1、蘭州工業學院畢業設計說明書（論文）蘭州工業學院畢業設計（論文）題目 電磁運動控制系統 院 別 電子信息工程學院 專 業 應用電子技術 班 級 智能電子11 姓 名 李東明 學 號 201110105118 指導教師（職稱） 藺鵬（副教授） 日 期 2014年3月12日 2323摘 要本設計以單片機STC89C52RC為核心，通過對電磁鐵線圈內電壓的控制，改變電磁鐵的磁場力的大小，實現擺桿按指定的擺角和周期擺動。采用SYD35D4角度傳感器來實現擺桿擺角信號的采集，經A/D轉換器MAX1113轉換為數字信號，送至單片機STC89C52RC進行處理，用L298N作為驅動電路，使達到控制擺角和周期。

2、該設計進行了系統方案、硬件電路圖和軟件流程圖的設計，并通過軟件編程，實現了設計要求，并用LCD顯示預置擺角、預置周期，實時顯示了測量擺角、測量周期。關鍵詞：單片機；電磁控制；角度傳感器；擺角；周期AbstractThis design STC89C52 microcontroller as the core , through control of the solenoid Coil currents, changing the size of the magnetic force of electro-magnet, swing by electromagnetic control at a

3、 specified angle and periodic oscillations. Rocker swing angle of using the SYD35D4 angle sensor to signal acquisition, the a/d converter MAX1113 converts digital signals sent to a MCU STC89C52, and L298N as a driver in order to control the swing angle and cycles. System solutions, the design of har

4、dware circuit diagram and software flow chart design and software programming, achieving the design requirements, and angle LCD intuitive display preset, preset cycle, measuring angle, the testing cycle is shown in real time.Keywords: STC89C52 microcontroller，electromagnetic control，angle sensor，swi

5、ng angle，period目錄任務書1摘 要IAbstractII目錄III前 言1第1章方案設計與論證21.1 電磁控制系統方案31.2轉角采集方案31.3驅動及控制方案41.4 主控系統的方案41.5系統總體方案4第2章系統硬件電路設計62.1 單片機STC89C52RC62.2 L298N簡介72.3電磁鐵控制模塊72.3.1 電磁鐵電流控制的分析82.3.2 數字PID控制算法的計算82.4角度傳感器92.4.1角度測量原理92.4.2角度測量算法102.4.3角度測量電路102.5 A/D轉換電路112.6 鍵盤電路112.7 聲光提示電路122.8 LCD顯示電路122.9 電

6、源電路13第3章系統軟件設計143.1 程序功能描述與設計思143.1.1程序功能描述143.1.2程序設計思路143.2 程序流程圖143.2.1主程序流程圖143.2.2角度控制子程序流程圖14第4章系統測試174.1 測試儀器與方法174.2 角度測量174.3停止時間的測量174.4 測試結果與分析17結論19致謝20參考文獻21附錄：硬件電路圖23前 言設計一個電磁控制運動系統，該裝置由電磁控制裝置、擺桿等部分構成。按下啟動按鈕，由靜止點開始，控制擺桿擺動。并且控制擺桿在指定的擺角（10°45°范圍內）連續擺動，按指定周期控制擺桿連續擺動。通過電磁控制方式,設計電

7、路實現對周期性運動裝置的運動幅度(擺角)和周期(頻度)的控制。控制核心采用STC89C52RC,電磁驅動器采用L298N,角度檢測采用SYD35D4角度傳感器,顯示采用LCD12864。通過PWM調速來控制線圈電流大小調節磁場強度,從而實現單擺擺動擺角和周期的控制。它具有結構簡單、運行可靠、維護方便、價格便宜、能實現穩定調速。第1章方案設計與論證本題目是設計并制作一個擺桿控制系統，通過電磁控制裝置，調節擺桿擺角的大小，如圖1.1所示。圖1.1 擺桿控制系統示意圖根據題目的要求，本系統所設計的核心問題主要有：（1）按下啟動按鈕，由靜止點開始，控制擺桿擺動。（2）由靜止點開始，控制擺桿在指定的擺角

8、（10°45°范圍內）連續擺動，擺動擺角絕對誤差5°，響應時間15s。（3）由靜止點開始，按指定周期（0.5s2s范圍內）控制擺桿連續擺動，擺動周期絕對誤差值0.2s，響應時間15s。（4）在擺桿連續擺動的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩地停在靜止點上，停止時間10s。（5）擺桿擺角幅度能在10°45°范圍內預置，預置步進值為5°，擺角幅度絕對誤差值3°，響應時間10s。（6）擺桿的周期能在0.5s2s范圍內預置，預置步進值0.5s，周期絕對誤差值0.1s，響應時間10s。（7）擺桿擺角幅度和周期在上述范圍內可同時預置，由

