【文章內(nèi)容簡介】 很小，使得產(chǎn)生的電阻變化很小，所以如果采用一般的測量電路，很難測量準(zhǔn)確，所以這里為了獲得一個好的測量效果，采用電橋測量，這種測量電路不僅結(jié)構(gòu)簡潔，而且測量的精確度也高，測量范圍也比較寬，還有較高的線性，關(guān)鍵是可以完成溫度補(bǔ)償，所以在很多場合都有應(yīng)用。系統(tǒng)中使用的電橋?yàn)榈缺垭姌颍鐖D24所示，沒有動作前四個電阻都是相等的買這個時候得到的輸出電壓為零。圖24 直流電橋結(jié)構(gòu)橋路補(bǔ)償法利用電橋的和、差原理來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?，下面說明雙絲半橋式補(bǔ)償?shù)脑?。如圖25所示：圖25 直流電橋結(jié)構(gòu)電阻RB是一個敏感柵，它是是由同符號電阻溫度系數(shù)的兩種合金串接而成：而且柵的兩部分電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上：工作柵R1盡接入電橋工作背，補(bǔ)償柵R2串接電阻RB (不敏感溫度影響）后接入電橋補(bǔ)償臂；另兩臂照例接入平衡電阻R3和R4。如果溫度發(fā)生變化，兩個橋臂的補(bǔ)償能量是差不多的，這就完成了補(bǔ)償功能。 （）而外接補(bǔ)償電阻為： （）式中，ε1t、ε2t分別為工作柵和補(bǔ)償柵的熱輸出。 控制系統(tǒng)總體方案的確定根據(jù)試驗(yàn)要求，應(yīng)在給定轉(zhuǎn)速和負(fù)載的條件下測試相關(guān)數(shù)據(jù)。因此保證 轉(zhuǎn)速和負(fù)載恒定是本課題的研究重點(diǎn)。 控制方式的選擇從控制方式研究，一般現(xiàn)在的控制方式包括模擬控制和數(shù)字控制，模擬控制由于控制的穩(wěn)定性而得到應(yīng)用，同時其控制對象也是模擬的；數(shù)字控制有其特別的作用，那就是可以通過程序設(shè)計(jì)需要的功能，靈活性很強(qiáng)，而且控制很方便，但是會引入離散的變量。數(shù)字控制方式采用的是數(shù)字信號，溫度影響很小，不會出現(xiàn)零點(diǎn)飄逸的現(xiàn)象，外圍硬件很好，只需要少量的硬件就可以完成多種作用，而且很容易改變，大部分功能是采用軟件完成，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的控制速度很快，精確度高，所以可以完成很好的計(jì)算和存儲工恩呢該，而且在顯示界面和鍵盤控制上很好完成，通訊也也很容易實(shí)現(xiàn)。而模擬設(shè)備由于硬件復(fù)雜，修改困難，使用很少。綜合以上原因，這里我們采用數(shù)字控制的方式。 系統(tǒng)功能說明本系統(tǒng)是采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)，完成了一個閉環(huán)系統(tǒng)控制，按照一定的控制算法完成了帶傳動試驗(yàn)臺的控制，采用矩陣式的鍵盤完成了多個按鍵的功能，通過程序可以很容易的修改各個按鍵的作用，也可以通過無線設(shè)備完成遠(yuǎn)程控制；采用液晶顯示器完成傳動臺的工作狀態(tài)顯示，可以很好的完成轉(zhuǎn)矩，速度、效率、位置等的顯示；檢測裝置主要是完成兩個輪子速度的檢測，然后獲得轉(zhuǎn)矩，通過一定的設(shè)備送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)然對于電機(jī)調(diào)速，中間還需要一個變頻器，完成電機(jī)的調(diào)速信號控制。本章小結(jié)本章主要介紹了帶傳動試驗(yàn)臺單片機(jī)控制的基本原理，首先介紹了帶傳動試驗(yàn)臺的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后簡單說明了直流電機(jī)和轉(zhuǎn)矩測量原理，包括直流電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)已經(jīng)原理結(jié)構(gòu)圖本章也詳細(xì)MCS51單片機(jī)，最后對系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用閉環(huán)PID控制。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如下圖所示，硬件電路結(jié)構(gòu)初步設(shè)想由以下部分組成：時鐘電路、復(fù)位電路、輸入電路、單片機(jī)、顯示電路。顯示電路部分采用了4段共陰數(shù)碼管顯示系統(tǒng)工作的各個環(huán)節(jié)和時間。控制部分采用C語言編程控制，AT89S51芯片采用掃描式對按鍵值采集，單片機(jī)產(chǎn)生的控制洗衣機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動的信號通過三極管構(gòu)成，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)速度的控制。單片最小系統(tǒng)的控制框圖如圖31所示，主要包括復(fù)位電路、時鐘電路、按鍵電路和單片機(jī)核心。復(fù)位電路單片機(jī)時鐘電路輸入電路驅(qū)動電路圖31硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖采用AT89S51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，主要模塊是復(fù)位和晶體震蕩電路。