DZ102基于单片机升降控制系统的设计
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毕 业 设 计题 目: 基于单片机升降控制系统的设计 系: 电气与信息工程系 专业: 自动化 班级: 0302 学号:20030110223 学生姓名: 肖 卫 宇 导师姓名: 沈 学 军 完成日期: 2007 年 6 月 17 日 诚 信 声 明本人声明:1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。作者签名: 日期: 年 月 日3毕 业 设 计 ( 论 文 ) 任 务 书 设计(论文)题目: 基于单片机升降控制系统的设计 姓名 肖卫宇 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0302 学号 20030110223 指导老师 沈学军 职称 研究员高工 教研室主任 赵葵银 李晓秀 一、基本任务及要求:本课题要求完成系统总电路的设计及单片机硬件和软件的设计。系统研究基于 AT89C51 单片机,通过对单片机进行软硬件的 设计来驱动和控制步进电 机,从而达到升降的目的。其次,我们还要求该系统能进行相关运行状态的显示及将采集到的信号进行反馈,并且能通过设定的按钮来达到控制的目的。我们要求该系统有很好的可靠性和抗干 扰的能力。设计包括:1、总体方案的确定; 2、单片机的选择; 3、各模块电路的设计;4、 软件设计;5、各模块调试;6、编写设计说明书等。 二、进度安排及完成时间:1、第一周至第二周:明确课题 任务及要求,搜集 课题所需资 料,查阅相关资料,了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。写出开 题报告 2、第三周:方案论证及总体设计 方案的确定 3、第四周至第五周:主电路分析、计算、主要器件的选型 4、第六周至第七周:完成主电 路设计,控制 电路设计,检测与保护电路设计 5、第八周至第九周:完成软件 设计与程序编写及调试 6、第十周:修改整理资料。 7、第十一周至第十二周:撰写 说明书、 绘制图纸,准备答辩。 8、答辩 4目 录摘要: .IAbstract:.II第 1 章 绪 论 .11.1 单片机的概述 .11.2 单片机的特点与应用 .11.2.1 单片机的特点: .11.2.2 单片机的应用 .21.3 AT89C51 单片机的基本组成 .31.3.1 AT89C51 单片机的特性及管脚功能.31.3.2 单片机最小系统构成 .51.4 电力电子器件的概述 .81.4.1 IGBT 的工作原理.81.4.2 IGBT 的工作特性.81.5 电磁阀的应用 .101.6 课题的主要内容及发展前景 .111.6.1 课题的主要内容 .111.6.2 课题研究现状 .111.6.3 课题的发展现状与前景展望 .12第 2 章 步进电机概述 .132.1 步进电机及其发展 .132.2 步进电动机在控制上的特点 .132.3 步进电机的主要特性 .142.4 步进电机的应用 .152.5 步进电机的类型 .152.6 步进电机的控制原理 .162.7 环形分配器的设计 .18第 3 章 系统总体设计 .203.1 系统设计方案 .203.2 系统控制原理 .213.3 系统各模块方案选择 .213.3.1 单片机型号的选择.2153.3.2 步进电机型号的选择 .223.3.3 步进电机的脉冲控制方式选择 .223.3.4 电机控制算法的选择.233.3.5 步进电机转速和步数检测设计 .24第 4 章 硬件设计 .274.1 I/O 口的扩展 .274.1.1 8255A 的介绍.274.1.2 并行口功能分配 .294.1.3 8255A 芯片地址的确定.304.1.4 存储器地址空间的分配 .304.2 步进电机驱动电路的设计 .304.3 显示电路设计 .314.4 信号采集电路的设计 .344.5 单片机对电磁阀的控制设计 .364.6 键盘的设计 .374.7 硬件电路的合成 .38第 5 章 软件设计 .385.1 步进电机驱动程序的设计 .395.2 键盘及显示程序设计 .395.3 主程序的设计: .40第 6 章 系统调试、抗干扰设计 .416.1 系统调试 .426.2 单片机应用系统中常见的干扰现象及影响 .426.3 系统的抗干扰设计 .43总 结 .45参考文献 .46致 谢 .47附录 1 主要元件一览表.48附录 2 主程序设计.49附录 3 系统总图.55基于单片机升降控制系统的设计I基于单片机升降控制系统的设计摘要:本文主要完成对某雷达升降控制系统的设计,描述在步进电机的驱动系统中用软件的方法实现环行脉冲分配器的设计,对步进电动机进行驱动。步进电机驱动电路的核心部分是环行脉冲分配器,本文以单片机作为步进电机驱动电路控制核心,并通过单片机的应用程序控制和功能扩展,实现系统相关参数的输入和输出,使步进电机得到了有效的控制。系统主要由主控制盒、电机控制盒、显示盒、步进电机、接近开关、行程开关等相关部件组成。完成防坠机构的闭锁与解锁;上升与下降电磁阀的控制;升降液压电机的自动启停控制及紧急手动控制;液压电机的启停控制;自动手动加温控制;各工况状态显示。本文还对系统的抗干扰问题进行了研究,保证了系统安全准确的运行。