带传动试验台单片机控制系统的研究毕业论文(编辑修改稿)

带传动试验台单片机控制系统的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

本控制对象为 一个 既有机械又有电气 的计算机控制 装置 ， 满足 了现代技 科技 发展对实验的 标准 ， 可以 在本试验台上 进行 综合性 的 实验， 让 学生 不仅 学习机械 方面 的知识 ，而且对 微机控制原理、 计算机控制技术、电子技术等 都可以有部分了解 ， 利 于培养学生 养成 机电一体化的 思维。 试验台对现场生产的产品 生产 和质量检测也 带 有较强的 实际 意义。 华东交通大学理工学院毕业论文 3 课题主要任务 本设计基于单片机 AT89S51 开发了一种带传动试验台控制系统，硬件由单片机主控板、键盘接口、 LED 数码显示接口、测力应变片和测转速光电传感器等接口电路组成 ,其主要完成的工作有 :检测转矩和转速信号 ,对测得数据进行初步处理 ,利用 PID 算法进行闭环控制 ,调整交流电动机的转速和磁力制动器的励磁 ,可实现如下实验： (1)依 据不同的转速条件 ,控制主动轮转速恒定 ,调节负载大小 ,分别测定从动轮和主动轮的转矩 和 转速。 (2)依 据测 出 的主动轮 、 从动轮的转矩 和 转速 ,计算输入、输出功率 和 传动 的 效率。 (3)根据从动轮 及 主动轮的 速度 和带轮直径 ,去算出 滑差率。 (4)测试 不同初拉力 情况 下皮带打滑时转矩。 本章小结 本章先介绍了 单片机和带传动的概念，而后讲述了本课题问题的提出，接着描述了国内外带传动试验台的单片机控制现状，最后讲述本设计的意义，基于此提出了本课题的设计任务。 程川川： 带传动试验台单片机控制系统的研究 4 002T LDF ）（  （ ） 式中： T—— 轴上力矩 F—— 带传动的有效圆周力 D—— 带轮直径 Q—— 加载后荷载值的读数 Q0—— 加载前荷载值的读数 L0—— 旋转中心至触点的距离 假设有张紧力的作用，也就是说主动轮安装在有滚动的导轨底座上面，如果要获得需要的作用力，只需要把吊重和轮滑的带拉筋，改变吊重就可以完成不同的预紧力作用。 其2 带传动试验台单片机控制的基本原理 带传动设备构造及原理 带传动实验机的结构如图 21 所示。 包括主动轮和从动轮，主动轮通过交流电机带动，而这个电机是转动的，图上只画了电机的外壳，在工作过程中，电机的转子给定子一个反作用力，使得机壳出现反转，这个机壳上有一个固定的测力装置通过触点传到压力传感器，完成一定的操作后可以获得力矩。 从动轮是一个制动器，线圈中在直 流电下又一个磁场，而圆盘的转动会切割磁力线，有楞次定律可以知道会有一个反向的力矩，我们只需要改变直流电的大小就可以改变磁场，进而改变力矩达到输出功率的变化。 图 21 带传动试验机结构 阻力矩测试方法与主动轮相同， 可由式 得到： 华东交通大学理工学院毕业论文 5 对应关系为： )2(sin2W   A （ ） 式中： W—— 吊重 δ —— 初应力，一般带传动为 ~ A—— 带 的横断面积 α —— 带轮角 从动和主动轮都可以在光电传感器的情况下获得转速。 如果主动轮和从动轮有相同的轮径而且没有相互滑动，就可以由下式计算工作效率： 11 2212 nn%100%100  TTPP （ ） 式中： η —— 传动效率 P1—— 输入功率 P2—— 输出功率 T1—— 输入转矩 T2—— 输出转矩 n1—— 主动轮转速 n2—— 从动轮转速 传动 轮直径相同时，滑动率可用下式计算： %100v1 21  v v （ ） %100n1 21  nn 式中： ε —— 滑动率 v1—— 主动轮线速度 v2—— 从动轮线速度 直流电机调速 直流电动机的调速有三种方法： （ 1） 改变 电枢供电电压 U。 改变电枢电压 时，要使 电枢电压从额 定电压往下降低，从电动机额定转速向下变速， 这种 调速方法 保证 转矩 不变。 如果 系统要求在一定范围内无级平滑调速，这种 是 最好 的 方法。 变化的时间常数较小，能快速响应。 （ 2） 调节 电动机主磁通。 