基于单片机的饲料自动供给系统设计论文

基于单片机的饲料自动供给系统设计论文内容摘要：

可以在电机的允许范围内任意设定旋转速度，在数码管上显示出规定时间内电机所转的初始速度，时间每过一秒，电机减慢一定速度，直到电机停止。 时间与速度的减少保持同步，当一方为零，电机停止转动，天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 7 以使食物停放在固定位置。 当在 电机停止工作时，报警系统工作，发出已设定音乐以提醒工作人员断电或者进行下一项操作。 系统总电路设计 在各个电路的设计完成之后，就可以进行硬件合成，就是将各单元的电路按照总体设计的硬件结构框图组合在一起，形成一个完整的硬件系统原理图。 在进硬件合成时，重点的考虑以下几点： （ 1）根据输入输出的信号需要，全面安排微处理器的 I/O 口，查看是否够用，如果不够用，应扩展 I/O 口。 （ 2）检查信号逻辑电平是否兼容。 电路中可能兼有 TTL 和 MOS 器件，也可能有非标准的信号电平，若电平不兼容，就要增加电 平转换电路。 （ 3）从提高可靠性出发，全面检查电路设计。 （ 4）考虑电源系统。 相互隔离的电路必须采用各自独立的电源和地线，切不可混用。 同一部分电路的电源，其电压种类应尽量减少。 本系统的电源选择现成的产品来提供。 （ 5）合理安排地线系统。 硬件设计除了上述的内容外，还要进行做印制电路板、操作面板的设计等工作。 在原理图的结构基础上，把系统分为两个模块，一为电源模块，此模块给系统提供电源；二为单片机控制模块，该模块有单片机控制驱动电路，键盘输入及显示电路，报警电路三个小的部分。 如图 22，图 23 分别为电源电路与单片机控制模块。 图 22 系统电源电路 天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 8 图 23 单片机控制电路 1122334455667788DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeA3Date:2020530Sheet of File:G:\xu\..\电机设置及显示.~(1).SCHDrawn By:M12 3456 7891011 1213 1415L298U1EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108051AHU030PC130PC2+10uFC3复位开关S110KR16MY1VCCVCCD2D4D6D8D1D3D5D7K1 K5 K9 K13K2 K6 K10K14K3 K7 K11K15K4 K8 K12K16RL0RL1RL2RL3RL4Y0Y1Y2Y31 2 3 4 5 6 7 8CON8J13 256 4LM386IC1A10uC410kR11470R12C547uC6SPVCC接单片机A7B1C2D6B14LT3RB15a13b12c11d10e9f15g147447U?A7B1C2D6B14LT3RB15a13b12c11d10e9f15g147447U?470*7 470*71234CON4J?1234CON4J?abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDPY_7SEG_DPabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDPY_7SEG_DP天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 9 3 供给系统带传动的调速 饲料供给系统当中，饲料的传送是动物喂养的关键，本设计的目的是方便与实用相结合，实现智能化、自动化的饲料供给。 根据设计思想，我们设备的饲料传送有提供远距离，提供量大，定时，定地点的全自动供给。 这样的设计要求就对设备的运动系统提出更高的要求，在设备中，步进电机是设备运动核心，步进电机的变速过程是饲料传送的关键，如下详细介绍一下系统的调速过程。 步进电动机的工作原理与动态特征 步进控制与驱动系统的构成 不管是那一种类型的步进电机，其开环运动控制系统都是相似的。 典型的步进电机开环控制系统结构框图，主要由 PC 机、步进运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分组成。 如图 31为步进电机控制系统原理图。 图 31 步进电机控制系统原理结构图 PC 机按照要求发出相应指令，控制器接收指令，并根据指令向各进给电机发出控制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号，实现正、反转控制和定位控制。 同时上位机检测下位机的各种状态信号，进行诊断和处理。 对于步进电机，必须使用专用的驱动器才能够正常 工作。 步进电机驱动器一般由环形分配器、功率放大器等部分组成。 其中环形分配器根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行，给步进电机各相绕组提供足够的电流；此外，步进电机驱动器在相数、通电状态、电压、电流上要符合所控制的步进电机的技术参数要求。 天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 10 步进电机的选用 步进电机在控制系统中是执行元件，在计算机接口和编程时是检测元件和解算元件。 了解步进电机的主要技术参数，特别是其矩频特性，合理选择步进电机，是整个控制系统可靠工作的前提和保证。 步进电动 机的选用主要考虑以下几个指标： (1) 步距角：每给定一个电脉冲信号，电动机转子所应该转过角度的理论值，其计算公式如下： NZb 0360 式中： Z－转子的齿数； N－转子转过一个齿距的运行拍数。 步进电机的转速 n 由下式表示： Nzfn 60 (f/min) 式中： f－输入脉冲的频率（ Hz）； Z－转子的齿数； N－转子转过一个齿距的运行拍数。 可见步进电机转速的高低，取决于输入到步进电机的脉冲频率的高低。 电脉冲频率 f 高，则电机转 速快，反之，转速慢。 