关键字:单片机;步进电机;环形脉冲分配器;I/O 扩展基于单片机升降控制系统的设计IIThe Design of Lift Control System Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: This paper mainly to the completion of the design to take-off and landing control system to some radar.Description of the stepper motor drive system using software method Ring pulse distributor design, stepper motor to drive. Stepper motor drive circuit is the core part of the Central Bank pulse distributor, Based on SCM as a stepper motor drive control circuit core, and through SCM application control and function expansion realize the input parameters and output, stepper motor has been brought under effective control. Mainly by the main control box, the electrical control box, show boxes, stepper motor, close to the switch, Switching itinerary, and other related component parts. Completion of the anti-dropping and unlocking atresia; and an increase in decline solenoid valve control; Hydraulic lifts the automatic start-stop motor control and emergency manual control; commitment hydraulic motor control; automatic temperature control manually; Condition of the state show. The paper also anti-jamming the system studied the problems and ensure the safety of the system and accurate operation. Keywords: Single Chip Microcomputer; Stepper motors; Ring pulse distributor; I / O expansion 基于单片机升降控制系统的设计1第 1 章 绪 论1.1 单片机的概述单片机就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM 、只读存储器 ROM、定时器/计数器以及I/O 接口电路等主要计算机部件,集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点,因而在工业生产、科技教育以及日常生活等诸多领域,得到了日益广泛的应用。单片机,也称单片微型计算机,是微型计算机家族中的一员,它以独特的结构和超群的优点,深得各个领域的青睐,应用十分之泛,近年来发展极其迅速。世界上的各个半导体厂商都抓住这个机会,推出自己的产品,一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和流行起来。在近 30 年的时间里,电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成电路到大规模集成电路四个阶段,尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展,20 世纪 70 年代初诞生的单片机微型计算机,使得计算机应用日益广泛。而单片机的问世,更进一步推动了计算机应用技术的发展,使计算机应用渗透到各行各业,达到了前所未有的普及程度 1。1.2 单片机的特点与应用1.2.1 单片机的特点:(1) 重量轻、耗电少、价格低、电源单一。(2)抗干扰能力强、可靠性高。芯片本身是按工业测控环境设计的,其抗工业噪声干扰优于一般的通用 CPU;程序指令及常数、表格固化在 ROM 中,不易被破坏;许多信号通道均在一块芯片内。(3)集成度限制,片内存储器容量较小。一般 ROM 小于 8KB,RAM 小于 256个字节,但可在外部扩展,通常 ROM、RAM 可分别扩展至 64KB。(4)面向控制,控制功能强,运行速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。指令系统中均有极其丰富的条件转移指令,I/O 口的逻辑操作及位处理功能。一般来说,单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的其它微处理器。(5)开发应用方便,研制周期短。片内具有计算机正常运行所必须的部件,芯片外部有许多供扩展用的三总线以及并行、串行输入/ 输出管脚,很容易构成各规模的计基于单片机升降控制系统的设计2算机应用系统 2。1.2.2 单片机的应用单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的条件下工作等特点。特别是它强大的面向控制的能力、使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用。(1)单片机在智能仪表中的应用在各类仪器仪表中,引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化功能大大提高,例如精密数字温度计、智能电度表、微机多功能 PH 测试等等。(2)单片机在工业测控中的应用。用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等,例如MCS-51 单片机控制电镀生产线、温度人工气候控制、报警系统控制、IBM-PC/XT 和单片机组成的二级计算机控制系统等。