毕业论文_电磁运动控制系统.doc

兰州工业学院毕业设计说明书（论文）兰州工业学院毕业设计（论文）题目 电磁运动控制系统 院 别 电子信息工程学院 专 业 应用电子技术 班 级 智能电子11 姓 名 李东明 学 号 201110105118 指导教师（职称） 蔺鹏（副教授） 日 期 2014年3月12日 2323摘 要本设计以单片机STC89C52RC为核心，通过对电磁铁线圈内电压的控制，改变电磁铁的磁场力的大小，实现摆杆按指定的摆角和周期摆动。采用SYD35D4角度传感器来实现摆杆摆角信号的采集，经A/D转换器MAX1113转换为数字信号，送至单片机STC89C52RC进行处理，用L298N作为驱动电路，使达到控制摆角和周期。该设计进行了系统方案、硬件电路图和软件流程图的设计，并通过软件编程，实现了设计要求，并用LCD显示预置摆角、预置周期，实时显示了测量摆角、测量周期。关键词：单片机；电磁控制；角度传感器；摆角；周期AbstractThis design STC89C52 microcontroller as the core , through control of the solenoid Coil currents, changing the size of the magnetic force of electro-magnet, swing by electromagnetic control at a specified angle and periodic oscillations. Rocker swing angle of using the SYD35D4 angle sensor to signal acquisition, the a/d converter MAX1113 converts digital signals sent to a MCU STC89C52, and L298N as a driver in order to control the swing angle and cycles. System solutions, the design of hardware circuit diagram and software flow chart design and software programming, achieving the design requirements, and angle LCD intuitive display preset, preset cycle, measuring angle, the testing cycle is shown in real time.Keywords: STC89C52 microcontroller，electromagnetic control，angle sensor，swing angle，period目录任务书1摘 要IAbstractII目录III前 言1第1章方案设计与论证21.1 电磁控制系统方案31.2转角采集方案31.3驱动及控制方案41.4 主控系统的方案41.5系统总体方案4第2章系统硬件电路设计62.1 单片机STC89C52RC62.2 L298N简介72.3电磁铁控制模块72.3.1 电磁铁电流控制的分析82.3.2 数字PID控制算法的计算82.4角度传感器92.4.1角度测量原理92.4.2角度测量算法102.4.3角度测量电路102.5 A/D转换电路112.6 键盘电路112.7 声光提示电路122.8 LCD显示电路122.9 电源电路13第3章系统软件设计143.1 程序功能描述与设计思143.1.1程序功能描述143.1.2程序设计思路143.2 程序流程图143.2.1主程序流程图143.2.2角度控制子程序流程图14第4章系统测试174.1 测试仪器与方法174.2 角度测量174.3停止时间的测量174.4 测试结果与分析17结论19致谢20参考文献21附录：硬件电路图23前 言设计一个电磁控制运动系统，该装置由电磁控制装置、摆杆等部分构成。按下启动按钮，由静止点开始，控制摆杆摆动。并且控制摆杆在指定的摆角（1045范围内）连续摆动，按指定周期控制摆杆连续摆动。通过电磁控制方式,设计电路实现对周期性运动装置的运动幅度(摆角)和周期(频度)的控制。控制核心采用STC89C52RC,电磁驱动器采用L298N,角度检测采用SYD35D4角度传感器,显示采用LCD12864。通过PWM调速来控制线圈电流大小调节磁场强度,从而实现单摆摆动摆角和周期的控制。