畢業(yè)設(shè)計(jì)精品基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)

1、 摘 要步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，它是基于最基本的電磁感應(yīng)作用，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī)，大型望遠(yuǎn)鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時(shí)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能提出了更高的要求。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控

2、制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)具體控制步進(jìn)角來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。在本設(shè)計(jì)方案中采用at89c51型單片機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而控制液氮液面升降的運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；控制目 錄1 引言12 總體方案設(shè)計(jì)22.1 硬件方案論證22.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)82.3 系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)103 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì)123.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)123

3、.2顯示電路與鍵盤的設(shè)計(jì)133.3 傳感器的設(shè)計(jì)153.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的設(shè)計(jì)153.5系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)164 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)174.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序流程圖174.2 8279鍵盤/顯示流程圖194.3主程序流程的設(shè)計(jì)20總結(jié)21參考文獻(xiàn)22附錄：231 引言步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國(guó)人所開(kāi)發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常

4、方便。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為

5、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（vr）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（pm）、混合式步進(jìn)電機(jī)（hb）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相

6、：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 硬件方案論證2.1.1步進(jìn)電機(jī)的選擇因本次設(shè)計(jì)的要求，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)選用三相三拍的步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)a 相控制繞組通電,其余兩相均不通電,電機(jī)內(nèi)建立以定子a 相極為軸線的磁場(chǎng).由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn),使轉(zhuǎn)子齒1, 3 的軸線與定子a 相極軸線對(duì)齊.若a 相控制繞組斷電,b 相控制繞組通電時(shí),轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下,逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30,°使轉(zhuǎn)子齒2,4 的軸線與定子b 相極軸線對(duì)齊,即轉(zhuǎn)子走了一步, 若再斷開(kāi)b相,使c相控制繞組通電,

7、轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)30° 使轉(zhuǎn)子齒1,3 的軸線與定子c相極軸線.如此按a-bc-a 的順序輪流通電,轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率,旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序若按a-c-b-a 的順序通電,則電機(jī)按順時(shí)針?lè)捶较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。上述通電方式稱為三相單三拍運(yùn)行,”三相”是指三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī),”單”是指每次只有一相控制繞組通電,控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍,三拍是指經(jīng)過(guò)三次改變通電方式為一個(gè)循環(huán),我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為步距角.三相單三拍運(yùn)行時(shí)的步距角為30度。微處理器的選擇方案一：8031芯片內(nèi)部無(wú)rom，需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器,由此造成電路焊

8、接的困難，況且使用8031還需要另外購(gòu)買其他的芯片，如a/d轉(zhuǎn)換及定時(shí)/計(jì)數(shù)器（pwm）等芯片，從而造成成本較高，性價(jià)比低。方案二： 本次設(shè)計(jì)選用89c5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片89c51的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫(xiě)達(dá)幾萬(wàn)次以上使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容mcs5l系列單片機(jī)的所有功能。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指

9、令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案.片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，cpu的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2mhz12mhz之間選取。c1、c2是反饋電容，其值在5pf30pf之間選取，典型值為30pf。本電路選用的電容為30pf，晶振頻率為12mhz。圖 2-2 時(shí)鐘產(chǎn)生電路圖23為單片機(jī)復(fù)位電路。單片機(jī)在開(kāi)機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便中央處理器cpu以及其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)

10、開(kāi)始工作。單片機(jī)的復(fù)位后是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的rst引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（2個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便可實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。mcs-51單片機(jī)的rst引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。例如：若mcs-51單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12mhz，則復(fù)位脈沖寬度至少應(yīng)該為2s。圖2-3 復(fù)位電路顯示器的選擇方案一：led數(shù)碼管顯示器可分為兩種顯示方式：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。led數(shù)碼管靜態(tài)顯示，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)i/o口，也給電路的焊接帶來(lái)一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊，所以排除此方案。方案二：led數(shù)碼管顯示器動(dòng)態(tài)顯示

11、方式下，將所有位的段選線并聯(lián)在起，由位選線控制哪位接收字段碼。采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，也就是在顯示過(guò)中，輪流向各位送出字形碼和相應(yīng)的字位選擇，同一時(shí)刻只有一位顯示，其他各位熄滅。利用顯示器的余暉和人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，只要每一位顯示足夠短，則人看到的就是無(wú)為數(shù)碼管同時(shí)顯示。在動(dòng)態(tài)顯示方式下電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，故采用此方式。鍵盤的選擇鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨(dú)立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤就是各個(gè)鍵相互獨(dú)立，每個(gè)鍵盤接一根輸入線，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)來(lái)確定那個(gè)鍵按下。這種鍵盤的輸入線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般適用于按鍵較少操作速度較高的場(chǎng)合。而行列式鍵盤是由行和列線交義組成，一般用于按鍵較多的場(chǎng)

