【正文】 對(duì)外部事件脈沖（下降沿）計(jì)數(shù)，是計(jì)數(shù)器；對(duì)片內(nèi)機(jī)周脈沖計(jì)數(shù)，是定時(shí)器。當(dāng)設(shè)置了定時(shí)器的工作方式并啟動(dòng)定時(shí)器工作后，定時(shí)器就按被設(shè)定的工作方式獨(dú)立工作，不再占用 CPU的操作時(shí)間，只有在計(jì)數(shù)器計(jì)滿溢出時(shí)才可能中斷 CPU當(dāng)前的操作。 它們既可用作定時(shí)器方式，又可用作計(jì)數(shù)器方式。 TH1 = (65536 K) / 256。 //T1 定時(shí) 方式 1， T0 計(jì)數(shù)器方式 K = 4000。 （ 2） 開放同級(jí)中斷，以便允許同級(jí)中斷源請(qǐng)求中斷。 1. 中斷請(qǐng)求 中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，相應(yīng)的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位 (在中斷允許控制寄存器IE中 )置“ 1”。 本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為步進(jìn)電機(jī)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(shí)，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(shì)必會(huì)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(shí)間卻很長(zhǎng)。 為了消除靜差值，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上并人一個(gè)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(jī)構(gòu) 對(duì)象 c(t) － ＋ ＋ 速度快，但 pk 過大會(huì)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(jiǎn)單的一種調(diào)節(jié)方法。 單片機(jī)通過光電編碼器的輸出脈沖數(shù)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行比較，將兩者偏差信號(hào) e 作用于控制器上，控制器對(duì)偏差信號(hào) e 進(jìn)行 PID 運(yùn)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(jìn)電機(jī)的速度維持一個(gè)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(jiǎn)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(jì)也比較簡(jiǎn)單，這個(gè)方法實(shí)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(tái)程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時(shí)子程序便可直接插入讀鍵過程中。 圖 11 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖 12 單片機(jī)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(shí)器還可用于實(shí)現(xiàn)多串口。 且 該 單片機(jī) 有 4 個(gè) 16 位定時(shí)器。而且內(nèi)存太小。 ○ 2 PU：脈沖信號(hào)接入端。A：接電機(jī) A 相線圈的二根引線。 本裝置步進(jìn)電機(jī)所需的速度無須太快， 電流過大也易引起電機(jī)發(fā)熱量大， 綜合考慮，本設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中可能會(huì)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(bǔ)救方法，驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)半流控制功能、脫機(jī)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(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)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(jī) A、 B 相最大驅(qū)動(dòng)電流定義引腳，最大電流計(jì)算公式為 IOUT(A)=(V)／ RNF(Ω)，若預(yù)先定義電機(jī)每相的最大驅(qū)動(dòng)電流為 A，取 RNF= Ω，則 PGNDA、 PGNDB、 SGND 分別為電機(jī)A、 B 相驅(qū)動(dòng)引腳地和邏輯電源地。 圖 5 信號(hào)隔離電路模塊 步進(jìn)電機(jī)主電路 步進(jìn)電機(jī)主電路主要包括驅(qū)動(dòng)電路和邏輯控制電路兩大部分。光耦 隔離 的作用有兩個(gè)：首先，防止電機(jī)干擾和損壞接口板電路；其次，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行整形。 2 硬件設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) TB6560AHQ 簡(jiǎn)介 TB6560AHQ 是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 方案二： M 法測(cè)速： M 法是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈數(shù)換算成頻率，因存在測(cè)量時(shí)間內(nèi)首尾的半個(gè)脈沖問題，可能會(huì)有 2 個(gè)脈的誤差。 速度測(cè)量 方案 的 選擇 和論證 方案一： T 法測(cè)速： T 法是測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間換算成周期，從而得到頻率。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖 4 所示；通過計(jì)算每秒光電編 碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)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(jī) 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(jī) CS P0^3 RS P0^4 WR_ P0^5 RD_ P0^6 RST P0^7 D8～ D15 P2 TFT 在程序中對(duì)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(gè)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(gè)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(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(huì)亮。 顯示模塊選擇方案 方案一： 采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較適合 ,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi) ,且價(jià)格也相對(duì)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?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號(hào)代碼是離散量， 所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須在一系列選定的瞬間（亦即時(shí)間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn)上）對(duì)輸入的模擬信號(hào)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(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 綜合精度等的考慮下，本課題決定采用步進(jìn)電機(jī)作為帶動(dòng)裝置。 