【正文】 對外部事件脈沖（下降沿）計數(shù)，是計數(shù)器；對片內(nèi)機周脈沖計數(shù)，是定時器。當(dāng)設(shè)置了定時器的工作方式并啟動定時器工作后，定時器就按被設(shè)定的工作方式獨立工作，不再占用 CPU的操作時間，只有在計數(shù)器計滿溢出時才可能中斷 CPU當(dāng)前的操作。 它們既可用作定時器方式，又可用作計數(shù)器方式。 TH1 = (65536 K) / 256。 //T1 定時 方式 1， T0 計數(shù)器方式 K = 4000。 （ 2） 開放同級中斷，以便允許同級中斷源請求中斷。 1. 中斷請求 中斷源發(fā)出中斷請求信號，相應(yīng)的中斷請求標(biāo)志位 (在中斷允許控制寄存器IE中 )置“ 1”。 本設(shè)計的控制對象為步進電機的轉(zhuǎn)速 N， 控制算法采用傳統(tǒng)的 PID 算法 ，若系統(tǒng)存在余差，可快速消除余差達(dá)到控制要求 。另外，當(dāng)系統(tǒng)受到?jīng)_激式偏差沖擊時，由于偏差的變化率很大，而 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié) 速度又很慢，這樣勢必會造成系統(tǒng)的振蕩，給生產(chǎn)過程帶來很大的危害。相反地當(dāng) iT 選擇的越大，積分的調(diào)節(jié)作用越弱，雖然過渡過程中不容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，但消除偏差 e的時間卻很長。 為了消除靜差值，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上并人一個積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)規(guī)律可用下列 (4)式表示 。 比例系數(shù) pk 的大小決定了比例調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的快慢程度 ， pk 大調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的u(t) ＋ e(t) r(t) 比例 積分 微分 執(zhí)行機構(gòu) 對象 c(t) － ＋ ＋ 速度快，但 pk 過大會使控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或振蕩現(xiàn)象。 ○ ○ 圖 14 PID控制系統(tǒng)框圖 比例調(diào)節(jié)（ P） 比例調(diào)節(jié)是數(shù)字控制中最簡單的一種調(diào)節(jié)方法。 單片機通過光電編碼器的輸出脈沖數(shù)計算出步進電機的轉(zhuǎn)速 n，將輸出量 n送回至系統(tǒng)的輸入端，與程序設(shè)定轉(zhuǎn)速初值 n0 進行比較，將兩者偏差信號 e 作用于控制器上，控制器對偏差信號 e 進行 PID 運算，產(chǎn)生控制作用，使系統(tǒng)的輸出量轉(zhuǎn)速 n 趨向于設(shè)定初值 n0 ，使步進電機的速度維持一個恒定的值。 } } 2. 控制 方案 的 比較選擇 開環(huán)控制的好處是控制算法簡單程序比較容易，此外節(jié)省了許多元器件，從而硬件設(shè)計也比較簡單，這個方法實現(xiàn)很容易。 i z。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀鍵過程中。 圖 11 STC12C5A60S2 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖 12 單片機部分原理圖 主控板電源 主控板電源模塊采用 78M05 穩(wěn)壓芯片，為了是輸出的電壓穩(wěn)定并且消除文波采用前后并聯(lián) 220uf 的極性電解電容和 的無極電容的方法。且定時器還可用于實現(xiàn)多串口。 且 該 單片機 有 4 個 16 位定時器。而且內(nèi)存太小。 ○ 2 PU：脈沖信號接入端。A：接電機 A 相線圈的二根引線。 本裝置步進電機所需的速度無須太快， 電流過大也易引起電機發(fā)熱量大， 綜合考慮，本設(shè)計采用 16 細(xì)分 （ DIP1~DIP4： 0111） 和 （ K1~K3： 100） 的輸出相電流。 （ a）衰減比為 0 （ b）衰減比為 50% 圖 7 波形圖 圖 8 電流和細(xì)分衰減設(shè)置電路模塊 而步進電機在運行過程中可能會有發(fā)熱量大或失步越步等的問題出現(xiàn)，為防止此類問題的發(fā)生或問題發(fā)生后的補救方法，驅(qū)動器的自動半流控制功能、脫機功能和細(xì)分功能就充分體現(xiàn)出來，這部分將在附錄中具體介紹。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。 NFA、 NFB 分別為電機 A、 B 相最大驅(qū)動電流定義引腳，最大電流計算公式為 IOUT(A)=(V)／ RNF(Ω)，若預(yù)先定義電機每相的最大驅(qū)動電流為 A，取 RNF= Ω，則 PGNDA、 PGNDB、 SGND 分別為電機A、 B 相驅(qū)動引腳地和邏輯電源地。 圖 5 信號隔離電路模塊 步進電機主電路 步進電機主電路主要包括驅(qū)動電路和邏輯控制電路兩大部分。