毛细管式在线粘度测量装置的研制毕业论文(编辑修改稿)

毛细管式在线粘度测量装置的研制毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。 本设计中选择 2 片 6N137 高速光耦隔离 CLK、 CW，其信号传输速率可达到 10 MHz， 1 片 TLP521 普通光耦隔离 ENABLE 信号。 应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。 图 5 信号隔离电路模块 步进电机主电路 步进电机主电路主要包括驱动电路和逻辑控制电路两大部分。 驱动电路电源采用 24 V，电压范嗣为 ～ 40 V，提高驱动电压可增大电机在高频范围转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。 VMB、 VMA 为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。 OUT_AP、 OUT_AM、OUT_BP、 OUT_BM 引脚分别为电机 2 相输出接口，由于内部集成了续流二极管，这 4 个输出口不用像东芝公司的 8435 驱动芯片那样外接二极管，从而极大地减小电路板的布线空间。 NFA、 NFB 分别为电机 A、 B 相最大驱动电流定义引脚，最大电流计算公式为 IOUT(A)=(V)／ RNF(Ω)，若预先定义电机每相的最大驱动电流为 A，取 RNF= Ω，则 PGNDA、 PGNDB、 SGND 分别为电机A、 B 相驱动引脚地和逻辑电源地。 图 6 驱动器电源电路和指示灯电路 逻辑控制电路电源为 5 V， VDD 为逻辑电源引脚，应接入去 耦电容和旁路电容减小干扰噪声； M0、 PROTECT 为工作状态和过流保护指示灯； RESET 为芯片复位脚，低电平有效； OSC 所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐 100～1 000 pF，斩波频率为 400～ 44 kHz； M M1 为细分设置引脚，外接拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、 1／ 8 细分、 1／ 16 细分。 由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要细分解决。 步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电 机步距角的细分。 一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。 DCY DCY1 外接拨码开关设置电流衰减模式 (0、 25％、 50％、 100％ )，用于满足不同的步进电机需要。 由于电机本身状况、供电电源状况及脉冲频率等其他因素的影响，步进电机可能会产生高频噪声，通过电流衰减模式的设置可减小甚至消除这种噪声。 图 7 显示了衰减模式为 0 和 50％时线圈电流的变化，可看出波形具有明显的改善。 （ a）衰减比为 0 （ b）衰减比为 50% 图 7 波形图 图 8 电流和细分衰减设置电路模块 而步进电机在运行过程中可能会有发热量大或失步越步等的问题出现，为防止此类问题的发生或问题发生后的补救方法，驱动器的自动半流控制功能、脱机功能和细分功能就充分体现出来，这部分将在附录中具体介绍。 驱动器设置及接线 DIP 开关功能： DIP1 DIP2 DIP3 DIP4 细分数 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2 1 1 0 1 8 0 1 1 1 16 4 1 2 3 ON 电流调整说明： K1 1 0 1 0 1 0 1 K2 0 1 1 0 0 1 1 K3 0 0 0 1 1 1 1 步进电机的速度除了可以通过频率调节外，还可以通过细分数来控制，细分数越大，步进电机的速度越慢。 假设步进电机的 步距角为 度 ，即一个脉冲使步进电机转动 度，如果细分为 10，则表示一个脉冲使步进电机转动 / 10 = 度，如此， 步进电机转动一圈，所需的脉冲数较细分前多， 速度 也因此 慢下来了。 电流调整是通过拨码开关设置输出相电流的大小，电流过大会引起步进电机发热严重。 本装置步进电机所需的速度无须太快， 电流过大也易引起电机发热量大， 综合考虑，本设计采用 16 细分 （ DIP1~DIP4： 0111） 和 （ K1~K3： 100） 的输出相电流。 电源接线 ： ○ 1 24V：接电源。 ○ 2 GND：接地线。 ○ 3 A+amp。 A：接电机 A 相线圈的二根引线。 ○ 4 B+amp。 B：接电机 B 相线圈的二根引线。 控制信号接线 ： ○ 1 EN：使能端。 ○ 2 PU：脉冲信号接入端。 ○ 3 DR：控制电机转动方向。 ○ 4 +5V：接控制器的 +5V 输出端。 步进电机驱动器原理图和 PCB 2 1 3 ON 图 9 步进电机驱动器原理图 图 10 步进电机驱动器 PCB 图 主控板设计 单片机模块 芯片的选择 89C51 芯片作为硬件核心，采用 Flash ROM，内部具有 4KB ROM 存储空间 ,能于 3V 的超低压工作 ,而且与 MCS51 系列单片机完全兼容 ,但是运用于电路设计中时由于不具备 ISP 在线编程技术 , 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。 而且内存太小。 而 STC 公司生产的芯片 STC12C5A60S2,片内 ROM 全都采用 Flash ROM；能以 3V 的超底压工作；同时也与 MCS51 系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。 综合对比下， 选用 型号为 STC12C5A60S2 的芯片 ， 该芯片 是一款高速、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 位精度A/D 转换 (250K/S，即 25 万次 /秒 )， 针对电机控制， 强 干扰场合是不错的选择。 且 该 单片机 有 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，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器 ， 再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器。 