弹簧弹性力测试分选机论文

毕业设计 论文 I 摘 要 弹簧弹性力测试分选机是对大批量生产的弹簧依据其弹性系数不同 按照 预先规定的指标进行测试自动筛选出合格与不合格产品 并在不合格产品范围 内依据是否可以修复将弹簧进一步细分 自动流入不同的装料箱 以用于不同 场合 随着计算机技术的发展 弹簧分选系统用电子控制技术代替机械式的分 选系统 大大提高了分选系统的速度和准确性 本文就弹簧分选的原理 系统任务分配 硬件控制系统的结构及软件设计 等几方面进行了论述 本文对弹簧分选机的工作原理做了详细说明 硬件控制器部分采用 MCS 51 单片机为主控制器 进行适当扩展与丰富的外围设备 成功的设计了气动回路 和电机的驱动模块 根据实验结果 分选部分可以安全精确的把弹簧送到预定 的地点 AD 采集模块采用 8 位逐次逼近式采集芯片 ADC0809 CPU 控制程序在 汇编语言环境下实现 本课题的完成 为研发低成本的弹簧分选设备提供了思路 关键词 关键词 弹簧分选 低成本 MCS 51 单片机 AD 采集 汇编程序设计 毕业设计 论文 II Abstract Automatic spring classification machine is the machine that can test large quantities of springs which have different flexibility coefficients and used for the different situation and sieve automatically the qualified different from the unqualified according to the rules proceeded in advance also further subdivide the spring coil according to whether can repair within the scope of the unqualified automatically afflux anticipate box With the development of computer technology the traditional mechanical method was replaced by electronic technology the new method improves the accuracy and the speed of the systemic Automatic spring classification method the structure of control system and its application software design are all discussed in this paper The automatic spring classification method was introduced in detail in this paper Control hardware system adopts MCS 51 as the principal machine we proceed the propriety of the enlarge to make communication with the periphery equipment The successful pneumatic return circuit of design and drive module of the printer The experiment result expresses the sending parts designed can send the spring coil to the measured position safely dependably and accurately The block of A D gather built with the chip of ADC0809 which made in USA by Intel The source program was built on the environment of Compile Language Accomplishment of this task offered new fashion for designing lower cost spring classification device Key Words Spring classification Low cost MCS 51 MCU Compile Program 毕业设计 论文 III 目 录 1 1 绪论绪论 1 1 1 弹簧分选仪的发展现状 1 1 2 本课题的意义 1 1 3 本课题设计的任务 2 2 2 弹簧分选机系统概述弹簧分选机系统概述 2 2 1 分选机的组成 2 2 2 分选机的设计要求 3 2 3 功能概述 4 2 3 1 总体功能描述 4 2 3 2 弹簧分选系统的硬件原理描述 4 2 4 系统工作原理及具体操作 5 3 3 分选控制系统模块化设计分选控制系统模块化设计 6 3 1 键盘显示模块方案的选择和设计 7 3 2 数据采集模块设计 12 3 2 1 AD 转换器的选用 12 3 2 2 AD 转换软件设计 15 3 2 3 称重压力传感器的选择 15 3 3 电机和 PLC 驱动电路设计 17 3 3 1 电机驱动设计 17 3 3 2 驱动控制系统组成 18 毕业设计 论文 IV 3 3 3 步进电机的综合设计 21 3 3 