12、合。本次設(shè)計(jì)一共用9個(gè)鍵因此采用行列式鍵盤。驅(qū)動(dòng)電路的選擇（信號(hào)調(diào)理電路）因從cpu輸出的脈沖信號(hào)特別小，固應(yīng)先經(jīng)過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行分配并經(jīng)過(guò)放大然后再經(jīng)過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)進(jìn)電機(jī)。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見(jiàn)的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見(jiàn)有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等，根據(jù)設(shè)計(jì)的具體情況這里選用光電三極管型。傳感器的選擇代傳

13、感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器現(xiàn)，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1. 根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型要進(jìn)行個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接

14、觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。2. 靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少?gòu)耐饨缫氲拇當(dāng)_信號(hào)。3. 頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的

15、信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。5. 精度精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的

16、性能應(yīng)滿足使用要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（a/d轉(zhuǎn)換）是計(jì)算機(jī)與外部環(huán)境進(jìn)行聯(lián)系的主要方式之一。當(dāng)計(jì)算機(jī)用于工程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等方面時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的模擬信號(hào)必須通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)處理。在選擇a/d轉(zhuǎn)換器時(shí)，除了要注意以上提到的a/d轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)如：分辨率，轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換速度，抗干擾能力等；還要注意其輸入模擬電壓的范圍，輸出特性等。a/d轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)是電平信號(hào)還是脈沖信號(hào)等，掌握這些特性以便a/d與單片機(jī)接口。在微機(jī)的控制的系統(tǒng)中，往往要檢測(cè)和處理多個(gè)參量，而微機(jī)運(yùn)行速度快，模擬量的變化速度慢，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又能用一臺(tái)微機(jī)處理多個(gè)參量，采用多種含有邏輯控制

17、多路開(kāi)關(guān)的a/d轉(zhuǎn)換器adc0809將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。本次設(shè)計(jì)選用adc0809芯片。2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基本要求 步進(jìn)電機(jī)采用三相步進(jìn)電機(jī)，功率為1w。調(diào)速范圍為0到1000r/min最高轉(zhuǎn)速時(shí)，精度2%要基本上完設(shè)計(jì)，作到步進(jìn)電機(jī)能正反轉(zhuǎn)、并能在起動(dòng)時(shí)不失步，基本上沒(méi)有振蕩，能完成完整的硬件電路圖，軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案方框圖圖23系統(tǒng)總體構(gòu)造圖2.3 系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)pid是一種工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)。pid控制不需了解被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整控制器參數(shù) ,便可獲得滿意的結(jié)果。其

18、不足之處是對(duì)被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過(guò)軟件編程方法實(shí)現(xiàn)pid控制 ,可以靈活地調(diào)整參數(shù)。 連續(xù)pid控制器也稱比例積分微分控制器，即過(guò)程控制是按誤差的比例（p-proportional）、積分（i-integral）和微分（d-derivative）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下： 式中，e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏u(t)：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。 kp：比例系數(shù)； t：積分時(shí)間常數(shù)； t：微分時(shí)間常數(shù)。 將式展開(kāi)，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是: 比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是,p在比例部分中，kp是比例系數(shù)，kp越大，可以使系統(tǒng)

19、的過(guò)渡過(guò)程越快，迅速消除靜誤差；但kp過(guò)大，易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達(dá)到使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短而穩(wěn)定的效果。 其中： u控制器的輸出，比例系數(shù)，e調(diào)節(jié)器輸入偏差， 控制量的基準(zhǔn)。比例作用：迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過(guò)大容易引起不穩(wěn)定 積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是從它的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會(huì)不斷增加或減少，只有e(t)=0時(shí)，它的積分才是一個(gè)不變的常數(shù)，控制作用也就不會(huì)改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時(shí)間常數(shù)的選擇對(duì)積分部分的作用影響很大。較大，積分作用較弱，這時(shí)，系統(tǒng)消除誤差所需的時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，調(diào)節(jié)過(guò)程慢

20、；較小，積分作用增強(qiáng)，這時(shí)可能使系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。 微分部分微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是.微分部分的作用主要是抵消誤差的變化，作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間常數(shù)t確定。越大，則抑制誤差e(t)變化的作用越強(qiáng)，但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩； 越小，抵消誤差的作用越弱。因而，微分時(shí)間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。 pid算法有兩種分別為: 位置式、增量式.位置式pid控制算法 位置式控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置uk，需要累計(jì)ek.增量式pid控制算法（1） （2） 由(1)與(2)式可推出下式: 增量式控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增量只需要保持.現(xiàn)時(shí)以前3個(gè)時(shí)刻的偏差值即可.增量式算法不需做累加，計(jì)算誤

