變壓器的智能繞線系統(tǒng)論文

1、張德星：電子科學與技術專業(yè)畢業(yè)設計0 前言隨著電子電器工業(yè)的發(fā)展，線圈的需求量越來越大、品種也越來越多，從大型的電力變壓器、牽引電機繞組到充電用的微型線圈、節(jié)能燈具用線圈，以及各類電子設備都使用線圈。繞線機是用來繞制線圈的設備。在使用的各種繞線機中，有最早的手工繞線，現(xiàn)在大都用機械式的繞線機。機械式繞線機精度較差，線圈需逐匝檢驗，工作效率較低，勞動強度高，尤其是機械式繞線機由于沒有采用自動控制技術，線滾子由于慣性超越運行，散線易劃去表面絕緣層，影響產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)在國內(nèi)繞線機已有了全自動、多功能、自動化產(chǎn)品。從線圈生產(chǎn)的上線、排線、饋線、到線圈繞制下線等，都實現(xiàn)了過程自動化。從繞線機的控制形式上看

2、，從單一的開環(huán)控制發(fā)展到使用直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，已經(jīng)形成了由單軸繞制線圈到多軸同時繞制多個線圈的系列產(chǎn)品。但這些先進的繞線機產(chǎn)品價格很高，對中小型電機制造企業(yè)的繞線使用來說，功能有比較大的冗余，價格太高，一旦出現(xiàn)故障自己難以維修，所以針對某中小型電機制造廠使用機械式繞線機的缺點，根據(jù)實際生產(chǎn)的要求，研制成本低、功能滿足使用要求、簡單易學、操作方便的數(shù)控繞線機。在我國已生產(chǎn)和使用了多年，改革開放以來，我國元器件廠也引進了許多國外的繞線機。常見的有平行繞線機、環(huán)行繞線機及各種特種繞線機等。在繞制細微漆包線時，這些機器都會遇到共同的問題，如無法達到整齊排線，繞線張力無法控制等，特別

3、是繞制01mm 以下的一些音圈、傳感器機芯等線圈時，問題尤為突出。針對這種情況，我們研制了這種適用于細微漆包線的繞線機，很好地解決了這個問題，用它繞制的磁電式測振傳感器機芯線圈，張力穩(wěn)定，線圈直流電阻一致性好，排線整齊，外觀達到了“鏡面”效果變壓器、線圈以及其他繞組是電器設備常用的部件，這些部件一般由繞線設備繞制而成。繞線骨架有效長度、繞線線徑以及繞線圈數(shù)是影響部件電氣性能的3個主要技術參數(shù)，同時，也是評價繞線設備繞線質(zhì)量的重要功能指標。由于單片微機的出現(xiàn)和其在實時控制系統(tǒng)應用方面表現(xiàn)出的優(yōu)異功能，使現(xiàn)代繞線機越來越多地采用單片機作為其控制電路的核心，通過適當設計可以克服上述問題，并能實現(xiàn)人-

4、機對話。本文提出了一種采用AVR單片微機為核心的智能繞線機控制電路。由微機控制的繞線機通常由四部分組成：電源、微機控制電路、定位伺服放大系統(tǒng)和機頭。其電源部分由主電源和數(shù)控電源組成，以向電機、控制電路和伺服放大系統(tǒng)等提供電能；定位伺服放大系統(tǒng)可采用脈寬調(diào)制控制伺服放大器。通過改變直流伺服電動機電樞上的電壓控制電動機轉(zhuǎn)速，改變脈沖個數(shù)控制電機轉(zhuǎn)過的角度，從而實現(xiàn)準確定位和較大范圍調(diào)速；本文利用步進電機變細分驅(qū)動排線機構(gòu)、直流電機調(diào)速驅(qū)動繞頭，以單片機作為控制微機開發(fā)了新型自動繞線機。該機能在有效長度不同的繞線骨架上，對不同線徑的繞線實現(xiàn)定圈數(shù)高質(zhì)量繞排，具有結(jié)構(gòu)簡單，變通性強，性能價格比較高等優(yōu)

5、點。繞制繞組的設備一般都裝有計數(shù)器，常用的計數(shù)器有機械式和電子式計數(shù)器。準確快速地計數(shù)對保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高工作效率非常重要。在繞組繞制過程中，當繞組匝數(shù)達到規(guī)定值停機時，由于繞線機轉(zhuǎn)動慣量很大，因而繞線機不會立刻停止轉(zhuǎn)動，即使是采取提前停機的措施也很難正好繞到繞組規(guī)定的匝數(shù)，還需要進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的調(diào)整。為此設計了一種繞線機自動計數(shù)控制器，能進行繞線機自動起、停控制和正、反轉(zhuǎn)計數(shù)。該計數(shù)控制器在測試中取得了滿意的效果。該裝置運用了先進的新型MCU 和顯示驅(qū)動專用芯片， 使其計數(shù)、顯示、控制一氣呵成，形成了集成度高、運行可靠、操作安全的智能化控制系統(tǒng)。這種簡捷、清晰、精銳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不但可用于繞線機

