恒压吸尘器控制器的设计完稿

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1、毕业论文 题 目 恒压吸尘器控制器设计目 录1.绪论12.空气压力检测系统22.1 峰值检测的基本原理22.2 吸尘器空气气压值检测系统22.2.1 AT89C51单片机22.3 传感器及前置放大42.3.1 压电式传感器42.3.2 LM324放大器52.4 采样/ 保持器52.5 A/D转换73.电机控制系统83.1 电机的代替方案83.2 单片机控制电机83.3 步进电机控制原理93.3.1 方向控制93.3.2 脉冲分配103.4 步进电机和单片机的接口电路113.4.1 输入与电平转换部分113.4.2 栅极驱动部分113.4.3 场效应管输出部分123.4.4 性能指标123.4.

2、5布线123.4.6 高低压电机驱动电路123.5 步进电机的加减速控制144.模糊控制原理154.1 模糊控制器输入输出参量154.2 模糊规则库的建立174.3 三项数据的检测184.3.1 湿度的检测184.3.2 灰尘度的检测184.3.3 地面材质的检测184.4 模糊控制的设计195. 系统软件设计195.1 设计框图195.2 汇编程序206.结束语22参考文献2324 / 26恒压吸尘器控制器设计王小飞信息工程大学信息与控制学院,210044摘要：在我们的日常生活中,在使用吸尘器的时候经常会遇到因为吸尘器风力不够而无法将较重的物体吸除或者因为电机转速过快而导致电机过热烧坏的现象

3、,大大影响了我们高质量的生活,为了解决这个问题,我们设计了一个吸尘器的智能控制系统。本文通过风压检测装置检测当前风嘴空气压力大小,并将信号传输给单片机,单片机将传输过来的信号与预定标准信号大小进行比较,当前信号小于预定信号时,单片机发出指令,增加电机驱动电路电流,当前信号等于预定信号时,稳定电机驱动电路电流,同时设定电机驱动电路电流上限值,防止电流过大烧坏电机。这样,既能方便地用吸尘器吸取杂物,又不会烧坏电机,达到方便,快捷,安全的目的。关键词：风压传感器；单片机；电机驱动电路；电机；恒压吸尘器；控制器1. 绪论吸尘器是我们日常生活中常见的家用电器,现在人们的生活水平日益提高,吸尘器也进入了千

4、家万户,它也给我们的生活提供了很多方便,但是,在吸尘器的使用过程中,往往会遇到一些特殊的情况会影响吸尘器的正常使用,比如吸尘器风力过小无法吸取较重的杂物,或者当杂物过大时,堵住了吸尘器风嘴,而吸尘器又没有能智能提高电机转速,加大风力以吸入杂物,又者智能芯片不断加快电机转速,来增加风力以求能吸入杂物,但杂物却无法吸入依旧堵住风嘴导致电机过热而烧坏电机等。如何解决这些问题从而来方便我们的生活呢？通过检测当前吸尘器风嘴空气压力,从而得知目前吸尘器风嘴是否有异物堵住以及当前吸尘器风力是否过小,经过单片机控制,来调节电机转速,并设置电机最高转速,以防止电机烧坏,这样在我们日常使用吸尘器的过程中也能避免吸

5、尘器所带来的问题,可以方便我们的生活,提高我们的生活品质,同时也让商家生产出质量出众的商品,一举两得。吸尘器是集机械学,电子技术,传感技术,控制技术等多方面科学的仪器,对其进行研究发展,不仅可以提高人们的生活质量,也会促进多门学科的共同发展以及促进多门学科的联系发展。一些公共场合,如宾馆、写字楼、酒楼、商场的不同楼层、不同房间、不同位置的地面材质、脏污情况复杂多样,来往人数变化不定,存在不同程度的时变性,且常含有非线性环节,难以对灰尘状态建立精确的数学模型,很难用传统的控制理论进行系统分析和设计。在日本,模糊逻辑已深深地渗透到日常生活中,达到了家喻户晓的程度。由于其学术界、产业界和政府部门之间

