UI变换的课设报告

1、17上海交通大学上海交通大学机电工程学院磁流变阻尼器控制系统姓名：学号：班级：指导老师：目录1本课程设计前期准备21.1本课程开始前应该思考的问题21.2本课程设计的要求22所用器件介绍22.1场效晶体管22.2 NE555P定时器32.2.1NE555管脚功能介绍3如图3 NE555P定时器的应用43磁流变阻尼器的控制特性54可控电流源系统设计方案65基于功率 MOSFET 的磁流变阻尼器可控电流源计75.1 硬件电路75.2 硬件电路实物调试结果96 基于单片机的可控电流源设计96.1 硬件电路设计106.2软件设计117心得体会128程序和实物148.1 程序14参考文献191本课程设计

2、前期准备1.1本课程开始前应该思考的问题1、本课程设计是设计出一个电流可控的控制器，首先得明白输入和输出对象是什么2、输入是05V的电压，输出是01.5A的电流，怎么让电压变成电流。3、该控制器是通过纯硬件去制作呢，还是利用软件去做。4、如果是利用纯硬件，我又该如何设计出一个可控电流源。5、如果是利用软件去做，又该书写一个程序，来实现电流可控。1.2本课程设计的要求1、本课程设计题目是侧重于可控电流源系统设计，通过加速度传感器输入悬挂系统的振动信号，然后通过电荷放大器，输出05V的电压值，之后输入到可控电流源系统中。2、本课程设计得通过画电路图软件画出该系统的电路，并且的用protel画出其p

3、cb板封装图出来。3、本系统程序设计要求有主程序，延时程序，ADC转换程序，这样才能通过单片机来控制电流源。2所用器件介绍2.1场效晶体管由于该课程设计的方案一中要对将电流值变为电压值，因此我利用了IRFZ44N场效晶体管。场效晶体管具有三个引脚，分别是栅极、源极、漏极。两极之间被二氧化硅等绝缘体给隔开了，为了使场效晶体管能够导通，得在源栅极之间加上正向电压，是源栅之间形成导电沟。当栅源之间的电压值越大，则导电沟道就越宽。形成导电沟后，在漏-源极电压的作用下，将产生漏极电流，管子导通。场效晶体管有两种类型，一种是增强型绝缘栅场效晶体管，另外一种是耗尽型绝缘栅场效晶体管。虽然两种场效晶体管都是电

4、流控制器件，但是两者在结构上还是有区别的。比方说，耗尽型在制造管子时后就使它具有一个原始的导电沟，从而使其控制特性得到改善，则其结构如图1所示。而我这次是使用了增强型的场效晶体管。 图1 增强型和耗尽型场效晶体管结构图2.2 NE555P定时器由于我在可控电流源设计当中要矩形脉冲去控制场效晶体管的开关的大小，在选择控制信号的时候，我想到利用矩形脉冲信号的高低电平去起到控制作用，然而555定时器就有输出一个矩形脉冲，且矩形脉冲的占空比是可以通过外输入电压值来控制的。2.2.1NE555管脚功能介绍1脚为地，2脚为触发输入端，3脚为输出端。输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较

5、器2脚的控制。当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。 4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。5脚是控制端。 7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所

6、以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。如图2所示。图2 555定时器内部结构图而本课程设计在硬件设计方案当中主要是通过控制端口5的输入电压，来控制输出（如图3所示）。其实这是一个由555定时器组成的多谐振荡器，其也称作是无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加触发脉冲，就输出一定频率的矩形脉冲。因此，它是一个产生矩形脉冲很好的方案，于是我在纯硬件使用的中，就利用了它。 如图3 NE555P定时器的应用3磁流变阻尼器的控制特性本课程设计的磁流变阻尼器是基于磁流变液可控特性的一种新型半主动可控阻尼器，具有结构简单、功耗少、提供阻尼力大、阻尼力可调范围、频响高等特点，特别是它能根据振动系统产生最佳