4 PLC 的选用和程序设计 22 4 4 控制系统总体设计控制系统总体设计 23 4 1 系统硬件设计 23 4 2 系统软件设计 26 4 2 1 系统初始化程序 27 4 2 2 电机驱动及控制子程序设计 27 4 2 3 AD 转换器的转换控制程序设计 28 4 2 4 系统总程序设计 29 5 5 设计小结设计小结 32 参考文献参考文献 33 致谢致谢 34 附录附录 附录一 外文资料 附录二 中文翻译 附录三 系统汇编语言源程序 附录四 MCS 51 控制板电气原理图 附录五 控制系统电气接线图 毕业设计 论文 1 1 绪论 1 1 弹簧分选仪的发展现状 实现弹簧检测的智能化分选设备的开发 成为弹簧工业发展的需要和必然 趋势 到目前为止 国内还没有企业能生产弹簧分选机 而一台进口弹簧分选 机的售价约为 80 元万人民币 国内仅有有限的几台弹簧分选机 我国目前生产的弹簧分选机的售价约为 10 万元 不带自动上料机构 15 万元 带自动上料机构 静态精度 负荷值 0 5 弹簧直径 15 50mm 弹 簧长度 自由长度 25 100mm 分选门数 5 以上关于弹簧直径 弹簧长度 分选门数均可由用户选定 但若不在提出的范围内则须增加费用 尤其是门数 的增加 开发性价比较高的弹簧分选机能够迎合市场的需要 高性价比的分选 机能够满足各种形式的弹簧参数的检测 如定长压力值 定拉力 压力 伸长 压缩 量等的检测 提高的机电产品的性能 具有广阔的市场前景和成长空 间 1 2 本课题的意义 国内弹簧工业的产品设计制造工艺生产设备以及弹簧的材料等方面都有了 新发展 同时对应用弹簧的要求也越来越高 在各种螺旋弹簧中 内燃机的气 门弹簧是其中较为重要的弹簧之一 它是国家质监部门要求负荷值全检的弹簧 也就是说装入内燃机的每一只气门簧 都必须经过符合一定要求的 弹簧分选 机就成了气门弹簧分类的重要设备 它将采集到的数据与预设数值相比较将不 同负荷范围的弹簧送到不同的地点 以达到自动分类的目的 其可靠性与用人 来分类是不可同日而语的 它用高性能的气缸与气阀相配合产生动力 其效率 也是以往的分选机所不能比拟的 除了气门弹簧外 离合器弹簧一般也要用到 弹簧分选机 虽然离合器弹簧对负荷的要求不是很高 但是离合器弹簧有个特 点 就是一个离合器总成上的所有弹簧的负荷值要一致 这样才能保证离合器 可靠地分离与结合 如果在同一离合器中采用的弹簧的负荷值不一样 将会导 致离合器的分离不彻底 产生起步时的抖动现象 并且离合器弹簧的负荷值也 必须能达到一定的值 压力过大 离合器分离操作困难 压力过小 则离合器 会在汽车高负荷运行时产生打滑现象 严重时导致离合器摩擦片的烧蚀 综上 所述 弹簧分选机对弹簧生产企业是十分必要的检测设备 对提高产品质量与 企业的劳动生产率起着重要的作用 必将带来可观的经济效益和社会效益 毕业设计 论文 2 1 3 本课题设计的任务 设计完整的控制系统 实现对弹簧压力参数的检测 并通过对压力参数的 检测 比较实现对弹簧压力性能级别的自动分选 主要的设计部分在于前向通 道的设计 后向通道的设计和人机接口的设计 前向通道的设计主要包括传感 器的选用 压力模拟信号的处理和数据采集和转换 人机接口的设计包括键盘 的设计和显示接口设计 如功能键的定义 数字键的定义 键码的识别和处理 按键的数值显示 上下差值的显示 压力值的显示等 后向通道的设计主要是 电机驱动的设计和分选电磁阀的控制设计 在完成基本功能的情况下 还要求系统的人机交互面板要具有一定的友好 性 在系统人机接口的程序设计过程中 要求系统具有错误输入的识别和处理 能力 整个系统在人为设定参数后应该具有自动运行的能力 通过本设计的学习过程 应该掌握单片机控制系统设计的一般方法 学会 使用电气控制系统设计的基本软件和开发工具 如 Protel 电子电路设计软件 单片机仿真器 编程器等 2 弹簧分选机系统概述 2 1 分选机的组成 一般来说 机器由原动部分 工作 执行 部分 传动部分 控制系统及 一些辅助装置等组成 本设备为弹簧分选仪 其也由原动部件 工作 执行 部件 传动部件和控制系统四大部分组成 1 原动机 原动机是驱动整个机器以完成预定功能的动力源 它把其它形式的能量转 换为机械能 原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态 输出一定的转矩 如电动机 其把电能转化为机械能 输出具有能承受一定载荷的转矩 再如内 燃机 汽 柴油机 其是一种把化学能转化为动能 以转矩形式输出的一种机械 装置 在一个机械系统中 原动机是不可少的 本设计也必须使用原动机为执 行部件提供动能 拟选择三相混合式步进电动机为原动机 执行部分 执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分 一部机器可以只有一个执 行部分 也可以把机器的功能分解成好几个执行部分 执行部件是完成系统工 作目的的最终部件 如气缸 步进电机 液压马达等均是常见的执行元件 本 设计的执行元件为电磁阀控制的执行气缸 在本设计中 根据气缸的功能 气 毕业设计 论文 3 缸可以分为主气缸和子气缸 主气缸的作用在于为弹簧提供必要的压力 通过 检测施加在弹簧上的压力值来控制子气缸的分选动作 传动装置 传动装置是用来连接原动机部分和执行部分 它将原动机的运动形式 运 动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式 运动及动力参数 机器的传动 部分大多数采用机械传动系统 有时也采用液压或电力传动系统 机械传动系 统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分 