(3)单片机在计算机网络与通信技术中的应用MCS-51 系列单片机具有通信接口,为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件,例如 MCS-51 系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、MCS-51 单片机无线遥控系统等。(4)单片机在日常生活及家电中的应用单片机越来越广泛应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。例如电子秤、银行计息电脑、电脑缝纫机、心率监护控制、彩色电视机、电冰箱控制、洗衣机控制等等。(5)单片机与 Internet随着网络技术的发展,Internet 已经成为信息社会的重要组成部分,Internet 技术已经深入到日常生活中和工作中。Internet 技术得以迅速发展,其主要推动力之一是标准成熟的 PC 工业。无论是 PC 机的硬件平台,还是软件操作系统,都要求高度标准化,上网方式也大同小异。而对于各类家用电器和智能装置,情况就不同了,它们的心脏多是单片机,但由于单片机芯片品种繁多,其结构和指令系统也各不相同,因此,它不能像 PC 机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接到 Internet,如果能够将各类智能装置或家用电器与 Internet 连接起来,一方面可充分利用 Internet 资源,另一方面还可获得一些电子设备信息。由此可见,单片机与 Internet 的紧密结合将为单片机应用系统的发展开创另一片天地 3。基于单片机升降控制系统的设计31.3 AT89C51 单片机的基本组成1.3.1 AT89C51 单片机的特性及管脚功能AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS 8位微处理器,俗称单片机。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,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 4。1、主要特性:CPU 与 MCS-51 兼容;4K 字节可编程 FLASH 存储器(寿命:1000 写/擦循环);全静态工作:0Hz-24KHz;三级程序存储器保密锁定; 128*8 位内部 RAM;32 条可编程 I/O 线;两个 16 位定时器/计数器; 6 个中断源;可编程串行通道;低功耗的闲置和掉电模式;片内振荡器和时钟电路2、AT89C51 单片机的管脚功能采用 HMOS 制造工艺的 MCS-51 单片机都采用 40 管脚双列直插式封装;而采用CHMOS 制造工艺的 80C51/80C31,除采用 40 脚双列式直插式封装外,还有用方形的封装方式。如图 1-1 所示为 AT89C51 单片机管脚图。图 1-1 AT89C51 管脚图 各管脚功能说明如下: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 P1 口P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST9 P3.010P3.111 P3.212P3.313 P3.414P3.515 P3.616P3.717 XTAL218XTAL119 GND20VCC 40P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33P0.7 32/EA 31ALE 30/PSEN 29P2.7 28P2.6 27P2.5 26P2.4 25P2.3 24P2.2 23P2.1 22P2.0 21(RXD)(TXD)(/INT0)(/INT1)(T0)(T1)(/WR)(/RD)基于单片机升降控制系统的设计4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 口是一个内部提供上拉电阻的 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,被内部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时,P1 口作为第八位地址接收。P2 口:P2 口为一个内部上拉电阻的 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,其管脚被内部上拉电阻拉高,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。这是由于内部上拉的缘故。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,它利用内部上拉优势,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内容。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 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口,可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,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),P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口,如下表所示: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)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。基于单片机升降控制系统的设计5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),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时,/EA 将内部锁定为 RESET;当/EA 端保持高电平时,此间内部程序存储器。