0119、变压器的智能绕线功能系统毕业设计论文资料
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0119、变压器的智能绕线功能系统毕业设计论文资料,毕业设计论文
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1 随着电子电器工业的发展，线圈的需求量越来越大、品种也越来越多，从大型的电力变压器、牵引电机绕组到充电用的微型线圈、节能灯具用线圈，以及各类电子设备都使用线圈。绕线机是用来绕制线圈的设备。在使用的各种绕线机中，有最早的手工绕线，现在大都用机械式的绕线机。机械式绕线机精度较差，线圈需逐匝检验，工作效率较低，劳动强度高，尤其是机械式绕线机由于没有采用自动控制技术，线滚子由于惯性超越运行，散线易划去表面绝缘层，影响产品质量。现在国内绕线机已有了全自动、多功能、自动化产品。从线圈生产的上线、排线、馈线、到线圈绕制下 线等，都实现了过程自动化。从绕线机的控制形式上看，从单一的开环控制发展到使用直流伺服系统和交流伺服系统的闭环控制，已经形成了由单轴绕制线圈到多轴同时绕制多个线圈的系列产品。但这些先进的绕线机产品价格很高，对中小型电机制造企业的绕线使用来说，功能有比较大的冗余，价格太高，一旦出现故障自己难以维修，所以针对某中小型电机制造厂使用机械式绕线机的缺点，根据实际生产的要求，研制成本低、功能满足使用要求、简单易学、操作方便的数控绕线机。 在我国已生产和使用了多年，改革开放以来，我国元器件厂也引进了许多国外的绕线机。常见 的有平行绕线机、环行绕线机及各种特种绕线机等。在绕制细微漆包线时，这些机器都会遇到共同的问题，如无法达到整齐排线，绕线张力无法控制等，特别是绕制 0 1mm 以下的一些音圈、传感器机芯等线圈时，问题尤为突出。针对这种情况，我们研制了这种适用于细微漆包线的绕线机，很好地解决了这个问题，用它绕制的磁电式测振传感器机芯线圈，张力稳定，线圈直流电阻一致性好，排线整齐，外观达到了“镜面”效果 变压器、线圈以及其他绕组是电器设备常用的部件，这些部件一般由绕线设备绕 制 而成。绕线骨架有效长度、绕线线径以及绕线圈数是影响部件电气 性能的 3 个主要技术参数，同时，也是评价绕线设备绕线质量的重要功能指标。 由于单片微机的出现和其在实时控制系统应用方面表现出的优异功能，使现代绕线机越来越多地采用单片机作为其控制电路的核心，通过适当设计可以克服上述问题，并能实现人 -机对话。本文提出了一种采用 AVR 单片微机为核心的智能绕线机控制电路。由微机控制的绕线机通常由四部分组成：电源、微机控制电路、定位伺服放大系统和机头。其电源部分由主电源和数控电源组成，以向电机、控制电路和伺服放大系统等提供电能；定位伺服放大系统可采用脉宽调制控制伺服放大器。通过改变直 流伺服电动机电枢上的电压控制电动机转速，改变脉冲个数控制电机转过的角度，从而实现准确定位和较大范围调速； 本文利用nts 2 步进电机变细分驱动排线机构、直流电机调速驱动绕头，以单片机作为控制微机开发了新型自动绕线机。该机能在有效长度不同的绕线骨架上，对不同线径的绕线实现定圈数高质量绕排，具有结构简单，变通性强，性能价格比较高等优点。 绕制绕组的设备一般都装有计数器，常用的计数器有机械式和电子式计数器。准确快速地计数对保证产品质量和提高工作效率非常重要。在绕组绕制过程中，当绕组匝数达到规定值停机时，由于绕线机转动惯量很大 ，因而绕线机不会立刻停止转动，即使是采取提前停机的措施也很难正好绕到绕组规定的匝数，还需要进行正转或反转的调整。为此设计了一种绕线机自动计数控制器，能进行绕线机自动起、停控制和正、反转计数。该计数控制器在测试中取得了满意的效果。 该装置运用了先进的新型 MCU 和显示驱动专用芯片， 使其计数、显示、控制一气呵成，形成了集成度高、运行可靠、操作安全的智能化控制系统。这种简捷、清晰、精锐的系统结构不但可用于绕线机的控制装置，也可改造并使其它机械设备的智能化程度得到提高。 1 系统 概述 nts 3 1.1 系统功能要求 1） 用户能够输入产品的参数信息。 2）采用 PWM 控制，无极变速，慢速启动 3）自动排线，换向灵敏，到匝自动停车 4）绕制线圈最大外径： 120mm 5）绕制线圈最大长度： 180mm 6）绕制线圈最小长度： 3mm 7）绕制线圈线径范围： 0.03 0.5mm 8）计数器范围： 0 99999 圈 9）主轴转速： 80 2500 转 /分钟 10）断线时停车报警 11）液晶屏显示参数 12）能够保存 30 个产品参数信息 1.2 系统组成 经过 分析 系统功能 的 要求 ，可 以 将各 部分 功能 分别 由硬件完成，或硬件与软件共同完成 。 得出系统的框图如图 1.1。 M C U键 盘红 外 传 感 器 液 晶 显 示 器电 源步 进 电 机 驱 动 直 流 电 机 驱 动步 进 电 机 直 流 电 机图 1.1 系统组成 在硬件设计时需考虑 上面所述的 1）， 2）， 10）， 11）点 。