控制系统 控制系统是一个具有相当自动化和智能机电设备的必须的装置 其一般为 电子部件 是当今计算机技术和电子技术发展的必然要求 控制系统多由微电 脑芯片及其外围电路构成 通过微机芯片对外部信号的处理 检测输入信号和 外部位置 位移等状态中断信号 并进行处理 控制执行部件准确有序地动作 2 2 分选机的设计要求 机电设计具有众多的约束条件和设计要求 设计要求就是产品设计所应该 满足的约束条件 技术性能要求 技术性能包括产品功能 制造和运行状况在内的一切性能 既指静态性能 也指动态性能 例如 产品所能传递的功率 效率 使用寿命 强度 刚度 抗摩擦 磨损性能 振动稳定性 热特性等 技术性能要求是指相关的技术性 能指标必须达到产品功能特定的要求 标准化要求 与机电产品设计有关的主要标准大致有 概念标准化 设计过程中所涉及的名词术语 符号 计量单位等应符合 标准 实物形态标准化 零部件 原材料 设备及能源等的结构形式 尺寸 性能等 都应按统一的规定选用 方法标准化 操作方法 测量方法 试验方法等都应按相应规定实施 标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为 都要满足上述标准化的要 求 可靠性要求 可靠性 产品或零部件在规定的使用条件下 在预期的寿命内能完成规定 功能的概率 可靠性准则就是指所设计的产品 部件或零件应能满足规定的可 靠性要求 可靠性在机器设计中的表现中在元件 包括机械元件和电器元件 工作的可靠性 即要求系统元件能完成预期的任务 在自动化机电设备中 电 毕业设计 论文 4 气元件的可靠性更显得重要 它不仅要保证自身工作可靠 也要保证系统其他 部件 如执行部件的工作可靠 进而保证产品的质量可靠 机电产品中的可靠 性的保证应当从电子元件的可靠性 系统设计的可靠性和操作可靠性等方面来 保证 安全性要求 一个好的机械系统应是足够安全的系统 应具有自动保护装置 保证人机 安全 机电产品的安全性包括 零件安全性 指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂 过度变 形 过度磨损和不丧失稳定性等等 整机安全性 指机器保证在规定条件下不出故障 能正常实现总功能的 要求 工作安全性 指对操作人员的保护 保证人身安全和身心健康等等 环境安全性 指对机器周围的环境和人不造成污染和危害 安全性的保证和故障的自动诊断也是一个应用控制系统设计中必须考虑的 问题 通过相应的软件和硬件设计 应使系统具有事故报警 自动停机和故障 自诊断的能力 2 3 功能概述 2 3 1 总体功能描述 弹簧分选机作为一个分选系统 其主要功能在于对弹簧相关参数的检测 实现对弹簧质量的分选和相关参数的匹配 比如在汽车离合器中的压力弹簧要 求其压缩力相等 才能实现汽车的平稳启动和准确离合 因此 我们要控制好 弹簧的压力值 保证其在一定的范围内进行选配使用 本弹簧分选机的功能就 是要求实现对不同弹簧的压力值的检测 通过对压力值的数字化处理 实现对 弹簧的分选 2 3 2 弹簧分选系统的硬件原理描述 毕业设计 论文 5 数据采集接口 电路 压力传 感和 AD 转换 电路 键盘接口电路 显示模块 步进电机模块 PLC 和气缸模块 8051 系 列单片机 图 2 1 分选机系统硬件原理图 本系统的主控制器为 MCS 51 系列单片机搭建的核心控制板 采用 AT89S52 单片机芯片 称重传感器检测到的压力值模拟信号通过有源放大 信号调理 AD 采集模块后转换成可以接收的数字信号 由 CPU 接收分析后进行后置处理 1 本系统的执行部件为 PLC 可编程逻辑控制器 控制的气缸 驱动部件为三相 混合式步进电机 同时提供数值显示功能 其硬件结构如图 2 1 所示 2 4 系统工作原理及具体操作 作为完善的弹簧分选系统 除了要完成基本的弹簧分选功能 还要实现数 据统计 故障排除等多方面的功能 系统对任意一个弹簧的分选过程包含三部 分的工作 标定清零工作 分选工作 后置工作 具体操作过程如下 1 标定清零 对称重传感器的标定 称重传感器在用过一段时间后 需要重新标定 下面简述标定步骤 第一步 将标定传感器置于压头上 而后按下主机按键 第二步 按下清零键对使用传感器及标定传感器清零 第三步 用加压或者放置重物的方法 置与标定传感器上 此时使用传感 器的显示单元将显示此刻的读数 而标定传感器也有相应的读数 第四步 如果读数不符 调放大电阻进行机器标定 第五步 标定完成 根据使用传感器显示读数重新清零 每次换不同的弹簧时 需要调定其压缩高度及确定弹簧的正常受压力 第一步 通过调整丝杆及螺丝 把压头抬高 保证气缸压到下限时与弹簧 毕业设计 论文 6 不接触 第二步 按下显示键 而后按下主机按键 此时 传感器显示模块会有读 数 不为零 则先按下清零键清零 清零完成 按下气缸下压键 此时主气缸 会向下压到最底层 第三步 缓慢的调整丝杆 压头向下运动 并直到压至所需位置为止 在 这个过程中 显示模块不断显示使用传感器的读数 用户根据自己需要调整到 相应位置 并记下读数 第四步 关闭显示按键 气缸下压键 弹簧分选机完成整个过程 第五步 将读数作为标定值通过键盘输入 并据需要把上下偏差以同样方 式输入 2 分选工作 第一步 打开称重传感器电源 预热半小时 接通系统供电 第二步 初始化过程 气缸回到原始位置及一些数据初始化过程 第三步 等待电机是否已经运动一个工位 已经运动则使气缸向下运动 第四步 停留一段时间 通过算法测出该弹簧的压缩力 并与键盘的设定 值比较确定该弹簧是否超差 第五步 气缸回程 根据分选结果 驱动分选气缸对弹簧进行分选 3 分选控制系统模块化设计 