6、的控制裝置，也可改造并使其它機械設備的智能化程度得到提高。1 系統(tǒng)概述1.1 系統(tǒng)功能要求1）用戶能夠輸入產(chǎn)品的參數(shù)信息。2）采用PWM控制，無極變速，慢速啟動3）自動排線，換向靈敏，到匝自動停車4）繞制線圈最大外徑： 120mm5）繞制線圈最大長度： 180mm6）繞制線圈最小長度： 3mm7）繞制線圈線徑范圍： 0.030.5mm8）計數(shù)器范圍： 099999圈9）主軸轉(zhuǎn)速： 802500轉(zhuǎn)/分鐘10）斷線時停車報警 11）液晶屏顯示參數(shù) 12）能夠保存30個產(chǎn)品參數(shù)信息 1.2 系統(tǒng)組成經(jīng)過分析系統(tǒng)功能的要求，可以將各部分功能分別由硬件完成，或硬件與軟件共同完成。得出系統(tǒng)的框圖如圖1.1

7、。圖1.1 系統(tǒng)組成在硬件設計時需考慮上面所述的1），2），10），11）點。硬件部分應該包含：主軸電機控制電路，排線電機控制電路，圈數(shù)計數(shù)電路，排線到位檢測電路，鍵盤輸入電路，顯示電路，電源電路。此外，硬件電路設計時要考慮數(shù)字與模擬間的抗干擾問題，采取有效的抗干擾措施。在軟件設計時需考慮上面所述的1）12）各點。軟件部分應該實現(xiàn)：鍵盤按鍵的捕捉識別，主軸電機的控制，排線電機的控制，數(shù)據(jù)的顯示，參數(shù)的存取，圈數(shù)計數(shù)，斷線報警。2 系統(tǒng)設計方案的比較2.1控制器的方案論證與選擇 方案一：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、I

8、O資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我們放棄了此方案。方案二：采用凌陽公司的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片機在語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得處理其它任務的速度和能力降低。方案三：采用Atmel公司的ATmaga16L單片機作為主控制器。ATmaga16是一個低功耗

9、，高性能的8位單片機，片內(nèi)含16k空間的可反復擦些100,000次的Flash只讀存儲器，具有1Kbytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個IO口，2個8位可編程定時計數(shù)器，1個16位可編程定時計數(shù)器，四通道PWM，內(nèi)置8路10 位ADC。且maga系列的單片機可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。從各個角度考慮，方案三的可行性高。2.2直流電機驅(qū)動電路的方案論證與選擇方案一：使用模擬電路，通過電位器調(diào)節(jié)電機兩端電壓進行調(diào)速。如圖2.1，達林頓管串聯(lián)在直流電機回路上，通過調(diào)節(jié)電位器改變電機回路的電流的大小，從而達到控制電機速度的目的。此方案的優(yōu)點在，電路簡單，通過一個電位

10、器就可以達到調(diào)節(jié)電機速度的目的，但它也存在明顯的不足，三極管工作在放大區(qū)時在電機回路上將產(chǎn)生一個0.724V的壓降，會產(chǎn)生很多的熱量，效率很低。方案二：利用PWM控制電機調(diào)速。PWM控制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。PWM控制技術1的理論基礎是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM對半導體器件的導通和關斷進行控制，是輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也改

11、變輸出頻率。如圖2.2所示，將方案一中的達林頓管換成場效應管。從場效應管的柵極輸入一PWM脈沖，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來控制場效應管導通與截止的時間比，從而達到調(diào)整電機速度的效果。由于場效應管工作在開關狀態(tài)，且導通電阻很小，可達10毫歐，所以用此電路的效率很高，但必須有PWM波電路。 圖2.1 電機驅(qū)動方式1 圖2.2 電機驅(qū)動方式2比較方案一與方案二，方案二的優(yōu)勢顯著，且ATmaga16L單片機集成了PWM波輸出，可以通過軟件來實現(xiàn)電機速度的調(diào)節(jié)，所以選擇方案二。2.3顯示電路的方案論證與選擇方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示的亮度高，顯示效果鮮明，且價格低，軟件編程簡單，但數(shù)碼管顯示內(nèi)容

