机械随动装置实现方案.docx
- 文档编号:8430201
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:1.58MB
机械随动装置实现方案.docx
《机械随动装置实现方案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械随动装置实现方案.docx(21页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
机械随动装置实现方案
机械随动装置
小组成员:
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
一、任务
设计并制作一机械随动装置。
示意图如下所示:
二、要求
1、基本要求
⑴机械随动装置可以对拨盘位置进行跟踪运动;(无摆锤,手动自由拨动)
⑵显示圆周运动拨盘角位移,误差不大于15度;
⑶跟踪速度不小于2周/秒;
⑷实现正反运动跟踪。
2、发挥部分
⑴将拨盘改造成自由衰减角摆动装置,实现1次/秒、2次每秒,最大摆幅不小于60度角的摆动;
⑵随动装置跟踪以上衰减角摆动;
⑶摆动过最低点声光提示,摆动周期测量显示;
⑷显示衰减摆动角位移时间曲线
⑸制作一翘翘板,板上有一可移动的装置,该装置沿板的左右往复移动可使该板左右翻转。
移动的装置是一种改变系统重心得装置,控制这个装置使翘翘板两边都悬空,时间最长者获胜。
摘要
本系统设计以一片单片机(89C52)作为跟随电机的检测和控制核心。
码盘转速检测使用对立式红外传感器,转动方向检测使用反射式红外传感器,摆锤摆动检测使用霍尔元件,以L298驱动的步进电机为执行设备,采用PWM技术动态控制电机转速。
基于这些完备可靠的硬件设计,使用了一套独特的软件算法,实现了电机跟随码盘摆动的精确运动。
Abstract
Inthissystem,SCM(89C52)isusedasmotor’sexaminingsystemandcontrollingcenter.SystemusesantagonisticinfraredsensorstomeasureencoderspeedandusesHallorganstomeasurecycleoftheswinginghammer.SteppermotorwhichwasdrivenbyL298isanimplementationcomponent.PWMtechnologyisusedtocontrolmotorspeeddynamically.Wecanenablesteppermotortofollowencoderrealtimewiththecomprehensiveandreliablehardwaredesign.
.
本设计的主要特色:
●单电源的双桥式驱动电路为步进电机提供稳定的脉冲输入,提高电源的利用率。
●液晶显示模块提供一个友好的人机对话界面,并实时显示码盘与跟随电机之间的角位移,跟随电机转速。
●优化的软件算法,智能化的自动控制,跟随精确。
●控制电路电源和电动机电源隔离,信号通过光电耦合器传输
一、方案的选择和论证
根据题目要求,系统可以划分为几个基本模块,如下图所示。
对各个模块的实现,分别有以下一些不同的设计方案:
1、电机选择
本系统的电控动力完全由电机实现,要使跟随电机达到指定的跟随精确度,选择一个精确、性能稳定的电机必不可少。
方案一:
直流电机,即采用H型PWM驱动电路驱动直流电机,通过改变电机电源电压的极性来实现直流电机的正反转。
电压极性的变化和运转时间的长短由单片机实现,转速由电压的高低来调节,由于电压难达到很高的精度,其转速势必也达不到本系统的精度。
方案二:
步进电机利用接受到的脉冲数来控制其步进数,每个步进为1.8度,又可通过单片机加高低电平到电机的半转/全转端,实现0.9度的转动角度,显然可以提高精确性,解决了本系统的跟随电机需要达到精确值的问题。
2、电机驱动模块
方案一:
采用固态继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换控制电动机的两相线圈从而进行控制转速,此方案的优点是可以用弱电控制强电,低功率器件(单片机)控制大功率器件,固态继电器的响应时间快,不易损坏,缺点是考虑驱动两个步进电机随动时,需要8个继电器,整个电路板体积过大。
方案二:
本方案采用由单片机相应的控制信号控制电机的转向,转速。
通过使用集成芯片L297和L298。
由L298根据单片机的PWM信号和正反转信号产生相应的相序输出。
L298根据相序驱动步进电机。
3、转速测量模块
方案一:
使用三个反射式红外传感器,两个用于检测方向,一个用于检测转速,这种测试方案对码盘要求较高,如果码盘着色不均匀将会使红外传感器输出的电平信号产生抖动,从而影响测速的准确程度。
方案二:
采用霍尔元件,和磁钢搭配,当霍尔元件从磁钢上方通过时产生脉冲,通过对脉冲的计数方式进行转速测量。
这种方法是工业上采用的最多方式,当在本系统中,转速的测量精度要求比较高,高的精度必然意味着大量的磁钢需要固定在码盘上,成本问题可以忽略,但是由于精度的增加,必然使磁钢之间距离较短,容易产生相互干扰。
方案三:
使用两个反射式红外传感器用于检测方向,一个对立式传感器检测转速。
采用这种方法以后能够有效避免由于方案一中着色不均引起的信号抖动,对立式红外传感器独特的结构能够为本系统提供有效的脉冲信号,准确地测量转速。