调节 磁通可以 使 无级平滑调速 得以 实现，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速， 这种 调速方法 保证 功率 不变。 变化时间 的时间常数比 变化的相要大得多，所需电源容量，小但响应速度较慢。 程川川： 带传动试验台单片机控制系统的研究 6 （ 3） 调节 电枢回路电阻。 这种 调速的方法在电动机电枢回路外串电阻， 所需 设备简单，操作 也较为 方便。 缺点是 只能进行有级调速，机械特性较软，调速平滑性差；空载时会在调速电阻上消耗大量电能；还几乎没什么调速作用。 这三种调速方法各自有优缺点，电阻调速缺点尤为明显， 因此，自动控制的直流调速系统一般 以调压调速为主，必要时把弱磁调速和调压调速两种方法配合起来使用。 单片机原理 MCS51 单片机硬件结构 图 22 MCS51 单片机内部结构图 英特尔公司 生产的 MCS51 单片机是一款高档 8 位单片机，它的集成度高，功能较全，在控制和开发应用上有很好的特性，特别做在如今的测控领域是一款很好的 CPU 控制器。 MCS51 单片机又有很多的分类，但是总体上的组成结构和工作原理是相似的。 其基本机构如图 22 所示 : （ 1）中央处理器为 8 位 单片机内部设计主要完成累加器 ACC、算数逻辑运算 ALU、程序状态寄存器 PSW、堆栈指针 SP、寄存器、数据指正 DPTR、指令存储器、暂存器 TMP等， CPU 的运算内部又包括一个特殊的位数据处理布尔处理机，添加了面向控制的处理能力，可以完成独 立的位寻址。 （ 2） 全双工运行的 I/O 接口 双工串口运行有四种工作方式，它是为了完成单片机和华东交通大学理工学院毕业论文 7 其它工控机的相互通信，构成一个只能系统。 （ 3） 中断系统 单片机包含 5 个中断级别系统，包括 2 个可编程改写的中断系统，可以用于外部中断请求，串行通信中的中断设置和定时 /中断请求。 （ 4） 16 位的定时 /计数器两个 单片机内部集成了两个 16 的定时或者计数器 T0、 T1，而每个定时器又包括 4 种不同的工作方式用于用户的选择，可以完成精确的定时或延时控制，计数器可以完成外部脉冲的计数。 （ 5） 唯一的 +5V 供电电源 通过一个低电压供电，完成片内正当器 与定时电路，工作的频率最高也可以达到 12MHZ。 （ 6） 可寻址的片内程序和数据存储器 片内还可以扩展 64K 的程序及数据存储器 从这些特性可以知道，单片机的基本组成结构和一般的微型计算机类似，它的硬件结构功能完备，只不过是吧计算机的一些工恩呢该集成在一块小芯片上，还可以实现某些特定作用的 CPU。 MCS51 单片机引脚功能 MCS51 型号的单片机都是 40 引脚，但是封装有直插式和贴片式，制造方式为高密度沟道 MOS 工艺， 40 个引脚中有 32 个 I/O 引脚口，可以单独使用，也可以并行使用，课分别作为数据、地址线和 I/O，还有 4 个控制信号， 2 个时钟引脚，电源供电和地。 其引脚功能如图 23 所示： （ 1） I/O 口引脚 ～ P0 口 8 位双向口线（在引脚的 32～ 39 号端子），是 8 位漏极开路的三态双向 I/O 端口，如果使用外部的存储器，那么这个口既可以作为地址总线由可以作为数据总线，可以驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。 P0 口有三个功能 : ①如果使用外部存储器时，作为数据总线②使用外部存储器时，作为地址总线③做扩展时，可当做一般的I/O 使用，因为驱动能力不够，所以需要加上拉电阻。 程川川： 带传动试验台单片机控制系统的研究 8 图 23 直插式芯片图 P1 口： ～ P1 口 8 位双向口线对应引脚的 1～ 8 号，它的内部自带上拉电阻，是一个单一功能的 I/O 端口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 P2 口： ～ P2 口 8 位双向口线对应引脚的 21～ 28 号，内部也自带上拉电阻的，用于扩展时，是地址的高 8 位，如果不扩展，就可当做常用的输入输出口，可驱动 4 个 LS型 TTL 负载。 