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)的所有I/O口全部用于系統(tǒng)的工作，單片機(jī)最小系統(tǒng)的外部接線如圖32所示：圖32 單片機(jī)最小系統(tǒng) 測速系統(tǒng) 光電編碼器介紹光電編碼器主要是完成編碼測速。工作原理和光電傳感器和相似，但是它其實(shí)是一個集成電路，集成了光電傳感器、電子電路等于一體，我們只需要用聯(lián)軸器把傳感器和電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接就可以完成多路信號的輸出。這個應(yīng)用很廣，在數(shù)控機(jī)床、手術(shù)臺、雷達(dá)、機(jī)器人和軍事活動等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，圖33就是一個成品光電編碼器圖。 圖33 成品光電編碼器這次設(shè)計(jì)我選的是光電傳感器，采用穿透法測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。 這里我們使用轉(zhuǎn)10個孔的方式，在一分鐘的時間內(nèi)，假如產(chǎn)生了10000脈沖，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速就為1000r/min。 硬件連接測量速度和測量頻率相似，都是采用計(jì)數(shù)法、測脈寬等方法完成，本設(shè)計(jì)是使用測脈寬的方式，電路設(shè)計(jì)如圖34，仿真由于沒有光電傳感器，這里我們使用555定時器構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器去模擬，得到的信號送入單片機(jī)進(jìn)行分析，然后得到速度在顯示器上進(jìn)行顯示。圖34 成品光電編碼器 控制面板設(shè)計(jì) 按鍵接口通過一些開關(guān)可以構(gòu)成鍵盤，這是一個最簡單的單片機(jī)和外接的接口，用戶可以按下按鍵，輸入命令或者數(shù)據(jù)，這是由設(shè)計(jì)者在程序中進(jìn)行設(shè)定完成的，通過硬件完成鍵值的處理我們叫做編碼鍵盤，通過軟件識別不同的鍵值是非編碼鍵盤，編碼鍵盤價格昂貴，但用起來方便，一般設(shè)計(jì)者們都是采用非編碼鍵盤，這樣對于功能而言可以由程序自由改進(jìn)，性價比比較高。這種鍵盤又有獨(dú)立式和矩陣式，矩陣式又叫做行列式，這個因?yàn)榘存I比較多，所以采用行列式方式，如圖35所示：圖35 矩陣式鍵盤 LED顯示器LED數(shù)碼顯示器這種顯示器件是由LED發(fā)光二極管組合而成的。采用8個發(fā)光二極管進(jìn)行一定位置的組合，構(gòu)成一個數(shù)碼管，其中一個是小數(shù)點(diǎn)，七個是字符顯示，所以我們也取名為7段數(shù)碼管。LED數(shù)碼共有兩種連接方式：(1) 共陽極接法：將發(fā)光二極管的正極都接一塊，形成一個公共端，這個公共端在實(shí)際使用時接電源的正極，而數(shù)碼管的負(fù)極是接電源的負(fù)極，但是因?yàn)槎O管的導(dǎo)通電阻很低，如果直接接電源的話會把二極管燒壞，所以我們在數(shù)碼管的負(fù)極接一個電阻，作為限流。當(dāng)?shù)碗娖皆陉帢O段輸入時，發(fā)光二極管就被點(diǎn)亮導(dǎo)通，而在高電平被輸入時則不會導(dǎo)通。(2) 共陰極接法：將發(fā)光二極管的陰極都接一塊，形成一個公共端，這個公共端在實(shí)際使用時接電源的負(fù)極，而數(shù)碼管的正極是接電源的正極，但是因?yàn)槎O管的導(dǎo)通電阻很低，如果直接接電源的話會把二極管燒壞，所以我們在數(shù)碼管的正極接一個電阻，作為限流。當(dāng)高電平在陽極段輸入時，發(fā)光二極管就被點(diǎn)亮導(dǎo)通，而在低電平被輸入時則不會導(dǎo)通。組成一個“8”字形字符共需8段：7段字形字符，再加上1個小數(shù)點(diǎn)位，因此提供給LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼為1個字節(jié)各段碼位。 如圖36所示，對于8個7端數(shù)碼管，要實(shí)現(xiàn)一個時間同時顯示不同的字符，是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槊總€時刻只有一個數(shù)據(jù)信號輸入，控制位只能實(shí)現(xiàn)一個位置的控制。但是由于人眼的視覺殘留效果，我們就可以快速的改變數(shù)據(jù)和控制位，讓我們?nèi)搜鄯謩e不出數(shù)據(jù)的改變，達(dá)到虛假的靜態(tài)效果，這就是動態(tài)掃描方式，是逐個點(diǎn)亮數(shù)碼管，每一個大約顯示5ms的時間，讓人一種錯覺效應(yīng)。在進(jìn)行動態(tài)掃描顯示時，往往是先并不知道應(yīng)顯示什么內(nèi)容，這樣也就無從選擇顯示字符的顯示段碼。所以我們一般采用查表的方式完成不同數(shù)字的顯示。圖36 數(shù)碼管顯示 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的電壓，220的交流電先通過變壓器降壓，然后經(jīng)一個不控整流橋整流得到直流電壓，最后通過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓其中5V給單片機(jī)供電，12V則給電機(jī)供電。 