方案四:
受鼠标的工作原理启发,采用断续式光电开关。
由于该开关是沟槽结构,可以将其置于固定轴上,再在码盘上均匀地固定多个遮光条,让其恰好通过沟槽,产生一个个脉冲。
通过脉冲的计数,对转速进行测量。
以上四种方案都是比较可行的转速测量方案。
但由于题目中要求的精度较高,再考虑到传感器的购买问题,综合选择了较为合适的方案三。
4、码盘制作与选择
方案一:
在光碟上贴黑胶布产生(如下图),这种方式由于胶布的大小不好控制,不便于制作,手工制作后效果不佳。
方案二:
在圆纸面上画出格子(如下图),该方法由于人工着色难免不均匀会红外传感器会产生波动,但相比方案一精度较高,且在软件部分采取相映的防抖算法后效果较好,精度较高,所以本系统采用该方案。
5、电源选择
方案一:
所有器件采用单一电源(6节AA电池)。
这样供电比较简单;但是由于电动机启动瞬间电流很大,而且PWM驱动的电动机电流波动较大,会造成电压不稳,有毛刺等干扰,严重时可能造成单片机系统掉电,缺点十分明显。
方案二:
双电源供电。
将电动机驱动电源与单片机周边电路电源完全隔离,利用光电耦合器传输信号。
这样做虽然不如单电源方便灵活,但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除,提高了系统稳定性。
相比第一个方案,我们认为第二个方案更为合理,所以我们采用了第二个方案。
6、显示方案
方案一:
采用LED数码管显示器。
LED数码管亮度高,醒目,但是其电路复杂,占用资源较多,显示信息量较小。
方案二:
采用汉字LCD液晶显示器。
LCD有明显的优点:
微功耗、尺寸小,超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适;可以用中文LCD液晶进行菜单显示,使整个控制系统更加人性化。
基于上面的比较分析和现有的LCD器件,拟选用方案二
7、小结
综上,本系统选用89C52单片机,以298对步进电机进行驱动控制,将反射式和透射式红外光敏传感器相结合测量转过角度和转向,并用霍尔元件检测摆动周期,把最终结果用LCD显示出来。
二、硬件电路的具体实现
(1)步进电机驱动模块
本系统采用的步进电机驱动电路由相序产生模块(核心为一片74LS194,电路图如下)和双桥式驱动芯片L298组成,如图所示,驱动一个39H6001步进电机。
此电路具有如下优点:
需要较少的外围器件,可以降低成本、节约空间、提高电路的可靠性;相应的软件编写简单,减轻单片机的负担;在L298上外接1W大功率电阻,通过改变其阻值提供了一个更大的电流驱动范围。
另外,系统使用+5V单电源供电,只需单片机提供频率变化的脉冲就能控制电机的连续转动。
驱动电路的输入端只需单片机提供正/反转(CM/CCW)、时钟、全/半角(HALF/FULL)和复位4种信号,就能控制步进电机的运转。
每个电机输出端又加有8个续流二极管,对电机线圈进行续流,防止线圈电流变化时对驱动芯片的冲击。
理论电路图:
实际电路图:
(2)液晶显示模块
设计这一部分的关键技术包括液晶显示模块的驱动和编程,这主要是设计液晶模块和单片机的接口电路,以及利用单片机对经显示模块的驱动和操作。
单片机系统中,液晶显示是单片机系统中反映系统输出和输入操作是否有效依据。
FM12864I图形液晶显示模块与单片机的连接方式有两种:
一种为直接访问方式,一种为间接控制方式
本系统采用了第一种直接访问的方式,硬件连接电路图如下图所示:
显示单元部分控制处理模块与整体设计中的主单片机模块采用串口异步通信模式、显示单元处微处理器的RXD、TXD两个端口与主单片机相连、接收数据,并且送到液晶显示面板按照要求的格式进行显示接收到的数据。
(3)传感器模块
测速和测方向传感器采用红外光电接发管,利用内部的发光二极管发光。
当传感器通过码盘白色区域时,三极管检测到反射光后导通,单片机接收的是低电平;反之,当经过黑色条纹时,三极管没检测到反射光,截止,高电平通过上拉电阻加到单片机上。
测量摆锤周期则采用霍尔元件与磁钢配合。
产生一个高电平信号,通过三极管驱动一个喇叭,产生声音提示。
具体电路图和实物图如下:
红外传感器驱动电路:
实物图:
●反射式红外传感器
●对立式红外传感器
三、算法分析
算法编写是采用了模块化处理方式,使得整个程序条理清楚,易于修改和调试。
算法的核心是对中断信号的处理,鉴于中断信号存在有抖动,我们先后试用了直接中断,定时中断查询,中断内防抖等方法,最后我们采用了中断内部防抖的方法,即在中断程序内部先进行防抖操作,确认读入属实后,对读入数据进行分析,如是有效数据则执行有关处理,如是无效数据则不进行任何操作直接跳出本次中断。
实践证明采用了上述方法后,对中断的接收效果较好。
四、软件设计
●主程序
voidmain(){
while
(1){
unsignedcharo;
P1=0xff;
o=P1;
o=o&0x0c;
switch(o){
case0x0c:
gensui();break;//跟随子程序
case0x04:
baido();break;//摆动测周子程序
default:
zuo(4);break;//显示等待
}
}
}
●测周程序
voidbaido(){
unsignedcharr;
i=2;
v=2;
TCON=0x04;
IE=0x86;
zuo
(2);
for(;;){
P1=0xff;
r=P1;
r=r&0x0c;
if(r!