光耦 隔離 的作用有兩個：首先，防止電機干擾和損壞接口板電路；其次，對控制信號進行整形。 2 硬件設(shè)計 驅(qū)動器設(shè)計 TB6560AHQ 簡介 TB6560AHQ 是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片。 方案二： M 法測速： M 法是測量單位時間內(nèi)的脈數(shù)換算成頻率，因存在測量時間內(nèi)首尾的半個脈沖問題，可能會有 2 個脈的誤差。 速度測量 方案 的 選擇 和論證 方案一： T 法測速： T 法是測量兩個脈沖之間的時間換算成周期，從而得到頻率。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 4 所示；通過計算每秒光電編 碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。采用此種方案 可 減少芯片的使用，節(jié)約成本。 （ TFT 液晶各引腳功能見附錄） 因單片機 I/O 口有限， TFT 液晶顯示采用 8 位數(shù)據(jù)接口模式，其 在 程序中的接口定義如下： TFT 液晶 顯示 STC12C5A60S2 單片機 CS P0^3 RS P0^4 WR_ P0^5 RD_ P0^6 RST P0^7 D8～ D15 P2 TFT 在程序中對應(yīng)的函數(shù)是 display()，寫入函數(shù)存放在 中。 本裝置采用的顯示模塊 即 是 TFT，分辨率為 128xBGRx160，可達(dá) 262K色。將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 顯示模塊選擇方案 方案一： 采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合 ,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費 ,且價格也相對較高 。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向 I2C 總線傳輸。 AD 數(shù)據(jù)采集模塊 A/D 轉(zhuǎn)換器基本原理：在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號代碼是離散量， 所以進行轉(zhuǎn)換時必須在一系列選定的瞬間（亦即時間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點上）對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。%。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。 綜合精度等的考慮下，本課題決定采用步進電機作為帶動裝置。 步進 電機 步進 電機 是將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機 件。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。 且 交流電機功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。如果短接電樞，會產(chǎn)生制動力矩，可以快速停止，但也不能做到立即停止；再 或 者，在需要停止時，采取反接，同時要快速 識別速度是否為 0，如果為 0，立即結(jié)束反接，否則 電機 會反轉(zhuǎn)。此外，直流電動機還有起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào) 速方便、動態(tài)特性好等特點。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻 Ra 時，會使機械特性變軟，導(dǎo)致電機帶負(fù)載能力減弱。 直流電動機的轉(zhuǎn)速 N 和其他參量的關(guān)系可表示為 N = ??a?Ia?Ra???? ?Φ (5) 式中 ： Ua——電樞供電電壓（ V）； Ia ——電樞電流（ A）； Ф——勵磁磁通（ Wb）； Ra——電樞回路總電阻（ Ω）； Ce——電勢系數(shù)。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。 系統(tǒng)框圖如圖 2 所示： 圖 2 系統(tǒng)框圖 差壓變送器 AD 模塊 控制器 液晶顯示 第三章 硬件設(shè)計 1 元器件的選擇 電機 的選擇 電動機 種類很多，大抵可分為直流電機、交流電機、步進電機和伺服電機，如何選擇合適的電動機帶動裝置中直線滑臺的移動需與測量所需參數(shù)移動距離等結(jié)合一起來考量。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法保證設(shè)計電路的標(biāo)準(zhǔn) 化、模塊化。 3 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計。圓管內(nèi)固定設(shè)置的氣液隔板在其上方開孔可實現(xiàn)隔板兩邊同壓力，如此測量氣體壓力即為被吸入液體的壓力，而待測液體一邊與大氣相通，利用差壓變送器測得圓管內(nèi)外氣體的壓差即為毛細(xì)管兩端的壓差。 