【正文】 ............................ 32 9 致謝 ......................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 34 附錄 1 實(shí)物樣機(jī) ......................................................................................................... 36 附錄 2 程序清單 ........................................................................................................ 38 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 數(shù)顯磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與制作 II 摘 要 數(shù)顯磁力攪拌器是用于液體混合的實(shí)驗(yàn)室儀器 ， 其主要用于攪拌或同時(shí)加熱攪拌低粘稠度的液體或固液混合物。磁力攪拌器的工作原理遵循磁的庫(kù)侖定律 ， 即兩個(gè)相隔一定距離的磁體 ,由于磁磁場(chǎng)的感應(yīng)效應(yīng) ， 它們不需要任何傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)件 ,通過磁體的耦合力 ， 就能把功率從一個(gè)磁體傳遞到另外一個(gè)磁體 ， 構(gòu)成一個(gè)非接觸傳遞扭矩機(jī)構(gòu)。 因此， 本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)顯磁力攪拌器進(jìn)行了研究。 直流電機(jī)作為外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的動(dòng)力來(lái)源 ， 也是目前最常用的手段和方法。對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和速度調(diào)節(jié)控制是實(shí)現(xiàn)良好攪拌的關(guān)鍵 ， 本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制控制電機(jī)電樞電壓的通斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 并通過光電門傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。STC15W4K32S4 是本次設(shè)計(jì)的控制核心 ， DS18B20 溫度傳感器是本次設(shè)計(jì)液體檢測(cè)工具 。 LCD12864 顯示屏作為本次設(shè)計(jì)的顯示核心 ， 它能夠?qū)嚢杵鞯膶?shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行快速有效的反饋給操作者。 關(guān)鍵詞 ： 磁力攪拌器； 直流電機(jī) ； H 橋 ； PWM 脈寬調(diào)制 ； DS18B20 溫度傳感器 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 數(shù)顯磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與制作 II Abstract Digital magic stirrer is used for liquid mixture of laboratory equipment, mainly used for mixing or heating and mixing of low viscosity liquid or solidliquid mixture. The working principle of magic stirrer follow magic coulomb39。s law, namely two mags at intervals, due to the induction effect of magic field, they do not need any traditional mechanical ponents, through the bonding force of mags, can make the power transmitted from a mag to another mag, constitute a noncontact transmission torque mechanism. Based on this, the design of digital magic stirrer were studied. DC motor as the power source of the external rotating magic field, but also the most monly used means and methods. Of motor start, stop and speed control is the key to the realization of the well stirred, this design adopts the pulse width modulation control onoff time of the motor armature voltage to adjust the motor speed, and through the photoelectric door sensor measuring motor speed. STC15W4K32S4 is the design of the control core. DS18B20 temperature sensor is the design of the liquid testing tool. LCD12864 display as the core of this design, it can be the blender of the realtime operating status of fast and effective feedback to the operator. Key words: Magic stirrer； DC motor ； Hbridge ； PWM pulse width modulation； DS18B20 temperature sensor 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 數(shù)顯磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與制作 1 1 緒論 課題背景 磁力攪拌器是用于液體混合的實(shí)驗(yàn)室儀器，主要用于攪拌或同時(shí)加熱攪拌低粘稠度的液體 或固液混合物。