6、的通力合作,其大量的模糊电器涌入欧美市场,受到了消费者的普遍欢迎。近年来,我国电器企业也紧跟国际先进潮流,加强了模糊控制电器产品的开发研究工作,并取得了可喜的成果。模糊控制吸尘器大大提高了传统吸尘器的性能,使操作更加简便,并具有明显的节能效益。2. 空气压力检测系统空气压力检测是吸尘器气压信号处理的一个重要部分,可采用软件或硬件两种方式。软件方式是通过程序实现对数字峰值的检测,而硬件方式则是通过模拟和数字元件实现对模拟信号的峰值处理。本设计中吸尘器空气压力检测采用硬件方式。2.1 峰值检测的基本原理从工程学角度来说,广义峰值也包括谷值,峰值检测就是在指定的时间检测出被测信号的最大值和最小值,因

7、此,峰值检测可表示为式和 。Sp = S max Sv = S min 式中, Sp 和Sv 分别为信号的峰值和谷值, S max和S min分别为所测时间段信号的最大值和最小值, t1 和t2 分别为检测的起止时间。2.2 吸尘器空气气压值检测系统吸尘器空气气压值检测系统是吸尘器气压实时监测与控制系统的一部分,吸尘器的气压信号经传感器变为电信号,再经放大、采样/ 保持和A/ D 转换后送单片机处理后控制电机转速。吸尘器空气气压值检测系统的总体结构如图1 所示。图1吸尘器气压峰值检测系统结构示意2.2.1AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器FPEROMFlash

8、Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图2为AT89C51引脚排列。图2 A

9、T89C51引脚排列管脚说明如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第

10、八位地址接收。 P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写1时,其管脚被部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址1时,它利用部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后,它们被部上

11、拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD串行输入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0外部中断0 P3.3 /INT1外部中断1 P3.4 T0记时器0外部输入 P3.5 T1记时器1外部输入 P3.6 /WR外部数据存储器写选通 P3.7 /RD外部数据存储器读选通 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储

12、器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有

13、效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH,不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源VPP。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对

14、外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.3 传感器及前置放大不同传感器的灵敏度和性能相差很大。由于本系统用于检测吸尘器的气压,因此采用自行设计的压电式传感器。该传感器具有较高灵敏度,输出电压围在A/ D 转换器转换电压围。2.3.1 压电式传感器压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方 压电式传感器向外力的作用时,部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的

15、。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象,又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的,并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。2.3.2 LM324放大器由于要对吸尘器进行气压检测,为保持一致性,放大电路选用一片高增益四运算放大器LM324。LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。该四放

16、大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中+、-为两个信号输入端,V+、V-为正、负电源端,Vo为输出端。两个信号输入端中,Vi-为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图3为LM324引脚排列。图3 LM324引脚排列2.4 采样/ 保持器采样/ 保持器是系统的核心部分,采样/ 保持器和比较器组合是峰值检测电路的典型结构。本

17、系统中采样/ 保持器选用通用型LF398 单片采样/ 保持芯片,其动态和保持性能可通过合的外接电容得到,如选用1 000 pF 的保持电容,则具有6s 的采样时间,可达到12 bit 精度。LF398 第8脚是采样/ 保持器的逻辑控制端,输入为高电平时LF398 采样,输入为低电平时保持。如图4所示,当输入Si 大于输出So 时,LF398 处于采样状态;当输入Si 小于输出So 时,LF398 处于保持状态,输出保持定值,可检测出峰值。将比较器的另两个输入端反接,如图5所示,可构成谷值检测电路。图4 峰值检测电路 图5 谷值检测电路为实现多通道峰值和谷值的数据采集,同时保证各通道数据互不影响