9、靜止點開始擺動，擺角幅度值和周期相對誤差要求均和（5）、（6）相同。當擺桿穩定運行20秒后發出聲、光提示，并在5s內平穩停在靜止點上。1.1 電磁控制系統方案方案一：小車帶動一塊電磁鐵在擺桿磁鐵下方往復運動。利用電磁鐵通電后對磁性物質具有吸附力的特性，使擺桿隨小車的運動而擺動。小車的運動周期即為擺桿的擺動周期，其原理簡單，但機械裝置繁雜，小車的往返控制頻率過快，不易實現，且成本過高。方案二：電磁控制裝置底端左右兩側各固定一塊電磁鐵。向兩塊電磁鐵通以相反方向的電流，分別對磁性物質產生吸附力和排斥力，使擺桿在兩個電磁鐵之間擺動。擺桿擺角幅度便于控制，但需同時控制兩塊電磁鐵電流的方向與大小，且功耗大

10、，成本偏高。方案三：電磁控制裝置底端中心固定一塊電磁鐵。利用電磁鐵通電后對磁性物質具有排斥力的特性，使擺桿連續擺動。該方案僅需控制一塊電磁鐵的電流大小與方向，原理簡單，功耗小，易于實現。由此可見：方案三的受控對象數與功耗均優于方案一和方案二。綜合考慮后，選定方案三。1.2轉角采集方案方案一：MMA7260三軸加速度傳感器，線性度好，體積小，低功耗，但是機械結構比較復雜，使用起來運算量較大，程序較為復雜，單片機處理復雜且耗時。方案二：SST20傾角傳感器，可同時監測X軸、Y軸兩個方向的傾斜角度，精度可達到±0.1°，測量量程為0360°。但是測量角度時需要將傾角傳感

11、器安裝在擺桿上，增加了擺桿的重量，同時傾角傳感器的精度較高，測量時會將噪聲信號帶入控制系統，影響角度測量的精度。方案三：SYD35D4角度傳感器，測量量程為0360°，旋轉靈活，線性度為±1%，動態噪聲小，分辨率高，最為關鍵的是它采用滾珠軸承的機械結構，方便與擺桿相結合測量擺角。且該方案易于實現。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3驅動及控制方案方案一：采用線性放大驅動方式。單片機輸出數字量，經D/A后轉換為連續變化的電壓值，控制電磁鐵電磁力的大小，來改變擺角的大小，此方式波動小，線性好，對鄰近電路干擾小。但存在效率低和散熱等問題。硬件需要D/A轉換器，電路復雜，成本高。方

12、案二：采用PWM調速。采用L298N作為驅動芯片。PWM調速是使加在直流電磁鐵兩端的電壓為方波形式,通過改變方波占空比實現對直流電磁鐵電壓大小的調節。PWM由單片機輸出。L298N芯片內部開關為電子開關，速度很快，穩定性也極強。此方案電路簡單，使用比較方便。基于上述理論分析和實際情況，選擇方案二。1.4 主控系統的方案方案一：采用DSP作為控制器。DSP具有強大的控制和信號處理能力，片內具有快速RAM和flash，同時具有接口方便、穩定性好、精度高等優點。本題主要利用處理器控制電磁鐵電流的方向與大小，數據處理方面要求不高。方案二：采用FPGA作為系統的控制器。FPGA將所有的器件集成在一塊芯片

13、上，外圍電路較少，控制板體較小，穩定性高，擴展性能好。FPGA采用并行的輸入/輸出方式，系統處理速度快，易于調試。但是FPGA成本偏高，算數運算能力不強，而本設計會涉及到較多的算數運算，FPGA的高速處理的能力得不到充分體現。方案三：采用Atmel公司的89系列的單片機作為系統的控制器。單片機控制功能強，軟件編程靈活，可用軟件較簡單的實現邏輯控制，并且其成本低，體積小和功耗低等優點，使其在各個領域中應用廣泛。另外，在本設計數據量不大的情況下完全可以完成擺桿擺角的控制。綜合比較，選用方案三。1.5系統總體方案根據上述分析，設計出系統總體方案，由角度傳感器SYD35D4采集轉角信息后送入A/D轉換

