【導讀】學術規(guī)范和其他侵權行為。文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已。位或證書而使用過的材料。對本設計（論文）的研究做出重要貢獻的個人。和集體，均已在文中以明確方式標明。本畢業(yè)設計（論文）引起的法律結。果完全由本人承擔。本畢業(yè)設計（論文）成果歸東華理工大學所有。測模塊、電機及滴液速度控制模塊等幾個模塊構成。在這里，我主要從硬件這一方面進?？梢园l(fā)出報警信號。

　　

【正文】 機，在工業(yè)生產(chǎn)或者控制中用的主要控制元件之一就是步進電機。他主要是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。在使用的過程中如果有脈沖信號被電機檢測C1C2C R Y S T A L N O T至內(nèi)部時鐘電路東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 硬件部分 16 到，他就會按原先設定好的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，我們把這個角度叫做步進角。我們的角位移量可以通過脈沖個數(shù)來進行控制，這樣就可以實現(xiàn)準確定位，而且步進電機的步進腳不會累積，所以用增量式的 PID 算法會更好更方便的控 制電機，則沒有 比其他類型的電動機更適合于本系統(tǒng)。 由于單片機帶負載能力有限，不能直接驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，所以我們在電路中加入ULN2020A，增加單片機的帶負載能， ULN2020 是大電流驅(qū)動陣列 ,多用于單片機、數(shù)字量輸出卡、 PLC、智能儀表等控制電路中，可直接驅(qū)動類似于像繼電器一樣的負載。 ULN2020A 的引腳圖如圖 3213，每一對達林頓的等效電路， ULN2020 的驅(qū)動芯片是由七個達林頓管組成，他的每一對達林頓都串聯(lián)一個基極電阻，阻值是 。 ULN2020 工作電壓高，工作電流大 ,但是在 5V 的 工作電壓下，它可以將 CMOS 和 TTL 電路直接相連，來處理一些原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。灌電流可達 500mA，相應的電壓可達 50V。 電路原理圖如圖 3212 所示。圖中， ABCD 是控制驅(qū)動電機的， SPEAKER 是驅(qū)動蜂鳴器的。 SPEAKER 引腳連接到單片機的 口，剛開始給他一個低電平，當液面到達警戒線位置時，將信號直接賦給單片機，然后直接將 口的電平拉高，則引起 speak 報警，在按鍵的功能鍵中有清除報警，直接按下此鍵既可消除報警。 1B12B23B34B45B56B67B7E8 C O M 97C 106C 115C 124C 133C 142C 151C 16J8U L N 2 00 3L S 1S P E A K E RV C CG N DABCDS P E A K E R1 2 3 4J9 C O N 4 圖 3212 電機驅(qū)動及報警電路 圖 3213 ULN2020A 內(nèi)部框圖 輸液管的機械控制 輸液管的機械控制我們采用凸輪來控制，控制對象是滴液管，執(zhí)行機構是步進電機，硬件部分設計模型正視圖如圖 3216，將電機裝在凸輪后邊，圓心那個圈代表電 機的中心輪，用電機直接帶動凸輪轉(zhuǎn)動，他的增量式框圖如圖 3217，采用增量式 PID 的算法，如下： 可以得到 k時刻的采樣輸出值： ])1()()()([)( 0?? ????? ki DIP T kekeTieTTkeKku 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 硬件部分 17 同理也可以得到 k1時刻的采樣輸出值： ])2()1()1([)1( 10i )(??????????? k DIp TkekeTTkeku Tiek 將這兩個值相減，就可以得到增量 PID 算式： )2()1()(2101 ???????? ? keqkeqkequuu kkk 其中 )1(q 0 TTTTK DIp ??? )21(1 TTKq DP ?? TTK DP2 圖 3216 用凸輪控制滴管正視圖 圖 3217 控制框圖 在這里，因為凸輪的模型難以建立，所以在參數(shù)整定時，我們用試湊法來得出 PID的參數(shù)， )(tr 表示的是用鍵盤設定的滴速值， )(ty 表示的是當前已檢測的滴速值， )(te 是東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 硬件部分 18 設定值與當前滴速值之間的差值， ku? 