18、,多采用软硬件相结合的控制方案,即在采样/ 保持器的控制端与比较器的输出端之间加一逻辑控制,通过程序选择其连接方式,实现多通道峰值和谷值检测及采样/ 保持功能。图6 所示为气压值检测电路。图6 气压值检测电路2.5 A/D转换为简化系统结构,A/D转换选用ADC0809 转换芯片 ,并通过程序对8路05V的输入模拟电压信号进行分时转换。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D转换器。其部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国应用最广泛的8位通用A/D芯片。其主要特性为：1) 8路输入

19、通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。 2) 具有转换起停控制端。 3) 转换时间为100s,130s时钟为500kHz时 4) 单个+5V电源供电 5) 模拟输入电压围0+5V,不需零点和满刻度校准。 6) 工作温度围为-40+85摄氏度 7) 低功耗,约15mW。其ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,下面说明各引脚功能： IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号,输入,高电平有效。 START：A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲至少100n

20、s宽使其启动脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换。 EOC：A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平转换期间一直为低电平。 OE：数据输出允许信号,输入,高电平有效。当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF+、REF-：基准电压。 Vcc：电源,单一+5V。 GND：地。3. 电机控制系统3.1 电机的代替方案在吸尘器的设计中,电机一般采用单相串励电机,但是,在我们的学习当中单相串励的涉及还是比较少的,而且在实物制作过程中用单相串励电机还是不理想的,所以,我们本次

21、设计中,我们选择了经常在实验室接触到的步进电机来进行设计。3.2 单片机控制电机三相异步电机启动方式由其功率决定,一般规定,电动机功率在10KW以下,可直接启动即电机全压启动,直接开启开关,将三相接入电源。10KW以上,要根据电动机容量和电源变压器容量比值来确定,对于给定电动机功率,一般最大功率不大于变压器容量的20%-30%则可以直接启动,否则需降压启动以防止过大的起动电流会在线路上产生较大的压降,使电网电压波动很大,影响并联在电网上的其它设备的正常运行。针对小功率三相异步电机的启停,当前国外还较多地采用继电器、接触器等控制电器来实现自动控制。由于继电接触器控制系统是通过触点的机械运动来通断

22、主、控回路,然而触点因为电、机械和化学的原因易于磨损,并且在高冲击、振荡的工作环境下,触点容易发生误动作。若主回路有感性负载,则易于产生触点燃弧及回跳,对外界的电磁干扰较大,并且控制系统中间环节多,必须确保每部分工作准确,系统才能正确工作,所以它存在不少缺陷,必须改进。这里介绍以三相交流固态继电器作为单片机和三相电机接口器件,根据空气压力检测系统控制三相异步电机转速,减少中间环节,确保控制系统稳定工作,同时可视化的电机控制系统应用前景广阔。图7为用单片机控制步进电机系统原理图。图7 单片机控制步进电机系统原理图与传统步进控制器相比较有以下优点：1用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行

23、脉冲序列,并实现方向控制。2只要负载是在步进电机允许的围之,每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。3根据步距角的大小及实际走的步数,只要知道初始位置,便可知道步进电机的最终位置。3.3 步进电机控制原理脉冲序列的生成,如图8。图8 脉冲的生成脉冲幅值：由数字元件电平决定。 TTL 0 5 V CMOS 0 10V接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。3.3.1 方向控制步进电机旋转方向与部绕组的通电顺序相关。 三相六拍,通电顺序为: 正转: AABBBCCCA 反转: AACCCBBBA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 3.3.2 脉冲分配实现脉冲分配也就是通电换相控制的

24、方法有两种：软件法和硬件法通过软件实现脉冲分配软件法是完全用软件的方式,按照给定的通电换相顺序,通过单片机的IO向驱动电路发出控制脉冲,下面以三相六拍为例：上面提到了三相六拍工作方式通电换相得正序为A-AB-B-BC-C-CA-A,反序为A-AC-C-CB-B-BA-A。图9为用软件实现脉冲分配的接口示意图。图9 用软件实现脉冲分配的接口示意图注：P1.0：A相驱动,P1.1：B相驱动,P1.2：C相驱动三相六拍控制字如表1所示：通电状态P1.2P1.1P1.0控制字A00101HAB01103HB01002HBC11006HC10004HCA10105H表1 三相六拍工作方式的控制字注：0代