磁力攪拌器的工作原理遵循同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的原理，即兩個(gè)相隔一定距離的磁體，由于磁場(chǎng)的感應(yīng)效應(yīng)，它們不需要任何傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，僅通過磁體的耦合力，就能把功率從一個(gè)磁體傳遞到另外一個(gè)磁體，構(gòu)成一個(gè)非接觸傳遞扭矩機(jī)構(gòu) [1]。工作時(shí)通過直流電機(jī)帶動(dòng)外部永久磁體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過磁場(chǎng)耦合 原理 驅(qū)動(dòng)液體容器內(nèi)的帶磁性的攪拌子進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)將 外部 旋轉(zhuǎn) 動(dòng)力傳 遞 到 液體容器內(nèi)部里的攪拌子 ，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓容器中的液體進(jìn)行攪拌。因而在工程應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)靜密封、耐高壓、無(wú)泄漏攪拌的目的。配合加熱 溫度控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)的加熱要求并控制攪拌液體的溫度，維持實(shí)驗(yàn)條件所需的溫度條件，從而保證液體混合達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求。 電機(jī)作為外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的動(dòng)力來(lái)源，對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和速度調(diào)節(jié)控制是實(shí)現(xiàn)良好攪拌的關(guān)鍵。在小型磁力攪拌器中，通常采用直流電機(jī)帶動(dòng)外部磁體旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)磁力攪拌器的調(diào)速逐步從 模擬電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變成數(shù)字電路 ，尤其是近幾年來(lái)單片機(jī)技術(shù)的成熟及普及，使得磁力攪拌器功能更加 多樣化 ， 控制技術(shù)更加智能 化，操作使用更加人性化。 開發(fā)背景 隨著各行各業(yè)加工 工藝 的 要求 提高 ，傳統(tǒng) 的 槳 式 攪拌器不能滿足現(xiàn)代工藝的要求，必須采用更加先進(jìn)的磁力攪拌方式。磁力攪拌器依靠同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引的原理，讓放在容器里的攪拌子實(shí)現(xiàn)無(wú)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)容器里的液體轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌的目的。由于它采用無(wú)軸驅(qū)動(dòng)，在許多場(chǎng)合下都能將需要攪拌的液體做到密封，使之不發(fā)生泄漏或溢出。所以它能夠適應(yīng)攪拌要求非常苛刻的環(huán)境，如攪拌有毒，易燃，易爆等化學(xué)物質(zhì)。如果采用傳統(tǒng) 攪拌器攪拌以上物質(zhì)，由于受傳動(dòng)裝置的限制不能將攪拌液體做到密封，很有可能會(huì)造成有毒、有強(qiáng)腐蝕性的液體溢出，還有可能會(huì)將機(jī)械傳動(dòng)裝置給腐蝕掉，造成實(shí)驗(yàn)器材的損壞。 因此，本設(shè)計(jì) 在不改變攪拌器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓下 采用 脈寬調(diào)制 （ PWM）控制電重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 數(shù)顯磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與制作 2 機(jī)電樞電壓通斷的時(shí)間來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而通過磁力耦合 原理控制攪拌子旋轉(zhuǎn)達(dá)到調(diào)速的目的。 選題意義 在磁力攪拌器使用上，磁力攪拌技術(shù)對(duì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，更使磁力攪拌器的使用范圍得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，特別是在攪拌有強(qiáng)腐蝕性等常規(guī)攪拌器無(wú)法攪拌 的物質(zhì)上更能體現(xiàn)出非?？捎^的優(yōu)勢(shì)；在控制系統(tǒng)上，由于需要直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)永久磁鐵從而驅(qū)動(dòng)放在液體里面的攪拌子，所以 對(duì)電機(jī)的控制是磁力攪拌器最實(shí)質(zhì)的東西，這個(gè)課題的核心問題最終歸結(jié)于PWM 脈寬調(diào)制上， PWM 脈寬調(diào)制在多個(gè)領(lǐng)域都有運(yùn)用，比如燈光的亮度調(diào)節(jié)，交直流電機(jī)的調(diào)速等；在市場(chǎng)需求上，由于傳統(tǒng)攪拌器不能滿足現(xiàn)代加工工藝的需求，從而觸發(fā)了人們開拓使用磁力攪拌器或者研究更加智能化攪拌器的市場(chǎng)。為了進(jìn)一步探討及解決這些問題，我選擇了數(shù)顯磁力攪拌器這個(gè)課題。 本文的主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)通過改變 加有電壓的滑動(dòng)變阻 器阻值 ,從而通過 單片機(jī)自帶的 A/D 端口 將其實(shí)時(shí)電壓值讀回 并存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi)部相應(yīng)的寄存器中， 在輸出 PWM 波時(shí)將其調(diào)用并與電壓最大值進(jìn)行相除得 出 PWM的 占空比 ,然后 通過單片機(jī)的 PWM端口輸出任意占空比的 PWM 波 ,從而 控制 電樞電壓在一定時(shí)間范圍內(nèi)的平均值大小以達(dá)到 數(shù)顯磁力 攪拌器的平穩(wěn)調(diào)速。 按鍵控制攪拌器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，溫度傳感器傳回?cái)嚢枰后w溫度，并通過液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示攪拌器的工作狀態(tài)。 