硬件部分应该包含：主轴nts 4 电机控制电路，排线电机控制电路，圈数计数电路，排线到位检测电路，键盘输入电路，显示电路，电源电路。 此外，硬件电路设计时要考虑数字与模拟间的抗干扰问题，采取有效的抗干扰措施。 在软件设计时需考虑 上面所述的 1） 12）各点。软件部分应该实现：键盘按键的捕捉识别，主轴电机的控制，排线电机的控制，数据的显示，参数的存取，圈数计数，断线报警。 2 系统设计方案 的 比较 nts 5 2.1控制 器 的方案论证与选择 方案 一 ：采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器。 CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、 IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案 二 ：采用凌阳公司的 16 位单片机，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机在语音处理和辨 识时，由于其占用的 CPU 资源较多而使得处理其它任务的速度和能力降低。 方案 三 ：采用 Atmel 公司的 ATmaga16L 单片机作为主控制器。 ATmaga16 是一个低功耗，高性能的 8位单片机，片内含 16k 空间的可反复擦些 100,000 次的 Flash 只读存储器，具有 1Kbytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个 IO 口， 2个 8 位可编程定时计数器， 1个 16 位可编程定时计数器，四通道 PWM，内置 8 路 10 位 ADC。且 maga 系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。 从 各 个角度考虑，方案 三 的 可行性高。 2.2直流电机 驱动电路的方案论证与选择 方案 一 ： 使用模拟电路，通过电位器调节 电机两端电压进行调速。 如图 2.1， 达林顿管串联在直流电机回路上，通过调节电位器改变电机回路的电流的大小，从而达到控制电机速度的目的。 此 方案的优点在，电路简单，通过一个电位器就可以达到调节电机速度的目的， 但它也存在明显的不足，三极管工作在放大区时在电机回路上将产生一个0.7 24V 的压降，会产生很多的热量，效率很低。 方案 二 ： 利用 PWM 控制电机调速。 PWM 控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 ，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 PWM 控制技术 1的理论基础是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 PWM 对半导体器件的导通和关断进行控制，是输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替 正弦波 或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也改变输出频率。 如图 2.2 所示 ， 将方案一中的达林顿管换成场效应管。从场效应管的栅极输入一 PWMnts 6 脉冲，通过调节 PWM 波的占空比来控制场效应管导通与截止的时间比，从 而达到调整电机速度的效果。由于场效应管工作在开关状态，且导通电阻很小，可达 10 毫欧，所以用此电路的效率很高，但必须有 PWM 波电路。 A-+VCCVCCA-+VCCP W M图 2.1 电机驱动方式 1 图 2.2 电机驱动方式 2 比较方案一与方案二，方案二的优势显著，且 ATmaga16L 单片机集成了 PWM 波输出，可以通过软件来实现电机速度的调节，所以选择方案二。 2.3显示电路的方案论证与选择 方案一：采用数码管显示。数码管显示的亮度高，显示效果鲜明，且价格低，软件编程简单，但数 码管显示内容单一，只限于显示数字，显示的区域小 ，硬件连接麻烦 。如图 2.3。 图 2.3 数码管显示的效果 方案二：采用液晶屏显示。液晶屏显示的内容多，不仅可以显示数字，还可以显示nts 7 汉字和字母，显示区域也比数码管的大。可以通过编程实现菜单操作，用户操作起来很方便简单。 如图 2.4。 图 2.4 液晶显示的效果 本系统要显示的数据较多，要存取的数据也多， 用液晶显示可以设计成菜单结构，显示内容直观，操作方便， 故选择方案二比较合适。 