【文章內(nèi)容簡介】 本控制對象為 一個 既有機械又有電氣 的計算機控制 裝置 ， 滿足 了現(xiàn)代技 科技 發(fā)展對實驗的 標(biāo)準(zhǔn) ， 可以 在本試驗臺上 進(jìn)行 綜合性 的 實驗， 讓 學(xué)生 不僅 學(xué)習(xí)機械 方面 的知識 ，而且對 微機控制原理、 計算機控制技術(shù)、電子技術(shù)等 都可以有部分了解 ， 利 于培養(yǎng)學(xué)生 養(yǎng)成 機電一體化的 思維 。試驗臺對現(xiàn)場生產(chǎn)的產(chǎn)品 生產(chǎn) 和質(zhì)量檢測也 帶 有較強的 實際 意義 。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)論文 3 課題主要任務(wù) 本設(shè)計基于單片機 AT89S51 開發(fā)了一種帶傳動試驗臺控制系統(tǒng)，硬件由單片機主控板、鍵盤接口、 LED 數(shù)碼顯示接口、測力應(yīng)變片和測轉(zhuǎn)速光電傳感器等接口電路組成 ,其主要完成的工作有 :檢測轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號 ,對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理 ,利用 PID 算法進(jìn)行閉環(huán)控制 ,調(diào)整交流電動機的轉(zhuǎn)速和磁力制動器的勵磁 ,可實現(xiàn)如下實驗： (1)依 據(jù)不同的轉(zhuǎn)速條件 ,控制主動輪轉(zhuǎn)速恒定 ,調(diào)節(jié)負(fù)載大小 ,分別測定從動輪和主動輪的轉(zhuǎn)矩 和 轉(zhuǎn)速 。 (2)依 據(jù)測 出 的主動輪 、 從動輪的轉(zhuǎn)矩 和 轉(zhuǎn)速 ,計算輸入、輸出功率 和 傳動 的 效率 。 (3)根據(jù)從動輪 及 主動輪的 速度 和帶輪直徑 ,去算出 滑差率 。 (4)測試 不同初拉力 情況 下皮帶打滑時轉(zhuǎn)矩。 本章小結(jié) 本章先介紹了 單片機和帶傳動的概念，而后講述了本課題問題的提出，接著描述了國內(nèi)外帶傳動試驗臺的單片機控制現(xiàn)狀，最后講述本設(shè)計的意義，基于此提出了本課題的設(shè)計任務(wù)。 程川川： 帶傳動試驗臺單片機控制系統(tǒng)的研究 4 002T LDF ）（ ???? （ ） 式中： T—— 軸上力矩 F—— 帶傳動的有效圓周力 D—— 帶輪直徑 Q—— 加載后荷載值的讀數(shù) Q0—— 加載前荷載值的讀數(shù) L0—— 旋轉(zhuǎn)中心至觸點的距離 假設(shè)有張緊力的作用，也就是說主動輪安裝在有滾動的導(dǎo)軌底座上面，如果要獲得需要的作用力，只需要把吊重和輪滑的帶拉筋，改變吊重就可以完成不同的預(yù)緊力作用。其2 帶傳動試驗臺單片機控制的基本原理 帶傳動設(shè)備構(gòu)造及原理 帶傳動實驗機的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。包括主動輪和從動輪，主動輪通過交流電機帶動，而這個電機是轉(zhuǎn)動的，圖上只畫了電機的外殼，在工作過程中，電機的轉(zhuǎn)子給定子一個反作用力，使得機殼出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，這個機殼上有一個固定的測力裝置通過觸點傳到壓力傳感器，完成一定的操作后可以獲得力矩。從動輪是一個制動器，線圈中在直 流電下又一個磁場，而圓盤的轉(zhuǎn)動會切割磁力線，有楞次定律可以知道會有一個反向的力矩，我們只需要改變直流電的大小就可以改變磁場，進(jìn)而改變力矩達(dá)到輸出功率的變化。 圖 21 帶傳動試驗機結(jié)構(gòu) 阻力矩測試方法與主動輪相同， 可由式 得到： 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)論文 5 對應(yīng)關(guān)系為： )2(sin2W ?? ??? A （ ） 式中： W—— 吊重 δ —— 初應(yīng)力，一般帶傳動為 ~ A—— 帶 的橫斷面積 α —— 帶輪角 從動和主動輪都可以在光電傳感器的情況下獲得轉(zhuǎn)速。如果主動輪和從動輪有相同的輪徑而且沒有相互滑動，就可以由下式計算工作效率： 11 2212 nn%100%100 ?????? TTPP? （ ） 式中： η —— 傳動效率 P1—— 輸入功率 P2—— 輸出功率 T1—— 輸入轉(zhuǎn)矩 T2—— 輸出轉(zhuǎn)矩 n1—— 主動輪轉(zhuǎn)速 n2—— 從動輪轉(zhuǎn)速 傳動 輪直徑相同時，滑動率可用下式計算： %100v1 21 ??? v v? （ ） %100n1 21 ??? nn 式中： ε —— 滑動率 v1—— 主動輪線速度 v2—— 從動輪線速度 直流電機調(diào)速 直流電動機的調(diào)速有三種方法： （ 1） 改變 電樞供電電壓 U。