而 3 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 ， 独立波特率发生器可以在 口输出时钟。 2 路 PWM 可用来当 2 路 D/A 使用， 也可用来再实现 2 个定时器，还 可用来再实现 2 个外部中断。 且定时器还可用于实现多串口。 STC12C5A60S2 系列单片机的内部结构框图如 图 11 所示。 STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器 (CPU)、程序存储器 (Flash)、数据存储器 (SRAM)、定时/计数器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 转换、 SPI 接口、 PCA、看门狗及片内 R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模块。 STC12C5A60S2 系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。 图 11 STC12C5A60S2 系列单片机的内部结构框图 图 12 单片机部分原理图 主控板电源 主控板电源模块采用 78M05 稳压芯片，为了是输出的电压稳定并且消除文波采用前后并联 220uf 的极性电解电容和 的无极电容的方法。 并且在主控板上设置了 4 对 5V 的扩展电源，用以方便调试。 图 13 主控板电源 第 四 章 软件 设计 1. 按钮输入的软件处理 按钮的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这是触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。 现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于 5ms，例如取 1020ms。 如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。 如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。 延时程序如下：（可通过设置 Z 的值来确定延时时间） void delay ( int z ) { uchar i, j。 for ( i=0。 i z。 i++ ) { for ( j=0。 j 125。 j++)。 } } 2. 控制 方案 的 比较选择 开环控制的好处是控制算法简单程序比较容易，此外节省了许多元器件，从而硬件设计也比较简单，这个方法实现很容易。 但是这个方案的缺点是精确度不够，开环控制步进电机我们就无法知道步进电机的运行情况也不知道电机前进的步数，这样我们就无法精确的控制活塞前进的距离，导致计算的结果不准确，增加了可消除的误差。 环控制 闭环控制的优点是电机控制精确，所以活塞前进的距离也就先对准确许多，这样计算的结果也就比较精确，但是闭环控制的缺点就是结构和程序复杂。 经过讨论为了要达目标要求的精度我们决定使用闭环控制方案。 单片机通过光电编码器的输出脉冲数计算出步进电机的转速 n，将输出量 n送回至系统的输入端，与程序设定转速初值 n0 进行比较，将两者偏差信号 e 作用于控制器上，控制器对偏差信号 e 进行 PID 运算，产生控制作用，使系统的输出量转速 n 趋向于设定初值 n0 ，使步进电机的速度维持一个恒定的值。 如此整个系统构成一个闭环，利用反馈的作用来减小系统的误差，即闭环反馈控制。 3. 控制算法比较 PID 控制原理 PID 调节器由比例调节器 (P)，积分调节器 (I)和微分调节器 (D) 构成，它通过对 偏差值的比例积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象。 图 1 所示为 PID 控制系统框图。 ○ ○ 图 14 PID控制系统框图 比例调节（ P） 比例调节是数字控制中最简单的一种调节方法。 其特点是调节器的输出与控制偏差 e成线性比例关系，控制规律为： 0*py k e y (6) 式中： pk 比例系数， 0y 偏差 e为零时调节器的输出值。 当输出值 S与设定的期望值 R间产生偏差时，比例调节器会自动调节控制变量 y(如为控制阀门的开度 )的大小。 控制变量 y的大小会朝着减小偏差 e的方向变化。 比例系数 pk 的大小决定了比例调节器调节的快慢程度 ， pk 大调节器调节的u(t) ＋ e(t) r(t) 比例 积分 微分 执行机构 对象 c(t) － ＋ ＋ 速度快，但 pk 过大会使控制系统出现超调或振荡现象。 pk 小调节器调节的速度慢，但 pk 过小又起不到调节作用。 另外，虽然比例调节器控制规律简单，控制参数易于整定，但缺点是它只能在一种负载情况下实现无静差值的调节，当负载变化时，除非重新调整相应的值的大小，否则控制系统将会产生无法消除的静差值。 比例微分调节（ PI） 比例调节器的主要缺点是存在无法消除的静差值，影响了调节精度。 为了消除静差值，在比例调节器的基础上并人一个积分调节器构成比例积分调节器，其调节规律可用下列 (4)式表示。 001()tp iy k e e d t yT   （ 7） 式中： iT 为积分常数，它的物理意义是当调节器积分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为积分常数。 积分常数 iT 的大小决定了积分作用强弱程度， iT 选择的越小，积分的调节作用越强，但系统振荡的衰减速度越慢。 当 iT 过小时，甚至会造成系统的持续振荡，使调节器的输出波动不 定，给生产过程带来严重的危害。 相反地当 iT 选择的越大，积分的调节作用越弱，虽然过渡过程中不容易出现振荡现象，但消除偏差 e的时间却很长。 积分调节对偏差有累积作 用，所以，只要有偏差 e存在积分的调节作用就会不断地增强，直至消除比例调节器无法消除的静差值。 比例积分微分调节（ PID） 加入积分调节后，虽可消除静差，使控制系统静态特性得以改善，但由于积分调节器输出值的大小是与偏差值 e的持续时间成正比的，这样就 会使系统消除静差的 调节过程变慢，由此带来的是系统的动态性能变差。 尤其是当积分常数 iT很大时，情况更为严重。 另外，当系统受到冲激式偏差冲击时，由于偏差的变化率很大，而 PI调节器的调节 速度又很慢，这样势必会造成系统的振荡，给生产过程带来很大的危。