是 )(te 經(jīng)增量式 PID 運算出來之后的輸入電機應運轉(zhuǎn)的步值。 這里需要比較檢測到的滴速和設定的滴速之間的誤差 e(k)，設定值是給定的，由程序控制，另一個是需要檢測的滴速，檢測方法我們在前面已經(jīng)講過了，不再重復，總之經(jīng)過整形和方法，得到輸出脈沖，得到固定的脈沖之后計算所需要的時間，然后計算出相應的滴速，并和設定的滴速比較得到當前誤差 e(k)，經(jīng)過 PID 運算，得到步進電機的運動增量，然后電機動作，使滴液管徑減小，這是一個周期，這個周期可以控制在 5S，可以用 時間檢測液滴的數(shù)量，得到流速，用 動 作電機，這個 5S 的得來是通過經(jīng)驗得來，一般說 T應小于受控對象純延遲時間的十分之一。 關于 PID 的整定，這里整定 PID 采用臨界比例度法，臨界比例度法是通過眼睛看，所以需要設計組態(tài)界面，觀察流量震蕩曲線時對應參數(shù)，然后在此參數(shù)周圍調(diào)試，這里采用 MATLAB 的 GUI 工具來檢測流量曲線。設計好的界面如下圖 3214： 圖 3214 GUI工具界面 擴充比例度法整定數(shù)字 PID控制器參數(shù)的步驟是： （ 1） 預選擇一個足夠短的采樣周期 T。一般說 T 應小于受控對象純延遲 時間的十分之一，這里因為采樣時間的不固定，所以我們選用 5 滴內(nèi)所用時間的中間值，取 T為 10秒。 （ 2） 用選定的 T使系統(tǒng)工作。這時去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構成閉環(huán)運行。逐漸減小比例度，即加大比例放大系數(shù) Kp，直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時的比例放大系數(shù)記為 Kp,臨界振蕩周期記為 Tk。 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 硬件部分 19 （ 3） 查表 3215確定參數(shù)。根據(jù)所選擇的控制度，查如下經(jīng)驗表，得出數(shù)字 PID 中相應的參數(shù) KP,TI 和 TD。 表 3215 參數(shù)計算表 Kp TI(min) TD(min) P Kp/2 PI Kp/ Tk/ PID Kp/ （ 4）運行與修正。將求得的各參數(shù)值加入 PID控制器 ,閉環(huán)運行 ,觀察控制效果 ,并作適當?shù)恼{(diào)整以獲得比較滿意的效果。 （ 5）然后用試湊法，口訣如下： “參數(shù)整定 找最佳，從小到大順序查”從較小的數(shù)來試，不要太大，不然系統(tǒng)不穩(wěn)。 “先是比例后積分，最后再把微分加”整定順序，從比例 積分 微分。 “曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大”系統(tǒng)響應曲線震蕩頻率很高，增大比例。 “曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳”系統(tǒng)響應曲線震蕩頻率低，減小比例。 “曲線偏離回復慢，積分時間往下降”系統(tǒng)響應曲線老是達不到設定，積分時間減小。 “曲線波動周期長，積分時間再加長”系統(tǒng)響應曲線上去又下來，增加積分時間。 “曲線振蕩頻率快，先把微分降下來”系統(tǒng)響應曲線小幅度而快速的震蕩，微分減少。 “動差大 來波動慢。微分時間應加長”系統(tǒng)響應繞著設定上下動，穩(wěn)定慢，增加微分。 “理想曲線兩個波，前高后低 4比 1”最佳曲線就是 4： 1的震蕩比。 