25、表使绕组断电,1代表使绕组通电在程序中,只要依次将这10个控制字送到P1口,步进电机就会转动一个齿距角,每送一个控制字,就完成一拍,步进电机转过一个步距角。软件法在电动机运行过程中,要不停地产生控制脉冲,占用了大量的CPU时间,可能使单片机无法同时进行其他工作如监测等,所以,人们更喜欢用硬件法。通过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器8713,来进行通电换相控制。8713是属于单极性控制,用于控制三相和四相步进电机,我们选择的是三相六拍工作方式。8713可以选择单时钟输入或双时钟输入,具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能,所有输入端部都设有斯密特整形电路,

26、提高抗干扰能力,使用418V直流电源,输出电流为20mA。本例选用单时钟输入方式,8713的3脚为步进脉冲输入端,4脚为转向控制端,这两个引脚的输入均由单片机提供和控制,选用对三相步进电机进行六拍方式控制,所以5、6脚接高电平,7脚接地。如图10所示。图10 AT89C51单片机系列和8713脉冲分配器的接口图由于采用了脉冲分配器,单片机只需提供步进脉冲,进行速度控制和转向控制,脉冲分配的工作交给8713来自动完成,因此,CPU的负担减轻许多。3.4 步进电机和单片机的接口电路3.4.1 输入与电平转换部分输入信号线由DATA引入,1脚是地线,其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。

27、当驱动板与单片机分别供电时,这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时,这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说,相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开,实现一点接地。高速运放KF347也可以用TL084的作用是比较器,把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较,转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压围不能接近负电源电压,否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流,一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放,因为开路

28、输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上,压降较大,后面一级的三极管将无法截止。3.4.2 栅极驱动部分后面三极管和电阻,稳压管组成的电路进一步放大信号,驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容大约1000pF进行延时,防止H桥上下两臂的场效应管同时导通共态导通造成电源短路。当运放输出端为低电平约为1V至2V,不能完全达到零时,下面的三极管截止,场效应管导通。上面的三极管导通,场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平约为VCC-,不能完全达到VCC时,下面的三极管导通,场效应管截止。上面的三极管截止,场效应管导通,输出为低电平。上面的分析是静态的,下面讨论开关转换的动态过程：三极管导

29、通电阻远小于2千欧,因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可以迅速释放,场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。相应的,场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的,这个电路可以让上下两臂的场效应管先断后通,消除共态导通现象。实际上,运放输出电压变化需要一定的时间,这段时间运放输出电压处于正负电源电压之间的中间值。这时两个三极管同时导通,场效应管就同时截止了。所以实际的电路比这种理想情况还要安全一些。场效应管栅极的12V稳压二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。一般的场效应管栅

30、极的耐压是18V或20V,直接加上24V电压将会击穿,因此这个稳压二极管不能用普通的二极管代替,但是可以用2千欧的电阻代替,同样能得到12V的分压。3.4.3 场效应管输出部分大功率场效应管部在源极和漏极之间反向并联有二极管,接成H桥使用时,相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管,因此这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处,但是在使用PWM时有产生尖峰电流的副作用,因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话,一定要用高耐压的,普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。输出端并联的由电阻和发光二极管,电容组成的电路指示

31、电机的转动方向.3.4.4 性能指标电源电压1530 V,最大持续输出电流5A/每个电机,短时间10秒可以达到10A,PWM频率最高可以用到30KHz。电路板包含4个逻辑上独立的,输出端两两接成H桥的功率放大单元,可以直接用单片机控制。实现电机的双向转动和调速。3.4.5布线大电流线路要尽量的短粗,并且尽量避免经过过孔,一定要经过过孔的话要把过孔做大一些1mm并且在焊盘上做一圈小的过孔,在焊接时用焊锡填满,否则可能会烧断。另外,如果使用了稳压管,场效应管源极对电源和地的导线要尽可能的短粗,否则在大电流时,这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其烧毁。在一开始的设计中,NMOS管

