基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

33％。 2. 磁悬浮的发展前景问题 由于磁悬浮系统以电磁力完成悬浮、向导和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。 其高速稳定性和可靠性还需要很长时间的运行考验。 常导磁悬浮技术的悬浮高度降低，因此对线路的平 整度、路基下沉量级道岔结构方面的要求较超导技术更高。 超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导轨技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。 每一种新的交通工具的间世 , 都极大地推动着社会的进步。 回顾交通工具发展史 , 我们发现汽车极大地方便了人们的生活 ,但长途运输能力差 , 且日益增多的汽车数量使交通拥挤堵塞现象越来越严重 ∋ 常规轮轨列车的运输量大 , 但运行速度慢 , 运行噪声大 , 爬坡能力低 , 高速轮轨列车要求轨道有很高的平整度 , 在高速运行时 , 能量消耗大 , 铁轨和车轮的磨损很严重 , 从而导致维修费用昂贵 ∋ 飞机运行速度快 , 但运精量小 , 且事故往往是致命性的 ( 本文介绍的磁悬浮列车是一种新的交通工具 , 相对而言 , 它有多方面的优点 , 如高速 , 运输量大 , 安全 ,舒适 , 无噪声等。 综合各种因素，就目前而言，磁悬浮的发展是最有潜力，最有发展必要的。 河南科技大学毕业论文 5 第 2 章 系统总体设计与工作原理 167。 设计内容与方法 167。 设计内容 以单片机为核心，设计磁悬浮小球的控制电路设计，对控制算法进行研究，编写程序，通过传感器对小球位置的测量，利用通过单片机来实现对小球悬浮的稳定控制。 167。 设计方法 采用霍尔元件检测小球，输位置出电信号经 A/D 转换反馈至单片机， 运用单片机数字 PID 控制器 来控制磁悬浮 小球在磁场中的位置。 167。 12..3 设计 总框图 图 21 总流程图 给定数字量的作用是手动控制小球在磁场中的位置，根据给定量不同，小球的受力大小也随之改变。 单片机控制器主要是在接到传感器的反馈后通过把模拟信号转换成数字信号发给磁铁执行器从而控制磁场大小。 功率驱动则是改变 驱动能力。 霍尔元件则是用于测量小球位置的传感器，并将其信号通过模数转换发送给单片机控制器 电磁铁执行器 传感器信号 功率驱动 信号转换 单片机 控制器 给定输入量 河南科技大学毕业论文 6 167。 工作原理 磁悬浮小球的工作原理是利用电生磁力来吸引小球，通过传感器测量其位移并用 PID 控制使小球在磁力重力的作用下达到一个平衡点，即悬浮不掉落，具体设计细节请查阅硬件软件的设计。 河南科技大学毕业论文 7 第 3 章 系统硬件电路的设计 167。 硬件所需元件 167。 3 . 单片机 STC12C5A60S2 STC12C5A60S2 简介 STC12C5A60S2 是 STC 生 产的单时钟 /机器周期（ 1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM， 8路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。 增强型 8051CPU， 1T（ 1024G），单时钟 /机器周期 工作电压 1280 字节 RAM 通用 I/O 口，复位后为：准双向口 /弱上拉 可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏 每个 I/O 口驱动能 力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 120mA 有 EEPROM 功能 看门狗 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部掉电检测电路 时钟源：外部高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器 常温下内部 R/C 振荡器频率为： 单片机为： 11~17MHz 单片机为：8~12MHz 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器， 16 位定时器 T0和 T1 1 3 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 输出时钟，独立波特率发生器可以在 口输出时钟 1外部中断 I/O 口 7 路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿河南科技大学毕业论文 8 中断的 PCA 模块， Power Down 模式可由外部中断唤醒， INT0/， INT1/，T0/， T1/， RxD/， CCP0/， CCP0/ 1 PWM2 路 1 A/D 转换， 10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250K/S 1通用全双工异步串行口（ UART） 1双串口， RxD2/， TxD2/ 1工作范围： 40~85 1封装： LQFP48， LQFP44， PDIP40， PLCC 管脚说明 ： ~ P0： P0 口既可以作为输入 /输出口，也可以作为地址 /数据复用总线使用。 