自动卷帘系统课程设计.docx
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自动卷帘系统课程设计.docx
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自动卷帘系统课程设计
题目:
自动卷帘系统
班级
:
测控0803
学生姓名
:
刘明月(12)薛佳(04)张严(32)石海璐(16)
设计时间
:
2011.09.17—2011.09.30
自动卷帘系统
1、设计目的:
随着社会经济的日益发展,防火成为人们越来越关心的问题,为了不使个人与企业的财产遭受严重的损失,自动卷帘系统的设计亟待解决。
本次设计采用单片机实现一个自动卷帘系统,在发生烟雾时,能够实现帘幕布的自动落下,防止烟雾继续扩散,继而防止火灾的大规模蔓延,减少个人及公共的财产损失。
2、设计要求:
1、以烟雾报警器作为传感器,进行烟雾测试;
2、用单片机控制帘幕布的自动落下,防止烟雾的继续扩散;
3、用步进电机控制帘幕布的升降、加速减速。
3、设计器材及元器件介绍:
1、设计所要器件:
器件
数量
器件
数量
单片机AT89C52
1片
晶振
1个
驱动芯片L298
1片
按键
3个
比较器芯片LM324
1片
三极管
1个
红外传感器RE200B
1片
电容(22pF)
2个
步进电机
1个
电阻(10k)
1个
蜂鸣器
1个
导线
若干
2、主要元器件原理及其管脚
(1)电机驱动L298介绍
L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。
驱动器的1和15和8引脚直接接地,4管脚VS接2.5到46的电压,它是用来驱动电机的,9引脚是用来接4.5到7V的电压的,它是用来驱动L298芯片的,记住,L298需要从外部接两个电压,一个是给电机的,另一个给L298芯片的,6和11引脚是它的使能端,一个使能端控制一个电机,可以把它理解为总开关,只有当它们都是高电平的时候两个电机才有可能工作,5,7,10,12是298的信号输入端和单片机的IO口相连,2,3,13,14是输出端,输入5和7控制输出2和3,输入的10,12控制输出的13,14。
驱动步进电机原理图:
(2)步进电机(STEPPINGMOTOR)
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。
它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖传感器定位、中低速时具备高转矩、高信赖性、小型、高功率等特征,使其具有广泛的应用。
步进电机的工作原理
一、前言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。
仅仅处于一种盲目的仿制阶段。
这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
签于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。
叙述其基本工作原理。
望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
二、感应子式步进电机工作原理
(一)反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、结构:
电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图:
2、旋转:
如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。
如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。
如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て。
这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。
如按A,C,B,A……通电,电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。
甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出:
电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩:
电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比
其磁通量Ф=Br*S;Br为磁密;S为导磁面积;F与L*D*Br成正比;L为铁芯有效长度;D为转子直径;Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。
力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)
因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。
(二)感应子式步进电机
1、特点:
感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。
一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。
(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。
例如:
四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=
D=
。
一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。
2、分类
感应子式步进电机以相数可分为:
二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。
以机座号(电机外径)可分为:
42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。
3、步进电机的静态指标术语
相数:
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数,常用m表示。
拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
定位转矩:
电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)
静转矩:
电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
4、步进电机动态指标及术语
1、步距角精度:
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示:
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
2、失步:
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。
称之为失步。
3、失调角:
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。
4、最大空载起动频率:
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
5、最大空载的运行频率:
电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
6、运行矩频特性:
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。
如下图所示:
其它特性还有惯频特性、起动频率特性。
电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
如下图所示:
其中,曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点。
要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。
7、电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。
8、电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转,通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。
(三)、驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下:
1、脉冲信号的产生
脉冲信号一般由单片机或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大.
2、信号分配
我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种,具体分配如下:
二相四拍为
步距角为1.8度;二相八拍为
步距角为0.9度。
四相电机工作方式也有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度)。
3、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。
平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下:
说明:
CP接CPU脉冲信号(负信号,低电平有效)
OPTO接CPU+5V
FREE脱机,与CPU地线相接,驱动电源不工作
DIR方向控制,与CPU地线相接,电机反转
VCC直流电源正端
GND直流电源负端
A接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线
步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。
步进电机转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。
电压对力矩影响如下:
4、细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
。
3、热释电红外感应传感器内部电路及工作原理
热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元件)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成,其内部电路如图1所示。
光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线(人体发出的红外线波长)通过,而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉,以抑制外界的干扰。
红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成,这两个热释电元件的电极相反,环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用,使其产生的热释电效应相互抵消,输出信号接近为零。
一旦有人侵入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦,并被热释电元件接收,由于角度不同,两片热释电元件接收到的热量不同,热释电能量也不同,不能完全抵消,经处理电路处理后输出控制信号。
热释电效应同压电效应类似,是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。
热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成,在元件两个表面做成电极,在传感器监测范围内温度有△T的变化时,热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q,即在两电极之间产生一微弱的电压△V。
由于它的输出阻抗极高,在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷△Q会被空气中的离子所结合而消失,即当环境温度稳定不变时,△T=O,传感器无输出。
在自然界,任何高于绝对温度(-273℃)时物体都将产生红外光谱,不同温度的物体,其释放的红外能量的波长是不一样的,因此红外波长与温度的高低有关。
人体或者体积较大的动物都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10μm左右的红外线,当人体进入检测区,因人体温度与环境温度有差别,人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上,红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,进而产生△T并将△T向外围电路输出,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
若人体进入检测区后不动,则温度没有变化,传感器也没有信号输出,所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。
4、设计方案及分析:
1、设计总体方案框图:
2、驱动控制系统组成及分析:
使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下:
1、脉冲信号的产生
脉冲信号一般由单片机或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大.
