要计算第 n 次输出值 u(n)，只需知道 u(n-1),e(n),e(n-1),e(n-2)即 27 可，比用式(4.4) 要简单得多。 由于 pid 控制最初用在阀门和电机控制中，而式(4.4)的输出值与阀门开度的位 置一一对应，因此，通常把式(4.4)称为位置 pid 的位置控制式。在这种控制算式中， 由于是全量输出，所以每次输出均与原来位置量有关，为此，这不仅需要对 e(i)进 行累加，而且计算机的任何故障都会引起 u(n)大幅度变化，对生产不利。由此产生 了增量式 pid 控制的控制算法。 所谓增量式 pid 是指数字控制机的输出只是控制量的增量 u(k)。把式(4.5)和 式(4.6)相减，得到： （4.7） 21211 nenekneknudip 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： (1)算式中不需要累加。控制增量 u(k)的确定仅与最近 3 次的采样值有关， 容易通过加权处理获得比较好的控制效果； (2)计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机机发生 故障时影响范围小、不会严重影响生产过程； 在本课题中，经 a/d 转换电路采样