毛細(xì)管法測定液體粘度的理論基礎(chǔ)是 泊肅葉 (Poiseulle)定律，即： ?? ?? ???? L rPQ 84?????????????????令 R＝ 8uL / (π r^4)，即 Q＝ ΔP / R， R 稱為 流阻 。因此，研究適用于寬測量范 圍的粘度測試方法和測試裝置將是今后一個重要發(fā)展方向。綜合分析兩方面因素，液體粘 度測定技術(shù)將在以下三個方向得到較大發(fā)展： (1)基于現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與處理方法完善傳統(tǒng)粘度檢測技術(shù) 經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，傳統(tǒng)的粘度測量方法已經(jīng)比較成熟，盡管許多儀表 體積偏大，操作較為復(fù)雜，但其測量精度及可靠性已經(jīng)過長期考驗。將激光束線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光后用來旋轉(zhuǎn)浸入液體的雙折射探測粒子 ， 利用設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng) ， 精確測量出施于旋轉(zhuǎn)探測粒子上的力矩 ， 又可知液體對粒子的粘性阻力矩 ， 由探測粒子勻速旋轉(zhuǎn)時兩者相等 ， 即可以得到液體粘度值。 Behic Mert等 [14]基于圓柱管內(nèi)液體引起聲能的衰減依賴于液體粘度、聲音頻率、管厚度及管材料的關(guān)系 ， 發(fā)展了一種新方法 ， 通過測量圓柱導(dǎo)波器內(nèi)平面波的聲阻抗得到了液體粘度。 Z. H. SilberLi等 [11]綜合已有技術(shù) ， 設(shè)計了自動調(diào)溫微管粘度計 ， 管徑只有 20μm， 通過 CCD連接立體顯微鏡和計算機觀測液流情況 ， 進而推得粘度值 ， 利用熱電塞貝克效應(yīng)進行控溫。在該方法中，小球向上移動的速度，可通過測量小球吊絲上部任何一個固定點的移動速度求得。如果小球在所選用的 參比液體中降落一定距離所需要的時間為幻，且參比液體的粘度及密度皆已知，則只需知道待測液體的密度，便可算出待測液體的粘度。但毛細(xì)管粘度儀的成本和安裝費用很高，且存在裝置內(nèi)殘留樣品不易清洗，測量周期長等缺點 [6]。 毛細(xì) 管法的理論基礎(chǔ)是泊肅葉定律 ， 即一定體積的液體在一定壓力梯度下通過給定毛細(xì)管所需時間正比于層流液體的粘度，可通過測量液體流速和液體流經(jīng)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力計算出液體粘度。常用的扭轉(zhuǎn)振動式測量包括衰減振動式和強制振動式。 旋轉(zhuǎn)法測量液體粘度是目前應(yīng)用廣泛的一種方法。例 如：原油管道長距離輸送過程中，原油粘度過大不僅影響輸送效率，而且可能會造成原油凝管，發(fā)生事故。液體的粘度特性往往與產(chǎn)品的其他特性如顏色、密度、穩(wěn)定性、固體成分含量和分子量的改變有關(guān)系，而檢測這些特性的最方便和靈敏的方法就是在線檢測液體的粘度。毛細(xì)管式在線粘度測量裝置的研制 摘要 ： 本文首先分析了目前國內(nèi) 外 液體動力粘度的在線測控需求情況， 然后 從泊肅葉定律出發(fā)，對常規(guī)毛細(xì)管粘度計進行改進設(shè)計，研制出一套新型自動粘度測量裝置，該裝置采用氣液隔板隔離液體與傳感器及動力部件，避免兩者相接觸而造成的清洗困難。 關(guān)鍵詞 ： 粘度， 在線 測量，單片機 系統(tǒng) ，閉環(huán)控制 第一章 粘度在線測控現(xiàn)狀及發(fā)展方向 1 課題研究背景及意義 粘度是衡量液體抑制流動能力的一個重要的物理參數(shù)，是液體的重要物理性質(zhì)和技術(shù)指標(biāo)之一。實際工程和工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要在線檢測流體的粘度，以保證最佳的過程運行環(huán)境與產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高生產(chǎn)效益，特別是在石油化工、醫(yī)藥、冶金及食品等行業(yè)中口 [2][3]。 2 液體粘度的傳統(tǒng)測量方法 傳統(tǒng)的粘度測量方法有旋轉(zhuǎn)法、振動法 、 毛細(xì)管法 和落體式測量法 。 振動法測量方式有扭轉(zhuǎn)振動式 和 振動片式等 多種 。振動法具有振動周期和衰減測量方便、樣品用量少、控溫方便的優(yōu)點，但沒有公認(rèn)的理想粘度計算公式 [5]。毛細(xì)管粘度測量精度高、測量過程 中能夠進行精確穩(wěn)定的溫度控制，具有良好的趨勢分析效果。落球式粘度計的精度低于毛細(xì)管粘度計，測量的方法是以同一小球依次在測量管內(nèi)的不同液體中下落，并記下其降落距離相等的時間。 通過實驗測量出不同拉力作用下的小球往上移動速度，作移動速度對拉力的圖線，所得曲線的斜率即為比例系數(shù) k，于是可求得粘度數(shù)值。 Nabil Ahmed[10]根據(jù)原子應(yīng)力顯微鏡懸臂共振頻率隨其浸入不同粘性介質(zhì)發(fā)生變化的原理 ，