7、阻尼力，在汽车等领域具有极其广阔的应用前景。磁流变阻尼器阻尼力大小的改变是受电流控制器控制的，因此，电流控制器的性能直接影响磁流变阻尼器的工程应用 。磁流变阻尼器是以磁流变液作为工作介质的阻尼器，磁流变液在外加磁场作用下，流变特性发生急剧变化，流动性良好的液体状态在短时间（ms级）内粘度增大，呈现类似固体的状态，而且这种变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场，又变成可以流动的液体，表现出优良的可控性能。Lord公司开发的汽车座椅悬架磁流变阻尼器如图 4 所示。该阻尼器为单筒式，采用压缩氮气作补偿，阻尼孔环形分布与电磁线圈绕制都在活塞上，通过活塞杆引出控制线。磁流变阻尼器的工作原理是通过改变励磁线圈

8、中的电流，从而获得不同强度的磁场，使工作腔中的磁流变液的流动特性发生变化，从而改变阻尼力的大小。分析可知，控制电流与阻尼力的关系为 （1） 式中，K和是与磁流变液相关的实验常数，这里K取0.0618，取1.25；为未施加磁场时磁流变液的粘度；Ap为活塞有效作用面积；N 为线圈的匝数；S 为活塞运动速度；I 为控制电流；L ，R2，R1为磁流变阻尼器的结构参数。式(1)和实验结果都表明，控制电流与阻尼力之间是单调递增的关系，在速度一定时，只要磁流变阻尼器通上适当的控制电流，就能改变磁场，从而改变阻尼力的大小。图4 磁流变阻尼器4可控电流源系统设计方案方案一：基于功率 MOSFET 的磁流变阻尼器

9、可控电流源设计。根据磁流变阻尼器的阻尼力与控制电流之间的关系，采用功MOSFET 和脉位调制器设计出磁流变阻尼器的电流控制器。根据查找磁流变阻尼器的控制特性资料，当控制信号在一定范围内变化时，要求控制电流从01.5A连续变化。为了获得连续可调的控制电流，我设计的电流控制器由功率 MOSFET、NE555P 和运放组成，其电路简单，输出电流稳定，线性度好，其系统框图如图5。MOSFET放大器NE555P磁流变阻尼器器如图5 基于MOSFET的可控电流源系统框图方案二：基于单片机的可控电流源设计。单片机通过采集外部中断信息，然后通过一定的程序，产生矩形脉冲信号，然后通过场效晶体管形成02A的电流，

10、从而来控制磁流变阻尼器，系统框图如图6。磁流变阻尼器器MOSFET单片机如图6 基于单片机的可控电流源框图通过上面的论述可得，方案一完全是通过硬件来实现可控电流源的设计，可能设计出来的可控电流源的灵活性上存在缺陷。而方案二是通过软件的方式，设计出可控的电流源。在该方案中，最主要的可能是程序的设计存在一定难度。但是其灵活性要比方案一更好，且在使用器件上也可能尽量的比其少一些。因此，我想两种方案都尝试一下，看看哪种方案的精度及可靠性更好。5基于功率 MOSFET 的磁流变阻尼器可控电流源计根据本课程设计的磁流变阻尼器的控制特性，当控制电流在从01.5A连续变化，从而使磁流变阻尼器的阻尼性质随着电流

11、信号的改变而发生变化。以下是从纯硬件方面来设计可控电流源的方案，该方案所使用的硬件主要有放大器、NE555P定时器、场效晶体管5.1 硬件电路为了获得连续可调的控制电流，本方案设计的电流控制器(图 7)由功率 MOSFET、NE555P 和运放组成，其电路简单，输出电流稳定，线性度好，而且输出电流响应速度快，易于实现快速控制的功能。通过运算放大器的输出，来控制NE555P定时器输出矩形脉冲信号的占空比及频率，从而控制场效晶体管的开通及关断。如图7 纯硬件设计的可控电流源系统的原理图图中 A 是高精度运放；Q 1 、Q 2 是功率MOSFET；负载为磁流变阻尼器。由 NE555P 构成脉位调制器