弹簧分选机的控制系统设计就是要实现弹簧分选功能的数字化 基于微型 计算机的控制系统是本控制系统设计的核心 本设计以 MCS 51 系列 8 位单片机 AT89S52 作为微处理器 所有的控制功能都是在 MCS 51 系列单片机 AT89S52 及 相关的外围电路上来实现的 本系统以 AT89S52 微型单片机为核心 其前项通道为压力输入和 ADC0809 构成的电路 后项通道为由反向驱动器 74ls04 构成的驱动电路 由 AT89S52 的 I O 口输出 分别驱动执行气缸和步进电机 除了前向通道和后向通道外 我们还需要做一些人机交互界面进行人机交互 实现对机器的相关参数的设计 和必要的人工干预 详细的电气结构图如图 2 2 所示 毕业设计 论文 7 AT89 S52 7 4 L S 3 7 3 8255 键盘 显示电 路 ADC0809 模拟 量输 入 主气缸 分选气缸 步进电机 串口电路 图 2 2 电气结构框图 整个系统以 MCS 51 系列单片机 AT89S52 为核心处理器 通过输入的模拟量 来控制输出 输入的模拟信号由 ADC0809 的模拟通道 0 输入 并口扩展芯片 8255 的 A B C 端口均工作于双向 I O 的 0 工作方式 74LS373 为 P0 口的地址 信号进行锁存 除此之外 我们还要为各驱动电路实现驱动 在本设计中 通 过反向驱动来实现驱动 常用的反向器为六反向器 74LS04 3 1 键盘显示模块方案的选择和设计 在设计过程中 我们考虑了几个实现人机交互接口功能实现的方案 3 方案一 采用 8051 为中央处理器 采用拨码盘输入 输入分选参数的上下 差值 其优点在于硬件电路相对简单 但拨码盘输入不是很直观 而且拨码输 入比较繁琐 方案二 人机接口使用键盘输入 采用 3mm 轻触按键来实现构成 4 4 的 16 键键盘 通过软件定义实现数字键和功能键 软件扫描和按键识别功能实现 键盘的设计 其优点在于数据输入比较直观 并且可以根据自身的需要来定义 功能键 但由于要通过软件的方式来解决按键识别和去抖动问题 其软件编程 相对复杂 方案三 采用 4 4 的 16 矩阵键盘 在处理按键消颤时采用硬件 这样做 的好处是在于减轻软件的负担 但硬件设计相当复杂 4 毕业设计 论文 8 图 3 1 键盘显示电路图 方案四 采用 8279 芯片解决输入和显示功能的设计 8279 是一款键盘显 示接口芯片 这个芯片可以实现显示 按键的程序控制 通过对 8279 芯片的控 制来控制显示和键盘的输入和输出 这样做就减轻了 8051 的负担并且简化了相 关显示和按键硬件结构 但其硬件开支相对较高 通过对上述 4 中方案的考虑和综合 我们在设计中决定以方案二为按键实 现方案 配以相关的接口电路和 LED 数码管显示电路来实现人机界面的设计 键盘显示电路图如图 3 1 所示 本系统设计采用了 4 4 的 16 矩阵键盘来实现 数据的输入等人机交互功能 将占用大量的 IO 单元 因此需要对单片机系统的 IO 口进行扩展 MCS 51 单片机并行 I O 口扩展的方法一般有以下几种 5 总线扩展法 在单片机应用系统中 经常采用 TTL 电路或是 CMOS 电路 锁存器和三态门作为 I O 扩展芯片 这类 TTL 常用的芯片有 74LS373 74LS244 74LS245 等 一般通过 P0 口扩展 串行口扩展法 在 MCS 51 单片机应用系统中 若串行口未被占用 这 毕业设计 论文 9 时可以用串行口的工作方式 0 来扩展并行 I O 口 用串行口扩展并行 I O 口常 用的是移位芯片 74LS164 74LS165 等 采用可编程器件扩展 I O 口 常用的有 8255 8155 等 使用 8255 做并 口扩展的好处在于可对 8255 进行编程来定义扩展口的属性和功能 本系统使用 8255 并口扩展芯片来实现单片机系统的 I O 口的扩展 本系统设计使用了 8255 的 PA 口的 PA0 PA3 作为列线 PC 口 PC0 PC3 作 为行线 组成了 4 4 的 16 键矩阵键盘 PC 口的 PC4 PC7 口作为动态数码管 显示器 5461H AH 的管选信号 PB 口为 LED 数码管显示的数据输入口 这样 就构成了由 8255 3mm 轻触按键开关和 4 LED 数码管 5641H A 组成的显示模块 矩阵键盘由若干按键组成的开关矩阵 它是微型计算机最常用的输入设备 用 户可以通过键盘向计算机输入指令 地址和数据 一般单片机系统中采和非编 码键盘 非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键 它具有结构简单 使用 灵活等特点 矩阵键盘行扫描法的工作原理如下 2 个步骤描述 6 判断键盘中有无键按下 将全部行线 Y0 Y3 置为低电平 然后检测再列线的状态 只要有一列的电 平为低 则表示键盘中有键被按下 而且闭合的键位于低电平线与 4 根行线相 交叉的 4 个按键之中 如果所有的列线都为高电平 则键盘中无键按下 判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后 即可进入确定具体闭合键的过程 其方法是 依次将 行线设置为低电平 即在置某行线为低电平时 其它线为高电平 在确定某行 线位置为低电平后 再逐行检测各列线的电平状态 若某列为低 则该列线和 置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键 按键开关键盘要解决的首要问题是按键去抖动问题 按键去抖动的方法一 般来讲有硬件法去抖和软件去抖法 在设计中使用了软件延时的方法来实现去 抖动功能 通过扫描按键延时 