電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、長(zhǎng)沙民政職業(yè)學(xué)院2014 屆系別：電子信息工程系專(zhuān)業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)班級(jí)：電子1133班2014年5月6日電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置摘要本系統(tǒng)采用 ATMEG1A6 單片機(jī)作為主控芯片，采取推拉式電磁鐵做為電磁控 制裝置，利用每一個(gè)線圈產(chǎn)生的電磁力來(lái)帶動(dòng)吊臂運(yùn)動(dòng)， 每一個(gè)電磁鐵按照四分 之一個(gè)圓弧排列， 通過(guò)對(duì)線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)帶動(dòng)吊臂做周期運(yùn)動(dòng)， 改變線圈中 的電流就可以改變線圈中的磁場(chǎng)方向，從而改變擺臂擺動(dòng)方向， LCD 12864顯示 屏動(dòng)態(tài)顯示， 獨(dú)立按鍵控制吊臂擺動(dòng)的角度和周期， 系統(tǒng)在完成基本要求的基礎(chǔ) 上，進(jìn)一步完成了發(fā)揮部分所有要求。關(guān)鍵字： 電磁鐵，電感傳感器， LCD 128642目錄

2、1 系統(tǒng)方案 1.1.1 顯示模塊的論證與選擇 1.1.2 穩(wěn)壓電源模塊的論證與選擇 1.1.3 核心控制器的論證與選擇 1.1.4 聲光報(bào)警系統(tǒng)的論證與選擇 2.1.5 鍵盤(pán)模塊的論證與選擇 2.1.6 電磁鐵的論證與選擇 2.2 理論分析與設(shè)計(jì) 3.2.1 電磁鐵驅(qū)動(dòng)的理論分析 3.2.2 電感傳感器理論分析 4.2.3 電磁鐵控制電路理論分析與設(shè)計(jì) 4.3 電路與程序設(shè)計(jì) 5.3.1電路的設(shè)計(jì) 5.3.1.1 系統(tǒng)總體框圖 5.3.1.2 核心控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 5.3.1.3 顯示模塊電路設(shè)計(jì) 6.3.1.4 聲光提示模塊電路設(shè)計(jì) 6.3.1.5 電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置電路設(shè)計(jì) 7.3.1.6

3、 電源模塊電路設(shè)計(jì) 7.3.1.7 按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 8.3.2程序的設(shè)計(jì) 8.3.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 8.3.2.2程序流程圖 9.4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 1.0.4.1測(cè)試方案 1.0.4.2 測(cè)試儀器 1.0.4.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析 1.05 設(shè)計(jì)總結(jié) 11參考文獻(xiàn) 1.2.1系統(tǒng)方案11顯示模塊的論證與選擇方案一：采用數(shù)碼管顯示：數(shù)碼管顯示清晰，價(jià)格較低，性?xún)r(jià)較高，方便易 行，但外部電路復(fù)雜，占用I/O 口資源較多，顯示信息單一，只能顯示數(shù)字和少 量字母。動(dòng)態(tài)顯示則需循環(huán)刷新數(shù)碼管，占用更多的程序儲(chǔ)存空間。方案二：使用帶中文字庫(kù)LCD12864液晶屏顯示：液晶屏具有顯示質(zhì)量

4、高， 數(shù)字式接口，體積小，質(zhì)量輕，功耗小，顯示內(nèi)容多，并且?guī)в袧h字庫(kù)，能夠顯 示漢字、字母、數(shù)字、圖形等。方案三：采用LCD1602顯示：LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、 顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，但能夠顯示的字符數(shù)較少，并且不能顯示漢字。綜合以上三種方案，選擇方案二。1.2穩(wěn)壓電源模塊的論證與選擇方案一：采用市電降壓供電：將 220V交流市電經(jīng)過(guò)降壓變壓器降壓后，通 過(guò)橋式全波整流，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。整流后的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波電路、 三端穩(wěn)壓電路后，輸出系統(tǒng)所需求的 5V、12V電源。方案是向控制器供電最常用 的一種方式之一。方案所需變壓器重量重，攜帶不方便，電能利用率