3 系统硬件设计 nts 8 3.1单片 机电路 3.1.1 AVR 单片机内部结构 AVR 单片机 2内部 资源非常丰富， 集成了各种常用的外围设备， 如图 3.1 所示，主要由以下部分组成： 16K 字节擦写寿命 10000 次的系统内可编程 Flash 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区 片上 Boot 程序实现系统内编程 可 同时读写操作 的 512 字节擦写寿命 100000 次的 EEPROM 1K 字节的片内 SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口 ， 标准的边界扫描功能支持扩展的片内调试功能 通过 JTAG 接口实现对 Flash、 EEPROM、 熔丝位和锁定位的编程 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器 具有独立振荡器的实时计数器 RTC 四通道 PWM 8 路 10 位 ADC 2 个具有可编程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 面向字节的两线接口 IIC 两个可编程的串行 USART 可工作于主机 / 从机模式的 SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 TWI 片内模拟比较器 上电复位以及可编程的掉电检测 BOD 片内经过标定的 RC 振荡器 片内 / 片外中 断源 6 种睡眠模式 : 空闲、 ADC 噪声抑制、省电、掉电、 Standby 模式 32 个可编程的 I/O 口 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻nts 9 单元 (ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。 AVR 的 ATmega16 有如下特点 :16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即RWW)， 512 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM， 32 个通用 I/O 口线， 32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器 (T/C),片内 /外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口， 8路 10 位具有可选差分输入级可编程增益 (TQFP 封装 ) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、 A/D 转换器、 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中断系统继续工 作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生 产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区 (Application Flash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区 (Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为 本系统的 应用 提供了灵活的解决方案。 nts 10 图 3.1 单片机内部结构 nts 11 3.1.2 AVR 单片机引脚功能 图 3.2 AVR 单片机引脚功能 图 3.2 是 AVR 单片机 DIP 封装的引脚图，以下是各引脚功能说明。 VCC 数字电路的电源 GND 地 端口 A(PA7.PA0) 端口 A 做为 A/D 转换器的模拟输入端。端口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸 收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 端口 B(PB7.PB0) 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还nts 12 未起振，端口 B 处于高阻状态。端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 C(PC7.PC0) 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 D(PD7.PD0) 端口 D 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称 的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见 P36Table 15。持 续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 AVCC AVCC 是端口 A 与 A/D 转换器的电源。不使用 ADC 时，该引脚应直接与 VCC 连接。使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接。 AREF A/D 的模拟基准输入引脚。 