21、差和計(jì)算精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較??；位置式算法要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差?？刂茝氖謩?dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，位置式算法必須先將計(jì)算機(jī)的輸出值置為原始值時(shí)，才能保證無(wú)沖擊切換；增量式算法與原始值無(wú)關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際情況加以選擇。一般認(rèn)為，在以閘管或伺服電機(jī)作為執(zhí)行器件，或?qū)刂凭纫筝^高的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)采用位置式算法；而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應(yīng)采用增量式算法。3 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì)對(duì)于本系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)部分：機(jī)械部分和電器部分，我們關(guān)心的是電器部分。電氣部分包括信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)最

22、小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、顯示電路設(shè)計(jì)、鍵盤接口電路。系統(tǒng)硬件的選擇和設(shè)計(jì)按如下原則進(jìn)行： (1)經(jīng)濟(jì)性：任何一項(xiàng)工程能否實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)條件都是重要的影響因素。如何利用現(xiàn)有的有限資金和設(shè)備，建立步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速系統(tǒng)，是研究進(jìn)行中需要隨時(shí)考慮的問(wèn)題。在課題中，就需要合理的搭配各種元件的性能，在保證性能的前提下，盡量減少成本。(2)可靠性：保證在規(guī)定的條件下，系統(tǒng)能正常的運(yùn)行，完成各項(xiàng)預(yù)定的功能。(3)線長(zhǎng)最短原則：在動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇線長(zhǎng)最短的方案。所謂的線長(zhǎng)最短，不單指系統(tǒng)設(shè)各的兒何尺寸上的線長(zhǎng)最短，還包括在確保精度和可靠性的前提下，稱重系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)，系統(tǒng)軟件的組織形式等，應(yīng)該簡(jiǎn)單明了。系統(tǒng)的線長(zhǎng)

23、越短，可以使測(cè)量誤差的因素較少，提高檢測(cè)的精度：機(jī)電元件減少，故障率降低，提高系統(tǒng)的可靠性：環(huán)節(jié)減少，縮短流程，較少運(yùn)行操作時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。3.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)因從cpu輸出的脈沖信號(hào)特別小，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件控制圖可以看出,單片機(jī)只是根據(jù)需要輪流給p1.0,p1.1,p1.2端口發(fā)送步進(jìn)脈沖來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行,則三相六拍的系統(tǒng)控制模型如附表所示:在程序中,只要依次將6個(gè)控制字送到p1口,步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。每送一個(gè)控制字,就完成一拍,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。具體的連接圖如3-1所示：圖3-1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.2顯示電路與鍵盤的設(shè)計(jì)利用鍵盤、顯示專用芯片8279能夠以較簡(jiǎn)單的

24、硬件電路和較少的軟件開(kāi)銷實(shí)現(xiàn)微型機(jī)與鍵盤和led顯示器接口，圖29是一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。圖中的單片機(jī)可以是8031，也可以是at89c51。下面討論其硬件電路的工作原理和設(shè)計(jì)問(wèn)題。1.外時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生在圖29中，at89c51的ale既可用作低8位地址的鎖存信號(hào)，也把它接到8279的clk引腳用作8279的外時(shí)鐘脈沖信號(hào)的輸入。脈沖信號(hào)頻率并非固定不變，好在8279并不要求時(shí)鐘頻率固定不變，因此，這樣安排還是可以的。不過(guò)應(yīng)該注意，對(duì)于mcs-51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，ale脈沖頻率經(jīng)常是振蕩周期頻率fosc的六分之一，這也是mcs-51單片機(jī)的ale最高頻率，通過(guò)對(duì)8279的程序時(shí)鐘命令字節(jié)的編程，8279

25、可以對(duì)來(lái)自clk引腳的脈沖實(shí)行231分頻，從而得到8279內(nèi)部工作所需要的100khz內(nèi)部時(shí)鐘。如果fosc=12mhz，分頻應(yīng)為20。2.譯碼電路1)8279片選譯碼電路對(duì)8279的片選譯碼電路可根據(jù)實(shí)際電路的地址分配設(shè)計(jì)。2）鍵盤、顯示掃描譯碼器在對(duì)“鍵盤/顯示方式設(shè)置命令字”的編程設(shè)置為編碼凡是（d0=0）時(shí)，那么8279內(nèi)部不譯碼，從sl3sl0輸出的不是鍵盤的列和顯示器的位信號(hào)（高電平有效）。而是列和位號(hào)的編號(hào)的bcd碼（sl3是最高位）。在這種情況下應(yīng)外接譯碼器，對(duì)sl3sl0譯碼，以產(chǎn)生列和位信號(hào)。8279可以對(duì)8位或16位顯示器以及8列8行鍵盤掃描。在16位顯示時(shí)，對(duì)顯示器掃描