因此，步进电机的运动控制问题从根本上说就是要控制输入到步进电机的脉冲。 (2) 最大静转矩； (3) 响应频率和起动频率 要求步进电动机输出很大的转矩，还是要求较高的定位精度和较快的反应速度，这是设计控制系统需要首先考虑的问题。 步距角越小，分辨率越高；电动机的响应速度越快，系统的速度越快，整个系统的效率就越高。 在选用步进电动机时，必须着重考虑步距角、响应频率和起动频率。 步进电动机的选用将在很大程度上影响整个控制系统的分辨率和速度。 天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 11 步进电机的工作原理 三相反应式步进电 机的工作原理图如下图 ，其定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。 转子上有四个均匀分布的齿，其上没有绕组，当 A 相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，即转子齿 3 和定子齿 A、 A39。 对齐，如图 32（ a）所示。 若切断 A 相，同时接通 B 相，在磁场力作用下转子转过 30 度，转子齿 4 和定子齿 B、 B39。 对齐，如图 32（ b）所示，转子转过一个步距角。 如再使 B 相断电，同时 C 相控制绕组通电，转子又转过 30 度，使转子齿 3 和定子齿 C、 C39。 对齐，如 图 32（ c）所示。 如此循环往复，并按 A→ B→ C→ A 顺序通电，步进电机按一定方向转动。 电机的 图 32 三相反应式步进电机的工作原理 转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率。 实际的步进电机的转子铁心和定子磁极上均有小齿，齿距相等。 定子和转子的齿数要有一定比例的配合，即要求在某一相的一对极下，定子和转子的齿一一对齐，而此时在其它两相的磁极下，定子和转子的齿要分别错开一定的角度。 这样，如果步进电机的三相绕组按一定的方式通电，那么它就以一定的步矩角进行走步。 步进电机的动态特性 机械负载位置的 变化往往需要步进电机的连续运行，电机转子必须产生足够大的力矩，以克服摩擦和加速总惯量，电机无能力产生足够大的力矩时可能引起电机的失速，造成转子步进与相励磁之间失去同步，从而产生不正确的负载定位。 因此步进电机加速、减速、恒速运行时产生的转矩以及电机能够驱动负载的最高速度等特性至关重要。 矩 频特性一般用启动矩 频特性和运行矩 频特性来表示。 它们之间关系的典型曲线如图 33 所示。 启动矩 频特性是牵入转矩与频率之间的关系曲线，运天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 12 行矩 频特性曲线是失步转矩与频率之间的关系曲线。 下图 33 是启动矩频特性及运行矩频图 象，当工作在Ⅰ区范围内，步进电机可以停止和再启动，或者反向转动，而不会失步。 步进电机在Ⅰ区的工作速度上所产生的最大力矩坐标位于启动矩 频特性曲线上，启动矩 频特性曲线与纵坐标的交点为最大运行力矩，与横坐标的交点为最大启动频率。 Ⅱ区为单向工作区，在此区电机不能直接启动，若电机不停止、启动和换向，在此区域内工作，电机不会失步。 为了在Ⅱ区内工作，电机必须首先在Ⅰ区内工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到Ⅱ区。 若达到不失步停止时，也要在限制加速度的条件下，由Ⅱ区转移到Ⅰ区，在减速时惯性反作用力矩为负，对电机有利。 Ⅲ区 为失步区域，在任何情况下都是不允许的。 图 33 启动矩频特性及运行矩频 步进电动机的控制与调速 步进电机控制系统的构成 步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图 34 所示。 图 34 步进电机控制系统的组成 步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等。 其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。 功天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 13 率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。 在这种控制中，由 于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。 随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电顺序即可获得所需的转角、转速及转向。 这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。 图 35控制步进电机的系统结构图。 图 35 微机控制步进电机的系统结构图 步进电机的速度控制 步进电机可以方便的进行速度的控制。 控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。 确定时钟脉冲的周期有两种方法：一种是软件延时，通过 编程加适当的语句来控制时间的长短，调用延时的子程序实现对速度的控制；另一种方法是用定时器，可利用单片机的某个定时器，加载适当的初值，经过一段时间，定时器溢出，产生中断信号，暂停主程序的运行，转而执行定时器中断服务程序，于是产生硬件延时效果。 若将步进电机换相的子程序放在定时器中断服务程序中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。 由于步进电机失步的原因，需要对步进电机进行升降速的定位控制，运行速度都需要一个加速 — 恒速 — 减速 — 低恒速 — 停止的过程，如图 36 所示。 图 36 步进电机直线规律升降速曲线 天津工程师范学院 2020 届本科生毕业设计 14 各种系统在工作的过程中，都要求升降速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。 特别是在要求快速响。