本文主要從 控制 系統(tǒng)方案的選擇， 機(jī)械結(jié)構(gòu) 的 設(shè)計(jì)， 硬件 的 設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì) 及調(diào)試等幾個(gè)方面 闡述了數(shù)顯磁力攪拌器 ，著重論述了調(diào)試過程中在硬件及軟件上遇到的各種問題并提出了相應(yīng)的解決方案。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 數(shù)顯磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與制作 3 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總方案討論 控制系統(tǒng)方案選擇 方案一 ： 模擬式脈寬調(diào)制 調(diào)速 [2]。 通過 555 定時(shí)器 的無(wú)穩(wěn)態(tài)模式產(chǎn)生脈寬可調(diào)的 PWM 波，其波形占空比通過調(diào)整滑動(dòng)變阻器而改變 。 再將其調(diào)制完成的 PWM波通過驅(qū)動(dòng)電路及功放電路最后調(diào)節(jié)電機(jī)一端的電位，通過改變加在電機(jī)兩端的電壓來(lái)對(duì)其電機(jī)調(diào)速。 其原理圖如下： 圖 方案一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 隨著單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制一般采用單片機(jī)作為控制器的數(shù)字電路已成為主流， 目前運(yùn)用單片機(jī)輸出 PWM 波對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的方案有以下 兩種 方式 ： 方案二 ：數(shù)字式脈寬調(diào)制型 非線性 DC/DC 開關(guān)變換 [3]。 該方案由單片機(jī)產(chǎn)生PWM 波通過 DC/DC 轉(zhuǎn)換 器將其 電壓幅度 成倍的 轉(zhuǎn)換成攪拌器的額定工作電壓，其占空比沒有發(fā)生任何改變，所以此方案也常被人們采用。 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖： 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 數(shù)顯磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與制作 4 圖 方案二 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 方案三 ： 基于 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和 STC15W4K32S4 單片機(jī) 數(shù)字式脈寬調(diào)制型 [4]。 以STC15W 系列 單片機(jī)為控制 器 來(lái)產(chǎn)生 PWM 脈沖 ,并通過 光耦 再將信號(hào)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，這里使用光耦的原因是 實(shí)現(xiàn) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)控制電路的強(qiáng)弱電隔離 ， 避免出現(xiàn)損壞 單片機(jī) I/O 端口 。采用 4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管 構(gòu)成 電機(jī) H 橋 驅(qū)動(dòng) 電路 ,實(shí)現(xiàn) 對(duì) 電機(jī)正反轉(zhuǎn) 的控制 ， PWM 波的占空比 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,利用安裝在 從動(dòng)齒輪 上的 葉片 和紅 外 傳感器構(gòu)成的 計(jì)數(shù)裝置對(duì) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 的進(jìn)行測(cè)量 ，再通過 外部旋鈕 調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，按鍵控制電機(jī)啟停和正反轉(zhuǎn) 。 此方案不僅造價(jià)便宜，而且有很高的實(shí)用價(jià)值。 其系統(tǒng)框圖如下所示： 單 片 機(jī)電 源 板( A C D C )電 機(jī)驅(qū) 動(dòng)電 路顯 示 電 路外 部 旋 鈕M測(cè) 速 電 路5 V電 機(jī) 額定 電 壓P W M輸 出A D 轉(zhuǎn) 換按 鍵測(cè) 溫模 塊 圖 方案三 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 方案一 通過改變電機(jī)電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速， 但是單片機(jī) 電源板 AC/DC DC/DC 轉(zhuǎn)換 器 M 顯示電 路 按鍵電路 測(cè)速模塊 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 數(shù)顯磁力攪拌器的設(shè)計(jì)與制作 5 它 不能實(shí)現(xiàn)攪拌器的正反轉(zhuǎn)，且沒有顯示功能和測(cè)速模塊。 并且這種方案硬件部分復(fù)雜，功能單一， 不能反應(yīng)攪拌器的實(shí)時(shí)工作狀況 ， 操作者需要憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷當(dāng)前的攪拌速度等情況， 此方案操作性差且不安全 。 方案二可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，但是從經(jīng)濟(jì)方面要求的元器件都比較貴重，所以放棄了這個(gè)方案。 方案三中可以使用 外部旋鈕 調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，調(diào)速方式直觀可靠方便 。通過AC220V/雙 DC6V 功率為 20W 的 變壓器對(duì)電壓進(jìn) 行變壓整流 之后，分 控制電源 和 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 兩個(gè)部分，電路中 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 部分電壓為 直接給到電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 ，而 控制電源 部分則通過