32、的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流,这个电阻就成了不断烧毁板子的罪魁祸首。当然如果把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。3.4.6 高低压电机驱动电路高低压驱动的设计思想是,不论电机工作频率如何,均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿,而在前沿过后,用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能,而且不必再串联电阻Rs,消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul,它们应保持同步,且前沿在同一时刻跳变,高压管VTH的导通时间tl不能太大,也不能太小,太大时,电机电流过载；太小时,动态性能改善不明显。一般可取13ms。当这个数值与电

33、机的电气时间常数相当时比较合适。高低压驱动电路如图11所示。图11 高低压电机驱动电路高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法,由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲,电动机低频噪声较大,低频共振现象存在,使用时要注意。由于步进电机的驱动电流较大,所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。驱动器可用大功率复合管,也可以是专门的驱动器。总之,只要按一定的顺序改变8713脉冲分配器的 13脚15脚 三位通电的状况,即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大,可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器一是抗干扰,二是电隔离。以防强功率的干扰信号反串进主控系统。电路如图12所示。

34、图12 单片机与步进电机的接口电路图中1K1、K2、K3、K4按钮分别控制步进电机正转、反转、加速、减速。2因为我们讨论的是三相六拍的工作方式,所以P0.4和P0.6接高电平,P0.7接低电平。3P0.0输出步进脉冲。4P0.1控制步进电机的转向。3.5 步进电机的加减速控制步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响,也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响,而仅仅与脉冲频率成正比,通过改变脉冲频率的高低可以大围地调节电机的转速,并能实现快速起动、制动、正反转、加减速,而且有自锁的能力,不需要机械制动装置,不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的,只要不丢步,角位移误

35、差不存在长期积累的情况,主要用于数字控制系统中,精度高,运行可靠。如采用位置检测和速度反馈,亦可实现闭环控制。步进电机驱动执行机构从A点到B点移动的时,要经历升速,恒速,减速过程,如果启动时一次将速度升到给定速度,由于启动频率超过极限启动频率,步进电机就有失步现象,因此会造成不能正常启动,如果到终点时突然停下来,由于惯性作用 ,步进电机会发生过冲现象,会造成位置精度降低。如果升速非常缓慢的升降速,步进电机虽然不会发生失步和过冲现象,但影响执行机构的工作效率,所以,对步进电机的加减速要有严格的要求,那就是保证在不失步和过冲的前提下,用最快的速度或最短的时间移动到有可能指定位置。为满足加减速要求,

36、步进电动机运行通常按照加减速曲线进行。图13是加减速运行曲线。加减速运行曲线没有 一个固定的模式,一般根据经验和实验得到的。最简单的是匀加速和匀减速曲线。匀加、减速曲线 S型加、减速曲线图13 加、减速运行曲线其加减速曲线都是直线,因此容易编程实现。按直线加速时,加速度是不变的,因此要求转矩也应该是不变的。但是,由于步进电动机的电磁转矩玉转速时非曲线关系,因而加速度玉频率也应该是非曲线关系。因此,实际上当转速增加时,转矩下降,所以,按直线加速时,有可能造成因转矩不足而产生失步的现象。采用指数加、减速曲线或S形分段指数曲线加、减速曲线是最好的选择。步进电机的运行可以根据距离的长短分如下3种情况处