P3 口： ～ P3 口 8 位双向口线对应引脚的 10～ 17 号，是内部自带上拉电阻的8 位双向 I/O 口，双功能复用口。 （ 2） 控制引脚 ALE/ PROG :ALE 是一个地址锁存控制信号，正常作用使输出为一个脉冲； PROG 是这个功能对应的另一个引脚，在程序编写时，这个引脚会有一定脉冲。 PSEN ：在采用外部的程序存储器的时候的一个选择读或者通的信号，电平为 0 时有效。 一个机器周期中，这个端口的信号变化两次，使用片内的资源的话这个端口无效。 （ 3）时钟引脚 单片机的 18,19 引脚是时钟引脚，这两个引脚通过外接晶振和片内的一个方向放大器构成一个晶体振荡器， 产生的振荡信号为单片运行提供时钟。 XTAL1： 18 引脚，是晶体振荡器的反相输入端； XTAL2： 19 引脚，是外接晶体振荡器的同向输入端，与 18 引脚构成一个完整的电路。 （ 4）电源引脚 电源引脚是单片机的 20 和 40 引脚，分别对应地和 VCC。 ccV ：正常运行时的电源，接 +5V。 ssV ：电源地线，接地端。 力矩检测原理 本系统通过压力传感器测量力矩，如果知道了动力距和阻力距那么就可以算出试验台的效率了。 我们通过杠杆原理去测量力矩，压力使得压力应变片发生形变，检测得到的电华东交通大学理工学院毕业论文 9 信号经过电路放大处理后通过 A/D 转换送给单片机，把这个力和测量物体的长度相城就可以获得力矩。 由于压力的变化中应变片的变化量很小，使得产生的电阻变化很小，所以如果采用一般的测量电路，很难测量准确，所以这里为了获得一个好的测量效果，采用电桥测量，这种测量电路不仅结构简洁，而且测量的精确度也高，测量范围也比较宽，还有较高的线性，关键是可以完成温度补偿，所以在很多场合都有应用。 系统中使用的电桥为等臂电桥，如图 24 所示，没有动作前四个电阻都是相等 的买这个时候得到的输出电压为零。 恒 流 源U0A CDBIR1R2R3R4 图 24 直流电桥结构 桥路补偿法利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的，下面说明双丝半桥式补偿的原理。 如图 25 所示： 恒 流 源U0A CDBIR1R2R3R4RB 图 25 直流电桥结构 电阻 RB 是一个敏感栅，它是是由同符号电阻温度系数的两种合金串接而成：而且栅的两部分电阻 R1 和 R2 分别接入电桥的相邻两臂上：工作栅 R1 尽接入电桥工作背，补偿栅 R2 串接电阻 RB (不敏感温度影响）后接入电桥补偿臂；另两臂照例接入平衡电阻 R3和 R4。 如果温度发生变化，两个桥臂的补偿能量是差不多的，这就完成了补偿功能。 BtBtt RRRRR RR 2 222 21 1t1R  （ ） 而外接补偿电阻为： 程川川： 带传动试验台单片机控制系统的研究 10 )1( 1t22  tB RR  （ ） 式中， ε 1t、ε 2t分别为工作栅和补偿栅的热输出。 控制系统总体方案 的确定 根据试验要求，应在给定转速和负载的条件下测试相关数据。 因此保证 转速和负载恒定是本课题的研究重点。 控制方式的选择 从控制方式研究，一般现在的控制方式包括模拟控制和数字控制，模拟控制由于控制的稳定性而得到应用，同时其控制对象也是模拟的；数字控制有其特别的作用，那就是可以通过程序设计需要的功能，灵活性很强，而且控制很方便，但是会引入离散的变量。 数字控制方式采用的是数字信号，温度影响很小，不会出现零点飘逸的现象，外围硬件很好，只需要少量的硬件就可以完成多种作用，而且很容易改变，大部分功能是 采用软件完成，因为单片机的控制速度很快，精确度高，所以可以完成很好的计算和存储工恩呢该，而且在显示界面和键盘控制上很好完成，通讯也也很容易实现。 而模拟设备由于硬件复杂，修改困难，使用很少。 综合以上原因，这里我们采用数字控制的方式。 系统功能说明 本系统是采用单片机的控制系统，完成了一个闭环系统控制，按照一定的控制算法完成了带传动试验台的控制，采用矩阵式的键盘完成了多个按键的功能，通过程序可以很容易的修改各个按键的作用，也可以通过无线设备完成远程控制；采用液。