12、單一，只限于顯示數(shù)字，顯示的區(qū)域小，硬件連接麻煩。如圖2.3。圖2.3 數(shù)碼管顯示的效果方案二：采用液晶屏顯示。液晶屏顯示的內(nèi)容多，不僅可以顯示數(shù)字，還可以顯示漢字和字母，顯示區(qū)域也比數(shù)碼管的大?？梢酝ㄟ^編程實現(xiàn)菜單操作，用戶操作起來很方便簡單。如圖2.4。圖2.4 液晶顯示的效果本系統(tǒng)要顯示的數(shù)據(jù)較多，要存取的數(shù)據(jù)也多，用液晶顯示可以設計成菜單結(jié)構(gòu)，顯示內(nèi)容直觀，操作方便，故選擇方案二比較合適。3 系統(tǒng)硬件設計3.1單片機電路3.1.1 AVR單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)AVR單片機2內(nèi)部資源非常豐富，集成了各種常用的外圍設備，如圖3.1所示，主要由以下部分組成：l 16K字節(jié)擦寫壽命 10000 次的系

13、統(tǒng)內(nèi)可編程Flashl 具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)l 片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程l 可同時讀寫操作的512字節(jié)擦寫壽命100000 次的EEPROMl 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAMl 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密l JTAG接口，標準的邊界掃描功能支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能l 通過JTAG 接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程l 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器l 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器l 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTCl 四通道PWMl 8路10 位ADCl 2個具有可編程增益（1x, 1

14、0x, 或200x）的差分通道l 面向字節(jié)的兩線接口IICl 兩個可編程的串行USARTl 可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口l 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器TWIl 片內(nèi)模擬比較器l 上電復位以及可編程的掉電檢測BODl 片內(nèi)經(jīng)過標定的RC 振蕩器l 片內(nèi)/ 片外中斷源l 6種睡眠模式: 空閑、ADC 噪聲抑制、省電、掉電、Standby 模式l 32 個可編程的I/O 口AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的

15、CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。AVR的ATmega16 有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 工作于空閑模

16、式時CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和除了異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時的開關噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。是以Atmel 高密

17、度非易失性存儲器技術生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR 內(nèi)核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW 操作。 通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為本系統(tǒng)的應用提供了靈活的解決方案。圖3.1 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1.2 AVR單

18、片機引腳功能圖3.2 AVR單片機引腳功能圖3.2是AVR單片機DIP封裝的引腳圖，以下是各引腳功能說明。VCC 數(shù)字電路的電源GND 地端口A(PA7.PA0) 端口A 做為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7.PB0) 端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)

19、部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能。端口C(PC7.PC0) 端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能。端口D(PD7.PD0) 端口D 為8

20、位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。門限時間見P36Table 15。持 續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。AVCC AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用

21、ADC時應通過一個低通濾波器與VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準輸入引腳。3.1.3 AVR單片機最小系統(tǒng)電路 圖3.3是AVR單片機最小系統(tǒng)電路圖，圖中U1是AVR單片機，是整個系統(tǒng)的核心控制單元，R1和C1組成單片機的復位電路，晶振XTAL，和C1，C2是單片機時鐘源的輔助電路。AVR單片機的外圍電路非常簡單，使系統(tǒng)更加的簡單，提高可靠性，降低故障率。圖3.3 AVR單片機最小系統(tǒng)電路 復位電路是為了保證單片機在正式運行程序之前，將內(nèi)部各個功能寄存器的狀態(tài)回復到初始狀態(tài)，以保證單片機按照程序設計者的意圖運行。R1與C1構(gòu)成RC電路，在系統(tǒng)上電后，單片機復位端電壓漸漸升高，當電壓升高

22、到復位端RESET門限電壓0.9V時，單片機完成復位，在系統(tǒng)斷電后，C1通過復位引腳內(nèi)部電路放電，在下一次上電時又可以進行復位過程。由于剛上電時，電路中的電容，電感的存在，電路電源的穩(wěn)定需要一定時間才能使單片機正?？煽窟\行，所以復位時間長對系統(tǒng)的可靠性有利。電路中R1選10k，C1選10uF，復位時間在10MS以上，可以可靠的對單片機進行復位。R1，C1應該靠近單片機，與單片機的連線短些，可以減少因為周圍干擾一起的錯誤復位動作。由參考文獻11，124-125可知。使用外部晶振速度快，頻率穩(wěn)定，抗干擾強，適合在周圍用電環(huán)境復雜，系統(tǒng)可靠性要求高的電路中。晶振XTAL，和C1，C2與單片機內(nèi)部時鐘