37、理：1短距离：由于距离较短,来不及升到最高速,因此,在这种情况下,步进电机以洁净启动频率运行,运行过程没有加、减速。2中、短距离：在这样的距离里,步进电机只有加、减速过程,而没有恒速过程。中、长距离：在这样的距离里,步进电机不经有加、减速过程,而且还有恒速过程。3由于距离较长,要尽量缩短用时,保证快速反应性。因此,在加速时,尽量用接近启动频率启动,在恒速时,尽量工作在最高速。单片机在用定时器法调速时,用改变定时常数的方法来改变输入步进脉冲频率,达到改变转速的目的,对于MCS-51系列单片机,其定时器属于加1定时器。因此,在步进电机加速时,定时常数应增加；减速时,定时常数应减小。如果采用非线性加

38、、减速曲线,要用离散法将加减速曲线离散化,将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列,做成表格存储在程序存储器重。在程序运行中,使用查表得方式重装定时常数,这样做比用计算机节省时间,提高系统的响应速度。在下章的程序中,参数除了有速度级数N和极步数NC以外,还有以下参数：1加速过程的总步数：电动机在升速过程中每走一步,加速总步数就减1,直到减为0,加速过程结束,进入恒速过程。2恒速过程的总步数：电动机在恒速过程中每走一步,恒速总步数就减1,直到减为0,恒速过程结束,进入减速过程。3减速过程的总步数：电动机在减速过程中每走一步,减速总步数就减1,直到减为0,减速过程结束,电动机停止运行。4. 模糊控

39、制原理4.1 模糊控制器输入输出参量由于公共场所的地板面材质不同以及脏污程度不同,所以模糊控制吸尘器的输入参数主要有三个：灰尘量；干湿度；地面材质。输出参数主要是吸尘器的吸力大小。因此简单的模糊控制是三输入单输出结构。但其三个输入参数分别又有几种状态： 如灰尘度有湿润、中性、干燥三种, 灰尘量有较少、一般、较多三种, 地面材料有地瓷板、地木板、地毯等。 根据实验结果和经验数据确定合适的论域后定义各变量的模糊集合为：1干湿度 H ：湿润L、中性M、干燥S；2灰尘量 Q ：较多L、一般M、较少S；3地面材质I ：地毯L、木地板M、地瓷板S；4吸力 X ：大VL、较大L、适中M、较小S、小VS。相应

40、地建立其对应的模糊子集隶属函数如图14到图17：图14 干湿度的隶属函数图15 灰尘量的隶属函数图16 地面材质的隶属函数图17 吸力大小的隶属函数4.2 模糊规则库的建立这个控制规则可用下述27条模糊条件语句来描述：1) if H=L and Q=L and I=L then X=VL2) if H=L and Q=M and I=L then X=VL3) if H=L and Q=S and I=L then X=L4) if H=M and Q=L and I=M then X=VL5) if H=M and Q=M and I=M then X=VL6) if H=M and Q=S

41、 and I=M then X=L7) if H=S and Q=L and I=S then X=L8) if H=S and Q=M and I=S then X=L9) if H=S and Q=S and I=S then X=M10) if H=L and Q=L and I=L then X=VL11) if H=L and Q=M and I=L then X=L12) if H=L and Q=S and I=L then X=M13) if H=M and Q=L and I=M then X=L14) if H=M and Q=M and I=M then X=M15) i

42、f H=M and Q=S and I=M then X=M16) if H=S and Q=L and I=S then X=M17) if H=S and Q=M and I=S then X=M18) if H=S and Q=S and I=S then X=S19) if H=L and Q=L and I=L then X=M20) if H=L and Q=M and I=L then X=M21) if H=L and Q=S and I=L then X=S22) if H=M and Q=L and I=M then X=S23) if H=M and Q=M and I=

43、M then X=S24) if H=M and Q=S and I=M then X=VS25) if H=S and Q=L and I=S then X=VS26) if H=S and Q=M and I=S then X=VS27) if H=S and Q=S and I=S then X=VS上述描写模糊控制的27条模糊条件语句之间是或的关系,可采用最大隶属度方法,将控制量变为精确量,利用单片机可根据不同的输入量预先计算好控制量U,制成如表2所示的控制表,作为 文件存储在计算机中。当进行实时控制时,从文件中查询所需采取的控制策略。LMSILMSLMSLMSLVLVLLVLVLLL