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内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出 5。1.3.2 单片机最小系统构成单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路,这些电路包括晶振电路、复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等。下面以典型 MCS-51 单片机为代表介绍最小系统的各个部分。1、单片机晶振电路MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,管脚 XTAL1 和XTAL2 分别是反相放大器的输入端和输出端,由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器,这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式,如图 1-2 a)所示;图 1-2 b)所示为外部时钟方式 6。a) b)图 1-2 a) 外部时钟方式 b) 内部时钟方式VCCGNDGNDXTAL1MCS-51XTAL2MCS-51XTAL1XTAL2VCCS1基于单片机升降控制系统的设计62、单片机复位电路(1)单片机复位后的状态无论是 HMOS 型还是 CHMOS 型单片机,振荡器处于运行状态时,如果在单片机的 RST 引脚保持 2 个机器周期( 24 个振荡周期)的高电平,则单片机内部执行复位操作,以后每个周期执行一次,直至 RST 端变低。为保证单片机可靠复位,设计复位电路时要考虑 VCC 的上升时间的振荡器建立时间,通常使 RST 端持续 20ms 以上的高电平。复位后单片机从程序存储器的地址 0000H 处开始运行,内部寄存器的状态如表 1-1 所示。表 1-1复位后单片机寄存器状态专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态PC 0000H TH0 00HACC 00H TL0 00HB 00H TH1 00H专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态PSW 00H TL1 00HSP 07H TH2 00HDPTR 0000H TL2 00HP0P3 FFH RLDH 00HIP 0000B RLDL 00HIE 00000B SCON 00HTMOD 00H SBUF TCON 00H PCON 00000BT2CON 00H复位后,ALE 和 PESE 为高电平,内部 RAM 不受复位的影响,此时内部 RAM 的状态不确定 7。基于单片机升降控制系统的设计7(2)单片机复位电路如图 1-3 所示分别为单片机的几种复位电路。a) b)c)图 1-3a) 上电复位b)按键电平复位c) 按键脉冲复位上电复位如图 1-3 a)所示,它是在 VCC 与 VSS 管脚之间接入 RC 电路。上电瞬间RST 端电位与 VCC 相同,随着电容充电电流的减小,RST 端的电位逐渐下降。只要VCC 的上升时间不超过 1ms,振荡器建立时间不超过 10ms,按图中的时间常数(C1=22F,R1=1K),上电复位 电路就能保证在上电开机时完成复位操作。上电复位所需要的最短时间是振荡器建立时间加上 2 个机器周期。在这段时间内,RST 端的电平应维持高于施密特触发器的下阀值。图 1-3 b)所示为一种上电与按键复位电路,在实际应用系统中,有些外围芯片也需要复位电路,如果这些复位电平与单片机的要求一致,则可以与相连。R11kC122ufVCC MCS-51C122ufR20.2kVCCR11KRSTMCS-51C122ufR20.2kVCCR11KRSTMCS-51C222uf基于单片机升降控制系统的设计8为了防止干扰窜入复位端,引起内部某些寄存器错误复位,可在 RST 管脚上接一个去耦电容。在应用系统中,为了保证复位电路可靠地工作,常将 RC 电路在接施密特电路后,再接入单片机复位端和外围电路复位端,如图 1-3 c)所示。系统有多个复位端时,能保证可靠地同步复位 8。1.4 电力电子器件的概述电力电子器件是电力电子装置的基础单元,继晶闸管(SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管 (BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOSFET) 之后,进入以绝缘姗极双极型晶体管(IGBT) 为代表的复合型器件的发展期。绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。众所周知,构成IGBT的MOSFET和BJT各有其优缺点。MOSFET属于单极型器件,具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点,缺点是导通电阻大,耐压水平不容易提高。BJT属于双极型器件,具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点,缺点是开关时间长,有二次击穿现象以及控制功率大。IGBT是MOSFET和BJT的复合器件,它既有 MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点,又具有BJT通态压降小、载流容量的优点,性能优越,越来越多地被应用到工作频率为几十千赫的各类大中功率电力变换装置中,成为现代电力电子技术的主导器件。