它具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜、能实现稳定调速。第1章方案设计与论证本题目是设计并制作一个摆杆控制系统，通过电磁控制装置，调节摆杆摆角的大小，如图1.1所示。图1.1 摆杆控制系统示意图根据题目的要求，本系统所设计的核心问题主要有：（1）按下启动按钮，由静止点开始，控制摆杆摆动。（2）由静止点开始，控制摆杆在指定的摆角（1045范围内）连续摆动，摆动摆角绝对误差5，响应时间15s。（3）由静止点开始，按指定周期（0.5s2s范围内）控制摆杆连续摆动，摆动周期绝对误差值0.2s，响应时间15s。（4）在摆杆连续摆动的情况下，按下停止按钮，控制摆杆平稳地停在静止点上，停止时间10s。（5）摆杆摆角幅度能在1045范围内预置，预置步进值为5，摆角幅度绝对误差值3，响应时间10s。（6）摆杆的周期能在0.5s2s范围内预置，预置步进值0.5s，周期绝对误差值0.1s，响应时间10s。（7）摆杆摆角幅度和周期在上述范围内可同时预置，由静止点开始摆动，摆角幅度值和周期相对误差要求均和（5）、（6）相同。当摆杆稳定运行20秒后发出声、光提示，并在5s内平稳停在静止点上。1.1 电磁控制系统方案方案一：小车带动一块电磁铁在摆杆磁铁下方往复运动。利用电磁铁通电后对磁性物质具有吸附力的特性，使摆杆随小车的运动而摆动。小车的运动周期即为摆杆的摆动周期，其原理简单，但机械装置繁杂，小车的往返控制频率过快，不易实现，且成本过高。方案二：电磁控制装置底端左右两侧各固定一块电磁铁。向两块电磁铁通以相反方向的电流，分别对磁性物质产生吸附力和排斥力，使摆杆在两个电磁铁之间摆动。摆杆摆角幅度便于控制，但需同时控制两块电磁铁电流的方向与大小，且功耗大，成本偏高。方案三：电磁控制装置底端中心固定一块电磁铁。利用电磁铁通电后对磁性物质具有排斥力的特性，使摆杆连续摆动。该方案仅需控制一块电磁铁的电流大小与方向，原理简单，功耗小，易于实现。由此可见：方案三的受控对象数与功耗均优于方案一和方案二。综合考虑后，选定方案三。1.2转角采集方案方案一：MMA7260三轴加速度传感器，线性度好，体积小，低功耗，但是机械结构比较复杂，使用起来运算量较大，程序较为复杂，单片机处理复杂且耗时。方案二：SST20倾角传感器，可同时监测X轴、Y轴两个方向的倾斜角度，精度可达到0.1，测量量程为0360。但是测量角度时需要将倾角传感器安装在摆杆上，增加了摆杆的重量，同时倾角传感器的精度较高，测量时会将噪声信号带入控制系统，影响角度测量的精度。方案三：SYD35D4角度传感器，测量量程为0360，旋转灵活，线性度为1%，动态噪声小，分辨率高，最为关键的是它采用滚珠轴承的机械结构，方便与摆杆相结合测量摆角。且该方案易于实现。综合以上三种方案，选择方案三。1.3驱动及控制方案方案一：采用线性放大驱动方式。单片机输出数字量，经D/A后转换为连续变化的电压值，控制电磁铁电磁力的大小，来改变摆角的大小，此方式波动小，线性好，对邻近电路干扰小。但存在效率低和散热等问题。硬件需要D/A转换器，电路复杂，成本高。方案二：采用PWM调速。采用L298N作为驱动芯片。PWM调速是使加在直流电磁铁两端的电压为方波形式,通过改变方波占空比实现对直流电磁铁电压大小的调节。PWM由单片机输出。L298N芯片内部开关为电子开关，速度很快，稳定性也极强。此方案电路简单，使用比较方便。基于上述理论分析和实际情况，选择方案二。1.4 主控系统的方案方案一：采用DSP作为控制器。DSP具有强大的控制和信号处理能力，片内具有快速RAM和flash，同时具有接口方便、稳定性好、精度高等优点。本题主要利用处理器控制电磁铁电流的方向与大小，数据处理方面要求不高。方案二：采用FPGA作为系统的控制器。FPGA将所有的器件集成在一块芯片上，外围电路较少，控制板体较小，稳定性高，扩展性能好。FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，易于调试。但是FPGA成本偏高，算数运算能力不强，而本设计会涉及到较多的算数运算，FPGA的高速处理的能力得不到充分体现。方案三：采用Atmel公司的89系列的单片机作为系统的控制器。单片机控制功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现逻辑控制，并且其成本低，体积小和功耗低等优点，使其在各个领域中应用广泛。另外，在本设计数据量不大的情况下完全可以完成摆杆摆角的控制。综合比较，选用方案三。