44、LMMVLLMLMMMMSSMMSSVSVSVSVSVS表2 模糊控制表注：表中第一行L、M、S属于H,表中第二行属于Q4.3 三项数据的检测4.3.1 湿度的检测在吸尘器的灰箱入口处设置一个湿度传感器,可连续高湿使用,脉冲输出,无须光电隔离,无须A/D 转换,可用测频率的方式获得数据,可检测出地板灰尘的干湿程度。4.3.2 灰尘度的检测在吸尘器的吸管设置光电传感器用以检测灰尘量,其光电信号送入灰尘传感器,灰尘传感器安装在导管,把发光二极管红外线型和三极管相对设置,并使红外线成束状发射。当灰尘通过时,因红外线被遮挡,到达三极管的红外线的量发生了变化。取出变化部分,经过放大器放大后,再经过整流变

45、为脉冲信号。通过测量脉冲信号的数目可以判断灰尘量的多少。如果灰尘传感器被污染,则其红外线的透过率变小,于是可通过检测红外线微分的变化来克服影响, 当透过率低于设定值时可产生报警,提醒工作人员清洗传感器表面,确保正常工作。4.3.3 地面材质的检测通过检测灰尘量变化快慢可以检测出地面材质,如图18所示。图18 灰尘微分检测地面材质4.4 模糊控制的设计用单片机组成硬件系统,用软件来实现模糊化、模糊逻辑推理、去模糊化过程, 即用软件来实现模糊控制算法。这种模糊控制器的特点是资源开销少、灵活性高、通用性强。其原理框图如图19所示。图19 模糊控制器设计原理框图5. 系统软件设计5.1 设计框图根据设

46、计任务,可画出控制步进电机正反转,加减速控制,工作方式为双时钟,程序框图如图20。图20 基于单片机的步进电机控制程序框图5.2 汇编程序本程序的资源分配如下：R0中间寄存器；R1储存速度级数；R2储存级数步数；R3加减速状态指针,加速时指向35H,恒速时指向37H,减速时指向3AH;32H34H存放绝对参数假设用3个字节,低位在前；35H、36H存放加速总步数假设2个字节,低位在前；37H39H存放恒速总步数假设3个字节,低位在前；3AH、3BH存放减速总步数假设2个字节,低位在前；P0.0正转脉冲输入；P0.1反转脉冲输入；P1.3正转按钮K1；P1.4反转按钮K2；P1.5加速按钮K3；

47、P1.6减速按钮K4；定时常数序列放在以ABC为起始地址的ROM中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值。程序如下：ORG 0000HJNB P0.0 ZZ; JNB P0.1 FZ;ZZ:INC R0 CJNE R0,#06H ZZ1; MOV R0,00H;ZZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;MOV P0 A;FZ: DEC R0; CJNE R0 #0FFH,FZ1;MOV R0,#05H ;FZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;MOV P0,A;ABC:DB 01H 03H 02H 06H 04

48、HRETJS:MOV R0,#35; CJNER0 #0FFH,JS1; INC R0; DEC R0;JS1:DJNC R2 JS2; INC R1;MOV A R1;MOV B,#N;MUL AB;MOV R2 A;JS2:MOV A,35H;ORL A,36H;JNB R3 #37H;MOV R0 #3AH;DEC R0;CJNE R0,#0FFH,JS4;INC R0;DEC R0;JS4:DJNC R2 JS5;DEC R1;MOV A,R1;MOV B,#N;MUL AB;MOV R2,A;JS5:MOV A,3AH;ORL A,3B;JNB R3;RET;6. 结束语本文通过AT

49、89C51单片机,将两个分散的系统：空气压力检测系统和电机转速控制系统有机地整合起来,有效的解决了吸尘器在使用过程中遇到的因风力不够而无法吸除较重杂物和因为电机转速过快而导致的电机烧坏问题。在硬件方面使用的LM324、AT89C51、霍尔传感器等都是性能较好的,易于使用的,软件方面使用的汇编语言也是较为容易上手的。在这次毕业设计用我懂得了不少新知识,但是也发现了许多不足,在以后的学习过程中任然要不断进步,完善上述系统。这次设计的系统在现实生活中使用频繁,具有很大的实用价值。参考文献：1 王晓明、 胡晓柏.电动机的单片机控制M.航空航天大学.20XX5月第1版.181-2082 宝延、 程树康.