并且,随着IGBT技术的发展,其性能不断得到改善和提高,使得IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要,如UPS 、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都大I使用IGBT模块 9。1.4.1 IGBT的工作原理IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET 基本相同,只需控制输入极N 一沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。 当MOSFET的沟道形成后,从P+ 基极注入到N一层的空穴(少子) ,对N一层进行电导调制,减小N一层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压10。 1.4.2 IGBT的工作特性IGBT的工作特性包括静态和动态两类: 1、静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 基于单片机升降控制系统的设计9IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高,Id 越大。它与 GTR 的输出特性相似也可分为饱和区 、放大区和击穿特性3部分。在截止状态下的 IGBT ,正向电 压由 J2 结承担,反向电压由 J1 结承担。如果无 N+ 缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入 N+ 缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了 IGBT 的某些应用范围。 IGBT的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id 与 Ugs 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V 左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。 IGBT处于导通态时,由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其 B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过 MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时,通态电压 Uds(on) 可用下式表示: Uds(on) Uj1 Udr IdRoh (1-1)式中 Uj1 JI 结的正向电压,其值为 0.7 1V ; Udr 扩展电阻 Rdr 上的压降; Roh 沟道电阻。 通态电流 Ids 可用下式表示: Ids=(1+Bpnp)Imos (1-2)式中 Imos 流过 MOSFET 的电流。 由于N+区存在电导调制效应,所以 IGBT的通态压降小,耐压1000V 的IGBT 通态压降为23VIGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。 2、 动态特性 IGBT 在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET 来运行的,只是在漏源电压Uds下降过程后期, PNP 晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。 td(on)为开通延迟时间,tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td (on)tri 之和。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成。IGBT 在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后, PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间, td(off) 为关断延迟基于单片机升降控制系统的设计10时间, Trv为电压 Uds(f) 的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf由t(f1) 和 t(f2) 两段组成,而漏极电流的关断时间: t(off)=td(off)+Trv 十 t(f) (1-3)式中, td(off) 与 Trv 之和又称为存储时间IGBT 是一种新型的功率电子器件,主要是为克服功率开关器件(功率 MOS 管功率场效应管和功率三极管)使用上存在的一些缺点而诞生的 10。我们知道,在中高频的电力电子应用中,常常用功率三极管或功率场效应管来开关大电流,然而,这两种功率器件在使用上都有一些缺陷。先说功率场效应管(功率 MOS 管) ,假定开关的电流为 20A,场效应管的导通电阻为 0.1 欧姆。那么,场效应管上将产生 40 瓦的功耗。这是很大的。但是场效应管有它的优点,就是控制(驱动)方便,场效应管是电压驱动型器件,驱动时,只要在栅极(类似三极管的基极)加一定的电压(不需要提供电流也即不需要什么驱动功率)就可以驱动 MOS 管,这是它的优点。再说功率三极管。假定同样的开关电流 20A,并且三极管的导通饱和压降为 0.3 伏,这时,三极管将有 6 瓦的功耗,功耗小了许多,这是它的优点,但是,三极管是电流驱动型器件,为了开通这 20A 的电流,需要在三极管的基极提供足够大的驱动电流(也即需要驱动功率) ,这在控制上来说显得不方便,特别是导通电流越大,需要驱动电流也越大,这是它的缺点。现在说 IGBT。它结合的功率场效应管和功率三极管的优点于一身的器件,它的控制极具有场效应管的特性,而它的功率输出又具有三极管的特性,可以把它理解为具有场效应管驱动特性的功率三极管,或具有三极管输出特性的功率场效应管。