再扫描按键的方法来实现按键的去抖动和键码 识别 7 软件实现的程序框图如图 3 2 示 毕业设计 论文 10 图 3 2 软件实现键盘扫描程序框图 按键的键值处理采用程控行列扫描用软件的方法实现 流程如图 3 3 示 行I输入低电平 有键按下 行值 40H 求下一行低电平模型 行扫描结 束 返回 列值加1 列值数据左移一位 有键按下 延时 计算键值 N Y N Y NY 图 3 3 键值计算程序流程图 键盘处理程序其功能在于判断有无按键按下 键盘处理程序在按键处理过程中 调用了键处理子程序和显示子程序 要是有按键按下 则键值送 40H 并显示 毕业设计 论文 11 无按键按下就循环扫描 键盘处理程序如下 KEYPRO ACALL DISP 键处理子程序 键值送 40H 并显示 ACALL KEXAM JZ KEYPRO ACALL D10MS ACALL KEXAM JZ KEYPRO KEY1 MOV R2 0FEH 给行值模型 MOV R3 00H MOV R4 00H KEY2 MOV DPTR 7F02H 行值模型送 C 口 MOV A R2 MOVX DPTR A 扫描第一行 MOV DPTR 7F00H MOVX A DPTR 读 A 口值 列值 MOV 40H A 保存列值模型 ORL A 0F0H CPL A ANL A 0FFH JNZ KEY3 有键按下 求列值 无键按下 行值加 4 MOV A R4 ADD A 04H MOV R4 A MOV A R2 RL A MOV R2 A JB ACC 4 KEY2 AJMP KEYPRO KEY3 MOV A 40H 恢复列值模型 KEY4 RRC A JC KEY9 AJMP KEY5 KEY9 INC R3 AJMP KEY4 KEY5 ACALL D10MS 毕业设计 论文 12 ACALL KEXAM JNZ KEY5 若有键按下 则转 等待释放 MOV A R4 ADD A R3 MOV 40H A 键值送 40 RET 按键查询子程序 KEXAM MOV DPTR 7F02H 按键检查子程序 MOV A 00H MOVX DPTR A MOV DPTR 7F00H MOVX A DPTR ORL A 0F0H CPL A ANL A 0FFH RET 显示子程序 DISP MOV R0 40H MOV DPTR 7F02H MOV A 80H MOVX DPTR A MOV A R0 MOV DPTR TAB MOVC A A DPTR MOV DPTR 7F01H MOVX DPTR A ACALL XSYANSHI RET 3 2 数据采集模块设计 数据采集部分是直接影响弹簧分选机性能和分选精度的核心部分 其主要 功能就是要实现对弹簧压力值模拟量的采集 数据检测 数据处理并把数据送 显示模块显示 3 2 1 AD 转换器的选用 毕业设计 论文 13 本系统的设计计算机数据采集的核心是 AD 转换 根据弹簧分选机的工作原 理我们可以知道 我们采集同样伸缩量的压力值来评判弹簧的质量 因此对弹 簧压力值的采集精度的高低是衡量本系统性能好坏的重要标准 弹簧的压力值 为模拟信号 要使其变为计算机可以处理的数字信号 就必须要对压力值进行 数字量转换 8 A D 转换器就是实现本功能的芯片 常用的 A D 转换器有 ADC0809 AD570 ADC1210 等 在本设计中采用 ADC0809 AD 转换器 ADC0809 是由美国 National 半导体公司生产的 CMOS 工艺的逐次逼近 A D 转换器 它是 具有 8 个通道的模拟量输入线 可在程序控制下对任意通道进行 A D 转换 得 到 8 位二进制数字量 通过对 8 位二进制数编码 便可以得到相对应的值 其 引脚如图 3 4 所示 图 3 4 ADC0809 引脚图 其主要技术指标如下 5 电源电压 6 5V 分辨率 8 位 时钟频率 640KHz 转换时间 100 s 未经调整误差 1 2LS 和 B1LSB 模拟量输入电压范围 0 5V 功耗 15mW ADC 是把模拟量 通常是模拟电压信号 转换为 n 位二进制数字量的信号 的电路 这种转换通常分采样 保持 量化 编码 4 步进行 其中采样和保持 在采样保持电路中完成 量化和编码在 A D 转换过程中同步实现 AD 转换器的 选择要综合考虑如下几个方面的问题 1 分辨率 分辨率的选择要根据系统 设计的精度要求选择足够的分辨率 弹簧分选机要求的分辨率可根据系统对小 输入量的变化的敏感度来确定 对于 8 位 AD 转换器 当输入的最大电压为 5V 毕业设计 论文 14 时转换电路对电压的分辨能力为 5V 255 19 6mV 当与 5V 相对应的最大压力为 2000N 时 系统的分辨能力为 2000 255 7 84N 满足设计要求 2 转换时间 转 换时间就是指系 ADC 从模拟信号输入到数字信号输出所需要的时间 0809 的转 换时间为 100 s 完全满足弹簧分选系统的要求 3 时钟频率 时钟频率输入要 通过分频器件分频得到小于 640 KHz 后输入 数据采集模块的硬件设计如 3 5 图 示 图 3 5 数据采集模块的硬件设计 在设计中采用了 4D 触发器 74LS175 构成的 2 分频器对 8051 的 ALE 输出的 1 6 时钟频率进行了 2 分频 本系统所采用的时钟频率为 6MHz 分频后的时钟频 率为 500KHz 符合 A D 转换器的要求 下面简要介绍一下 D 触发器的功能和特性 9 D 触发器的功能在于可以对 输入端口的复制输出 实现对输入端口信号的保持作用 D 触发器的特性方程 Q n 1 D n 由 D 触的特性方程 采用相应的接法 可以得到 A D 