1.5系统总体方案根据上述分析，设计出系统总体方案，由角度传感器SYD35D4采集转角信息后送入A/D转换器MAX1113进行转换，输出的数字量送入单片机STC89C52RC中经分析处理后输出一定占空比的PWM，经L298N功率驱动放大后控制直流电磁铁电压的大小。同时可用按键设定摆杆摆角并显示，摆杆控制系统总体方案框图如图1.2所示。液晶显示角度传感器摆杆偏角按键A/D转换单片机最小系统电源驱动模块电磁铁图1.2摆杆控制系统总体方案框图第2章系统硬件电路设计2.1 单片机STC89C52RC 本系统以STC89C52RC为控制主芯片，它是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，内置8k字节可反复擦写的Flash ROM和256B RAM，适合于许多较为复杂控制应用场合。它的外围控制电路如图2.1所示。主要特性如下：1. 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统80512. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz4. 用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，具有EEPROM功能，具有看门狗功能5. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）6. 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻图2.1 单片机最小系统2.2 L298N简介 L298N是SGS 公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.57V电压。4脚VS 接电源电压，VS电压范围 VIH 为2.546 V。输出电流可达2A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298N的OUT1，OUT2 分别接电磁铁QD2，QD1两端，5和7引脚接单片机的P1.2和P1.3口。驱动电路如图2.2所示。图2.2 驱动电路2.3电磁铁控制模块本系统采用直流吸盘式电磁铁，在通电状态下可产生强劲吸附力。电磁铁型号为P30/22 12V，外径30mm，内径12mm，高22mm，自重80g，功率5W，吸引力100N。将直流吸盘式电磁铁安装于摆杆正下方处（电磁铁距磁铁5mm），单片机对电磁铁线圈内的电流方向及大小进行相应的控制（磁性的强弱与电磁铁线圈内的电流的大小有关，磁极的方向与电磁铁线圈内电流方向有关。），实现对摆杆摆角与周期的控制。其中电磁铁两端QD1QD2分别和驱动OUT2，OUT1相连接。电磁铁电路如图2.3所示。图2.3 电磁铁电路2.3.1 电磁铁电流控制的分析系统需要控制直流吸附式电磁铁的电流，进而达到控制摆杆摆角与周期的目的。在正常情况下，当给电磁铁通以电流就会产生斥力推动摆杆磁铁发生移动；电磁铁断电后，斥力消失，摆杆摆动逐渐减小，直至停止。控制摆杆摆角与周期比较容易实现的就是用单片机输出PWM波，只要按一定规律，改变占空比即可让电磁铁的电流得到控制。在电磁铁的电流控制的过程中，免不了的要用到各种各样的算法。而我们为了更好地稳定摆杆摆角与周期使用了工业中最常用的PID控制算法。为了算法的设计方便，我们采用了数字PID控制算法。2.3.2 数字PID控制算法的计算数字PID控制算法在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用。究其原因是：该算法蕴涵了动态控制过程中现在(P)、过去(I)和将来(D)的主要信息，具有本质上的鲁棒性、优化控制特性和智能化，算法简单明了，易于掌握。单位反馈的PID控制原理框图如图2.4所示。 单位反馈代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制器，控制器算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号进行线性组合，得到输出量。其中，、分别称为比例系数、积分系数、微分系数。接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号,这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误差信号，这个过程就这样周而复始地进行。