电磁控制运动装置设计毕业论文.doc

长沙民政职业学院

2014届

系别：电子信息工程系

专业：应用电子技术

班级：电子1133班

2014年5月6日
电磁控制运动装置

摘 要
本系统采用ATMEGA 16单片机作为主控芯片，采取推拉式电磁铁做为电磁控制装置，利用每一个线圈产生的电磁力来带动吊臂运动，每一个电磁铁按照四分之一个圆弧排列，通过对线圈通电产生磁场来带动吊臂做周期运动，改变线圈中的电流就可以改变线圈中的磁场方向，从而改变摆臂摆动方向，LCD 12864显示屏动态显示，独立按键控制吊臂摆动的角度和周期，系统在完成基本要求的基础上，进一步完成了发挥部分所有要求。

关键字：电磁铁，电感传感器，LCD 12864
目 录
1系统方案 1
1.1 显示模块的论证与选择 1
1.2 稳压电源模块的论证与选择 1
1.3 核心控制器的论证与选择 1
1.4 声光报警系统的论证与选择 2
1.5 键盘模块的论证与选择 2
1.6 电磁铁的论证与选择 2
2 理论分析与设计 3
2.1 电磁铁驱动的理论分析 3
2.2 电感传感器理论分析 4
2.3电磁铁控制电路理论分析与设计 4
3电路与程序设计 5
3.1电路的设计 5
3.1.1系统总体框图 5
3.1.2 核心控制系统电路设计 5
3.1.3 显示模块电路设计 6
3.1.4 声光提示模块电路设计 6
3.1.5 电磁控制运动装置电路设计 7
3.1.6 电源模块电路设计 7
3.1.7 按键模块电路设计 8
3.2程序的设计 8
3.2.1程序功能描述与设计思路 8
3.2.2程序流程图 9
4 测试方案与测试结果 10
4.1测试方案 10
4.2 测试仪器 10
4.3 测试数据及分析 10
5 设计总结 11
参考文献 12

2

1系统方案
1.1 显示模块的论证与选择
方案一：采用数码管显示：数码管显示清晰，价格较低，性价较高，方便易行，但外部电路复杂，占用I/O口资源较多，显示信息单一，只能显示数字和少量字母。动态显示则需循环刷新数码管，占用更多的程序储存空间。
方案二：使用带中文字库LCD12864液晶屏显示：液晶屏具有显示质量高，数字式接口，体积小，质量轻，功耗小，显示内容多，并且带有汉字库，能够显示汉字、字母、数字、图形等。
方案三：采用LCD1602显示：LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，但能够显示的字符数较少，并且不能显示汉字。
综合以上三种方案，选择方案二。
1.2 稳压电源模块的论证与选择
方案一：采用市电降压供电：将220V交流市电经过降压变压器降压后，通过桥式全波整流，将交流信号转变为直流信号。整流后的信号，经过滤波电路、三端稳压电路后，输出系统所需求的5V、12V电源。方案是向控制器供电最常用的一种方式之一。方案所需变压器重量重，携带不方便，电能利用率低。
方案二：采用12V蓄电池供电：电路简单，体积小，质量轻，节省了大量空间，移动方便，输出功率大，但输出电流随着电量消耗逐渐减小，不稳定。
方案三：采用开关电源：开关电源供电稳定，输出功率大，电能利用率高，安全可靠。
综合以上三种方案，选择方案一。
1.3 核心控制器的论证与选择
方案一：采用51系列8位单片机：51系列单片机价格便宜，编程相对简单，但I/O口资源紧缺，存储空间小，响应速度慢，烧写程序复杂，需专门的下载工具，不支持在线调试。
方案二：采用MSP430系列16位单片机：MSP430系列单片机功耗低，16位的精简指令集，8M晶振驱动下125纳秒的指令周期，内置JTAG电路，支持Flash在线编程技术，大容量ROM和RAM，能够存储大容量程序。当今工业控制向32位处理器ARM发展趋势日益加快，MSP430 16位处理器相对落后。
方案三：采用ATMEGA 16单片机：ATMEGA 16单片机功耗低，内置JTAG电路，芯片内置JTAG电路、实时时钟电路，可在线仿真调试，静态数据储存器SRAM 16KB，丰富的I/O口资源，价格低廉。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.4 声光报警系统的论证与选择
方案一：采用扬声器和LED灯构成声光提示模块：扬声器播放声音清晰，富有节奏感，但扬声器放大电路复杂，占有较大空间。
方案二：采用电子蜂鸣器和彩色LED灯组成声光提示模块：电子蜂鸣器驱动电路简单，体积小，重量轻，音调可调。彩色LED灯色彩鲜明，彩灯亮则预示达到要求。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.5 键盘模块的论证与选择
方案一：采用矩阵式键盘，程序复杂，电路复杂，调试困难，占用I/O资源多，不适合本系统。
方案二：采用独立按键，电路简单，编程方便，本系统使用按键数不多，占用I/O口资源少。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.6 电磁铁的论证与选择
方案一：采用电子吸盘做电磁铁，通过通电后测得磁力太小，电子吸盘的磁力的距离几乎为零距离，带动不了摆臂做周期运动。
方案二：自己用铁柱绕制出一个电磁铁，通电后磁力大的小能够带动摆臂摆动，能做周期运动，但由于磁力的大小不一，不容易对其控制，电流过大。
方案三：采用推拉式电磁铁做摆臂动力源，摆放在摆放在摆臂运动的圆弧周围，每五个角度摆放一个电磁铁，这样更能够准确的控制步进的角度。
综合以上三种方案，选择方案三。
2 理论分析与设计
2.1 电磁铁驱动的理论分析
电磁铁，通电后能够产生磁性，像磁铁一样可以吸附铁类物体。电磁铁基本结构见图1。