選用7805，一方面簡單；另一方面比較常用且比較便宜。7805的穩(wěn)壓電源是由變壓器、二極管整流、穩(wěn)壓芯片和電容濾波組成，如圖37所示：變壓器是完成將市電降壓的功能，提供給穩(wěn)壓芯片；二極管構(gòu)成的整流電路是把變壓器的交流電整流成直流電；然后通過一個電容的充放電作用給穩(wěn)壓芯片7805，這個電壓該芯片可以接受，穩(wěn)壓芯片上面加一個二極管是完成一個電量的反向流通，對整個電路實(shí)現(xiàn)一個保護(hù)作用；最后穩(wěn)壓芯片輸出的電壓不一定很穩(wěn)定，我們通過一個電容進(jìn)行濾波，去除高頻成分，便可以得到一個較好的波形。圖37穩(wěn)壓電源電路這個電源存在缺點(diǎn)：穩(wěn)壓芯片不能快速完成調(diào)節(jié)，也就是說如果輸入的信號或者負(fù)載發(fā)生高速變換時，電源芯片不能快速響應(yīng)；產(chǎn)生很大的內(nèi)部損耗，這個能量變?yōu)闊崃勘涣魇Я?，效率不高，故穩(wěn)壓芯片都需要一個散熱。該電源電路也有其優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡潔，工作穩(wěn)定，便于檢修及調(diào)試；電路簡單所以使得價格便宜，對于工業(yè)很適合；本電路中幾乎不涉及高頻成分，或者高頻工作元件，這可以減少好多的干擾，也特別容易控制。 電機(jī)PWM驅(qū)動模塊圖38 電機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路電機(jī)控制作為全自動洗衣機(jī)的一個核心，需要完成正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加減速等的動作。有些驅(qū)動是采用集成芯片，而這里我們是使用的三極管電路，通過兩個對稱的三極管電路，完成對電機(jī)的驅(qū)動和控制，其原理類似與差模信號。電機(jī)驅(qū)動電路如圖38所示。 PID閉環(huán)控制速度的采集：FX2N能夠采用高速脈沖采集，頻率可達(dá)到30KHz，共包含6個高速計(jì)數(shù)器（HSC0~HSC5），有12種工作模式。在固定的時間段內(nèi)會采集脈沖差值，經(jīng)過計(jì)算即可獲得當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。例：設(shè)采樣周期是100ms ，即每間隔100ms采集一次脈沖，光電開關(guān)每發(fā)出8個脈沖，這樣就可知道速度為 （）其中， 為采樣周期內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速單位為 。閉環(huán)控制就是將速度信號反饋給PLC，再與給定量的比較，輸出給PID控制模塊，從而調(diào)節(jié)速度達(dá)到設(shè)定要求。其結(jié)構(gòu)框圖如下：電機(jī) 圖39 速度反饋硬件連接圖速度給定速度反饋信號+單片機(jī)（PID） 變頻調(diào)速系統(tǒng) 硬件PCB主控板PCB如下，大小為90x96mm：圖313 主控板PCB 本章小結(jié)本章主要是設(shè)計(jì)帶傳動試驗(yàn)臺單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分，首先是單片機(jī)的最小系統(tǒng)，然后敘述了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速測量的各種方式，鍵盤和顯示等控制面板，穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，電機(jī)PWM驅(qū)動模塊，還介紹了閉環(huán)PID控制原理，最后在AD軟件下設(shè)計(jì)了主電路的PCB。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 用Keil軟件進(jìn)行編譯、連接美國Keil Software公司開發(fā)的Keil uVision2 IDE用于 51系列單片機(jī)C語言集成開發(fā)系統(tǒng),使用的開發(fā)語言是傳統(tǒng)的C語言,容易學(xué)習(xí)使用,極大地提高工作效率和減少了項(xiàng)目開發(fā)周期,它還可以嵌入到組裝,可以嵌入在關(guān)鍵的位置,使程序達(dá)到非常高工作效率。Keil uVision2內(nèi)部提供了編程所需的各種庫文件還同時集成了各種開發(fā)調(diào)試方式，整體軟件界面上采用的是非常經(jīng)典的Windows界面。你可以在很短的時間內(nèi)學(xué)會用它來開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序。另一個重要的點(diǎn),我們只需要稍微看下Keil uVision2編譯之后的匯編程序，從中不難發(fā)現(xiàn)匯編后的整體語句都是非常緊湊，很容易理解。因此Keil uVision2編譯后的執(zhí)行代碼效率非常的高效，提高了程序的運(yùn)行效率。此外,Keil uVision2 IDE支持C語言程序,也支持匯編語言程序。首先用Keil建立項(xiàng)目文件。然后將asm程序文件添加到建立的項(xiàng)目中。由于是匯編語言程序，否則編