时钟输入的时序图 该时序图表明了 D 触发器的分频功能 图 3 6 为 A D 数据转换模块的时序图 毕业设计 论文 15 图 3 6 74LS175 分频时序图 由此可见 利用 D 触发器来实现分频工作 实现了系统所要求的时钟频率 较之于使用 8254 等时钟分频器件硬件设计电路简单 在实现功能的情况下 减 轻了电路设计的复杂性 同时也降低了设计成本 并优化了程序代码的设计 下面进行数据采集控制线电路设计 控制部分的设计要求 ADC0809 要能够 与 MCS 51 系列单片机正确的读写时序和读写逻辑配合 实现本模块的正常工作 因此在设计电路中 对控制信号及其相关逻辑关系的设计是十分关键的 10 START 启动控制信号的输入端 高电平有效 用于启动 ADC0809 内部的 A D 转换过程 ALE 地址锁存控制输入 ALE 端口可与 START 端连在一起 通过软件输 入一个正脉冲 可立即启动 A D 转换过程 ECO 转换信号结束输出端 开始 A D 转换时为低电平 转换结束时输出为 高电平 OE 输出允许信号控制端 用于打开三态输出锁存器 当 OE 为高电平时 打开三态数据输出锁存器将转换后的信号送到数据总线上 CLK 时钟信号输入端 在本设计中有 74ls175 的 Q1 端输出 ADDA ADDB ADDC 8 路模拟开关 3 位地址的选通输入端 了解了各个控制端口的定义和动能 我们便能够根据系统设计的要求来连 接硬件图 在控制电路的设计中 考虑了以下几个方面的问题 转换结束方式 ADC0809 与单片机 8751 的硬件接口方式有 查询方式 中断方式和等待延时方式 综合考虑了各种连接方式性能和设计系统要求 采 用了查询方式对 EOC 信号进行不断的查询 模拟输入通道的选择 输入通道的选择由 ADDA ADDB ADDC 三位来决 定 我们在系统设计中采用了 0 通道输入 ADDA ADDB ADDC 三位信号端口依 次接到地址线的低 3 位 通过软件来控制选通信号 参考电压的选择 综合考虑 ADC0809 和压力传感器的输出信号电压值 毕业设计 论文 16 选择参考电压为 0 5V 即参考电压正端接 5V 参考电压负端接 0V 时钟信号的输入 ADC0809 的工作时种为 640KHz 系统工作的时钟为 6MHz 为了时钟匹配 我们采用了 8751 的 ALE 口 1 6 系统时钟 再 2 分频得到 了 ADC0809 的工作时钟频率 EOC 转换结束信号 本系统采用查询方式读转换结束标志 转换结束信 号通过反相后连接到 P1 4 口 通过查询 P1 X 口的状态来判断转换是否结束 3 2 2 AD 转换软件设计 根据原理图求得 AD 转换器的地址为 0BF8H 选择 0 通道 采用查询方式 查询信号为 P1 4 口电平 转换结果送累加器 A ADC MOV DPTR 0BFF8H 转换 转换结果送 MOV A 00H MOVX DPTR A NOP NOP TEST JB P1 4 TEST NOP NOP MOVX A DPTR 转换结束 3 2 3 称重压力传感器的选择 称重压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器 我们通常使用的称 重压力传感器主要是利用压电效应制造而成的 这样的传感器也称为压电传感 器 晶体是各向异性的 非晶体是各向同性的 某些晶体介质 当沿着一定方 向受到机械力作用发生变形时 就产生了极化效应 当机械力撤掉之后 又会 重新回到不带电的状态 也就是受到压力的时候 某些晶体可能产生出电的效 应 这就是所谓的极化效应 12 根据这个效应研制出了压力传感器 压电传 感器中主要使用的压电材料包括有石英 酒石酸钾钠和磷酸二氢胺 其中石英 二氧化硅 是一种天然晶体 压电效应就是在这种晶体中发现的 在一定的 温度范围之内 压电性质一直存在 但温度超过这个范围之后 压电性质完全 消失 这个高温就是所谓的 居里点 12 由于随着应力的变化电场变化微 小 也就说压电系数比较低 所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代 而酒石 酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数 但是它只能在室温和湿度比较低的 环境下才能够应用 磷酸二氢胺属于人造晶体 能够承受高温和相当高的湿度 所以已经得到了广泛的应用 现在压电效应也应用在多晶体上 比如现在的压 毕业设计 论文 17 电陶瓷 包括钛酸钡压电陶瓷 PZT 铌酸盐压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷等等 压电效应是压电传感器的主要工作原理 压电传感器不能用于静态测量 因为 经过外力作用后的电荷 只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存 实 际的情况不是这样的 所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力 压电传感器主要应用在加速度 压力和力等的测量中 压电式加速度传感 器是一种常用的加速度计 它具有结构简单 体积小 重量轻 使用寿命长等 优异的特点 压电式加速度传感器在飞机 汽车 船舶 桥梁和建筑的振动和 冲击测量中已经得到了广泛的应用 特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地 位 压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量 也可以用于军事工业 