2、信号分配
我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种,具体分配如下:
二相四拍为
步距角为1.8度;二相八拍为
步距角为0.9度。
四相电机工作方式也有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度)。
3、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。
平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下:
五、程序及仿真:
1、程序:
#include
#defineucharunsignedchar
sbitjia_key=P3^6;//电机加速
sbitjian_key=P3^7;//电机减速
sbitzf_key=P3^5;//电机正反转
sbitk1=P3^4;
bitflag=0;//正反转标志
ucharnum=0,shou_num=2,maichong=8,table_begin=0;
Ucharcodetable1[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09,0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//电机正反转I/O口的高低电平对应表
voiddelay(uchari)//延时函数
{
ucharj,k;
for(j=i;j>0;j--)
for(k=125;k>0;k--);
}
voidkey()//按键处理函数
{
if(jia_key==0)
{
delay(5);//加速键按下,消抖
if(jia_key==0)
{
num++;//速度标志加1
if(num==4)
num=3;//达到3则保持
while(jia_key==0);//等待键松开
}
}
if(jian_key==0)
{
delay(5);
if(jian_key==0)
{
if(num!
=0)
num--;
elsenum=0;
while(jian_key==0);
}
}
if(zf_key==0)
{
delay(5);
if(zf_key==0)
{
flag=~flag;//正反转标识取反
while(zf_key==0);
}
}
}
voiddispose()//根据速度标识进行数据处理
{
switch(num)
{
case0:
maichong=5;//利用maichong数据控制送给电机脉冲的频率,控制速度
break;
case1:
maichong=4;
break;
case2:
maichong=3;
break;
case3:
maichong=2;
break;
}
if(flag==0)
{
table_begin=0;//flag为0,正转
}
else//flag为1,翻转
table_begin=8;
}
voidqudong()//电机速度,正反转控制
{
uchari,j;
for(j=0+table_begin;j<8+table_begin;j++)
{
P1=table1[j];//正转则取表中的前四个数,反转则取后四位
for(i=0;i { delay(100);//软件延时获取脉冲,控制电机速度 } } } voidmain() { while (1) {if(k1==1) {P2=0X7f; key(); dispose(); qudong(); } ElseP2=ff; } } 2、Proteus仿真: 六、问题分析与解决方法 仿真是没遇到问题,但焊接时遇到了问题,比如仿真时只需查一下每个器件的管脚如何连接,在焊接时却要对食物进行查阅。 焊接好时,插上电源,步进电机和蜂鸣器都没有响应,我们一步一步调试,查询,结果发现步进电机接法有问题,仿真时,可以实现,但是实际电路图中却无法实现。 老师所发步进电机器件是四输入的,我们按照仿真图的四输入接法不能实现反转(在仿真时可以实现)。 我们请教了实验室经常做项目的同学,他告诉我们实际应用中,所用的是二输入的电机,两根输入线不用接入。 按照他的做法,我们的实验结果出来了。 七、设计结果实物图: 八、设计心得: (12号,刘明月) 这学期的课程设计实验是第四、五周,相对来说还是比较好的,我们做的课题是烟雾卷帘系统,通过烟雾传感器变化传给单片机,用单片机来控制步蜂鸣器的报警以及进电机的转动来卷帘。 题目很简单、用到的器件也很少,不用说用三天的时间来在电脑上仿真,时间已经是够充裕了,刚开始老师没告诉我们没有烟雾传感器,我们在做仿真时用的是一个开关代替的烟雾传感器,仿真的时候基本没出什么问题。 在连接电路的时候,老师给了我们红外传感器和比较器来代替烟雾传感器,在我们查了相关资料之后,就开始了电路的焊接,看硬件是否能实现。 我觉得在连接的过程中是比较开心的,我们四个人一起,一个剪线一个连接一个看电路核对,当监工。 真的体会到了合作的快乐。 把电路都连起来以后还是比较紧张的,一直不敢通电源,每个人都检查了一遍,确定没有连接错误以后才把电源连上。 满怀期待的看着步进电机和蜂鸣器,结果没反应。 一项项的检查,都没错,经过查阅资料,小组人员分析讨论,又请教老师,最后决定还是把电路换了,可能是我们的电路连接有问题,虽然逻辑上来看是对的。 经过很长时间的努力,板子终于好了,因为经过两次更改电路,所以电路不是很美观。 改好电路后在焊接的时候算是比较成功的,第一次焊好就能正常工作了。 我觉这次课程设计我们做的还是很成功的,每一个器件资料的查找整理,到软件的编写,硬件的调试,每一步我们都做得很认真。 四个人一起努力,所以我们得到了四个人加起来的结果。 在这次试验中我主要负责整体方案的设计,软件的编写,软硬联调,整过过程都在参与,我们四个人一起研究和讨论,再分工合作,最后设计出了比较好的电路。 这次的实验虽然遇到了一些困难,但结果还是很满意的,通过这次的课程设计学到了很多,很认真的学了比较器的原理和使用方法,学了单片机控制步进电机硬件电路的连接和软件的编写,对步进电机驱动器L298N有了很深的理解,对其各个管脚功能及使用方法都很认真的学习。 也学习了蜂鸣器的工作原理。 最后我们实现了步进电机正反转,三次加速,三次减速的功能,相对来说软件方面编得还是挺好的。 这其中我真的学到了很多东西。 如果没有自己去亲自体会就不会发现其中错误,也就不会得到改善,因此,实践对我们来说是很必要的,掌握理论很重要,但更重要的是把理论运用于实际,这样才会更有意义! (04号,薛佳) 本次课程设计是自动卷帘系统,实验中我们用到了单片机、红外传感器、比较器、步进电机驱
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