3.1.3 AVR 单片机最小系统电路 图 3.3 是 AVR 单片机最小系统电路图，图中 U1是 AVR 单片机，是整个系统的核心控制单元， R1 和 C1 组成单片机的复位电路， 晶振 XTAL，和 C1， C2 是单片机时钟源的辅助电路。 AVR 单片机的外围电路非常简单，使系统更加的简单，提高可靠性，降低故障率。 nts 13 PB0 (XCK/T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0/INT2)3PB3 (AIN1/OC0)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8RESET9PD0 (RXD)14PD1 (TXD)15PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PD6 (ICP)20PD7 (OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0 (SCL)22PC1 (SDA)23PC2 (TCK)24PC3 (TMS)25PC4 (TDO)26PC5 (TDI)27PC6 (TOSC1)28PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7 (ADC7)33PA6 (ADC6)34PA5 (ADC5)35PA4 (ADC4)36PA3 (ADC3)37PA2 (ADC2)38PA1 (ADC1)39PA0 (ADC0)40VCC10U1 ATmega16-16PC10uFC120pC220pC312YXTAL10KR1VCCVCCVCCVCCD1D2D3D4D5D6D7D8DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7RSRWEPWMWRIN1IN2IN3X1X2X1 X2图 3.3 AVR 单片机最小系统电路 复位电路是为了保证单片机在正式运行程序之前，将内部各个功能寄存器的状态回复到初始状态，以保证单片机按照程序设计者的意图运行。 R1 与 C1 构成 RC 电路，在系统上电后，单片机复位端电压渐渐升高，当电压升高到复位端 RESET 门限电压 0.9V 时，单片机完成复位，在系统断电后， C1 通过复位引脚内部电路放电，在下一次上电时又可以进行复位过程。 由于刚上电时，电路中的电容，电感的存在，电路电源的稳定需要一定时间才能使单片机正常可靠运行，所以复位时间长对系统的可靠性有利。电路中 R1选 10k， C1 选 10uF，复位时间在 10MS 以上，可以可靠的对单片机进行复位。 R1， C1 应该靠近单片机，与单片机的连线短些，可以减少因为周围干扰一起的错误复位动作。 由参考文献 11， 124-125可知。 使用外部晶振速度快，频率稳定，抗干扰强，适合在周围用电环境复杂，系统可靠性要求高的电路中。晶振 XTAL，和 C1， C2 与单片机内部时钟源电路一起组成 8M 的时钟频率，供给单片 机内部使用，单片机的熔丝配置中应该选择使用外部晶振选项。晶振，校正电容 C2， C3，与单片机的连线应该越短越好，且周围不要有大电流回路，尽量不要在晶振底部走线，晶振的金属外壳要与地相连，可以提高时钟电路的稳定性和可靠性。 nts 14 3.1.4 AVR 单片机 PWM 电路 为了调节电机速度，设计方案中选择了 PWM 方式， AVR 单片机内部集成了 PWM 模块，通过编程可以实现 PWM的频率和占空比的调整。以下是 AVR单片机 PWM模块的工作原理。 图 3.4 PWM 产生原理 图 3.4 是 PWM 占空比调整的原理图 。计时器重复地从 BOTTOM 计到 MAX，然后又从MAX 倒退回到 BOTTOM。在一般的比较输出模式下，当计时器往 MAX 计数时若发生了 TCNTn与 OCRn的匹配， OCn 将清零为低电平；而在计时器往 BOTTOM 计数时若发生了 TCNTn与OCRn 的匹配， OCn 将置位为高电平。 因此通过设置 OCRn 的值就可以改变 PWM 的占空比。 PWM 的周期可以通过设置 TCNTn 计数脉冲的频率来调整，如果 用系统时钟，则 同过选择分频比就可以得到所需的 PWM 波的频率。 PWM 周期的选择直接关系到电机控制的性能， PWM 频率太低，则电机转动不顺畅，抖动， 噪声大，输出力矩不稳定。 PWM 频率太高，则驱动电机的功率管长期工作在高频开关状态，发热量大，效率低，还容易烧毁。一般选择 PWM 频率为 15KHZ，可兼顾两方面的要求。 3.2 电源电路 由于电机需要驱动电路需要 24V 的工作电压而单片机、液晶显示器、传感器 等工作电压需要 5V，所以变压器的 24V 输出需要 经过稳压模块稳定到单片机的工作电压范nts 15 围。 考虑到电机驱动电路必须和单片机分开供电， 这样可以避免电机电路对单片机电路的干扰 所以采取对单片机单独供电，步进电机和直流电机桥臂共用一个 24V 电源。 