改變電樞電壓 時，要使 電樞電壓從額 定電壓往下降低，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速， 這種 調(diào)速方法 保證 轉(zhuǎn)矩 不變 。 如果 系統(tǒng)要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速，這種 是 最好 的 方法。 變化的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)。 （ 2） 調(diào)節(jié) 電動機主磁通 。 調(diào)節(jié) 磁通可以 使 無級平滑調(diào)速 得以 實現(xiàn)，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速， 這種 調(diào)速方法 保證 功率 不變 。變化時間 的時間常數(shù)比 變化的相要大得多，所需電源容量，小但響應(yīng)速度較慢。 程川川： 帶傳動試驗臺單片機控制系統(tǒng)的研究 6 （ 3） 調(diào)節(jié) 電樞回路電阻 。 這種 調(diào)速的方法在電動機電樞回路外串電阻， 所需 設(shè)備簡單，操作 也較為 方便。 缺點是 只能進(jìn)行有級調(diào)速，機械特性較軟，調(diào)速平滑性差；空載時會在調(diào)速電阻上消耗大量電能；還幾乎沒什么調(diào)速作用。 這三種調(diào)速方法各自有優(yōu)缺點，電阻調(diào)速缺點尤為明顯， 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般 以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種方法配合起來使用。 單片機原理 MCS51 單片機硬件結(jié)構(gòu) 圖 22 MCS51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 英特爾公司 生產(chǎn)的 MCS51 單片機是一款高檔 8 位單片機，它的集成度高，功能較全，在控制和開發(fā)應(yīng)用上有很好的特性，特別做在如今的測控領(lǐng)域是一款很好的 CPU 控制器。MCS51 單片機又有很多的分類，但是總體上的組成結(jié)構(gòu)和工作原理是相似的。其基本機構(gòu)如圖 22 所示 : （ 1）中央處理器為 8 位 單片機內(nèi)部設(shè)計主要完成累加器 ACC、算數(shù)邏輯運算 ALU、程序狀態(tài)寄存器 PSW、堆棧指針 SP、寄存器、數(shù)據(jù)指正 DPTR、指令存儲器、暫存器 TMP等， CPU 的運算內(nèi)部又包括一個特殊的位數(shù)據(jù)處理布爾處理機，添加了面向控制的處理能力，可以完成獨 立的位尋址。 （ 2） 全雙工運行的 I/O 接口 雙工串口運行有四種工作方式，它是為了完成單片機和華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)論文 7 其它工控機的相互通信，構(gòu)成一個只能系統(tǒng)。 （ 3） 中斷系統(tǒng) 單片機包含 5 個中斷級別系統(tǒng)，包括 2 個可編程改寫的中斷系統(tǒng)，可以用于外部中斷請求，串行通信中的中斷設(shè)置和定時 /中斷請求。 （ 4） 16 位的定時 /計數(shù)器兩個 單片機內(nèi)部集成了兩個 16 的定時或者計數(shù)器 T0、 T1，而每個定時器又包括 4 種不同的工作方式用于用戶的選擇，可以完成精確的定時或延時控制，計數(shù)器可以完成外部脈沖的計數(shù)。 （ 5） 唯一的 +5V 供電電源 通過一個低電壓供電，完成片內(nèi)正當(dāng)器 與定時電路，工作的頻率最高也可以達(dá)到 12MHZ。 （ 6） 可尋址的片內(nèi)程序和數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)還可以擴展 64K 的程序及數(shù)據(jù)存儲器 從這些特性可以知道，單片機的基本組成結(jié)構(gòu)和一般的微型計算機類似，它的硬件結(jié)構(gòu)功能完備，只不過是吧計算機的一些工恩呢該集成在一塊小芯片上，還可以實現(xiàn)某些特定作用的 CPU。 MCS51 單片機引腳功能 MCS51 型號的單片機都是 40 引腳，但是封裝有直插式和貼片式，制造方式為高密度溝道 MOS 工藝， 40 個引腳中有 32 個 I/O 引腳口，可以單獨使用，也可以并行使用，課分別作為數(shù)據(jù)、地址線和 I/O，還有 4 個控制信號， 2 個時鐘引腳，電源供電和地。