5、低。方案二：采用12V蓄電池供電：電路簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，節(jié)省了大量 空間，移動(dòng)方便，輸出功率大，但輸出電流隨著電量消耗逐漸減小，不穩(wěn)定。方案三：采用開(kāi)關(guān)電源：開(kāi)關(guān)電源供電穩(wěn)定，輸出功率大，電能利用率高， 安全可靠。綜合以上三種方案，選擇方案一。13核心控制器的論證與選擇方案一：采用51系列8位單片機(jī)：51系列單片機(jī)價(jià)格便宜，編程相對(duì)簡(jiǎn)單， 但I(xiàn)/O 口資源緊缺，存儲(chǔ)空間小，響應(yīng)速度慢，燒寫(xiě)程序復(fù)雜，需專(zhuān)門(mén)的下載工 具，不支持在線調(diào)試。方案二：采用 MSP430系列16位單片機(jī)：MSP430系列單片機(jī)功耗低，16 位的精簡(jiǎn)指令集，8M晶振驅(qū)動(dòng)下125納秒的指令周期，內(nèi)置JTAG電路，支持 F

6、lash在線編程技術(shù)，大容量 ROM和RAM能夠存儲(chǔ)大容量程序。當(dāng)今工業(yè)控制向32位處理器ARM發(fā)展趨勢(shì)日益加快，MSP430 16位處理器相對(duì)落后方案三：采用 ATMEGA 16單片機(jī)：ATMEGA 16單片機(jī)功耗低，內(nèi)置 JTAG 電路，芯片內(nèi)置JTAG電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，可在線仿真調(diào)試，靜態(tài)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器 SRAM 16KB豐富的I/O 口資源，價(jià)格低廉。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.4聲光報(bào)警系統(tǒng)的論證與選擇方案一：采用揚(yáng)聲器和LED燈構(gòu)成聲光提示模塊：揚(yáng)聲器播放聲音清晰， 富有節(jié)奏感，但揚(yáng)聲器放大電路復(fù)雜，占有較大空間。方案二：采用電子蜂鳴器和彩色 LED燈組成聲光提示模塊：電子蜂鳴

7、器驅(qū) 動(dòng)電路簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，音調(diào)可調(diào)。彩色 LED燈色彩鮮明，彩燈亮則預(yù)示 達(dá)到要求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。15鍵盤(pán)模塊的論證與選擇方案一：采用矩陣式鍵盤(pán)，程序復(fù)雜，電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，占用I/O資源多，不適合本系統(tǒng)。方案二：采用獨(dú)立按鍵，電路簡(jiǎn)單，編程方便，本系統(tǒng)使用按鍵數(shù)不多，占 用I/O 口資源少。綜合以上兩種方案，選擇方案二。16電磁鐵的論證與選擇方案一：采用電子吸盤(pán)做電磁鐵，通過(guò)通電后測(cè)得磁力太小，電子吸盤(pán)的磁 力的距離幾乎為零距離，帶動(dòng)不了擺臂做周期運(yùn)動(dòng)。方案二：自己用鐵柱繞制出一個(gè)電磁鐵，通電后磁力大的小能夠帶動(dòng)擺臂擺 動(dòng)，能做周期運(yùn)動(dòng)，但由于磁力的大小不一，不容易