实际上 IGBT 就是把功率三极管和功率 MOS 管的制作工艺集中于一身而产生的器件,所以具有控制简单(电压驱动,不需要驱动电流) 、功耗相对较低的优点 11。1.5 电磁阀的应用电磁阀是一种将电磁能转换为机械能的电磁元件,是一种受指令信号操纵使线圈电气回路通断,借电磁力完成启闭动作的自动阀门,是液体或气体流量控制阀中常用的一种。电磁阀具有体积小,动作灵敏,性能可靠等优点,被广泛应用在医疗、纺织、矿山、食品制造以及各种自动控制系统等行业,并取得了巨大成绩。近年来,电磁阀主要向微型、低功耗、高寿命、高频率方向发展,这就对材料性能,加工工艺提出更高的要求。基于单片机升降控制系统的设计11目前电磁阀主要有以下几种:(1)普通电磁阀。包括交流电磁阀、直流电磁阀。一般在保持开阀状态时,要一直保持通电,直至关阀。其功耗较高,不具有自保持功能。(2)机械保持电磁阀。这种电磁阀开启后,断电时可以保持阀的状态,但其状态保持机构的机械结构复杂。(3)自保持电磁阀。这种电磁阀可以实现保持状态的零功耗,因而从节能的角度出发对电池供电的仪表无疑是最好的一种选择。电磁阀是利用电路开关所产生的电磁力进行开和关或者位移控制的,它的结构简单,价格低廉,电源易得,速度也较快。电磁阀按驱动方式分,可分为:直线式和旋转式。在旋转式电磁阀中,由于还需机械式转换器将旋转运动转换成直线运动,这样就增加了机械损耗,延时了动作时间。例如,在用步进电机驱动的数字流量阀中,计算机发出需要的脉冲序列,经驱动电源放大后使步进电机工作,每个脉冲使步进电机沿给定方向转动一个固定的步距角,再通过凸轮或螺纹等机构使旋转角转换成位移量,带动液压阀的阀芯移动一定的距离。阀从控制方式上又可分为伺服阀、比例阀和数字控制阀。比例阀可用作比例压力阀、比例流量阀、比例换向阀、比例复合阀、比例多路阀等,比例电磁阀就是利用电磁力实现比例阀的功能,它利用比例电磁铁输出的电磁力,使得液流压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化,它的控制性能优于开关式控制,能将输入的电信号(电流)按比例转换成机械量(力或位移)输出 12。1.6 课题的主要内容及发展前景1.6.1 课题的主要内容1、要求本课题要求完成系统总电路的设计及单片机硬件和软件的设计。系统研究基于AT89C51 单片机,通过对单片机进行软硬件的设计来驱动和控制步进电机,从而达到升降的目的。其次,我们还要求该系统能进行相关运行状态的显示及将采集到的信号进行反馈,并且能通过设定的按钮来达到控制的目的。我们要求该系统有很好的可靠性和抗干扰的能力。2、内容1) 单片机的选择;2) 总体方案的确定;3) 各模块电路的设计;4) 软件设计;5) 各模块调试;6) 撰写设计说明书。基于单片机升降控制系统的设计121.6.2 课题研究现状本课题主要研究单片机在步进电机驱动系统中的应用。主要完成升降系统的防坠机构的闭锁与解锁;上升与下降电磁阀的控制,升降液压电机的自动启停控制及紧急手动控制,液压电机的启停控制,自动手动加温控制,各工况状态显示等工作。众所周知,步进电机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系,随着电子技术和功率开关电子器件的出现,使步进电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大变化,特别是集成电路的推广和微机的普及应用,更使对步进电机驱动的研究上了一个新台阶。步进电动机的特点决定了对步进电动机驱动器的研究是与对步进电动机的研究同步进行的。目前,国外对步进电机的控制与驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片,结果是大大缩小了驱动器的体积,明显提高了整机的性能。随着以MCS-51系列为代表的单片机的迅速普及,基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用,此类环分器仅需更换不同的软件即可适应各种电机,而无需变更硬件,具有极大的灵活性。在本系统中,采用单片机来驱动步进电机,通过对单片机的编程使其生成一环形脉冲来对步进电机进行驱动,我们要控制步进电机只需对单片机的程序进行修改,这样既能简化步进电机的驱动电路,还能对步进电机进行有效可靠的控制。1.6.3 课题的发展现状与前景展望随着电子技术的发展,我们在生活中的各方面大部分都采用了人工智能代替人,特别在一些工业应用场合。应用技术的飞速发展,使得单片机应用系统已经逐渐成熟,应用也越来越广泛,目前,单片机已经成为IP库中的重要成员。我个人认为,基于单片机的升降控制系统在当今和未来将成为各种升降装置发展的趋势。毕竟,单片机凭着优越的性价比,与以往的升降控制系统相比,其单片机控制简单,操作易于实现,而且对于一些控制要求精度高的场合非常适用。再者,用单片机来操作升降控制系统,还可减轻工作人员的压力,提高用户的工作效率。在人为控制下有时候如不小心将会为安全设施带来很大的麻烦,而且人工控制升降系统时也很难掌握其控制精度,而使用单片机设计只要在设计时考虑周到,运行起来就不会带来这种问题了,因此,基于单片机的升降控制系统将在各种升降系统中得到广泛应用。随着现代信息和电子技术应用领域的不断拓宽,越来越多的应用领域提出了各种特殊要求。例如,航空航天领域要求的小体积大系统,信息应用领域提出的个性化等要求,都使得一般固件技术难以胜任。特别是在民用领域,重视个性化的产品设计概基于单片机升降控制系统的设计13念使应用电子产品的更新速度极快,而且小批量多品种的要求也越来越高。这就是提出了小批量产品与成本、集成化与成本、产品研制周期与成本等一系列的问题。也将是单片机在各种升降装置中展的必然趋势。第2章 步进电机概述2.1 步进电机及其发展步进电机又称脉冲电机或阶跃电机,国外称为(Stepper motors)。