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电子取样器设计I摘 要本设计的题目为“电子取样器设计”。设计的主要内容包括:键盘的设计;液晶的设计;光耦的设计;电机的设计;阀门的设计。电子取样器,其实质是液体取样器。目前,国内使用的是一支玻璃管,其缺点是液样封不住。易洒在地上,易破损等。本设计大大注意了以上的要点,并在其基础上进行了深入的研究。本设计采用新型的构造特征:一是玻璃管外还装有可使它能上下滑动的、由2 条圆弧形壳片和底座组成的、保护外壳在底座上装有橡皮封口和有刻度的保护外壳;在保护外壳的上部,还连接着活动把手,活动把手是由框架、弹簧和活动塞座组成。框架的顶部中间固定着输入和输出的导向管,活动塞座下部嵌着橡皮塞,上部中间固定着导向管芯,其两端分别装入框架两侧的槽孔中。其动作过程简要来说是由一个 4*4 的键盘控制单片机,单片机通过已写入的程序再加上硬件的设备来驱动电机转动,电机转动带动活塞上下移动,活塞上下移动可以将由阀门输入近来的液体按要求的流量和流速进行定量和定速的输出。本设计的最大特点是应用了人机界面,可完全脱离人来完成取样的操作,其最终的目的是要达到1ul 的取样。它适用于医疗仪器、桶装、罐装液料的取样。关键词:液体取样;电机;光耦;单片机电子取样器设计IIAbstractThe design on the topic of “The Sampling of Electonic design.” The main design elements include : Keyboard design; LCD design; Optocoupler design; Motor design; Valve design. The essence of spling is liquids extraction . At present, what domestic use is a glass tube and its weakness is a liquid kind to seal not to live. Easily spread on the ground, easily damaged etc. This design consumedly noticed above important point, and carried on a thorough research on its foundation. This design adopts a new structure characteristic:Still have while being the outside of the glass tube can make it ability the top and bottom glide of, constitute tofrom 2 arc form hull slice and base of, protection the outer shell have a rubber and have protection outer shell of engrave the degree on the base;BE protect the upper part of outer shell, return connective movable handle knob, the movable handle knob is filled by the frame, spring coil and the activity to constitute.The coping of frame in the center fixs the direction tube of input and output, the activity fills a lower part Qian rubber to fill, the upper part in the center fixs direction tube Xin, its both ends respectively pack into the slot bore of frame two sides.Its action process synopsis to say from a 4*4 keyboards control a single slice machine, single slice machines pass has already write in of the procedure pluses the equipments of hardware again to drive electrical engineering to turn to move, the electrical engineering turns to move to arouse piston top and bottom ambulation, the piston top and bottom ambulation can be carried on fixed amount by valve door discharge and current velocity which input recent liquid according to the request with settle soon of output.The biggest characteristics of this design is completely to apply a man-machine interface, can escape from a person to complete the operation of sampling, it the end purpose want to attain the sampling of the 1 ul.It is applicable to medical treatment instrument, bucket to pack and the bottle pack the sampling that the liquid anticipate.