8、對(duì)其控制，電流過(guò)大。方案三：采用推拉式電磁鐵做擺臂動(dòng)力源，擺放在擺放在擺臂運(yùn)動(dòng)的圓弧周 圍，每五個(gè)角度擺放一個(gè)電磁鐵，這樣更能夠準(zhǔn)確的控制步進(jìn)的角度。綜合以上三種方案，選擇方案三。2理論分析與設(shè)計(jì)2.1電磁鐵驅(qū)動(dòng)的理論分析電磁鐵，通電后能夠產(chǎn)生磁性，像磁鐵一樣可以吸附鐵類(lèi)物體。電磁鐵基本 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。圖1電磁鐵原理電磁鐵的引力公式為（B為電磁場(chǎng)磁通密度，為導(dǎo)磁率，S為磁極截面面積）：b2s2(2-1)電磁鐵引力：F二G線圈電流與磁通密度關(guān)系為（N為線圈的匝數(shù)，1為磁路長(zhǎng)度，磁性材料 導(dǎo)磁率，空氣導(dǎo)磁率，d為空氣隙長(zhǎng)度，I為電流強(qiáng)度）：(2-2)B =NI/d(2-3)n2i 2昨2d2(2-4

9、)(2-5)改變電流后空氣隙長(zhǎng)度發(fā)生變化，銜鐵發(fā)生移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)了微位移運(yùn)動(dòng)22電感傳感器理論分析電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化， 再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量 輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器見(jiàn)圖 2.圖2電感傳感器1010如圖所示的自感傳感器，當(dāng)銜鐵產(chǎn)生位移時(shí)，氣隙厚度匚發(fā)生變化導(dǎo)致電感L發(fā)生變化。磁路中的交變磁通為Rm(2-6)線圈感生電動(dòng)勢(shì)(2-7)eL=-Ld = -Ndt dt得線圈電感LRm(2-8)2.3電磁鐵控制電路理論分析與設(shè)計(jì)圖3所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“ H橋驅(qū)動(dòng)電路

10、”是 因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?耳利用H橋電路來(lái)控制電磁鐵線圈電流方向，4個(gè)三極 管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使線圈中的磁場(chǎng)發(fā)生，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì) 三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)線 圈，從而控制線圈電流的轉(zhuǎn)向控制磁場(chǎng)方向從而達(dá)到控制吊臂擺動(dòng)方向。圖3直流電機(jī)控制電路3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。電磁控制模塊電源模塊顯示模塊ATMEGA 16單片機(jī)按鍵模塊一聲光報(bào)警模塊語(yǔ)音模塊圖4系統(tǒng)總體框圖3.1.2核心控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)核心控制器ATM

11、EGA1最小系統(tǒng)電路主要由微控制器 ATMEG16、電源模塊、 復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘、JTAG接口、ISP接口、引腳擴(kuò)展接口組成。復(fù)位電路對(duì)于 CPU有兩種復(fù)位方式，一種是通過(guò) DS1233輸出復(fù)位信號(hào)給CPU的RESET!腳使之復(fù)位，另一種是通過(guò) JTAG的TRST向 CPU送入復(fù)位信號(hào)使之復(fù)位。JTAG接口 包括測(cè)試的輸入、測(cè)試輸出、測(cè)試模式的選擇、測(cè)試時(shí)鐘和 JTAG復(fù)位。時(shí)鐘電 路最小系統(tǒng)中使用兩種時(shí)鐘電路，一種是為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，使用 12MHz的晶振。 另外一種是為實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供時(shí)鐘， 使用的是16MHz的晶振。核心控制系統(tǒng)電路見(jiàn) 圖5。圖5核心控制系統(tǒng)電路3.1.3顯示模塊電路設(shè)計(jì)顯示

12、模塊采用帶中文字庫(kù)的 LCD12864液晶顯示器，顯示電路見(jiàn)圖6圖6顯示模塊電路3.1.4聲光提示模塊電路設(shè)計(jì)聲光提示電路見(jiàn)圖7，控制器只需輸出一個(gè)高低電平即可控制聲光提示電路的開(kāi)和關(guān)。當(dāng)控制器輸出高電平時(shí)，彩色LED亮蜂鳴器發(fā)聲；當(dāng)控制器輸出低電平時(shí)，彩色LED不亮蜂鳴器不發(fā)聲。LED正常工作時(shí)，工作電流l=0.2A，VCC為電源電壓3.3V，所以R仁VCC/I=16.5Q，近視取值為22圖7聲光提示電路3.1.5電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置電路設(shè)計(jì)電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖&iSI 估沖 CT-F fl fS3 fl fa_&-if-ra R11 &価 Hr-tJ (ST圖8電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置電路9圖