当 P0 口作为输入 /输出口时， P0 是一个 8 位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。 当 P0 作为地址 /数据复用总线使用时，是低 8 位地址线A0~A7，数据线 D0~D7 、 ADC 输入通道 0、独 立波特率发生器的时钟输出 167。 3 . 模拟量接近开关 概述 通常，电感式接近接近开关均有着相同的工作原理及应用。 然而 ,本文所要讨论的是模拟量接近开关的一些特殊特性。 下面所讲述的例子均来源于实践，由于篇幅有限，只能选择部分实例。 但从中可以看出它的应用是极其广泛的。 参数参考： 图 31 模拟量参数 1 河南科技大学毕业论文 9 图 22 模拟量参数 2 图 33 模拟量参数 3 模拟量接近开关应用 : 1. 一个模拟量接近开关控制几个开关点 人们常常会遇到 这种情形，在被检测目标物体的运动过程中，某一动作需要在不止一个位置被触发。 更多的是：不同的位置往往发生一些相关的动作。 因此，一个程序控制站，可用一张金属盘片和一个模拟量接近开关替代几个凸轮和同等河南科技大学毕业论文 10 数量的接近开关来解决此类问题。 例如通过一个带模拟量输入的 PLC 输入模块来实现该功能 ( 例如西门子 S5 ， 6ES5 4648MC11 )。 现在以非常合理的价格便可买到这些模块。 当然也可以使用其它供应商的信号处理装置来实现该功能。 2. 模拟量接近开关线性运动转换成电子信号 用 接近开关将线性运动转换成电子信号 的最直接简单的办法。 但是这种情况，必须保证设备没有被物理接触。 然而在实践中 , 开关的检测范围往往不够大，造成直接检测有困难。 但如果使用楔形的物体，便能随意调节检测范围。 同时如果此物体为非平面物时，可供调节的范围会更广。 很轻易便能把线型转换成电子信息。 3. 模拟量接近开关旋转运动转换成电子信号 通过一个偏心金属盘片，模拟量装置便可采集到旋转运动信号或角度信号。 与上例相似，如果盘片的形状合适，角度的可调范围相应比较大，线性度也能做得较好。 4. 模拟量接近开关启动调节 典型的控制程序通常在通过基点时，含有一 个简单的驱动通断切换。 (该点可由一个普通的接近开关进行检测 )。 但是由于偏差，该点很难精确定位。 如果使用带模拟量输出的接近开关和 PLC，在启动时便可进行低成本的精确调节了 5. 模拟量接近开关电梯的启动调节 启动调节最令人感兴趣的是应用在电梯领域里。 通常，一台电梯在到达停靠点之前的短时间内会转换成缓慢行驶，然后突然停止于停靠点上。 技术上看，非常简单，但有两个缺点。 第一 , 缓慢行驶阶段会延长电梯运行的时间 , 第二 , 停靠位置的精确性有限且受负载影响。 但如果采用模拟量接近开关会同一个启动调节装置作为发送 器来检测电梯的位置，这些问题都可以解决，并且还不会增加多少接近开关费用。 若采用可调节的驱动会增加额外的费用，但使用模拟量接近开关，这些费用都可以省去了。 6. 模拟量接近开关检测机动车里的踏脚板位置 现代车辆里的踏脚板位置是很多控制过程的信息源。 当踏脚板改变路径或转河南科技大学毕业论文 11 换角度时，接近开关需要能捕捉到这些变化，并转换成电子信号，再反馈到控制系统。 最简单的转换器是由电位计组成的， 也可使用磁场敏感元件。 更多地人们使用根据微分转换原理工作的位移接近开关。 然而 , 还有一些以前没有好的解决方案，依现在的技术都已能得到圆满 解决，比如建筑装备（高频率振动再加上极其恶劣的环境，如尘土飞扬，工作温度和湿度高，不好安装）。 另外，永久性磁铁由于吸附金属和铁屑 ，可靠性不好，也被弃用。 但模拟量接近开关就不同了，它能满足上面所有的要求 , 并且价格还比较低廉。 7. 模拟量接近开关非接触电位计（角位移） 上面所说的关于踏脚板位的检测也可应用到其它需要把机械信号转换成电子信号的应用上面。 把接近开关当作电位计使，起初不被人们看好。 但是它能解决安装上的问题。 使用模拟量的接近开关也可实现现带轴的多圈多匝的电位计一样的功能（使用纺缍体状的设计）。 8. 模拟量接近开关对零部件的控制 很早以前，人们就开始使用光电开关和光纤监测传送带上的零部件位置。 在检测金属部件时，特别是在对尘土的敏感度方面，模拟量接近开关也有很好的应用价值。 9. 模拟量接近开关轴的同心度监测 在预防护方面，轴的同心度监测起着一个非常重要的作用。 在运动过程中，由于轴的磨损，同心轴可能被损坏，导致机器出现故障，并随之而来的是昂贵的修理费并导致工厂停工。 对轴的同心度持续监测，可以获得轴承的许多实时信息。 10. 模拟量接近开关对振动的监测 振动也是显示机器状态的一种指标 ,通过对一定时间段内的振幅进行监测，可以进行预防护，也有助于消除因故障引起的维修和关停等。 这种情况下 , 也可以用带模拟量输出的接近开关和 PLC 一起使用，来解决就这些问题，并且费用不高。 监测也以用单轴式，双轴式或三轴式，但是每一个轴向都必须安装一个接近开关 ,同时也必须注意设备的上限频率。 11. 模拟量接近开关开关点的自动调节 许多情况下，开关点都必须保持极高的精度，因此通常必须通过拧螺坶来进行经常调节，以保证精度。 虽然有点费事，但原装设备初装时一般不至于产生问题。 不过备品备 件替换完。