例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的 变化和炮口的冲击波压力 它既可以用来测量大的压力 也可以用来测量微小 的压力 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中 比如说心室导管式微音 器就是由压电传感器制成的 因为测量动态压力是如此普遍 所以压电传感器 的应用就非常广泛 除了压电传感器之外 还有利用压阻效应制造出来的压阻 传感器 利用应变效应的应变式传感器等 这些不同的压力传感器利用不同的 效应和不同的材料 在不同的场合能够发挥它们独特的用途 这种压力变送器 主要利用液体或气体在检测器件上形成的压力来检测液体或者气体的流量或压 强 把这种压力信号转变成标准的 0 10V 或者 4 20mA 电信号 以便控制使用 压力和电信号的转化主要由各种压力传感器的核心部件完成 核心部件主 要由压力检测体和放大电路组成 称重传感器的种类繁多 我们在选择称重传 感器的时候要根据设计的需要来选择 保证使用的精度和较高的性价比 在设 计中 综合考虑 选用了湖南宇航科技实业有限公司生产的 BLR 12BLR 12 型拉压式称 重传感器 该传感器采用 S 型弹性体结构 具有精度高 稳定性好 配以数字 测量仪 电子称量仪表 广泛应用于各种构造的拉式和压式称量 最适用于高 精度电子秤和吊车秤 料斗秤等 其主要技术指标为如下表 3 1 所示 表 3 1 BLR 12BLR 12 型拉压式称重传感器主要技术指标 16 主要技术指标单位 BLR 12BLR 12B 灵敏度 mv v2 0 012 0 01 非线性 滞后 重复性误差 FS 0 03 0 05 0 02 0 05 蠕变 FS 30min 0 3 0 03 温度对零点影响 FS 0 003 0 003 输出电阻 350 3 绝缘电阻 M 3000 毕业设计 论文 18 供桥电压 V10 DC AC MAX 15 DC AC 允许温度范围 20 60 允许过负荷 FS120 连接方式输入 红 黄 输出 蓝 白 3 3 电机和 PLC 驱动电路设计 3 3 1 电机驱动设计 电机的选型 在数字控制系统中 步进电机是较好的选择 本设计的电机 采用三相混合式步进电机作为驱动电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 在非超 载的情况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而 不受负载变化的影响 即给电机加一个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这 一线性关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 使 得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 VR 永磁式步进电机 PM 混合式步进电机 HB 和单相式步进电机等 13 永磁式步进电机一般 为两相 转矩和体积较小 步进角一般为 7 5 度 或 15 度 反应式步进电机一 般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般为 1 5 度 但噪声和振动都很大 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 定子上有多相励磁绕组 利用磁 导的变化产生转矩 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点 它又 分为两相和五相 两相步进角一般为 1 8 度而五相步进角一般为 0 72 度 这 种步进电机的应用最为广泛 也是本次细分驱动方案所选用的步进电机 步进电机的一些基本参数 电机固有步距角 它表示控制系统每发一个 步进脉冲信号 电机所转动的角度 电机出厂时给出了一个步距角的值 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0 9 1 8 表示半步工作时为 0 9 整步工 作时为 1 8 这个步距角可以称之为 电机固有步距角 它不一定是电 机实际工作时的真正步距角 真正的步距角和驱动器有关 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数 目前常用的有二相 三相 四相 五相步进电机 电机相数不同 其步距角也不同 一般二相电机的步距角为 0 9 1 8 三 相的为 0 75 1 5 五相的为 0 36 0 72 在没有细分驱动器时 用户 主要靠选择不同的相数的步进电机来满足自己步距角的要求 如果使用细分驱 动器 则 相数 将变得没有意义 用户只需在驱动器上改变细分数 就可以 毕业设计 论文 19 改变步距角 保持转矩 HOLDING TORQUE 是指步进电机通电但没有转动 时 定子锁住转子的力矩 它是步进电机最重要的参数之一 通常步进电机在 低速时的力矩接近保持转矩 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰 减 输出功率也随速度的增大而变化 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最 重要的参数之一 比如 当人们说 2N M 的步进电机 在没有特殊说明的情况 下是指保持转矩为 2N m 的步进电机 DETENT TORQUE 是指步进电机没有通 电的情况下 定子锁住转子的力矩 由于反应式步进电机的转子不是永磁材料 