23、源電路一起組成8M的時鐘頻率，供給單片機內(nèi)部使用，單片機的熔絲配置中應該選擇使用外部晶振選項。晶振，校正電容C2，C3，與單片機的連線應該越短越好，且周圍不要有大電流回路，盡量不要在晶振底部走線，晶振的金屬外殼要與地相連，可以提高時鐘電路的穩(wěn)定性和可靠性。3.1.4 AVR單片機PWM電路為了調(diào)節(jié)電機速度，設計方案中選擇了PWM方式，AVR單片機內(nèi)部集成了PWM模塊，通過編程可以實現(xiàn)PWM的頻率和占空比的調(diào)整。以下是AVR單片機PWM模塊的工作原理。圖3.4 PWM產(chǎn)生原理圖3.4是PWM占空比調(diào)整的原理圖。計時器重復地從BOTTOM 計到MAX，然后又從MAX倒退回到BOTTOM。在一般的比

24、較輸出模式下，當計時器往MAX計數(shù)時若發(fā)生了TCNTn與OCRn的匹配，OCn將清零為低電平；而在計時器往BOTTOM計數(shù)時若發(fā)生了TCNTn與OCRn 的匹配， OCn 將置位為高電平。因此通過設置OCRn的值就可以改變PWM的占空比。PWM的周期可以通過設置TCNTn計數(shù)脈沖的頻率來調(diào)整，如果用系統(tǒng)時鐘，則同過選擇分頻比就可以得到所需的PWM波的頻率。PWM周期的選擇直接關系到電機控制的性能， PWM頻率太低，則電機轉(zhuǎn)動不順暢，抖動，噪聲大，輸出力矩不穩(wěn)定。PWM頻率太高，則驅(qū)動電機的功率管長期工作在高頻開關狀態(tài)，發(fā)熱量大，效率低，還容易燒毀。一般選擇PWM頻率為15KHZ，可兼顧兩方面的

25、要求。3.2 電源電路 由于電機需要驅(qū)動電路需要24V的工作電壓而單片機、液晶顯示器、傳感器 等工作電壓需要5V，所以變壓器的24V輸出需要經(jīng)過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定到單片機的工作電壓范圍?？紤]到電機驅(qū)動電路必須和單片機分開供電，這樣可以避免電機電路對單片機電路的干擾所以采取對單片機單獨供電，步進電機和直流電機橋臂共用一個24V電源。系統(tǒng)電源電路原理如圖3.5所示。圖3.5 系統(tǒng)電源電路原理3.2.1 電源電路的結(jié)構(gòu) 由變壓器出來的交流信號經(jīng)過橋式整流3和電容濾波之后送給LM7805，穩(wěn)壓5V輸出，它的輸出單獨供給單片機。在三端穩(wěn)壓管的輸入輸出端與地之間連接大容量的濾波電容，使濾掉紋波的效果更好，輸出的

26、直流電壓更穩(wěn)定。接小容量高頻電容以抑制芯片自激，輸出引腳端連接高頻電容以減小高頻噪聲，使單片機工作在一個良好的電源環(huán)境中，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。3.2.2 電源芯片引腳功能電源電路主要運用到7805穩(wěn)壓芯片，輸出電壓為5V，加散熱片時驅(qū)動電流可達1A，輸出電流200300mA時，7805溫度在50度左右，并且有過溫切斷輸出起到保護功能。該系列芯片技術成熟，所需的外圍器件少，性價比高，運用的非常廣泛，其內(nèi)部原理圖如圖3.6。圖3.6 7805內(nèi)部原理圖圖3.7為7805的引腳圖：INPUT 電源輸入端，最大可達35VGROUND 電源地OUTPUT +5V輸出端圖3.7 7805的引腳圖步進電機的穩(wěn)驅(qū)

27、動采用專用的驅(qū)動電路模塊，使用模塊電路可以加快產(chǎn)品開發(fā)速度，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，可靠。且單片機只需2個接口就可以完成步進電機的方向和步進控制。所選用的驅(qū)動器型號為森創(chuàng)公司的SH-20403，它的主要參數(shù)如下：l 10V40V直流供電l H橋雙極恒相流驅(qū)動l 最大3A的8種輸出電流可選l 最大 64細分的7種細分模式可選l 輸入信號光電隔離l 標準共陽單脈沖接口l 脫機保持功能3.3 直流電機驅(qū)動電路圖3.8是直流電機驅(qū)動的整體電路，電路主要由場效應管Q1，來驅(qū)動電機，D1為二極管，在電路中起到電機電感的放電作用，以保護場效應管不會被高壓擊穿，R4，R5，紅外發(fā)射管，紅外接收管共同組成數(shù)模隔離