13、9電源模塊電路3.1.6電源模塊電路設(shè)計(jì)電源模塊電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3.1.7按鍵模塊電路設(shè)計(jì)按鍵模塊電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖10圖10按鍵模塊電路3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路本程序主要實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和兩個(gè)單片機(jī)之間的通信 以及液晶顯示。當(dāng)單片機(jī)上電后，當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的命令，則從機(jī)按照主 機(jī)發(fā)送的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的功能運(yùn)行。程序?qū)崿F(xiàn)的基本功能：功能1：（從機(jī)）檢測(cè)到（主機(jī)發(fā)送的）啟動(dòng)信號(hào)，則從機(jī)單片機(jī)通過(guò)控制H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵由靜止點(diǎn)開(kāi)始擺動(dòng)。功能2:（從機(jī)）檢測(cè)到（主機(jī)發(fā)送的）指定擺角信號(hào)，則從機(jī)單片機(jī)通過(guò) 控制H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵由靜止點(diǎn)開(kāi)始擺動(dòng)至指定角度（周期不

14、改變） ，并在 指定角度范圍內(nèi)進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。功能3:（從機(jī)）檢測(cè)到（主機(jī)發(fā)送的）指定周期信號(hào)，則從機(jī)單片機(jī)通過(guò) 控制H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵由靜止點(diǎn)開(kāi)始按指定周期（角度不改變）擺動(dòng)，并在 指定周期范圍內(nèi)進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。功能4:（從機(jī)）檢測(cè)到（主機(jī)發(fā)送的）指定停止信號(hào)，則從機(jī)單片機(jī)通過(guò) 控制H橋電路來(lái)使電磁鐵得到釋放。擴(kuò)展功能1:收到預(yù)置角度的命令后，從機(jī)控制電磁運(yùn)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)的最大值 由現(xiàn)在的角度增加或減小到指定值（不改變周期）。擴(kuò)展功能2:收到預(yù)置周期的命令后，從機(jī)控制電磁運(yùn)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)周期的范 圍值調(diào)整到指定值（不改變角度）。擴(kuò)展功能3:收到預(yù)置角度或周期的命令后，從機(jī)控制電磁運(yùn)動(dòng)裝置可隨時(shí)5s調(diào)整

15、周期值和角度值，并在擺桿穩(wěn)定運(yùn)行20s后進(jìn)行聲光報(bào)警，語(yǔ)音報(bào)警,左右停止在靜止點(diǎn)。322程序流程圖（圖 11）1、主程序流程圖開(kāi)始初始化按鍵啟動(dòng)檢測(cè)是一是否按下擺桿擺動(dòng)否是*20秒后聲光提醒靜止否按下測(cè)停止按鍵是擺桿停止擺動(dòng)結(jié)束圖11主程序流程2、擺桿控制子程序流程圖（圖12）4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案1、硬件測(cè)試2、軟件仿真測(cè)試3、硬件軟件聯(lián)調(diào)4.2測(cè)試儀器秒表，量角器，30cm直尺，A4紙，鉛筆，電流表4.3測(cè)試數(shù)據(jù)及分析測(cè)試方法：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)，根據(jù)主菜單，選擇模式1 （按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，吊臂由靜止開(kāi)始擺動(dòng)）測(cè)試吊臂偏轉(zhuǎn)角度。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)序號(hào)偏轉(zhuǎn)角度實(shí)測(cè)值誤差120222 231301 340400 4385025353326454507343518252509434031029301根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最小誤差角度為0,最大誤差角度為3,系統(tǒng)準(zhǔn)確性比 較高、穩(wěn)定，基本達(dá)到題目要求。5設(shè)計(jì)總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了賽題基本要求，能夠完成各項(xiàng)指定任務(wù)。制作工藝精益