50、步进电动机及其驱动控制系统M.1997年11月第一版.134-1673 史敬灼. 步进电动机伺服控制技术M .20XX3月第2版.23-354 海滨、 片春媛、 许瑞雪. 单片机技术课程设计与项目实例J. 中国电力. 2009版.56-655 国永、 杰平. 单片机控制步进电机系统设计. . 技术师学院学报. 2002, 164.61-636 笑辉、曾晋. 减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法J. 电气传动. 20011.8-117 江华、高华、黄松涛. 异步电动机的直接转矩控制J. 电工技术学报.1999 .29-338 江一、朱凌、申仲涛. 异步电动机直接转矩控制仿真研究J. 华北

51、电力大学学报, 2003 : 10-139 徐益民. 步进电机的单片机控制系统的设计D.:科技学院. 2005.45-6510廖高华. 高性能步进电机控制系统的研制D. :科技大学.2004.76-9811王福瑞. 单片机微机测控系统设计大全M. :航空航天大学. 1998.87-9012US epartment of ransportation.National Highway rafficSafety Administration.An Evaluation of Existing Tire Pressure Monitoring Systems.200113National Highwa

52、y Traffic Safety Administration.Preliminary Findings of the Effect of Tire Inflation Pressure on the Peak and Slide Coefficients of Friction.200214Stephen N Rohr、Victor Mendes.Tire Pressure Warning System for Passenger Car Applications.SAE.Paper No.951049: 1849-185615Niclas Persson、Fredrik Gustafsso

53、n.Indirect Tire Pressure Monitoring Using Sensor FusionIn.SAE PaperC.2002：125016baike.baidu./view/1595179.htm.20XX5月6号访问17wenku.baidu./view/9a983377a417866fb84a8eb2.html.20XX5月9号访问致本次毕业设计的圆满结束,首先要感我的指导老师自嘉教授,在他的悉心指导下,我不仅完成了论文,而且在完成过程中学习到了不少知识。并且教授严谨的的治学态度给我留下了深刻的印象,是我受益匪浅。在这里,我要向教授表示最诚挚的意。其次,我要感我的同学

54、们,他们在平时给了我最大的帮助,最后要感图书馆、实验室的老师们。在这里,向他们道一声！The Design of Constant Pressure Cleaner ControllerWang XaofeiInstitute of Information and control, Nanjing University of Information Science & Technology Nanjing 210044ABSTRACTIn our daily life, in the use of vacuum cleaners often encounter when the wind is

55、 not enough because the vacuum cleaner heavier objects can not be sucked or because the motor speed is too fast and cause overheating of the motor burn out phenomenon, greatly affected the quality of our life, in order to solve this problem, we designed a vacuum cleaner intelligent control system. I

56、n this paper, the current air pressure detection device detecting the size of nozzle air pressure, and the signal to MCU, MCU will transmit the signal over the signal with the predetermined criteria to compare the size of the current signal is less than the predetermined signal, the microcontroller

57、issued a directive to increase the motor drive circuit current, the current signal is equal to the predetermined signal, the stability of the motor drive circuit current, while setting the upper limit of the motor drive circuit current, to prevent too much current the motor burn. Thus, both easy to learn debris with a vacuum cleaner, and would not burn out the motor, to convenient, fast and security.Keywords: pressure sensor; microcontroller; motor drive circuit; motor; constant vacuum cleaner; controller