28、電路，單片機輸出的PWM波從電路中的PWM端口輸入，紅外發(fā)射管將PWM電信號轉(zhuǎn)換為光信號，紅外接收管再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，控制場效應管的柵極。這樣單片機與電機驅(qū)動電路就實現(xiàn)了電隔離，消除了驅(qū)動電路對單片機系統(tǒng)的干擾。光電隔離所用的光電管分為線性光電管，和開關式光電管，本系統(tǒng)的主控制器輸出的PWM波屬于數(shù)字信號，所以選用開關式光電管即可。二極管4007是整流型二極管，電流通過能力高達1.5A，滿足電路要求。圖3.8 直流電機驅(qū)動電路3.4 傳感器電路 圖3.9是圈數(shù)檢測電路，主要元件是紅外對射管，左半部分，電源VCC經(jīng)電阻R2限流，為紅外二極管提供15MA的電流，右側(cè)紅外接收管接收到紅外光后，

29、導通并將R3的電位拉低，如果在紅外發(fā)射管與紅外接收管之間有物體，則紅外接收管接收不到紅外光，R3沒有電流通過，輸出為高電平。在主軸電機上安裝一金屬擋片，電機每轉(zhuǎn)過一周，經(jīng)過傳感器一次，傳感器輸出一段高電平，引發(fā)單片機中斷，進行一次計數(shù)。圖3.9 圈數(shù)檢測電路3.5 液晶顯示電路圖3.10是液晶顯示器的工作電路，由于系統(tǒng)要求顯示漢字且內(nèi)容偏多，所以選擇內(nèi)帶字庫的圖形點陣型4OCM12864液晶模塊。此模塊是128×64點陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU接口，具有8位標準數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。其最大工作范圍如下：1)邏輯工作電壓(Vcc)：4.55.5V（128

30、64-3、12864-5可使用3V供電） 2)電源地（GND）：0V 3)工作溫度(Ta)：055(常溫) / -2070（寬溫） 由于液晶模塊內(nèi)部高度集成，所以外部接口相對簡單。其引腳說明如下：圖3.10 液晶顯示電路4 系統(tǒng)的軟件設計軟件部分主要完成對鍵盤的分析及有關數(shù)值的顯示，控制繞線的啟停和步進電機的反向、協(xié)調(diào)步進電機和主軸電機的運動，檢測主軸脈沖發(fā)生器脈沖并計數(shù)，以及斷線和中途停車報警等功能。4.1直流電機控制子程序直流電機控制子程序完成電機的調(diào)速工程，其執(zhí)行流程如圖4.1。系統(tǒng)采用PWM方式控制電機運轉(zhuǎn)，通過改變PWM的占空比實現(xiàn)電機調(diào)速。AVR單片機輸出的PWM分辨率可達256個

31、等級，實現(xiàn)了電機的無級調(diào)速。系統(tǒng)開始執(zhí)行繞線程序時不斷查詢鍵盤，若查詢到加速鍵按下，則增加PWM脈沖的占空比，增長周期內(nèi)場效應管導通的時間，使電機轉(zhuǎn)速提高，當電機速度已達到最大則速度不再增加；反之，減速鍵按下，則電機速度降低。若按下暫停鍵，電機逐漸減速，直到停止；重新啟動時，自動加速到之前速度。圖4.1 直流電機控制流程圖4.2鍵盤子程序鍵盤程序完成鍵盤的掃描，除抖動，鍵碼保存的功能，其執(zhí)行流程如圖4.2。單片機向行掃描口輸出全為“0”的掃描碼，然后從列檢測口檢測信號，只要有一列信號不為“1”，則表示有鍵按下，且不為“1”的列即對應為按下的鍵所在列。然后進行逐行掃描，單片機首先是第1行為“0”

32、，其余各行為“1”，接著進行列檢測，若為全“1”，表示不在此行，否則即在此行；然后第2行為“0”，其余各行為“1”，接著進行列檢測，若為全“1”，表示不在此行，否則即在此行；這樣逐行檢測，直到找到按下鍵所在的行。當各行都 掃描以后仍沒有找到，則放棄掃描，認為是鍵的誤動作。對于4X4鍵盤，因為按鍵的位置由行號和列號唯一確定，且行列個4位，所以用一個字節(jié)來對鍵值編碼是很合適的。由參考文獻9，45-46可知。圖4.2 鍵盤識別流程圖4.3傳感器子程序為了使圈數(shù)計數(shù)正確及時，不漏計多計，故采用中斷方式來進行計數(shù)。傳感器每輸出一個脈沖，單片機就進入中斷服務程序，進行計數(shù)，并在脈沖過后延時一段時間后退出中