图1 电磁铁原理
电磁铁的引力公式为（B为电磁场磁通密度，为导磁率，S为磁极截面面积）：
（2-1）
电磁铁引力：
线圈电流与磁通密度关系为（N为线圈的匝数，为磁路长度，磁性材料导磁率，空气导磁率，为空气隙长度，为电流强度）：

（2-2）
由于则 ：
（2-3）
（2-4）
（2-5）
改变电流后空气隙长度发生变化，衔铁发生移动从而实现了微位移运动
2.2 电感传感器理论分析
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器见图2.

图2 电感传感器
如图所示的自感传感器，当衔铁产生位移时，气隙厚度发生变化导致电感L发生变化。磁路中的交变磁通为
（2-6）
线圈感生电动势
（2-7）
得线圈电感

（2-8）
2.3电磁铁控制电路理论分析与设计
图3所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。利用H桥电路来控制电磁铁线圈电流方向，4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使线圈中的磁场发生，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过线圈，从而控制线圈电流的转向控制磁场方向从而达到控制吊臂摆动方向。

图3 直流电机控制电路
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图4所示。

图4 系统总体框图
3.1.2 核心控制系统电路设计
核心控制器ATMEGA16 最小系统电路主要由微控制器ATMEGA 16、电源模块、
复位电路、系统时钟、JTAG接口、ISP接口、引脚扩展接口组成。复位电路对于CPU有两种复位方式，一种是通过DS1233输出复位信号给CPU的RESET管脚使之复位，另一种是通过JTAG的TRST向CPU送入复位信号使之复位。JTAG接口包括测试的输入、测试输出、测试模式的选择、测试时钟和JTAG复位。时钟电路最小系统中使用两种时钟电路，一种是为系统提供时钟，使用12MHz的晶振。另外一种是为实时时钟提供时钟，使用的是16MHz的晶振。核心控制系统电路见图5。