电子取样器设计IIIKey words:liquids extraction;mtor ;LCD;SCM电子取样器设计IV目 录第 1 章 概述 .11.1 取样器的背景 11.1 取样器的框图 11.2 毕业设计内容 2第 2 章 键盘的设计 .32.1 键盘的概述 32.2 键盘设计 32.3 按键的说明 5第 3 章 电机的设计 .73.1 电机的概述 73.2 步进电机的一些特点 73.3 步进电机的分类 83.4 感应子式步进电机工作原理 83.5 电子取样器驱动控制系统组成 123.6 电子取样器驱动电路设计 15第 4 章 光耦的设计 .184.1 光耦的定义 184.2 光耦的工作原理 184.3 光耦的优点 184.4 光耦的种类 194.5 线性光耦的介绍 194.6 芯片介绍与原理说明 204.7 典型电路分析 214.8 辅助电路与参数确定 24第 5 章 液晶的设计 .265.1 液晶的概述 265.2 液晶显示器(LCD)驱动模块 265.3 液晶显示器时钟源选择 305.4 液晶显示器复用类型 325.5 液晶显示器的中断 33电子取样器设计V5.6 在休眠模式下工作 345.7 电子取样器的液晶显示器外观 36第 6 章 阀门的设计 .376.1 阀门的叙述 376.2 调节形式 376.3 调节阻力特性 386.4 三通调节阀阻力性能测试 406.5 应用分析 416.6 定流量特性曲线 43第 7 章 单片机的应用 .457.1 单片机的概述 457.2 单片机的引脚图 467.3 PIC16F946 的存储器构成 477.4 简述 PIC16F946 在取样器中的应用 47第 8 章 软件设计 .488.1 软件的设计思路 488.2 软件的流程图 48第 9 章 结 论 .50参考文献 .51致 谢 .52附 录 电子取样器外部图 .53附 录 英文资料及翻译 .54附 录 原理图及器件清单 .60附 录 程序设计 .62电子取样器设计1第 1 章 概述1.1 取样器的背景随着现代社会的发展,电气设备已经步入了人们生活和工作的当中,这其中也包括以下所设计的电子取样器。目前,国内使用的是一支玻璃管,其缺点是液样封不住、易洒地上,易破损等甚至精确度有的也只能达到5ul(微升)。此取样器大大避免了这些,它的精确度可以达到1ul(微升),它是一台医疗仪器上的一部分,大家都知道:当人们需要对人体的血液等一些液体来进行化验式,往往只需要取一些很少量的液体,有时甚至必须取少量而且非常精确的液体,这时只通过人工提取是不可能实现的,这时就用到了这种仪器电子取样器。它可以通过人工设置,定量、定速地对液体进行精确的提取,以方便人们对所需的液体进行检测。1.1 取样器的框图电子取样器框图如图 1.1 所示:图 1.1 电子取样器框图单片机电机键盘 液晶光耦电子取样器设计21.2 毕业设计内容本设计的主要内容包括两个方面:一方面是硬件的设计,另一方面是软件的设计。其中硬件部分主要包括:键盘的设计;液晶的设计;光耦的设计;电机的设计;阀门的设计,它主要是由键盘控制单片机,单片机通过已写入的程序再加上硬件的设备来驱动电机转动,电机转动带动活塞上下移动,活塞上下移动可以将由阀门输入近来的液体按要求的流量和流速进行定量和定速的输出。其软件主要是将以上部分综合整理,再根据整理的数据以及需要的元器件,绘制出整体的电路原理图。再根据这些,运用所学的 C 语言,编写出整个电路的程序,再通过检查后,将以编写好的程序写入 PIC16F946 单片机,并保证所有的硬件系统能在编写好的程序下、由单片机控制、按照人们所要求的步骤执行操作,从而充分的实现人机对话的以及提取液体的最大限度能够达到1ul(微升)液体的功能。电子取样器设计3第 2 章 键盘的设计2.1 键盘的概述在现代个人计算机系统中,一般都采用通用的标准键盘(如:标准 101/102键盘或 Microsoft 自然 PS/2 键盘)来实现人与计算机之间的接口交互,所需要的各种数据和指令等信息都通过键盘来输入计算机。但是,在各种嵌入式系统(如手机、微波炉、电风扇等)中,所需要的键盘按键个数非常有限,通常为几个到十几个不等(而标准键盘通常为一百多个按键),并且每个按键所代表的功能含义也各不相同。所以,针对每一种嵌入式系统都应对键盘(包括键盘扫描模块和相关控制信号等)进行专门设计,结合工程实际情况充分利用该系统已有的各种资源,使所设计的键盘恰如其分地融合到嵌入式系统中,成为其不可分割的一部分。2.2 键盘设计在数字电路中,可以利用编码器实现按键键值的直接编码。将每个按键的输出信号对应连接到编码器的每个输入端,通过编码逻辑就可以在编码器的输出端得到对应每个按键的码值,早期称这种键盘为编码键盘。但是,当按键较多时数码逻辑的成本较高,直接编码的方法也不够灵括,一旦编码逻辑固定就难以更改。在通用键盘上或当按键数量较多时,普遍采用扫描方式产生键值。将按键连接成矩阵,每个按键位于某行、某列的交点上,如图 2.1 所示,先通过扫描方式确定按下键的行和列位,即位置码或扫描码。再查表将位置码转换为按键码值或者直接使用扫描码,有些参考书称此为“非编码键盘” 。但这种名称容易让人误解为没有对应的键值,因此又称为扫描式键盘同时这种扫描键盘又可分为 2 种,一种是由硬件来实现的,为硬件扫描键盘、另一种是由软件来实现的,为软件扫描键盘:如果执行扫描的过程由硬件逻辑实现,则这种键盘称为硬件扫描键盘或电子扫描式编码键盘。在执行键盘扫描时应注意将键在闭合过程中往往会有一些难以避免的机械性抖动,使输出信号也发生抖动,通常达 10 ms20 ms 宽。若不避开抖动区,则可能误认为多次按键。因此应该设置硬件延时电路,延迟数十毫电子取样器设计4秒后才读取键值,这种电路称为去抖电路。