33、斷服務，以保證不會應抖動多次進入中斷，導致計數(shù)錯誤。若計數(shù)值達到目標數(shù)，則主軸電機停轉(zhuǎn)，關閉中斷。其執(zhí)行流程如圖4.3。圖4.3 傳感器檢測流程圖4.4步進電機控制子程序步進電機控制子程序完成電機方向控制，步進控制，步數(shù)控制。其執(zhí)行流程如圖19。單片機的PD5，PD6用于和兩相步進電機的驅(qū)動器接口。其中PD5用于設置步進電機的方向控制，PD6用于對步進電機的轉(zhuǎn)角控制。正常運行時，PD5根據(jù)排線方向置高或置低，PD6則輸出一定頻率，和占空比的方波，頻率越高，電機轉(zhuǎn)的越快，但方波的高電平持續(xù)時間不能過短，否則會超出驅(qū)動器的響應時間，頻率也不能大于3KHZ。為避免步進電機發(fā)生失步和抖動，特別是在啟動

34、，停止，及反轉(zhuǎn)時應注意驅(qū)動器的響應時間，在啟動時，以低于響應頻率的速度運行，然后慢慢加速，加速到一定速度后就可以在此速度下運行，當快要到達指定步數(shù)時，就慢慢減速，使其在低于響應頻率下運行，直到停止，采用次方法可以使步進電機以最快的速度運行，而且不出現(xiàn)失步的現(xiàn)象。步進電機速度的調(diào)整，可通過該變PD6引腳方波的輸出頻率，在軟件中可通過延時很方便的實現(xiàn)某一頻率的輸出。其控制流程如圖4.4。圖4.4 步進電機控制流程圖4.5顯示子程序顯示子程序完成往液晶傳送顯示指令和顯示數(shù)據(jù)的任務，其中128X64液晶的指令集如下：1)清除顯示(指令代碼為01H) 功能：將DDRAM 填滿“20H”(空格)，把DDR

35、AM 地址計數(shù)器調(diào)整為“00H”，重新進入點設定將I/D 設為“1”，光標右移AC 加12)地址歸位(02H) 功能：把DDRAM 地址計數(shù)器調(diào)整為“00H”，光標回原點，該功能不影響顯示DDRAM3)點設定(04H/05H/06H/07H) 功能：設定光標移動方向并指定整體顯示是否移動。4)顯示狀態(tài) 開/關(08H/0CH/ODH/0EH/0FH) 功能：D=1: 整體顯示ON ; D=0: 整體顯示OFF. C=1: 光標顯示ON ; C=0: 光標顯示OFF.B=1: 光標位置反白且閃爍 ; B=0: 光標位置不反白閃爍5)光標或顯示移位控制(10H/14H/18H/1CH) 功能：10

36、H/14H：光標左/右移動，AC 減/加1；18H/1CH：整體顯示左/右移動，光標跟隨移動，AC 值不變6)功能設定（20H/24H/26H/30H/34H/36H） 功能：DL=1： 8-BIT 控制接口 DL=0： 4-BIT 控制接口RE=1： 擴充指令集動作 RE=0： 基本指令集動作7)設定CGRAM 地址(40H-7FH) 功能：設定CGRAM 地址到地址計數(shù)器（AC），需確定擴充指令中SR=0(卷動地址或RAM 地址選擇)8)設定DDRAM 地址（80H-9FH）功能：設定DDRAM 地址到地址計數(shù)器（AC）9)讀取忙碌狀態(tài)（BF）和地址功能：讀取忙碌狀態(tài)（BF）可以確認內(nèi)部動

37、作是否完成，同時可以讀出地址計數(shù)器（AC）的值。其執(zhí)行流程如圖4.5。圖4.5 顯示流程圖4.6主程序主程序完成各模塊程序的調(diào)度，其中繞線程序最關鍵，其執(zhí)行流程如圖4.6。程序一啟動先進行系統(tǒng)初始化，然后調(diào)入用戶參數(shù)，待用戶確定后，開始執(zhí)行繞線程序，主軸電機開始運行，步進電機根據(jù)參數(shù)的不同協(xié)調(diào)主軸電機運轉(zhuǎn)，同時液晶屏幕上顯示當前的運行情況，包括運行速度和完成情況。圖4.6 主程序5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件調(diào)試5.1.1電源電路的調(diào)試。接通220V電源，用萬用表交流50V檔測量變壓器的次級線圈，電壓表指示11V，電壓正常。用萬用表直流檔測量C4兩端的電壓，電壓表指示12.5V，電壓正常。用萬用表直