图5 核心控制系统电路
3.1.3 显示模块电路设计
显示模块采用带中文字库的LCD12864液晶显示器，显示电路见图6。

图6显示模块电路
3.1.4 声光提示模块电路设计
声光提示电路见图7，控制器只需输出一个高低电平即可控制声光提示电路的开和关。当控制器输出高电平时，彩色LED亮蜂鸣器发声；当控制器输出低电平时，彩色LED不亮蜂鸣器不发声。LED正常工作时，工作电流I=0.2A，VCC为电源电压3.3V，所以R1=VCC/I=16.5Ω，近视取值为22。

图7 声光提示电路
3.1.5 电磁控制运动装置电路设计
电磁控制运动装置电路设计见图8。

图8 电磁控制运动装置电路
3.1.6 电源模块电路设计
电源模块电路设计见图9

图9电源模块电路

3.1.7 按键模块电路设计
按键模块电路设计见图10

图10 按键模块电路
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
本程序主要实现通过串口通信来实现数据的传输和两个单片机之间的通信以及液晶显示。当单片机上电后，当从机接收到主机发送的命令，则从机按照主机发送的具体数据进行相应的功能运行。
程序实现的基本功能：
功能1：（从机）检测到（主机发送的）启动信号，则从机单片机通过控制H桥电路来驱动电磁铁由静止点开始摆动。   
功能2：（从机）检测到（主机发送的）指定摆角信号，则从机单片机通过控制H桥电路来驱动电磁铁由静止点开始摆动至指定角度（周期不改变），并在指定角度范围内进行周期运动。         
功能3：（从机）检测到（主机发送的）指定周期信号，则从机单片机通过控制H桥电路来驱动电磁铁由静止点开始按指定周期（角度不改变）摆动，并在指定周期范围内进行周期运动。       
功能4：（从机）检测到（主机发送的）指定停止信号，则从机单片机通过控制H桥电路来使电磁铁得到释放。     
扩展功能1：收到预置角度的命令后，从机控制电磁运动装置运动的最大值由现在的角度增加或减小到指定值（不改变周期）。
扩展功能2：收到预置周期的命令后，从机控制电磁运动装置运动周期的范围值调整到指定值（不改变角度）。
扩展功能3：收到预置角度或周期的命令后，从机控制电磁运动装置可随时调整周期值和角度值，并在摆杆稳定运行20s后进行声光报警，语音报警，5s左右停止在静止点。
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图（图11）

图11 主程序流程

2、摆杆控制子程序流程图（图12）

图12 摆杆控制子程序流程图
4 测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
2、软件仿真测试
3、硬件软件联调
4.2 测试仪器
秒表，量角器，30cm直尺，A4纸，铅笔，电流表
4.3 测试数据及分析
测试方法：启动系统，根据主菜单，选择模式1（按下启动开关，吊臂由静止开始摆动）测试吊臂偏转角度。实测数据见表1

表1实测数据
序号
偏转角度
实测值
误差
1
20°
22°
2°
2
31°
30°
1°
3
40°
40°
0°
4
38°
50°
2°
5
35°
33°
2°
6
45°
45°
0°
7
34°
35°
1°
8
25°
25°
0°
9
43°
40°
3°
10
29°
30°
1°
根据实测数据，最小误差角度为0°，最大误差角度为3°，系统准确性比较高、稳定，基本达到题目要求。
5 设计总结
系统设计完成了赛题基本要求，能够完成各项指定任务。制作工艺精益求精，外观尽量美观。软件设计部分算法简单控制精确，使系统在最短的时间内达到控制要求。
参考文献
[1] 百度百科.电磁铁技术
[2] 百度百科.电感式传感器
[3] 侯国章，赖一楠，田思庆，赵学增.测试与传感技术.哈尔滨工业大学出版社.2000
[4] 百度百科.单片机
[5] 李庆祥，王东生，李玉和.现代精密仪器设计.2003
[6] 张冠生.电磁铁与自动电磁元件 北京：机械工业出版社，1982
[7] 贺水燕，蔡静.自制电感传感器测量微位移.湖南科技大学物理学院.2008
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