系统电源电路原理如图 3.5 所示。 Vin VoutGNDVR 78051000uFC410uFC51uFC62.2uFC70.1uFC8VCCVCCVCCVCCVCCVCCDS1LED0电源电路220V AC12V12V 12V470uF图 3.5 系统电源电路原理 3.2.1 电源电路的结构 由变压器出来的交流信号经过桥式整流 3和电容滤波之后送给 LM7805，稳压 5V 输出，它的输出单独供给单片机。在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量的滤波电容，使滤掉纹波的效果更好，输出的直流电压更稳定。接小容量高频电容以抑制芯片自激，输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声 ，使单片机工作在一个良好的电源环境中，提高系统稳定性。 3.2.2 电源芯片引脚功能 电源电路主要运用到 7805 稳压芯片， 输出电 压为 5V，加散热片时 驱动电流可达 1A，输出 电流 200 300mA 时， 7805 温度 在 50 度左右 ，并且有过温切断输出起到保护功能。该 系列 芯片技术成熟， 所需的外围器件少， 性价比高，运用的非常广泛， 其内部原理图如图 3.6。 nts 16 图 3.6 7805 内部原理图 图 3.7 为 7805 的引脚图 ： INPUT 电源输入端，最大可达 35V GROUND 电源地 OUTPUT +5V 输出端 图 3.7 7805 的引脚图 nts 17 步进电机的稳驱动 采用专用的驱动电路模块，使用模块电路可以加快产品开发速度，使系统结构简单 ，稳定，可靠 。 且单片机只需 2 个接口就可以完成步进电机的方向和步进控制。 所选用的驱动器型号为森创公司的 SH-20403，它的主要参数如下： 10V 40V 直流供电 H 桥双极恒相流驱动 最大 3A 的 8 种输出电流可选 最大 64 细分的 7种细分模式可选 输入信号光电隔离 标准共阳单脉冲接口 脱机保持功能 3.3 直流电机驱动电路 图 3.8 是直流电机驱动的整体电路，电路主要由场效应管 Q1，来驱动电机， D1 为二极管，在电路中起到电机电感的放电作用，以 保护场效应管不会被高压击穿， R4， R5，红外发射管，红外接收管共同组成数模隔离电路，单片机输出的 PWM 波从电路中的 PWM端口输入，红外发射管将 PWM 电信号转换为光信号，红外接收管再将光信号转换为电信号 ， 控制场效应管的栅极。这样单片机与电机驱动电路就实现了电隔离，消除了驱动电路对单片机系统的干扰。 光 电隔离所用的光电管分为线性光电管，和开关式光电管，本系统的主控制器输出的 PWM 波属于数字信号，所以选用开关式光电管即可。 二极管 4007是整流型二极管，电流通过能力高达 1.5A，满足电路要求。 A-+M2Motor ServoU5Optoisolator1200R45.1kR5VCC D1 1N4007Q163024V24V24V_GND24V_GNDPWM数模隔离图 3.8 直流电 机驱动电路 3.4 传感器电路 图 3.9 是圈数检测电路，主要元件是红外对射管，左半部分，电源 VCC 经电阻 R2限流，为红外二极管提供 15MA 的电流，右侧红外接收管接收到红外光后，导通并将 R3nts 18 的电位拉低，如果在红外发射管与红外接收管之间有物体，则红外接收管接收不到红外光， R3 没有电流通过，输出为高电平。在主轴电机上安装一金属挡片，电机每转过一周，经过传感器一次，传感器输出一段高电平，引发单片机中断，进行一次计数。 U2Optoisolator1200R25.1kR3VCCVCCIN1图 3.9 圈数检测电路 3.5 液晶显示电路 图 3.10 是液晶显示器的工作电路， 由于系统要求显示汉字且内容偏多，所以选择内带字库的图形点阵型 4OCM12864 液晶模块。此 模块是 12864 点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与 CPU 接口，具有 8位标准数据总线、 6条控制线及电源线。 其 最大工作范围 如下： 1)逻辑工作电压 (Vcc)： 4.5 5.5V（ 12864-3、 12864-5可使用 3V供电） 2)电源地（ GND）： 0V 3)工作温度 (Ta)： 0 55 (常温 ) / -20 70（宽温） 由于液晶模块内部高度集成，所以外部接口相对简单。 其引脚说明如下： VSS1VDD2NC3RS(CS)4RW(SID)5E(SCLK)6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714PSB15NC16RST17NC18LEDA19LEDK204*8液晶显示器LCD LCD4*8VCCVCCDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7 RSRWE图 3.10 液晶显示电路 nts 19 4 系统 的 软件设计 软件部分主要完成对键盘的分析及有关数值的显示，控 制 绕线的启停和 步进 电机的反向、协调 步进 电机和主轴电机的运动，检 测 主轴脉冲发生器脉冲并计数，以及断线和中途停车报警等功能 。 