其引腳功能如圖 23 所示： （ 1） I/O 口引腳 ～ P0 口 8 位雙向口線（在引腳的 32～ 39 號端子），是 8 位漏極開路的三態(tài)雙向 I/O 端口，如果使用外部的存儲器，那么這個口既可以作為地址總線由可以作為數(shù)據(jù)總線，可以驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負(fù)載。 P0 口有三個功能 : ①如果使用外部存儲器時，作為數(shù)據(jù)總線②使用外部存儲器時，作為地址總線③做擴展時，可當(dāng)做一般的I/O 使用，因為驅(qū)動能力不夠，所以需要加上拉電阻。 程川川： 帶傳動試驗臺單片機控制系統(tǒng)的研究 8 圖 23 直插式芯片圖 P1 口： ～ P1 口 8 位雙向口線對應(yīng)引腳的 1～ 8 號，它的內(nèi)部自帶上拉電阻，是一個單一功能的 I/O 端口，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負(fù)載。 P2 口： ～ P2 口 8 位雙向口線對應(yīng)引腳的 21～ 28 號，內(nèi)部也自帶上拉電阻的，用于擴展時，是地址的高 8 位，如果不擴展，就可當(dāng)做常用的輸入輸出口，可驅(qū)動 4 個 LS型 TTL 負(fù)載。 P3 口： ～ P3 口 8 位雙向口線對應(yīng)引腳的 10～ 17 號，是內(nèi)部自帶上拉電阻的8 位雙向 I/O 口，雙功能復(fù)用口。 （ 2） 控制引腳 ALE/ PROG :ALE 是一個地址鎖存控制信號，正常作用使輸出為一個脈沖； PROG 是這個功能對應(yīng)的另一個引腳，在程序編寫時，這個引腳會有一定脈沖。 PSEN ：在采用外部的程序存儲器的時候的一個選擇讀或者通的信號，電平為 0 時有效。一個機器周期中，這個端口的信號變化兩次，使用片內(nèi)的資源的話這個端口無效。 （ 3）時鐘引腳 單片機的 18,19 引腳是時鐘引腳，這兩個引腳通過外接晶振和片內(nèi)的一個方向放大器構(gòu)成一個晶體振蕩器， 產(chǎn)生的振蕩信號為單片運行提供時鐘。 XTAL1： 18 引腳，是晶體振蕩器的反相輸入端； XTAL2： 19 引腳，是外接晶體振蕩器的同向輸入端，與 18 引腳構(gòu)成一個完整的電路。 （ 4）電源引腳 電源引腳是單片機的 20 和 40 引腳，分別對應(yīng)地和 VCC。 ccV ：正常運行時的電源，接 +5V。 ssV ：電源地線，接地端。 力矩檢測原理 本系統(tǒng)通過壓力傳感器測量力矩，如果知道了動力距和阻力距那么就可以算出試驗臺的效率了。 我們通過杠桿原理去測量力矩，壓力使得壓力應(yīng)變片發(fā)生形變，檢測得到的電華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)論文 9 信號經(jīng)過電路放大處理后通過 A/D 轉(zhuǎn)換送給單片機，把這個力和測量物體的長度相城就可以獲得力矩。 由于壓力的變化中應(yīng)變片的變化量很小，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償，所以在很多場合都有應(yīng)用。系統(tǒng)中使用的電橋為等臂電橋，如圖 24 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。 恒 流 源U0A CDBIR1R2R3R4 圖 24 直流電橋結(jié)構(gòu) 橋路補償法利用電橋的和、差原理來達(dá)到補償?shù)哪康?，下面說明雙絲半橋式補償?shù)脑?。如圖 25 所示： 恒 流 源U0A CDBIR1R2R3R4RB 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，補償柵 R2 串接電阻 RB (不敏感溫度影響）后接入電橋補償臂；另兩臂照例接入平衡電阻 R3和 R4。如果溫度發(fā)生變化，兩個橋臂的補償能量是差不多的，這就完成了補償功能。 BtBtt RRRRR RR ????????2 222 21 1t1R ?? （ ） 而外接補償電阻為： 程川川： 帶傳動試驗臺單片機控制系統(tǒng)的研究 10 )1( 1t22 ??? tB RR ?? （ ） 式中， ε 1t、ε 2t分別為工作柵和補償柵的熱輸出。 控制系統(tǒng)總體方案 的確定 根據(jù)試驗要求，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 。 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)計需要的功能，靈活性很強，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，因為單片機的控制速度很快，精確度高，所以可以完成很好的計算和存儲工恩呢該，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