步進(jìn) 電機(jī) 步進(jìn) 電機(jī) 是將電 脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī) 件。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。 且 交流電機(jī)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(huì)產(chǎn)生制動(dòng)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(shí)，采取反接，同時(shí)要快速 識(shí)別速度是否為 0，如果為 0，立即結(jié)束反接，否則 電機(jī) 會(huì)反轉(zhuǎn)。此外，直流電動(dòng)機(jī)還有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào) 速方便、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻 Ra 時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。 直流電動(dòng)機(jī)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——?jiǎng)?lì)磁磁通（ Wb）； Ra——電樞回路總電阻（ Ω）； Ce——電勢(shì)系數(shù)。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)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(jì) 1 元器件的選擇 電機(jī) 的選擇 電動(dòng)機(jī) 種類很多，大抵可分為直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，如何選擇合適的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)裝置中直線滑臺(tái)的移動(dòng)需與測(cè)量所需參數(shù)移動(dòng)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(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn) 化、模塊化。 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)。圓管內(nèi)固定設(shè)置的氣液隔板在其上方開孔可實(shí)現(xiàn)隔板兩邊同壓力，如此測(cè)量氣體壓力即為被吸入液體的壓力，而待測(cè)液體一邊與大氣相通，利用差壓變送器測(cè)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(cè)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(cè)量范 圍的粘度測(cè)試方法和測(cè)試裝置將是今后一個(gè)重要發(fā)展方向。綜合分析兩方面因素，液體粘 度測(cè)定技術(shù)將在以下三個(gè)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(cè)技術(shù) 經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，傳統(tǒng)的粘度測(cè)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(cè)量精度及可靠性已經(jīng)過長(zhǎng)期考驗(yàn)。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(cè)粒子 ， 利用設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng) ， 精確測(cè)量出施于旋轉(zhuǎn)探測(cè)粒子上的力矩 ， 又可知液體對(duì)粒子的粘性阻力矩 ， 由探測(cè)粒子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(cè)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(jì)了自動(dòng)調(diào)溫微管粘度計(jì) ， 管徑只有 20μm， 通過 CCD連接立體顯微鏡和計(jì)算機(jī)觀測(cè)液流情況 ， 進(jìn)而推得粘度值 ， 利用熱電塞貝克效應(yīng)進(jìn)行控溫。在該方法中，小球向上移動(dòng)的速度，可通過測(cè)量小球吊絲上部任何一個(gè)固定點(diǎn)的移動(dòng)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(shí)間為幻，且參比液體的粘度及密度皆已知，則只需知道待測(cè)液體的密度，便可算出待測(cè)液體的粘度。但毛細(xì)管粘度儀的成本和安裝費(fèi)用很高，且存在裝置內(nèi)殘留樣品不易清洗，測(cè)量周期長(zhǎng)等缺點(diǎn) [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(shí)間正比于層流液體的粘度，可通過測(cè)量液體流速和液體流經(jīng)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力計(jì)算出液體粘度。常用的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式測(cè)量包括衰減振動(dòng)式和強(qiáng)制振動(dòng)式。 旋轉(zhuǎn)法測(cè)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(zhǎng)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(huì)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(cè)這些特性的最方便和靈敏的方法就是在線檢測(cè)液體的粘度。毛細(xì)管式在線粘度測(cè)量裝置的研制 摘要 ： 本文首先分析了目前國(guó)內(nèi) 外 液體動(dòng)力粘度的在線測(cè)控需求情況， 然后 從泊肅葉定律出發(fā)，對(duì)常規(guī)毛細(xì)管粘度計(jì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研制出一套新型自動(dòng)粘度測(cè)量裝置，該裝置采用氣液隔板隔離液體與傳感器及動(dòng)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(cè)量，單片機(jī) 系統(tǒng) ，閉環(huán)控制 第一章 粘度在線測(cè)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(dòng)能力的一個(gè)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(shí)際工程和工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要在線檢測(cè)流體的粘度，以保證最佳的過程運(yùn)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(cè)量方法 傳統(tǒng)的粘度測(cè)量方法有旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法 、 毛細(xì)管法 和落體式測(cè)量法 。 振動(dòng)法測(cè)量方式有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式 和 振動(dòng)片式等 多種 。振動(dòng)法具有振動(dòng)周期和衰減測(cè)量方便、樣品用量少、控溫方便的優(yōu)點(diǎn)，但沒有公認(rèn)的理想粘度計(jì)算公式 [5]。毛細(xì)管粘度測(cè)量精度高、測(cè)量過程 中能夠進(jìn)行精確穩(wěn)定的溫度控制，具有良好的趨勢(shì)分析效果。落球式粘度計(jì)的精度低于毛細(xì)管粘度計(jì)，測(cè)量的方法是以同一小球依次在測(cè)量管內(nèi)的不同液體中下落，并記下其降落距離相等的時(shí)間。 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量出不同拉力作用下的小球往上移動(dòng)速度，作移動(dòng)速度對(duì)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 ，