硬件制作 元件安裝及焊接 在所有的硬件方案等都確定好之后，下來緊接著就是電路板的制作，在這一環(huán)節(jié)中，在印制電路板上插裝元件是非常關鍵的，因為元件的安裝形式什么的直接關系到系統(tǒng)電路的工作情況，同時也可以看出整體的美觀效果，如果是將原件立起來安裝，盡量將其他的也按照立式的安裝方法，不管是立式的還是臥式的，在焊接的時候盡量要將其引腳上的線引出來的 短一點，同時還要注意下面的這些焊接規(guī)則： ⑴ 自己手工焊接元件時，要遵從一定的順序，首先將需要強力固定的元件先固定起來，然后再焊接其他元件，在插元件的時候， 應該 遵循先低后高的原則，即 先安裝那些高度較低的元器件， 例如電阻、跳線，然后安裝體積較大、較高一點的元件例如電容、三極管 ，對于貴重的關鍵元器件，例如大規(guī)模集成電路 ，芯片及 大功率器件， 在安裝的時候要盡量放到最后進行，這樣做的好處不僅可以加快焊接及安裝速度而且可以避免已裝好的元器件，更可以保證重要的器件不會丟失。 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 硬件部分 20 ⑵ 在放置元件的時候，盡量將帶有數(shù)值或者辨認值 得那一端朝上，并且擺放時盡量使讀數(shù)的方向一樣，這樣在制作者進行辨認的時候更省事，元件插入的時候要盡量在孔中央放正，焊好之后要看起來排列很整齊美觀， 上端的引線不要留得太長以免與其他元器件短路。 當然，最重要的要保證元件安裝極性正確。 當然那是元件插裝的原則，在焊接過程中不僅要注意上述的插裝原則，還應特別注意以下幾個方面： ①烙鐵的溫度要控制適宜，溫度太高會燒毀元件，溫度太低焊錫不會完全融化，到時候做出來的焊點比較丑陋，一般情況下溫度是否合適我們是放到松香中進行檢測，如果將電烙鐵放進去松香不但融化很快而且冒得煙又 不大，說明此時的溫度最合適。 ②焊接的時間要盡量短但是一定要使焊點飽滿，一般在三秒鐘之內(nèi)完成。 ③焊料與焊劑的使用要適量，使用太多會在電路板的管腳周圍形成很多絕緣物質(zhì)，如果這些物質(zhì)流入管腳的焊接點上，會造成元件與電路板脫離，出現(xiàn)焊接不牢固的現(xiàn)象。當然，焊料和焊劑少了也不行，這樣容易造成虛焊。 ④在焊接時一定要小心不要燙到周圍的其他元件，尤其是塑膠的芯片，幾乎一碰就會燒毀，而里邊又集成了各種復雜的電路，燒掉了不會換起來麻煩，要查出那個問題更麻煩。 ⑤ 焊一個元件的引腳的時候要注意，在焊錫沒有完全冷卻之前盡量不要移動這個元件，要不然有可能造成焊盤脫落或者焊點松動，也很容易出現(xiàn)虛焊的現(xiàn)象。 PCB 板的制作 我們制作的 PCB 板當然是最簡單的單層板，下述主要針對說明一下 PCB 板的制作流 程： 根據(jù)電路功能 首先 需要設計原理圖。 設計原理圖時元件放置要合適，在 PCB 板上各個元件之間的關系通過原理圖可以側面的反映出來， 以 及整個電路板的 重要功能 也能反映出來 。通常 我們 設計電路原理圖采用的軟件是 PROTEl99。 值得注意的是， 原理圖的設計是 PCB 制作流程 中的第一步，也是十分重要的一步。 原理圖畫完之后，要將里邊的各個元件進行封裝，需注意的是元件的封裝一定要根據(jù)實際的尺寸進行配對，這樣導出來的模板才和器件有相同的尺寸和網(wǎng)格，元件封裝完成之后要生成網(wǎng)絡表， 網(wǎng)絡生成以后，就需要根據(jù) PCB 實際 板的大小來 排布 各個元件的位置， 相同的元件盡量放在一起，這樣板子看起來不但整齊而且有利于焊接， 在放置時一定要 確保各個元件的引線不交叉。 這種錯誤我們可以通過 DRC 檢測出來， 當所有的錯誤排除后， 開始畫線，個人認為，在板子有足夠?qū)挼臅r候，線可適當加寬，這樣可以避免在銅板進行腐蝕的時 候造成開路的影響，到此，一個 PCB 設計過程 就 完成 了。然后將此設計圖導出，用特殊紙張打印出來，并與銅板一起放到熱交換機上進行熱印，在高溫下將其充分粘貼在銅板上。接下來就是制版的過程，去實驗室有調(diào)好的過濾水，將帶有墨跡的銅板放進去，看到除墨劑以外的其他地方被腐蝕完之后，可將板子取出，用清水清洗干凈既可。后續(xù)的打孔及焊接就不做敘述，小心即可。 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 軟件部分 21 4 軟件部分 系統(tǒng)的主程序設計 整體的設計思路就是在系統(tǒng)啟動時，先對程序進行一些清零等初始化動作，通過霍爾傳感器檢測電機是否歸位，已到達關死的位置， 這樣有利于后續(xù)操作，然后判鍵，看所需的功能鍵執(zhí)行相應的操作，檢測滴速并將其顯示出來，如果