12、，工作于无稳态方式，其振荡频率受脚5 输入的信号调制。控制端脚 5 加入调制信号 V，（该端允许外加 0Ec的电压），使定时器的阈值电平 Vth1和触发电平 Vth2均随 V而变，即 （2） （3）因而定时器电容C2的充电时间和放电时间均受调制信号V的控制，脚3输出正脉冲的位置及脉冲宽度将随调制信号 V的变化而变化，实现脉冲的位置及宽度的双重调制。控制电压 Vi经 R1，R2分压后加到运放 A 的输入端，运放的输出信号作为 NE555P 的调制信号，NE555P 脚 3 输出的 PWM 信号控制 Q1，驱动 Q1 和Q2 交替工作在开关状态，Q1 的工作频率和占空比等于NE555P脚3输出电压

13、信号的频率和占空比。Q2导通时，D 处于截止状态，直流电压 Ec加在 D 的两端，经 LC 滤波后对负载供电；Q2 截止时，输入电压为 0，D 在回路电感的作用下导通，构成续流回路，D还可以削弱输出信号电压从高电平跳变到低电平时在感性负载两端产生的反电动势，Rs为取样电阻。所以，控制电压经运放后，控制脉位调制器输出脉冲信号的占空比，改变Q1和Q2的开关时间，从而控制输出电流的大小。5.2 硬件电路实物调试结果在搭电路实物的过程中，利用示波器检验NE555p是否能产生矩形脉冲。经过测量，发现NE555P不能产生PWM矩形脉冲，于是利用万用表检查放大器的输出电压是否会发生变化，发现有高低电压值输出

14、。于是更换555定时器外接的一些电阻和电容，之后经过两天的调试，NE555P的输出的是矩形脉冲，但是矩形脉冲的占空比不能受5端口的电压值的控制。之后经过一系列的调节，最后发现矩形脉冲的占空比只会增加，而不会减小。6 基于单片机的可控电流源设计鉴于上述的分析，我发现通过纯硬件电路是比较难实现矩形脉冲占空比增大或者减小功能，因为该功能跟许多硬件的属性（比如电阻的阻值、功率，电容的容量，放大器的放大倍数的精确度等）有关系。因此我改变了设计思路，通过单片机来输出PWM矩形脉冲，并且通过外部中断的方式来调节矩形脉冲的占空比，以下从硬件和软件方面进行介绍。6.1 硬件电路设计由于本课程设计的磁流变阻尼器控

15、制电源需要满足两个要求：一是输出电流是稳定的；二是输出电流根据输入控制信号的变化而变化，即是可控的。基于上述要求,磁流变阻尼器控制电源的设计原理如图8所示,图中U为输入电源电压,该电源为直流电压为12V,此电压不仅为该电路中一些元器件供电，而且最主要的是为磁流变阻尼器提供所需要的电流源。VD为快速恢复二极管,当Q2关断的时候，电感L1放电，经过VD形成回路，从而起续流作用，除此之外，还可以削弱输出信号电压从高电平跳变到低电平时在感性负载两端产生的反电动势。R为阻尼器的内阻,也即阻尼器励磁线圈的等效直流电阻。12C5A60S2是整个控制系统核心部分，其中12C5A60S2单片机自带10位的A/D

16、转换及D/A转换，因此不需要外接ADC转换电路和DAC转换电路。12C5A60S2输出的PWM控制信号，在输出pwm矩形脉冲为高电平时，Q1管处于导通状态，此时Q2管处于截止状态，此时电感处于放电状态。在PWM矩形脉冲为低电平的时候Q1处于关断状态，Q2为导通状态，此时电感如同导线并且充电，电容处于充电状态。其中Q1的工作频率和占空比等于PWM信号的频率和占空比，而Q2的占空比及频率受Q1的控制。所以，控制电压经单片机P1.1口后，从而控制单片机输出脉冲信号的占空比，改变Q1和Q2的开通与关断时间，从而控制输出电流的大小，电路原理图如图8所示。图8基于单片机可控电流源原理图6.2软件设计由于我