2.4角度传感器角度传感器SYD35D4可看作一个电位器，采集角度传感器的模拟电压值，再通过A/D转换得到数字量送入单片机进行处理。SYD35D4角度传感器，测量量程为0360，旋转灵活，线性度为1%，动态噪声小，分辨率高，最为关键的是它采用滚珠轴承的机械结构，方便与摆杆相结合测量摆角。其中角度传感器的TAO1端和A/D转换MAX1113的TAO1端相连接。角度传感器如图2.5所示。图2.5 角度传感器2.4.1角度测量原理SYD35D4是一种电阻式角度传感器，即由转轴角度变化引起内部电阻变化的传感器，当角度变化范围0360，电阻值的范围是05K，线性度为1%，旋转扭矩为20104NM。将它的轴与摆杆固定在一起，进行同轴转动，这样摆杆摆动时传感器的电阻也随之变化。2.4.2角度测量算法角度传感器可看作是一个电位器。由于非线性关系，当它工作时转轴旋转的角度和电位器的电阻值R满足函数关系式 R = f1() (1)然后将电阻的变化转换成电压的变化 U = K1R (2)电压再通过 A/D转换器得到对应数字量 Du= K2U (3)即测得数字量与摆角的关系式 Du= K1K2f1() (4)由于要求摆角在 045变化，非线性度很小，所以测量的数字量能够有效的表示摆杆的摆角。2.4.3角度测量电路角度传感器SYD35D4可看作一个电位器，采集角度传感器的模拟电压值，再通过A/D转换得到数字量送入单片机进行处理，最终在LCD上显示摆角。摆角检测电路如图2.6所示。 图2.6 摆角检测电路2.5 A/D转换电路A/D转换电路采用MAX1113，使用单片机+5V电源供电，选通通道0输入模拟信号，将模拟量转换为数字量。它的精度高，价格低廉，体积小，温度使用范围为070其中CS、SCLK、DIN、DOUT、SSTRB分别和单片机的 P2.1、P2.0、P2.2、P2.5、P2.4口连接，TAO1与角度传感器的TAO1相连接。如图2.7所示。 图2.7 A/D转换电路 2.6 键盘电路 本系统设计采用 4个独立式按键 S1、S2、S3、S4分别与单片机P3.4、 P3.5、 P3.6、 P3.7相连接。其中 S1为启动/停止键，进行手动切换；S2为摆角/周期加一键；S3为摆角/周期减一键；S4为摆角/周期设定键。键盘电路如图2.8所示。图2.8 键盘电路2.7 声光提示电路当摆杆在指定的摆角（10 45范围内）连续摆动时，单片机P1.0口为低电平，P2.3口为低电平，此时发光二极管D1点亮、由三极管驱动扬声器发出提示声音。当摆杆在指定的周期（0.5S 2S范围内）连续摆动时，单片机P1.1口为低电平，P2.3口为低电平，此时发光二极管D2点亮、蜂鸣器发出提示音。当摆角与周期同时指定，摆杆稳定运行20秒后，单片机P1.0、P1.1口均为低电平、P2.3口为低电平，此时发光二极管D1、D2均点亮、蜂鸣器发出提示音。声光提示电路如图2.9所示。图2.9声光提示电路2.8 LCD显示电路本系统选用LCM12864ZK为控制器的液晶显示屏，分辨率为12864，可显示84行汉字，以构成全中文人机交互图形界面。LCM12864ZK 以串行方式与单片机通信。这种方式可以大大节省单片机的硬件资源，同时显示方式是静态的可以提高单片机的执行效率。读写允许端RSE与P1.4口连接，控制液晶读写数据；串行数据输入端R/W与P1.5口连接，用于给显示器传送指令和数据；串行时钟信号E由P1.6口送入，为传送数据提供时钟信号；PSB与P1.7口连接。它可以实时直观显示测量摆角、预置摆角、测量周期、预置周期。LCD显示电路如图2.10所示。图2.10 LCD显示电路2.9 电源电路本系统采用直流稳压电源对整个系统进行供电。直流稳压电源由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。电源变压器TF1将电网220V的交流电压分别变换成12V、5V交流电压，由8个18DB10组成的桥式整流电路将12V、5V交流电压变换成脉动的12V、5V直流电压，再经滤波电路（C4、C6、C5、C7）滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的12V、5V直流电压，最后经可调式三端集成稳压器78L12、78L05输出稳定的12V、5V直流电压。电源电路如图2.11所示。图2.11 电源电路第3章系统软件设计3.1 程序功能描述与设计思3.1.1程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置、数据的显示和摆杆摆角的幅度与周期。