目前,随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化,传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机的工作过程为,每输入一个脉冲信号,则改变一次励磁状态使转子转过一定角度,若没有脉冲信号输入,则转子保持在某一位置静止不动。因此,步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机,也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机 13。步进电机工作的机理是基于最基本的电磁铁作用,其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试,应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后,在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛便用。20世纪60年代后期,在步进电机本体方面随着永磁材料的发展,各种实用性步进电机应运而生,而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。在近30年间,步进电机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲,步进电机己经能与直流电机、异步电机,以及同步电机并列,从而成为电动机的一种基本类型。基于单片机升降控制系统的设计14我国步进电机的研究及制造起始与上世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期,主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期,步进电机的生产和研究有所突破。除反应在驱动器设计方面的长足进步外,对反应式步进电机本体的设计研究也发展到一个较高水平。自80年代中期以来,由于对步进电机精确模型做了大量研究工作,各种混合式步进电机及其驱动器作为产品广泛利用。2.2 步进电动机在控制上的特点(1)步进电动机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比,故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量;(2)步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比,只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速;(3)步进电动机有保持力矩,当停止输人脉冲时,只要维持绕组内电流不变,电动机轴可以保持在某固定位置上,不需要机械制动装置;(4)改变通电相序即可改变电动机转向;(5)步进电动机相邻齿间存在误差,但是不会产生累积误差;(6)步进电动机转动惯量较小,使得它能够较快速的启动和停止;(7)步进电动机的缺点是效率较低,带负载能力较差,调速范围较小。步进电动机是较早使用的典型的机电一体化元件。由于它特殊的结构以及工作原理,使得步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器成为了不可分割的整体。也可以说,步进电动机系统的性能除了与电动机本身的性能有关外,在很大程度上取决于使用的驱动器的驱动方式。步进电动机驱动控制系统框图如图2-1所示。图 2-1 步进电动机驱动控制系统框图由以上叙述知步进电动机在实际运行过程中还有很多的缺点,鉴于此,在实际应用过程中,产生了很多的步进电动机的控制方法,比如:恒流斩波控制、升频升压控制、细分控制、升降频控制等 14。控制信号隔离 控制电路 逻辑电路 驱动与功率 电路反馈与保护电路步进电动机基于单片机升降控制系统的设计152.3 步进电机的主要特性1、步距角步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。(2-1)式中: Zr 转子齿数;ml 运行拍数,通常等于相数或相数的整数倍,即m1=k m;m 电机相数 ;步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。2、矩角特性矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态,即一相或几相绕组同时通以直流电流时,电磁转矩与失调角的关系,即T=f( )。3、响应频率在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步,则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率f作为衡量的指标。它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率,称为极限启动频率或突跳频率。4、启动矩频特性在给定的驱动条件下,负载惯量一定时,启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性,又称牵入特性。5、运行矩频特性在负载惯量不变时,运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性,又称牵出特性。6、惯频特性在负载力矩一定时,频率和负载惯量之间的关系,称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性 15。1360ohrmz基于单片机升降控制系统的设计162.4 步进电机的应用自上世纪中叶,步进电机的应用渗透到数字控制的各个领域,尤其在数控机械中广泛利用其开环控制的特点。 近几十年来,步进电机在OA机器(Office Automation). FA机器( Factory Automation )和计算机外设
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