4.1直流电机控制子程序 直流电机控制子程序 完成电机的调速工程，其执行流程如图 4.1。 系统采用 PWM 方式控制电机运转，通过改变 PWM 的占空比实现电机调速。 AVR 单片机输出的 PWM 分辨率可达 256 个等级，实现了电机的无级调速。 系统开始执行绕线程序时不断查询键盘，若查 询到加速键按下，则增加 PWM 脉冲的占空比，增长周期内场效应管导通的时间，使电机转速提高，当电机速度已达到最大则速度不再增加；反之，减速键按下，则电机速度降低。若按下暂停键，电机逐渐减速，直到停止；重新启动时，自动加速到之前速度。 v a l u e = K e y _ B o x ( ) ;调 键 盘 程 序 v a l u e = u p ？加 速 键 ？v a l u e = d o w n ？减 速 键 ？O C R 1 A L + + ；增 大 占 空 比 O C R 1 A L + + ；减 小 占 空 比 图 4.1 直流电机控制流程图 4.2键盘子程序 键盘程序完成键盘的扫描，除抖动，键码保存的功能，其执行流程如图 4.2。 单片机向行扫描口输出全为“ 0”的扫描码，然后从列检测口检测信号，只要有一列信号不nts 20 为“ 1”，则表示有键 按下，且不为“ 1”的列即对应为按下的键所在列。然后进行逐行扫描，单片机首先是第 1 行为“ 0”，其余各行为“ 1”，接着进行列检测，若为全“ 1”，表示不在此行，否则即在此行； 然后第 2 行为“ 0”，其余各行为“ 1”，接着进行列检测，若为全“ 1”，表示不在此行，否则即在此行；这样逐行检测，直到找到按下键所在的行。当各行都 扫描以后仍没有找到，则放弃扫描，认为是键的误动作。对于 4X4 键盘，因为按键的位置由行号和列号唯一确定，且行列个 4位 ，所以用一个字节来对键值编码是很合适的。 由参考文献 9， 45-46可知 。 P O R T B = 0 X 0 F端 口 B 低 4 位 设 为 上 拉端 口 B 高 4 位 输 出 0 0 0 0D D R B = 0 X F 0端 口 B 低 4 位 设 为 输 入端 口 B 高 4 位 设 为 输 出P I N B = 0 X 0 F ？有 键 按 下 ？ 延 时 1 0 M S 除 去 按 键 抖 动P I N B = 0 X 0 F ？有 键 按 下 ？ V a l u e = P I N B保 存 行 键 值P O R T B = 0 X F 0端 口 B 高 4 位 设 为 上 拉端 口 B 低 4 位 输 出 0 0 0 0D D R B = 0 X 0 F端 口 B 高 4 位 设 为 输 入端 口 B 低 4 位 设 为 输 出V a l u e | = P I N B保 存 列 键 值P I N B = 0 X F 0 ？键 按 松 开 ？ 延 时 1 0 M S 除 去 按 键 抖 动r e t u r n V a l u e返 回 键 值YNYNYN图 4.2 键盘识别流程图 nts 21 4.3传感器子程序 为了使圈数计数正确及时，不漏计多计，故采用中断方式来进行计数。传感器每输出一个脉冲，单片机就进入中断服务程序，进行计数，并在脉冲过后延时一段时间后退出中断服务，以保证不会应抖动 多 次进入 中断，导致计数错误 。 若计数值达到目标数，则主轴电机停转，关闭中断。 其执行流程如图 4.3。 D D R D & = 0 X F 3中 断 输 入 引 脚 设 为输 入 M C U C R | = 0 X 0 F ; G I C R | = 0 X c 0 ;开 外 部 中 断S e i ( ) ;开 总 中 断中 断N + +计 数 值 加 一引 脚 为 低 ？延 时 1 0 M S 除 抖 动延 时 1 0 M S 除 抖 动延 时 1 0 M S 除 抖 动YN图 4.3 传感器检测流程图 4.4 步进电机控制子程序 步进电机控制子程 序 完成电机方向控制，步进控制，步数控制。 其执行流程如图 19。 单片机的 PD5， PD6 用于和两相步进电机的驱动器接口。其中 PD5 用于设置步进电机的方向控制， PD6 用于对步进电机的转角控制。正常运行时， PD5 根据排线方向置高或置低， PD6 则输出一定频率，和占空比的方波，频率越高，电机转的越快，但方波的高电平持续时间不能过短，否则会超出驱动器的响应时间，频率也不能大于 3KHZ。为避免步nts 22 进电机发生失步和 抖动，特别是在启动，停止，及反转时应注意驱动器的响应时间，在启动时，以低于响应频率的速度运行，然后慢慢加速，加速到 一定速度后就可以在此速度下运行，当快要到达指定步数时，就慢慢减速，使其在低于响应频率下运行，直到停止，采用次方法可以使步进电机以最快的速度运行，而且不出现失步的现象。步进电机速度的调整，可通过该变 PD6 引脚方波的输出频率，在软件中可通过延时很方便的实现某一频率的输出。