17、采用的单片机是12C5A60S2芯片，此芯片是自带10位的A/D转换器的。于是在编写相应的程序之前，先得对该芯片的相应的寄存器进行定义，或者规定好相应的内存，以便主程序调用。书写调用程序之后，我开始书写主程序，先得定义好要使用的函数，比如说，延时函数，矩形脉冲函数，外部中断，A/D转换函数等。首先从P1.1口输入一个电压值，之后是ADC转换器对模拟输入的电压值进行转换成二进制的数值，之后通过P0.0端口输出，输出之后，其值输送到后接硬件电路，其部分程序如下：#define ADC_POWER 0x80 /ADC电源控制位，0：关闭，1：打开#define ADC_FLAG 0x10 /ADC结

18、束标志位#define ADC_START 0x08 /ADC启动控制位 #define ADC_SPEEDLL 0x00 /540 clocks选择转换速度void main() InitTimer0();while(1)InitADC();GetADCResult(1);v=GetADCResult(1);c=0;/c必须清零一次 7心得体会在进入这个测控系统设计课程开始之前，我休整了一天，为迎接下一个课程设计做好提前的准备工作。当老师的题目出来那一刻，我开机想选一些容易的题目，但想到自己的毕业设计，于是就放弃选那些题目了。在课设的第一天，老曹就对我说，你这次课程设计先从毕业设计的控制系统

19、做起。于是我点点了一下头，当我点完头之后，我感觉自己很“迷茫”，因为自己的这个题目对于我来说是件麻烦事。我真不知道该从哪里下手，于是我开始查找有关于这方面的资料，但是经过一两天的查找，发现很多是有关于该控制系统的分析，即使有实物的，但是都不符合我的需求。比方说，很多控制器，输出的电流大概是4mA20mA之间，很少有电流在0A2A之间。干开始我听师兄说，可以去图书馆查找外国文献，而且很多外国文献是实物已经做出来了，于是我跑到图书馆进行查找，但是很多文献看不懂（因为英语有限），经过一个上午的查找，只找到了两三篇论文。当我仔细阅读这些英文文献的时候，发现还是不行。此时，我就在思考能不能自己想出一个电

20、路来实现该功能。最后我想出了一个硬件电路，也就是通过NE555P定时器产生矩形脉冲来控制场效晶体管的开关以及它的占空比。经过一天的努力，电路图和电路搭好了，可是电路的功能怎么都不能实现。在调试了一天之后，我感觉自己设计的电路是不是不行，最后我改用了单片机电路。在设计单片机电路这一部分，最主要是书写程序。此时我在想该怎么书写程序，最后想到，只要通过产生一个矩形脉冲就行，然后就是思考该怎么通过外界电压值来控制矩形波的占空比。经过两天的工作量，我终于调出电流在0A到2A连续变化的电流了。8程序和实物8.1 程序#include "stc12c5a60s2.h"#include &

21、lt;intrins.h>/*定义相应操作位*/ #define ADC_POWER 0x80 /ADC电源控制位，0：关闭，1：打开#define ADC_FLAG 0x10 /ADC结束标志位#define ADC_START 0x08 /ADC启动控制位 #define ADC_SPEEDLL 0x00 /540 clocks选择转换速度void InitTimer0()/定时器，每一次定成10usEA=1;TMOD=0x01;ET0=1;TH0=(65536-10)/256;TL0=(65536-10)%256;TR0=1;/*-ADC 取值-*/ uint GetADCResu

22、lt(uchar ch) int V;ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ch | ADC_START; _nop_(); /Must wait before inquiry _nop_(); _nop_(); _nop_(); while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG);/Wait complete flag ADC_CONTR &=ADC_FLAG; /Close ADC V=ADC_RES; return V; /Return ADC result void Delay(uint n) /ad所需的延时 uint x; while (n-) x = 500; while (x-); /*- 初始化ADC特殊功能寄存器 -*/ void InitADC() P1ASF = P1 | 0x3f; /Set P1.0 - P1.5 as analog input port ADC_RES