第7章综合电子线路应用1.ppt

第7章综合电子线路应用,7.1电梯模型控制系统的设计与实践7.1.1电梯模型控制系统设计7.1.2电梯模型控制系统实践7.2数据采集系统设计与实践7.2.1数据采集系统设计7.2.2数据采集系统实践,综合电子线路实践是一门内容发展迅速、创新思想活跃、理论联系实际很强的课程，是继“模拟电子技术”、“数字逻辑电路”和“单片机原理”课程之后，又一重要的教学环节。它能起到巩固所学知识，加强综合能力，提高实验技能，启发创新思想的效果。综合电子线路既要注重综合思想，又要给出创新思路，并强调理论联系实际，培养学生实际工作能力。本章通过两个典型的综合电子线路实践课题，介绍综合实践过程。,7.1电梯模型控制系统的设计与实践,电梯控制系统的设计与实践应用单片机的知识，控制步进电机的运行，目的在于综合实践单片机接口与通信课题，掌握数据采集与自动控制原理。7.1.1电梯模型控制系统设计电梯控制系统设计主要是按照电梯运行规则制作好模型，采用单片机控制并设计控制程序。,1.步进电动机的控制原理在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生，其基本原理如下：(1)控制换相顺序步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电动机的单三拍工作方式，其各相通电的顺序为A-B-C，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通电和断电。(2)控制步进电动机的转向如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。例如，四相步进电动机工作在单四拍方式，通电换相的正序是A-B-C-D，电动机就正转；如果按反序A-D-C-B，电动机就反转。(3)控制步进电动机的速度如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电动机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电动机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电动机进行调速。,2.步进电动机的单片机设计(1)脉冲分配实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。1）通过软件实现脉冲分配软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等）所以，人们更喜欢用硬件法。,2）通过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上是使用脉冲分配器芯片，来进行通电换相控制。脉冲分配器有很多种，这里介绍一种8713集成电路芯片。8713有几种型号，如三洋公司生产的PMM8713，富士通公司生产的MB8713，国产的5G8713等，它们的功能一样，可以互换。8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电动机，可以选择以下不同的工作方式。三相步进电动机：单三拍、双三拍、六拍；四相步进电动机；单四拍、双四拍、八拍。8713可以选择单时钟输人或双时钟输入；具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能；所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力；使用418V直流电源，输出电流为20mA。8713有16个引脚，各引脚功能如表7.1所列。,8713脉冲分配器与单片机的接口例子如图7.1所示。本例选用单时钟输入方式，8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制。选用对四相步进电动机进行八拍方式控制，所以5、6、7脚均接高电平。由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给脉冲分配器来自动完成。因此，CPU的负担减轻许多。,(2)步进电动机的速度控制步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。对于图7.1所示的硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。根据上面介绍的调速原理，控制步进电动机速度的方法可有两种。第一种是通过软件延时的方法。改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率；但这种方法使CPU长时间等待，占用大量机时，因此没有实用价值。第二种是通过定时器中断的方法。在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用的调速方法。下面以图7.1为例（打印机多采用的四相步进电机）介绍这种调速方法的应用。定时器法利用定时器进行工作。为了产生图7.1所示的步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时常数决定了定时时间。当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出。改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。,（3）步进电动机的位置控制步进电动机的位置控制，指的是控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。步进电动机的位置控制是步进电动机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。步进电动机的位置控制需要两个参数。第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数，我们称为绝对位置。绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电动机的步数。这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。,对步进电动机位置控制的一般作法是：步进电动机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0。因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电动机停止运行的信号。绝对位置参数可作为人机对话的显示参数，或作为其他控制目的的重要参数（例如本例作为越界报警参数），因此也必须要给出。它与步进电动机的转向有关，当步进电动机正转时，步进电动机每走一步，绝对位置加1；当步进电动机反转时，绝对位置随每次步进减1。,(4)步进电动机的加、减速控制步进电动机驱动执行机构从一个位置到另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率fq，步进电动机要发生失步现象，因此会造成不能正常启动。如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果非常缓慢的升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以，对步进电动机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定处置。,为了满足加、减速要求步进电动机运行通常按照加、减速曲线进行。加、减速运行曲线如图7.3所示。加、减速运行曲线没有一个固定的模式，一般根据经验和试验得到的。最简单的是匀加速和匀减速曲线，如图7.3（a）所示。其加、减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩与转速是非线性关系，因而加速度与频率也应该是非线性关系。因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失步现象。采用指数加、减速曲线或S形（分段指数曲线）加、减速曲线是最好的选择，如图7.3（b）所示。因为电动机的电磁转矩与转速的关系接近指数规律。,步进电动机的运行还可根据距离的长短分如下3种情况处理。短距离由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下，步进电动机以接近启动频率运行，运行过程没有加、减速。中、短距离在这样的距离里，步进电动机只有加、流速过程，而没有恒速过程。中、长距离在这样的距离里，步进电动机不仅有加、减速过程，还有恒速过程。由于距离较长，要尽量缩短用时。保证快速反应性。因此，在加速时，尽量用接近启动频率启动；在恒速时尽量工作在最高速。,单片机在用定时器法调速时，用改变定时常数的方法来改变输出的步进脉冲频率，达到改变转速的目的。对于MCS-51系列单片机，其定时器属于加1定时器。因此，在步进电动机加速时，定时常数应增加；减速时定时常数应减小。如果采用非线性加、减速曲线，要用离散法将加、减速曲线离散化。将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列，做成表格存储在程序存储器中。在程序运行中，使用查表的方式重装定时常数，这样做比用计算法节省时间，提高系统的响应速度。,下面举例来说明步进电动机加、减速控制程序的编制。近似指数加速曲线如图7.4所示。由图可见，离散后速度并不是一直上升的，而是每升一级都要在该级上保持一段时间，因此实际加速轨迹是阶梯状。如果速度是等间距分布，那么在该速度级上保持的时间不一样长。为了简化，我们用速度级数N与一个常数C的乘积去模拟，并且保持的时间用步数来代替。因此，速度每升一级，步进电动机都要在该速度级上走NC步（其中N为该速度级数）。为了简化，减速时也采用与加速时相同的方法，只不过其过程是加速时的逆过程。,本程序的参数除了有速度级数N和级步数NC以外，还有以下参数：加速过程的总步数：电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减1，直到减为0，加速过程结束，进入恒速过程。恒速过程的总步数：电动机在恒速过程中每走一步；恒速总步数就减1，直到减为0,恒速过程结束，进入减速过程。减速过程的总步数：电动机在减速过程中每走一步，减速总步数就减l，直到减为0，减速过程结束，电动机停止运行。,本程序的资源分配如下：R0中间寄存器；R1存储速度