其控制流程如图 4.4。 主 轴 电 机 转 了 一 周 ？计 算 步 进 电 机的 运 行 步 数 N确 定 步 进 电 机的 运 行 方 向步 进 电 机运 行 一 步 N - -N = 0 ？走 完 了 ？ 图 4.4 步进电机控制流程图 4.5 显示子程序 显示子程序 完成往液晶传送显示指令和显示数据的任务， 其中 128X64液晶的指令 集nts 23 如下： 1)清除显示 (指令代码为 01H) 功能：将 DDRAM 填满 “ 20H”( 空格 )，把 DDRAM 地址计数器调整为“ 00H”，重新进入点设定将 I/D 设为 “ 1” ，光标右移 AC 加 1 2)地址归位 (02H) 功能：把 DDRAM 地址计数器调整为“ 00H”，光标回原点，该功能不影响显示 DDRAM 3)点设定 (04H/05H/06H/07H) 功能：设定光标移动方向并指定整体显示是否移动。 4)显示状态 开 /关 (08H/0CH/ODH/0EH/0FH) 功能： D=1: 整体显示 ON ; D=0: 整体显示 OFF. C=1: 光标显示 ON ; C=0: 光标显示 OFF.B=1: 光标位置反白且闪烁 ; B=0: 光标位置不反白闪烁 5)光标或显示移位控制 (10H/14H/18H/1CH) 功能： 10H/14H：光标左 /右移动， AC 减/加 1； 18H/1CH：整体显示左 /右移动，光标跟随移动， AC 值不变 6)功能设定（ 20H/24H/26H/30H/34H/36H） 功能： DL=1： 8-BIT 控制接口 DL=0： 4-BIT 控制接口 RE=1： 扩充指令集动作 RE=0： 基本指令集动作 7)设定 CGRAM 地址 (40H-7FH) 功能：设定 CGRAM 地址到地址计数器（ AC），需确定扩充指令中 SR=0(卷动地址或 RAM 地址选择 ) 8)设定 DDRAM 地址（ 80H-9FH）功能：设定 DDRAM 地址到地址计数器（ AC） 9)读取忙碌状态（ BF）和地址功能：读取忙碌状态（ BF）可以确认内部动作是否完成，同时可以读出地址计数器（ AC）的值 。 其执行流程如图 4.5。 R S = R W = E = 1 读 液 晶 状 态 液 晶 忙 吗 ？ 写 地 址 数 据写 汉 字 区 码写 汉 字 位 码NY释 放 数 据 总 线图 4.5 显示流程图 nts 24 4.6主程序 主程序 完成各模块程序的调度， 其中绕线程序最关键，其执行流程如图 4.6。 程序一启动先进行 系统初始化，然后调入用户参数，待用户确定后，开始执行绕线程序，主轴电机开始运行，步进电机根据参数的不同协调主轴电机运转，同时液晶屏幕上显示当前的运行情况，包括运行速度和完成情况。 开 始调 入 参 数绕 一 圈 了 吗 ？向 左 移 动 直 径 宽 度圈 数 加 1绕 满 一 排 了吗 ？绕 完 了 吗 ？绕 一 圈 了 吗 ？向 左 移 动 直 径 宽 度圈 数 加 1绕 完 了 吗 ？绕 满 一 排 了吗 ？YNYYNNNYN结 束图 4.6 主程序 nts 25 5 系统调试 5.1 硬件调试 5.1.1 电源电路的调试。 接通 220V 电源，用万用表交流 50V 档测量变压器的次级线圈，电压表指示 11V，电压正常。用万用表直流档测量 C4 两端的电压，电压表指示 12.5V，电压正常。用万用表直流档测量 7805 输出 端 的电压，电压表指示 5.1V，电压正常。 5.1.2 直流电机电路的调试。 接通电机供电电源，将场效应管的栅极接地，电机不转，再将场效应管的栅极接 12V，电机转， 用信号发生器输出一方波，峰值为 5V，占空比从百分之 0逐渐调到百分百，电机速度也逐渐由停止加速到最大速度。 结果正常。 5.1.3 步进电机电路的调试。 接通电机供电电源，将步进电机驱动器的方向控制端接地，用信号发生器输出一频率为 1K的 TTL 电平，步进电机正转，再将方向控制端接 +5V，步进电机反转。逐渐调节输出频率，在频率小于 3KHZ 的前提下，步进电 机速度逐渐变快。 结果正常 。 5.1.4 传感器 电路调试。 接通电源， 进入绕线程序， 用一 挡 片插入传感器，传感器指示灯变亮，取出挡片，传感器指示灯灭， 液晶屏幕上的计数值加一，步进电机转过一个角度，接通直流电机，电机旋转，传感器指示灯闪，闪烁频率与电机转数一样。 结果正常。 5.1.5 液晶电路调试。 接通电源，液晶被光灯亮，并显示开机画面，显示内容清晰，对比度高， 按键盘的按键，液晶屏幕显示的内容改变为相应的菜单文字。 结果正常。 5.1.6 键盘电路调试。 接通电源，按下相应按键，液晶显示内容转到相应菜单，或在屏 幕上显示相应数字，结果正常。 5.2 软件调试 连接好全部电路，接通电源，液晶显示开机画面，按任意键，进入主菜单，按上下键，光标 选择到“添加型号”，按确定，进入“添加型号”界面，按相应按键，添加完一组参数，并保存。返回上一级菜单，进入“选择型号”菜单，并选择之前添加的型号，确定，系统进入绕线程序，电机转动，开始绕线，液晶显示当前状态，完成后停止。 