26、和對(duì)鍵盤掃描必須各有自己的譯碼器，顯示器采用416線譯碼器，例如74ls154；鍵盤采用38譯碼器，例如74ls138。在圖29中，只有8個(gè)顯示器，適當(dāng)安排，對(duì)顯示器和鍵盤可以共用一個(gè)38譯碼器。不過(guò)應(yīng)注意，被掃描的鍵盤的列必須是低電平，因此應(yīng)選用被選中端（y0y7）為低電平的74ls138。bd是消隱信號(hào)輸出端，當(dāng)bd=0時(shí)，74ls138不譯碼，顯示器均為暗。應(yīng)該說(shuō)明，圖29只有8個(gè)顯示器，在初始化時(shí)必須置“鍵盤/顯示方式設(shè)置命令字”的d3=0，以設(shè)定8279工作于8位顯示方式，否則會(huì)出現(xiàn)混亂現(xiàn)象。這是因?yàn)椋绻O(shè)置為16位顯示，而圖29中的74ls138只對(duì)sl2sl0譯碼，這樣，當(dāng)sl

27、3，sl2，sl1，sl0=000時(shí)，y0為低，選中0號(hào)顯示器（最左端），outa3outb0上出現(xiàn)顯示ram的0單元的內(nèi)容，從而使0號(hào)ram所規(guī)定的字符。但是當(dāng)掃描到sl3，sl2，sl1，sl0=1000h（=8）時(shí)，仍使y0=0，選中0號(hào)顯示器，但此時(shí)outa3outb0上出現(xiàn)的卻是顯示ram中8號(hào)單元內(nèi)容，從而使0號(hào)顯示器現(xiàn)在顯示8號(hào)單元所規(guī)定的字符?？梢?jiàn)出現(xiàn)顯示混亂。反之，如果硬件電路設(shè)計(jì)為16位顯示。而軟件卻設(shè)置為8位，另外8位得不到顯示。3.驅(qū)動(dòng)電路 由74ls138輸出（y0y7）的顯示器的位選信號(hào)和由a3b0輸出的段選信號(hào)的輸出電流太小，不足以點(diǎn)亮led顯示器。圖29中采用共

28、陰極led：bs202（發(fā)紅光的bsr202或發(fā)綠光的bsg202），因此位驅(qū)動(dòng)器選用集電極開(kāi)路（oc門）同相輸出門電路72ls07。鍵盤與顯示電路框圖如下：圖3-2鍵盤與顯示電路3.3 傳感器的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)要檢測(cè)液位值，可選用液位傳感器來(lái)檢測(cè)液位值。并對(duì)檢測(cè)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器處理。差動(dòng)放大器的基本電路如圖2¾5所示。圖3-3 差動(dòng)放大器的基本電路圖3-3所示是差動(dòng)放大器的基本電路。兩個(gè)輸入信號(hào)u1和u2分別經(jīng)r1和r2輸入到運(yùn)算放大器的反相輸入端合同相輸入端，輸出電壓則經(jīng)rf反饋到反相輸入端，電路中要求r1=r2，rf=r3。差動(dòng)放大器的輸出電壓可由下式確定，即：uout=（u

29、2u1）rfr1差動(dòng)放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠抑制共模信號(hào)。共模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端所加的大小相等、極性相同的信號(hào)，理想的差動(dòng)放大器隊(duì)共模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為零。在差動(dòng)放大器中溫度的變化和電源波動(dòng)都相當(dāng)于共模信號(hào)，因此能被差動(dòng)放大器所抑制，可使差動(dòng)放大器零點(diǎn)漂移最小。來(lái)自外部空間的電磁波干擾也屬于共模信號(hào)。它們也會(huì)被差動(dòng)放大器所抑制，所以說(shuō)差動(dòng)放大器的抗干擾能力極強(qiáng)。3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的設(shè)計(jì)多通道a/d轉(zhuǎn)換器adc0809是一個(gè)8通道模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出的，逐次逼近a/d轉(zhuǎn)換器，由三部分組成，第一部分是一個(gè)8通道多路模擬開(kāi)關(guān)和地址鎖存、譯碼器，任務(wù)是選擇并鎖存由addc、addb、add