14、器MAX1113進行轉換，輸出的數字量送入單片機STC89C52RC中經分析處理后輸出一定占空比的PWM，經L298N功率驅動放大后控制直流電磁鐵電壓的大小。同時可用按鍵設定擺桿擺角并顯示，擺桿控制系統總體方案框圖如圖1.2所示。液晶顯示角度傳感器擺桿偏角按鍵A/D轉換單片機最小系統電源驅動模塊電磁鐵圖1.2擺桿控制系統總體方案框圖第2章系統硬件電路設計2.1 單片機STC89C52RC 本系統以STC89C52RC為控制主芯片，它是一個低功耗、高性能CMOS8位單片機，內置8k字節可反復擦寫的Flash ROM和256B RAM，適合于許多較為復雜控制應用場合。它的外圍控制電路如圖2.1所示

15、。主要特性如下：1. 增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統80512. 工作電壓：5.5V3.3V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V單片機）3. 工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051的080MHz，實際工作頻率可達48MHz4. 用戶應用程序空間為8K字節，片上集成512字節RAM，具有EEPROM功能，具有看門狗功能5. 工作溫度范圍：-40+85（工業級）/075（商業級）6. 通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口

16、用時，需加上拉電阻圖2.1 單片機最小系統2.2 L298N簡介 L298N是SGS 公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4 通道邏輯驅動電路。可以方便的驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。L298N 芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.57V電壓。4腳VS 接電源電壓，VS電壓范圍 VIH 為2.546 V。輸出電流可達2A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管

17、的發射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298N的OUT1，OUT2 分別接電磁鐵QD2，QD1兩端，5和7引腳接單片機的P1.2和P1.3口。驅動電路如圖2.2所示。圖2.2 驅動電路2.3電磁鐵控制模塊本系統采用直流吸盤式電磁鐵，在通電狀態下可產生強勁吸附力。電磁鐵型號為P30/22 12V，外徑30mm，內徑12mm，高22mm，自重80g，功率5W，吸引力100N。將直流吸盤式電磁鐵安裝于擺桿正下方處（電磁鐵距磁鐵5mm），單片機對電磁鐵線圈內的電流方向及大小進行相應的控制（磁性的強弱與電磁鐵線圈內的電流的大小有關，磁極的方向與電磁鐵線圈內電流方向有關。），實現對

18、擺桿擺角與周期的控制。其中電磁鐵兩端QD1QD2分別和驅動OUT2，OUT1相連接。電磁鐵電路如圖2.3所示。圖2.3 電磁鐵電路2.3.1 電磁鐵電流控制的分析系統需要控制直流吸附式電磁鐵的電流，進而達到控制擺桿擺角與周期的目的。在正常情況下，當給電磁鐵通以電流就會產生斥力推動擺桿磁鐵發生移動；電磁鐵斷電后，斥力消失，擺桿擺動逐漸減小，直至停止。控制擺桿擺角與周期比較容易實現的就是用單片機輸出PWM波，只要按一定規律，改變占空比即可讓電磁鐵的電流得到控制。在電磁鐵的電流控制的過程中，免不了的要用到各種各樣的算法。而我們為了更好地穩定擺桿擺角與周期使用了工業中最常用的PID控制算法。為了算法的

19、設計方便，我們采用了數字PID控制算法。2.3.2 數字PID控制算法的計算數字PID控制算法在生產過程中是一種最普遍采用的控制方法，在冶金、機械、化工等行業中獲得廣泛應用。究其原因是：該算法蘊涵了動態控制過程中現在(P)、過去(I)和將來(D)的主要信息，具有本質上的魯棒性、優化控制特性和智能化，算法簡單明了，易于掌握。單位反饋的PID控制原理框圖如圖2.4所示。 單位反饋代表理想輸入與實際輸出的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號進行線性組合，得到輸出量。其中，、分別稱為比例系數、積分系數、微分系數。接著被送到了執行機構，這樣就獲得了新的

20、輸出信號,這個新的輸出信號被再次送到感應器以發現新的誤差信號，這個過程就這樣周而復始地進行。2.4角度傳感器角度傳感器SYD35D4可看作一個電位器，采集角度傳感器的模擬電壓值，再通過A/D轉換得到數字量送入單片機進行處理。SYD35D4角度傳感器，測量量程為0360°，旋轉靈活，線性度為±1%，動態噪聲小，分辨率高，最為關鍵的是它采用滾珠軸承的機械結構，方便與擺桿相結合測量擺角。其中角度傳感器的TAO1端和A/D轉換MAX1113的TAO1端相連接。角度傳感器如圖2.5所示。圖2.5 角度傳感器2.4.1角度測量原理SYD35D4是一種電阻式角度傳感器，即由轉軸角度變化引