调试结果：软件功能基本正常， 但 绕线精度 还存在微小误差，经过修正 后 ，达到了预期 目标 。 nts 26 结论 以 AVR 的 ATMEGA16 单片机 为 控制的器 绕线机， 结构简单， 体积减小 ，控制精确，操作简单 ， 成本显著下降 ， 可靠性显著提高 。可用于各种型号线圈的绕制 。 有比较高的性能价格比 。 经过各项功能的调试，不断的修正，系统以达到良好效果，各项指标均已达到目标要求， 电源电路工作稳定，输出电压正常，发热正常 ；电机驱动正常，电机调速灵敏；传感器响应迅速，计数准确。 液晶模块工作正常，显示内容清晰；键盘灵敏，不会发生连击情况。系统的某些指标已超过了设计要求，达到了良好效果。 该系统最后通过实际使用，系统稳定，没有出现程序跑乱的现象，符合其最终的标准。 nts 27 致谢 语 毕业设计是我大学学习生活的最后一项学习任务，是对我大学四年学习的综合考核。而也为了使我的综合素质技能可以有一个很大的提高，这次毕业设计 ,我选择了张根柱教授所带的这个比较具有实用性的有意思的课题 。 在 为期两个多月的毕业设计过程中，我不仅较为系统的复习了以前学的知识，而且又学习了许多新知识，使我的知识结构更加系统化，也更加完善。同时，也提高了我独立分析问题、解决问题的能力。 本次毕业设计能够顺利地完成，首先要感谢我的指导 老师张根柱教授。 张教授严谨的治学态度，深厚的学术造诣以及忘 我的工作精神给我留下了深刻的印象。张教授的严格要求和 孜孜不倦的教导是我完成这次毕业设计的重要保证，他给予了我很大的帮助和支持，在课题研究期间，张教授提供了很多指导性的意见，对存在的问题给予细心的分析并提出许多宝贵的意见，使我受益匪浅。在此谨向导师表示衷心的感谢！同时我要感谢给予我帮助和支 持的舍友们，感谢 在编程和程序调试过程中给我提 供帮助的侯丽娟同学，感 谢电子工程系的老师为我们做毕业设计提供的各方面的帮助！ 同时，我要感谢我的母校 天津工程师范学院，特别是在我即将踏上工作岗位时，给了我这样一个锻炼、学习的机 会，使我加深了对以前知识的理解，拓宽了知识面，也提高了我对所学知识的综合的应用能力。 在整个设计制作过程当中，我感觉收获非常大，我获得的不仅是理论上的收获 ,还有实践中的丰收，同时还有的就是同学们之间的合作精神。在此，祝愿我院日后蓬勃发展，成为一所独具风格的综合性大学。 祝愿母校的将来更美好 ! 最后，我要再一次感谢所有在此期间帮助过我的人，我衷心的祝福你们！ nts 28 参考文献 1 陈国呈 .PWM 调速技术 M.北京 :机械工业出版社 ,1999.113 120. 2 刘瑞新 .赵全利等 .单片机原理及应用教程 M.北京 :机械工业出版社 ,2003.76 83 3 王川 .实用电源技术 M.重庆： 重庆大学出版社 ， 2004.47 62 4 梅丽风 .王艳秋等 .单片机原理及接口技术 M.北京 :清华大学出版社 ,2004.98 114 5 李广弟 .朱月秀等 .单片机基础 M.北京 :北京航空航天大学出版社 ,2001.62 83 6 徐爱钧 .8051 单片机实践教程 M.北京 :电子工业出版社 ,2001 年 .158 177 7 吴金戎 .8051 单片机实践与应用 M.北京 :清华大学出版社 ,2002.240 271 8 吴国经 .单片机应用技术 M.北京 :中国电力出版社 ,2004.183 201 9 马忠梅 .单片机的 C 语言应用程序设计 M.北京 :北京航空航天大学出版社 ,2003.103 125 10 童长飞 .C8051F 系列单片机开发与 C 语言编程 M.北京 :北京航空航天出版社 ,2005.92 132 11 吴金戌 .沈庆阳 ,郭庭吉 .8051 单片机实践与应用 M.北京 :清华大学出版社 ,2005.220 243 12 王志良 .电力电子新器件及其应用技术 M.北京 :国防工业出版社 ,1995.163 178 13 集成电路特性代换手册编译组编 M.福建科学技术出版社 ， 2001.188 203 14 吴运昌 .模拟集成电路原理与应用 M.广东 :华南理工大学出版社 ,2001.194 218 15 李序葆 .赵永健 .电力电子器件及其应用 M.北京 :机械工业出版社 ,2003.244 256 16 康华光 .邹寿彬 .电子技术基础（数字部分） M.北京 :高等教育出版社 ,2003.192 219 18 吴运昌 .模拟集成电路原理与应用 M.广东 :华南理工大学出版社 ,2001.83 104 19 童诗白主编 .模拟电子技术基础 M.北京：高等教育出版社， 1998.302 324 nts 29 附录 一 原理图 1 12 23 34 4DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeA4Date:2008-6-1SheetofFile:E:我的工程.绕线机.SCHDOCDr
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