=0x04)break;
else{
if(!
bi)
xianshi(yi);
}
●随动程序
voidgensui(){
TCON=0x01;
IE=0x83;
zuo(0);
yi=y*90;
xianshi(yi);
}
●INT0中断程序
voidint0()interrupt0{
unsignedcharm,n;
EA=0;
for(;;){
P1=0xff;
m=P1;
m=m&0x03;
delay(20);
P1=0xff;
n=P1;
n=n&0x03;
if(n==m)break;
elsecontinue;
}
if(u==m)gotojieshu;
switch(u){
case0x00:
if(m==0x02)v=1;
else{if(m==0x01)v=0;}
break;
case0x02:
if(m==0x01)v=1;
else{if(m==0x00)v=0;}
break;
case0x01:
if(m==0x00)v=1;
else{if(m==0x02)v=0;}
break;
default:
break;
}
u=m;
switch(v){
case0x01:
if(i==1){y++;}
else{
if(y==0){y++;i=1;}
else{y--;}
}
p34=0;
p14=1;
for(m=0;m<5;m++){
p15=1;
delay(10);
p15=0;
delay(10);
}
p34=1;
break;
case0x00:
if(i==0){y++;}
else{
if(y==0){y++;i=0;}
else{y--;}
}
p34=0;
p14=0;
for(m=0;m<5;m++){
//p14=1;
P15=1;
delay(10);
p15=0;
delay(10);
}
p34=1;
break;
}
jieshu:
EA=1;
}
●INT1中断程序
voidint2()interrupt2{
bi=!
bi;
if(bi){
x=0;
TMOD=0x01;
TH0=(65536-500)/256;
TL0=(65536-500)%256;
tr0=1;
EA=1;
EX0=1;
}
else
if(!
bi){
yi=x;
yi=yi*5;
tr0=0;
}
}
●T0中断程序
voidT0Int()interrupt1{
EX0=0;
tr0=0;
x++;
TH0=(65536-500)/256;
TL0=(65536-500)%256;
tr0=1;
EX0=1;
}
五、系统测试分析
测量仪器:
DF1731SC2A稳压电源、F05A型数字合成函数信号发生器/计数器、YB43020B双踪示波器
1、霍尔元件声光提示模块实验数据
输出电压(V)
磁钢靠近霍尔元件
0.06
无磁钢或磁钢远离
5.03
2、光电开关转向、周期测量模块实验数据
输出电压(V)
光电开关接收端接受到红外光
0.04
光电开关接收端接受到红外光
4.93
注:
输出电压与电路中的三个电位器的调节有关,即由电位器可调节光电开关的灵敏度。
3、39H601步进电机相关性能测试
控制信号电压
电机工作电压(V)
启动频率(Hz)
工作频率(空载)(Hz)
最高转速(r/mim)
工作电流(A)
TTL电平
DC15-30
1
1-12.94k
3882
0.5
4、随动系统测试数据表格
(1)摆幅按1次/秒衰减
实验次数
最大摆幅角(度)
摆动周期(秒)
输出波形
1
63
1.28
见下
2
72
1.12
见下
3
81
1.09
见下
4
90
1.02
见下
5
99
0.93
见下
波形图如下:
(2)摆幅按2次/秒衰减
实验次数
最大摆幅角(度)
摆动周期(秒)
1
63
2.16
2
72
2.05
3
81
1.98
4
90
1.88
5
99
1.79
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机械 装置 实现 方案