38、流檔測量7805輸出端的電壓，電壓表指示5.1V，電壓正常。5.1.2直流電機電路的調(diào)試。接通電機供電電源，將場效應管的柵極接地，電機不轉(zhuǎn)，再將場效應管的柵極接12V，電機轉(zhuǎn)，用信號發(fā)生器輸出一方波，峰值為5V，占空比從百分之0逐漸調(diào)到百分百，電機速度也逐漸由停止加速到最大速度。結(jié)果正常。5.1.3步進電機電路的調(diào)試。 接通電機供電電源，將步進電機驅(qū)動器的方向控制端接地，用信號發(fā)生器輸出一頻率為1K的TTL電平，步進電機正轉(zhuǎn)，再將方向控制端接+5V，步進電機反轉(zhuǎn)。逐漸調(diào)節(jié)輸出頻率，在頻率小于3KHZ的前提下，步進電機速度逐漸變快。結(jié)果正常。5.1.4傳感器電路調(diào)試。接通電源，進入繞線程序，用一

39、擋片插入傳感器，傳感器指示燈變亮，取出擋片，傳感器指示燈滅，液晶屏幕上的計數(shù)值加一，步進電機轉(zhuǎn)過一個角度，接通直流電機，電機旋轉(zhuǎn)，傳感器指示燈閃，閃爍頻率與電機轉(zhuǎn)數(shù)一樣。結(jié)果正常。5.1.5液晶電路調(diào)試。接通電源，液晶被光燈亮，并顯示開機畫面，顯示內(nèi)容清晰，對比度高，按鍵盤的按鍵，液晶屏幕顯示的內(nèi)容改變?yōu)橄鄳牟藛挝淖帧＝Y(jié)果正常。5.1.6鍵盤電路調(diào)試。 接通電源，按下相應按鍵，液晶顯示內(nèi)容轉(zhuǎn)到相應菜單，或在屏幕上顯示相應數(shù)字，結(jié)果正常。5.2 軟件調(diào)試 連接好全部電路，接通電源，液晶顯示開機畫面，按任意鍵，進入主菜單，按上下鍵，光標選擇到“添加型號”，按確定，進入“添加型號”界面，按相應按鍵

40、，添加完一組參數(shù)，并保存。返回上一級菜單，進入“選擇型號”菜單，并選擇之前添加的型號，確定，系統(tǒng)進入繞線程序，電機轉(zhuǎn)動，開始繞線，液晶顯示當前狀態(tài)，完成后停止。調(diào)試結(jié)果：軟件功能基本正常，但繞線精度還存在微小誤差，經(jīng)過修正后，達到了預期目標。結(jié)論以AVR的ATMEGA16 單片機為控制的器繞線機，結(jié)構(gòu)簡單，體積減小，控制精確，操作簡單，成本顯著下降，可靠性顯著提高?？捎糜诟鞣N型號線圈的繞制。有比較高的性能價格比。經(jīng)過各項功能的調(diào)試，不斷的修正，系統(tǒng)以達到良好效果，各項指標均已達到目標要求，電源電路工作穩(wěn)定，輸出電壓正常，發(fā)熱正常 ；電機驅(qū)動正常，電機調(diào)速靈敏；傳感器響應迅速，計數(shù)準確。液晶模塊

41、工作正常，顯示內(nèi)容清晰；鍵盤靈敏，不會發(fā)生連擊情況。系統(tǒng)的某些指標已超過了設計要求，達到了良好效果。該系統(tǒng)最后通過實際使用，系統(tǒng)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)程序跑亂的現(xiàn)象，符合其最終的標準。致謝語畢業(yè)設計是我大學學習生活的最后一項學習任務，是對我大學四年學習的綜合考核。而也為了使我的綜合素質(zhì)技能可以有一個很大的提高，這次畢業(yè)設計,我選擇了張根柱教授所帶的這個比較具有實用性的有意思的課題。在為期兩個多月的畢業(yè)設計過程中，我不僅較為系統(tǒng)的復習了以前學的知識，而且又學習了許多新知識，使我的知識結(jié)構(gòu)更加系統(tǒng)化，也更加完善。同時，也提高了我獨立分析問題、解決問題的能力。本次畢業(yè)設計能夠順利地完成，首先要感謝我的指導老

42、師張根柱教授。張教授嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，深厚的學術造詣以及忘我的工作精神給我留下了深刻的印象。張教授的嚴格要求和孜孜不倦的教導是我完成這次畢業(yè)設計的重要保證，他給予了我很大的幫助和支持，在課題研究期間，張教授提供了很多指導性的意見，對存在的問題給予細心的分析并提出許多寶貴的意見，使我受益匪淺。在此謹向?qū)煴硎局孕牡母兄x！同時我要感謝給予我?guī)椭椭С值纳嵊褌?，感謝在編程和程序調(diào)試過程中給我提供幫助的侯麗娟同學，感謝電子工程系的老師為我們做畢業(yè)設計提供的各方面的幫助！同時，我要感謝我的母校天津工程師范學院，特別是在我即將踏上工作崗位時，給了我這樣一個鍛煉、學習的機會，使我加深了對以前知識的理解，拓寬了