21、起內部電阻變化的傳感器，當角度變化范圍0360°，電阻值的范圍是05K，線性度為±1%，旋轉扭矩為20×104N·M。將它的軸與擺桿固定在一起，進行同軸轉動，這樣擺桿擺動時傳感器的電阻也隨之變化。2.4.2角度測量算法角度傳感器可看作是一個電位器。由于非線性關系，當它工作時轉軸旋轉的角度和電位器的電阻值R滿足函數關系式 R = f1() (1)然后將電阻的變化轉換成電壓的變化 U = K1R (2)電壓再通過 A/D轉換器得到對應數字量 Du= K2U (3)即測得數字量與擺角的關系式 Du= K1K2f1() (4)由于要求擺角在 045°變

22、化，非線性度很小，所以測量的數字量能夠有效的表示擺桿的擺角。2.4.3角度測量電路角度傳感器SYD35D4可看作一個電位器，采集角度傳感器的模擬電壓值，再通過A/D轉換得到數字量送入單片機進行處理，最終在LCD上顯示擺角。擺角檢測電路如圖2.6所示。 圖2.6 擺角檢測電路2.5 A/D轉換電路A/D轉換電路采用MAX1113，使用單片機+5V電源供電，選通通道0輸入模擬信號，將模擬量轉換為數字量。它的精度高，價格低廉，體積小，溫度使用范圍為0°70°其中CS、SCLK、DIN、DOUT、SSTRB分別和單片機的 P2.1、P2.0、P2.2、P2.5、P2.4口連接，TA

23、O1與角度傳感器的TAO1相連接。如圖2.7所示。 圖2.7 A/D轉換電路 2.6 鍵盤電路 本系統設計采用 4個獨立式按鍵 S1、S2、S3、S4分別與單片機P3.4、 P3.5、 P3.6、 P3.7相連接。其中 S1為啟動/停止鍵，進行手動切換；S2為擺角/周期加一鍵；S3為擺角/周期減一鍵；S4為擺角/周期設定鍵。鍵盤電路如圖2.8所示。圖2.8 鍵盤電路2.7 聲光提示電路當擺桿在指定的擺角（10° 45°范圍內）連續擺動時，單片機P1.0口為低電平，P2.3口為低電平，此時發光二極管D1點亮、由三極管驅動揚聲器發出提示聲音。當擺桿在指定的周期（0.5S 2S范

24、圍內）連續擺動時，單片機P1.1口為低電平，P2.3口為低電平，此時發光二極管D2點亮、蜂鳴器發出提示音。當擺角與周期同時指定，擺桿穩定運行20秒后，單片機P1.0、P1.1口均為低電平、P2.3口為低電平，此時發光二極管D1、D2均點亮、蜂鳴器發出提示音。聲光提示電路如圖2.9所示。圖2.9聲光提示電路2.8 LCD顯示電路本系統選用LCM12864ZK為控制器的液晶顯示屏，分辨率為128×64，可顯示8×4行漢字，以構成全中文人機交互圖形界面。LCM12864ZK 以串行方式與單片機通信。這種方式可以大大節省單片機的硬件資源，同時顯示方式是靜態的可以提高單片機的執行效率

25、。讀寫允許端RSE與P1.4口連接，控制液晶讀寫數據；串行數據輸入端R/W與P1.5口連接，用于給顯示器傳送指令和數據；串行時鐘信號E由P1.6口送入，為傳送數據提供時鐘信號；PSB與P1.7口連接。它可以實時直觀顯示測量擺角、預置擺角、測量周期、預置周期。LCD顯示電路如圖2.10所示。圖2.10 LCD顯示電路2.9 電源電路本系統采用直流穩壓電源對整個系統進行供電。直流穩壓電源由電源變壓器、整流濾波電路及穩壓電路所組成。電源變壓器TF1將電網220V的交流電壓分別變換成12V、5V交流電壓，由8個18DB10組成的橋式整流電路將12V、5V交流電壓變換成脈動的12V、5V直流電壓，再經濾

26、波電路（C4、C6、C5、C7）濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的12V、5V直流電壓，最后經可調式三端集成穩壓器78L12、78L05輸出穩定的12V、5V直流電壓。電源電路如圖2.11所示。圖2.11 電源電路第3章系統軟件設計3.1 程序功能描述與設計思3.1.1程序功能描述根據題目要求軟件部分主要實現鍵盤的設置、數據的顯示和擺桿擺角的幅度與周期。（1）鍵盤的設置部分：通過鍵盤設定擺桿的啟動與停止、設定擺桿擺角的幅度與周期。（2）數據的顯示部分：測量擺角、預置擺角、測量周期、預置周期。3.1.2程序設計思路根據題目要求實現鍵盤控制擺桿的啟動與停止、擺桿擺角與周期。用按鍵直接實現電磁控制系