30、a取值確定的、8個(gè)通道之一的模擬量的通道地址，并將該通道的模擬量送入a/d轉(zhuǎn)換器。第二部分是一個(gè)逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，它由比較器、控制邏輯、逐次逼近寄存器、開(kāi)關(guān)樹(shù)及256r梯型解碼網(wǎng)路組成，它的功能是啟動(dòng)轉(zhuǎn)換起、按逐位逼近法完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中各種操作和發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。第三部分是輸出緩沖鎖存器，它鎖存著模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后的8位數(shù)字量，等待cpu發(fā)出命令將它讀出。addc、addb、adda輸入的通道地址在ale有效時(shí)被鎖存。啟動(dòng)信號(hào)start啟動(dòng)后開(kāi)始轉(zhuǎn)換，但是，eoc信號(hào)是在start的下降沿到來(lái)10us后才變?yōu)闊o(wú)效的低電平。這要求查詢程序待eoc無(wú)效后再開(kāi)始查詢，轉(zhuǎn)換結(jié)束后由oe產(chǎn)生信號(hào)

31、輸出數(shù)據(jù)。圖3-4 a/d轉(zhuǎn)換電路3.5系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)盡管單片機(jī)在智能化儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入和廣泛，有效地提高了生產(chǎn)效率，改善了工作條件，大大提高了控制質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。但是，通常系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常突出的問(wèn)題。干擾會(huì)導(dǎo)致控制誤差加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。影響系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些、因素對(duì)測(cè)控系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集誤差加大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化、程序運(yùn)行失常等幾個(gè)方面，因此抗干擾設(shè)計(jì)

32、尤其重要。 cpu的抗干擾設(shè)計(jì)主要是用專門的看門狗復(fù)位電路，保證cpu系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，從而保證整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的可靠性。為了降低干擾，傳感器輸入信號(hào)線采用四芯屏蔽線，同時(shí)屏蔽地線與秤臺(tái)底部相連。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中非常必要，可有效保證傳感器的信號(hào)不被其它信號(hào)干擾。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和pc機(jī)上的程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要由主控程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的初始化、各個(gè)子程序的調(diào)用等）、脈沖分配驅(qū)動(dòng)子程序（驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其按一定規(guī)律進(jìn)行旋轉(zhuǎn)）、a/d轉(zhuǎn)換子程序（完成對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量送入步進(jìn)電機(jī)控制器at89c51芯片）、8279鍵盤/顯示

33、子程序（主要通過(guò)鍵盤設(shè)定初值并實(shí)現(xiàn)部分功能鍵的作用，然后將數(shù)據(jù)顯示在led上，以及在led上顯示當(dāng)前檢測(cè)的值）。4.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序流程圖進(jìn)入中斷程序偏差出棧判斷是否正轉(zhuǎn)？步進(jìn)數(shù)賦值ret步進(jìn)數(shù)減1步進(jìn)數(shù)是否為零？步進(jìn)數(shù)賦值步進(jìn)數(shù)減1送正向脈沖送反向脈沖步進(jìn)數(shù)是否為零？4.2 8279鍵盤/顯示流程圖8279初始化計(jì)算鍵值散轉(zhuǎn)顯示計(jì)算鍵值送顯示緩沖區(qū)查字型代碼有鍵按下嗎？數(shù)字鍵嗎？<功能鍵>顯示器顯示p進(jìn)入鍵盤、顯示程序4.3主程序流程的設(shè)計(jì)寄存器清零調(diào)鍵盤、顯示子程序調(diào)a/d轉(zhuǎn)換子程序，計(jì)算偏差偏差為零？調(diào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中斷子程序偏差值入棧調(diào)延時(shí)子程序主程序開(kāi)始圖4-4 主程序流程圖總結(jié)轉(zhuǎn)眼間為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)就結(jié)束了，在這短暫的一周之中，通過(guò)自己不斷地學(xué)習(xí)，不斷地自我發(fā)現(xiàn)、感到自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)水平提出高了許多，對(duì)計(jì)算機(jī)控制方面的知識(shí)的掌握程度也加深了許多，對(duì)知識(shí)之間的相互聯(lián)系也有了更深的了解；通過(guò)不斷地提高自己的認(rèn)識(shí)水平與能力、不斷地學(xué)習(xí)新方法、新思想、新的思維方式、不斷地改變自己的人生觀和方法論、感到自己不但成長(zhǎng)且成熟了許多；通過(guò)不斷地把課本知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，不斷地把查閱到的資料與文獻(xiàn)中有用的東西應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)，不斷地把所學(xué)的理論與