43、知識面，也提高了我對所學知識的綜合的應用能力。在整個設計制作過程當中，我感覺收獲非常大，我獲得的不僅是理論上的收獲,還有實踐中的豐收，同時還有的就是同學們之間的合作精神。在此，祝愿我院日后蓬勃發(fā)展，成為一所獨具風格的綜合性大學。祝愿母校的將來更美好! 最后，我要再一次感謝所有在此期間幫助過我的人，我衷心的祝福你們！ 參考文獻1 陳國呈.PWM調(diào)速技術M.北京:機械工業(yè)出版社,1999.113120.2 劉瑞新.趙全利等.單片機原理及應用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2003.76833 王川.實用電源技術M.重慶：重慶大學出版社，2004.47624 梅麗風.王艷秋等.單片機原理及接口技術M.

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45、1單片機實踐與應用M.北京:清華大學出版社,2005.22024312 王志良.電力電子新器件及其應用技術M.北京:國防工業(yè)出版社,1995.16317813 集成電路特性代換手冊編譯組編M.福建科學技術出版社，2001.18820314 吳運昌.模擬集成電路原理與應用M.廣東:華南理工大學出版社,2001.19421815 李序葆.趙永健.電力電子器件及其應用M.北京:機械工業(yè)出版社,2003.24425616 康華光.鄒壽彬.電子技術基礎（數(shù)字部分）M.北京:高等教育出版社,2003.19221918 吳運昌.模擬集成電路原理與應用M.廣東:華南理工大學出版社,2001.8310419 童

46、詩白主編.模擬電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，1998.302324附錄一 原理圖附錄二 程序#include<avr/io.h>#include<util/delay.h>#include<avr/pgmspace.h>#include<avr/eeprom.h>#include<avr/interrupt.h> /可以嵌套#include"type.h"#define Step_Motor_Turn_Left PORTD|=_BV(6);#define Step_Motor_Turn_right PORT

47、D&=_BV(6);#defineStep_Motor_Run_One_Step PORTD&=_BV(7);_delay_us(200);PORTD|=_BV(7);_delay_us(200);/-unsigned char Key_Box(void);void Command_Input(unsigned char Command);void show_point (unsigned char p);void show_erro(unsigned char p); /-unsigned char value; /鍵值unsigned char point; unsigne

48、d char ok_n;unsigned char a_n;unsigned int now_n;unsigned int now_w;unsigned int gol_w;unsigned int syt_w;unsigned char save506 _attribute_(section(".eeprom");/-SIGNAL(SIG_INTERRUPT1) /外部中斷INT1if(a_n=1)a_n=0;now_n+;if(now_n>sytle_buffer.n)cli();fin=1;if(dr=0xff)gol_w+=sytle_buffer.d;Ste

49、p_Motor_Turn_Leftwhile(now_w<gol_w) now_w+=60; Step_Motor_Run_One_Stepif(gol_w>syt_w)dr=0;if(dr=0x00) gol_w-=sytle_buffer.d;Step_Motor_Turn_rightwhile(now_w>gol_w) now_w-=60; Step_Motor_Run_One_Stepif(gol_w=0)dr=0xff;while(PINA&0x10) Step_Motor_Run_One_StepSIGNAL(SIG_INTERRUPT0) /外部中斷IN

50、T0if(a_n=0)a_n=1;/int main(void)UCSRB|=(1<<RXEN);UCSRB|=(1<<TXEN);UBRRL=51;UCSRC=(1<<URSEL)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0);PWM_SET();DDRA=0x0f;PORTA=0XFF;_delay_ms(200);_delay_ms(200);Command_Input(0X0C);/歡迎菜單-m_0:Main_Menu();while(1)value=Key_Box();if(value!=0xff)break;/主菜單-m_1

51、:Menu_1(); show_point(0); point=0;Step_Motor_Turn_right while(PINA&0x10) Step_Motor_Run_One_Step/歸位while(1)if(value=up)point+; if(point>3)point=0;show_point(point);if(value=down)point-; if(point>3)point=3;show_point(point);if(value=ok)if(point=0)goto select_style;if(point=1)goto add_style;if(point=2)goto check_self;if(point=3)goto informantion;/end主菜單