（1）键盘的设置部分：通过键盘设定摆杆的启动与停止、设定摆杆摆角的幅度与周期。（2）数据的显示部分：测量摆角、预置摆角、测量周期、预置周期。3.1.2程序设计思路根据题目要求实现键盘控制摆杆的启动与停止、摆杆摆角与周期。用按键直接实现电磁控制系统的通电与断电，以完成摆杆的启动与停止。用按键调整电磁控制系统内流过电磁铁线圈的电流大小，以实现摆杆摆角与周期的控制。3.2 程序流程图3.2.1主程序流程图本系统软件设计采用汇编语言编程，以达到题目要求的控制精度和响应时间。主要完成转角信号的采集、角度控制、显示，并通过采集信号调节电磁铁电流大小来控制摆杆角度。其中，显示模块负责将角度传感器检测到的角度送到LCD进行显示；角度控制模块负责根据按键的输入信息来控制摆杆偏转。由于本系统的主要任务是对角度实时监控，所以在程序中将对角度的测量放在主程序中，设为查询方式；对按键的处理设为中断方式。系统软件主程序流程图如图3.1所示，按键中断处理子程序如图3.2所示。处理子程序1、2、3、4分别对应为PWM占空比加1子程序，PWM占空比减1子程序，设定值加1子程序和设定值减1子程序。3.2.2角度控制子程序流程图单片机读入设定值X和测量值Y后进行比较，调节占空比改变直流电压调节角度，控制摆杆偏转。如图3.1所示。YNN开始读设定值Y按键处理读测量值XX=YXY减少占空比DPWM输出返回增大占空比D图3.1角度控制子程序流程图1按键中断处理子程序按键中断处理子程序流程图如图3.2所示 图3.2 按键中断处理子程2. 键盘子程序流程图键盘子程序流程图如图3.3所示中断等待显示读键值角度控制角度信号采集开中断堆栈初始化系统初始化开始图3.3 按键中断处理子程第4章系统测试基于本次设计题目的要求，本系统采用SYD35D4采集摆杆的转角并通过LCD显示，还可通过键盘预设转角值，其分辨率可达到2。 4.1 测试仪器与方法测试条件：经多次检查，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路无虚焊，同时测试时保持无外磁场干扰状态。测试仪器：高精度的数字毫伏表一个，数字万用表一个，秒表一块，直角三角板，量角器一把，直尺一把。测试方法：1、测试要求（1）、（2）项时，用量角器量出摆杆偏角并与LCD上显示的角度值进行比较，看角度传感器测得的角度是否准确。2、测试要求（3）、（5）、（6）项时，用量角器量出摆杆实际转角并与LCD上显示的角度值和按键设定的角度值进行比较，并用秒表记录调节时间，评判其控制性能。4.2 角度测量角度测量结果如表1所示： 表1 角度测量数据比较（单位：度）实际角度01415163031404345显示角度01314152729374142绝对误差0-1-1-1-3-2-3-2-34.3 停止时间的测量 停止时间的测量如表2所示：表2 停止时间的测量（单位：秒）测量次数1234停止时间2.72.72.62.84.4 测试结果与分析通过测试结果可以看出，当摆杆角度从045范围变化时，当角度小于20时，控制容易，误差小，控制时间短。当角度接近45时，控制时间也明显增加，误差也较大。当控制角度在3045时，控制时间也明显增加，误差也较大。结论根据上述测试数据，可以清楚地看出不同的摆角、不同的周期、不同的响应时间的数据对比，由此可以得出以下结论：1. 电磁控制装置方案和角度传感器很重要，一般的电磁控制方案和角度传感器很难实现在规定的角度内摆杆的连续摆动；如果减轻或增加摆杆重量，则角度不好控制；如果支撑轴太粗糙，则会限制摆杆的摆动。2.数据处理手段多样，不但要有实施监控的，还有整体宏观曲线，同时数据的分析与拟合等多种手段。3.本系统能较好的完成摆杆控制系统的要求。4. 完成了所要求的（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）。5、采用LCD实时显示角度与周期，并能实时显示角度和周期的设定值。6、系统在完成所要求(1)时,分辨力可达1, 绝对误差小于5，完成所要求(3)时，调节时间优于所要求得时间。致谢在论文即将完成之际，也将是我的大学生活快要结束的时候，此时，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有我们可敬的蔺鹏老师给了我辛勤地指导，还有其他师长、领导、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！在这次毕业设计中，首先要感谢我的指导老师蔺鹏老师，他在学习和设计方面给予我大量的指导，并为我们提供了一个良好的学习环境，让我学到了知识，