27、統的通電與斷電，以完成擺桿的啟動與停止。用按鍵調整電磁控制系統內流過電磁鐵線圈的電流大小，以實現擺桿擺角與周期的控制。3.2 程序流程圖3.2.1主程序流程圖本系統軟件設計采用匯編語言編程，以達到題目要求的控制精度和響應時間。主要完成轉角信號的采集、角度控制、顯示，并通過采集信號調節電磁鐵電流大小來控制擺桿角度。其中，顯示模塊負責將角度傳感器檢測到的角度送到LCD進行顯示；角度控制模塊負責根據按鍵的輸入信息來控制擺桿偏轉。由于本系統的主要任務是對角度實時監控，所以在程序中將對角度的測量放在主程序中，設為查詢方式；對按鍵的處理設為中斷方式。系統軟件主程序流程圖如圖3.1所示，按鍵中斷處理子程序如

28、圖3.2所示。處理子程序1、2、3、4分別對應為PWM占空比加1子程序，PWM占空比減1子程序，設定值加1子程序和設定值減1子程序。3.2.2角度控制子程序流程圖單片機讀入設定值X和測量值Y后進行比較，調節占空比改變直流電壓調節角度，控制擺桿偏轉。如圖3.1所示。YNN開始讀設定值Y按鍵處理讀測量值XX=YX>Y減少占空比DPWM輸出返回增大占空比D圖3.1角度控制子程序流程圖1按鍵中斷處理子程序按鍵中斷處理子程序流程圖如圖3.2所示 圖3.2 按鍵中斷處理子程2. 鍵盤子程序流程圖鍵盤子程序流程圖如圖3.3所示中斷等待顯示讀鍵值角度控制角度信號采集開中斷堆棧初始化系統初始化開始圖3.3

29、 按鍵中斷處理子程第4章系統測試基于本次設計題目的要求，本系統采用SYD35D4采集擺桿的轉角并通過LCD顯示，還可通過鍵盤預設轉角值，其分辨率可達到2°。 4.1 測試儀器與方法測試條件：經多次檢查，仿真電路和硬件電路與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路無虛焊，同時測試時保持無外磁場干擾狀態。測試儀器：高精度的數字毫伏表一個，數字萬用表一個，秒表一塊，直角三角板，量角器一把，直尺一把。測試方法：1、測試要求（1）、（2）項時，用量角器量出擺桿偏角并與LCD上顯示的角度值進行比較，看角度傳感器測得的角度是否準確。2、測試要求（3）、（5）、（6）項時，用量角器量出擺桿實際轉角

30、并與LCD上顯示的角度值和按鍵設定的角度值進行比較，并用秒表記錄調節時間，評判其控制性能。4.2 角度測量角度測量結果如表1所示： 表1 角度測量數據比較（單位：度）實際角度01415163031404345顯示角度01314152729374142絕對誤差0-1-1-1-3-2-3-2-34.3 停止時間的測量 停止時間的測量如表2所示：表2 停止時間的測量（單位：秒）測量次數1234停止時間2.72.72.62.84.4 測試結果與分析通過測試結果可以看出，當擺桿角度從0°45°范圍變化時，當角度小于20°時，控制容易，誤差小，控制時間短。當角度接近45

31、76;時，控制時間也明顯增加，誤差也較大。當控制角度在30°45°時，控制時間也明顯增加，誤差也較大。結論根據上述測試數據，可以清楚地看出不同的擺角、不同的周期、不同的響應時間的數據對比，由此可以得出以下結論：1. 電磁控制裝置方案和角度傳感器很重要，一般的電磁控制方案和角度傳感器很難實現在規定的角度內擺桿的連續擺動；如果減輕或增加擺桿重量，則角度不好控制；如果支撐軸太粗糙，則會限制擺桿的擺動。2.數據處理手段多樣，不但要有實施監控的，還有整體宏觀曲線，同時數據的分析與擬合等多種手段。3.本系統能較好的完成擺桿控制系統的要求。4. 完成了所要求的（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）。5、采用LCD實時顯示角度與周期，并能實時顯示角度和周期的設定值。6、系統在完成所要求(1)時,分辨力可達1°, 絕對誤差小于5°，完成所要求(3)時，調節時間優于所要求得時間。致謝在論文即將完成之際，也將是我的大學生活快要結束的時候，此時，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有我們可敬的藺鵬老師給了我辛勤地指導，還有其他師長、領導、同