所以它没有 DETENT TORQUE 19 3 3 2 驱动控制系统组成 使用 控制步进电机必须由环形脉冲 功率放大等组成的控制系统 其方 框图如 3 7 示 图 3 7 步进电机驱动示意图 脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或 CPU 产生 一般脉冲信号的 占空比为 0 3 0 4 左右 电机转速越高 占空比则越大 信号分配 感应式步进电机以二 四相电机为主 二相电机工作方式有 二相四拍和二相八拍二种 具体分配如下 二相四拍为 步距 角为 1 8 度 二相 八拍为 步距角为 0 9 度 四相电机工 作方式也有二种 四相四拍为 AB BC CD DA AB 步距角为 1 8 度 四相 八拍为 AB B BC C CD D AB 步距角为 0 9 度 功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分 步进电机在一定转速 下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流 而样本上的电流均为静态电 流 平均电流越大电机力矩越大 要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量 克服电机的反电势 因而不同的场合采取不同的驱动方式 到目前为止 驱动 方式一般有以下几种 恒压 恒压串电阻 高低压驱动 恒流 细分数等 为尽量提高电机的动态性能 将信号分配 功率放大组成步进电机的驱动 电源 19 SH 系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线示意图如下图 3 8 所示 毕业设计 论文 20 图 3 8 单片机与步进电机接线示意图 接线说明 CP 接 CPU 脉冲信号 负信号 低电平有效 OPTO 接 CPU 5V FREE 脱机 与 CPU 地线相接 驱动电源不工作 DIR 方向控制 与 CPU 地线相接 电机反转 VCC 直流电源正端 GND 直流电源负端 A 接电机引出线 红线 接电机引出线 绿线 B 接电机引出线 黄线 接电机引出线 蓝线 步进电机一经定型 其性能取决于电机的驱动电源 步进电机转速越高 力矩越大则要求电机的电流越大 驱动电源的电压越高 电压对力矩影响如 3 9 所示 图 3 9 步进电机矩频特性图 毕业设计 论文 21 细分驱动器 在步进电机步距角不能满足使用的条件下 可采用细分 驱动器来驱动步进电机 细分驱动器的原理是通过改变相邻 A B 电流的大 小 以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的 如下图 3 10 所示 图 3 10 步进电机合成磁场示意图 步进电机有步距角 静转矩 及电流三大要素组成 13 一旦三大要素确定 步进电机的型号便确定下来了 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求 将负载的最小分辨率 当量 换算 到电机轴上 每个当量电机应走多少角度 包括减速 电机的步距角应等于 或小于此角度 目前市场上步进电机的步距角一般有 0 36 度 0 72 度 五相电 机 0 9 度 1 8 度 二 四相电机 1 5 度 3 度 三相电机 等 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定 我们往往先确定电机的静力矩 静 力矩选择的依据是电机工作的负载 而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种 单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的 直接起动时 一般由低速 二 种负载均要考虑 加速起动时主要考虑惯性负载 恒速运行只要考虑摩擦负载 一般情况下 静力矩应为摩擦负载的 2 3 倍为好 静力矩一旦选定 电机的机 座及长度便能确定下来 几何尺寸 电流的选择 静力矩一样的电机 由于电流参数不同 其运行特性差别很大 可以依据 矩频特性曲线图 判断电机的电流 参考驱动电源 及驱动电压 综上所述选择电机一般应遵循以图 3 11 所示步骤 毕业设计 论文 22 图 3 11 电机选择流程图 3 3 3 步进电机的综合设计 在充分了解步进电机的工作原理和步进电机驱动器的使用后 我们将为本 控制系统选择合适的步进电机和细分驱动器 并写出了本系统步进电机控制的 汇编语言程序 本模拟系统采用 GMBTM 75BF003 型三相步进电机 该步进电机为江苏常熟 微特电机厂制造 其性能参数为 额定电压 30V 额定电流 4A 步距 1 5 3 相数 3 相 静态转矩 0 88N M 绝缘等级 E 为了正确的驱动该电机正 常工作 采用了硬件驱动器 DL 03F05 三相反应式步进电机驱动器来实现脉冲 的细分驱动 驱动器的实物图如图 3 12 所示 图 3 12 步进电机驱动器 毕业设计 论文 23 对脉冲驱动器的端口的控制 也就实现了对步进电机的控制 DL 03F05 步 进电机驱动器的控制端口定义为 CP CP 脉冲输入控制端口 U D U D 方向输入控制端口 A B C 为步进电机的相输入口 VCC 为工作电压输入口 GND 接地输入 DL 03F05 三相反应式步进电机驱动器的供电电压为 24V 电流 调整为 1 5A U D 和 CP 接 5V CP 为方向控制口 接单片机 I O 口 P1 6 U D 为脉冲输入口接单片机 I O 口 P1 5 完成步进电机的参数的设置和步进电机驱动器与单片机的接线后的