还应注意当前一个键值还未送出又有按键按下时,后边的键值将覆盖前边的键值,从而造成丢失。通常可以设置一个控制信号,使前一键值送出后才允许产生后一键值,或者设置一组寄存器保存前边若干个键值,等待系统逐个按序处理。图 2.1 扫描键盘内部图硬件扫描键盘的优点是不需要主机担负扫描任务,仅当产生键值后才向主机发出中断请求,CPU 以相应中断方式接收按键键值,或者 CPU 定时从某个地址获取按键键值。这种方式大大减轻了 CPU 的运行负荷,使其有更多的时间段去运行其他应用程序。当然也可以执行键盘扫描程序,由 CPU 通过软件方法对键盘进行扫描,键盘扫描程序的流程如图 2 所示。这种键盘被称为软件扫描键盘。按键时,键盘向主机提出中断请求,由软件扫描键盘获得按键键值,或者由 CPU 定期执行键盘扫描程序,从而获得按键键值,这种扫描方法被称为逐行扫描法,当有键按下时首先获得此键的列值,然后逐行扫描就可以判断按键所在的行值,由行、列值转换到按键键值。当然,可以在执行键盘扫描的过程中加入一定的延时,以去除抖动所带来的影响。此取样器用到的扫描键盘是软件扫描键盘,键盘的外部主要由如(图 1.2)所示的部分组成,由于取样器需要人1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14-Apr-2008 Sheet of File: C:ProtelExamplesMyDesign.ddb Drawn By:1 2 3 45 6 7 89 0 一一 一一一一 一一 一一 一一电子取样器设计5图 2.2 键盘的外部图机对话的过程,加入了此键盘,可以为取样器提供人机对话的写入功能,工作人员可以通过键盘,将需要操作的取样流量和间隔时间输入给 CPU,再由 CPU执行次操作,然后再将得到的结果反应给液晶部分,所以说此键盘部分为取样器提供了人机对话的写入功能。2.3 按键的说明如(图 1.2)所示:首先是开关键,此键的作用是当电源插好后,用此键来控制整个取样器的开通与关断,只有当此键处于开通状态下时,取样器才能进行下一步的操作;然后是图中 09 为数字键其作用是为取样器输入数值,这数值包括吸入量、排出量、滴定量、时间间隔和管径的数值。除了这些数字键以外,还有清洗键、声音键、开始键、功能键、确定键、清除键;清洗键的作用是 :当开通开关后或刚取样过液体后要换新的液体时,需要将装液体的管内清洗一下,此清洗的过程是由单片机设置好的,固定清洗 3 次,以此来保证管内的清洁,以防止重新装入的液体的结晶;接下来是声音键,此键的作用是控制取样器的发声,因为次取样器配备了发音的功能,以便提醒我们对其工作的过程能有及时的了解,当有时也会出现在需要特别安静的地方使用此取样器,这就需要将声音关掉,以便达到安静的目的,当按动一下此键,相应的就会在键盘上出现一个喇叭的图形,此过程将在液晶显示器里介绍;再者是开始键,此键是在当电源插好后,开关键也开通后,就要进行各个环节的定量,这些定量包括:吸入量定量、排出量定量、滴定量定量、时间间隔的定值,再这些过程都结束后,再按动开始键,取样器就可以在完全脱离人的环1 2 3 45 6 7 89 0 清洗 声音开 关开始 功能 确定 清除电子取样器设计6境下进行自动的运转,完成设定的要求;6 然后是功能键,此键的作用是用来控制各功能的切换,只有在功能键选定此相时,按数字键对取样器进行定量的输入时,所输入的数据才是有效的,否则,输入任何的数据都是无用的,另外还要注意一下,在输入数字前一定要注意一下功能键指的位置是不是需要设定的功能,以免把别的功能误改;接下来是确定键,确定键的作用是在对所需设定的功能设定之后,确定已无需再修改后,按动此键,表示可以进行各项综合的操作了,如不按动此键,所输入的任何数据都没经过确认,即不能生效,即使是操作了,也不能达到想要达到的目的;最后是清除键,清除键的作用是当输入要求的数据发声错误时,可以用此键进行修改,可方便对所要操作的数据进行更方便更快捷的进行修改,可加快对所需的新数据的写入过程。电子取样器设计7第 3 章 电机的设计3.1 电机的概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。电机在此电子取样器中起着相当重要的作用:当液体从输液阀流入后,要想取样器按照人工所需的要求进行定量、定速地输出,就必须用到此电机,可以通过设置,使电机按照要求进行转动,当电机转动时,就可以带动活塞上下移动,以达到抽液的作用。步进电机的驱动电路一般由两部分组成,一部分是数字逻辑部分,即环行脉冲分配器,它决定步进电机各项绕组的通电顺序。 另一部分是功率放大部分,它提供步进电机所需要的功率。3.2 步进电机的一些特点 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积。 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上,有的甚至高达摄氏 200 度以上,所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启电子取样器设计8动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。3.3 步进电机的分类(一)按力矩产生的原理分 反应式步进电机:转子无绕组;定子上有绕组,呗激磁后产生反应力矩,实现步进运动。 激磁式步进电机:转子有绕组(或用永久磁钢) ;定子有绕组;绕组呗激磁后产生电磁力矩,实现步进运动。(二)按输出力矩大小分 伺服式步进电机:输出力矩小,只能驱动较小的负载,若要驱动机床工作台等较大的负载,须和液压扭矩放大器配合使用。 功率式步进电机:输出力矩较大,能直接驱动机床工作台等较大的负载,无须配备任何东西就可自行工作。(三)按定子数分 单定子式步进电机 双定子式步进电机 三定子式步进电机 多定子式步进电机(四)按各相绕组分不分 径向分相式:电机各相按圆周依次排序 轴向分相式:电机各相按轴依次排序3.4 感应子式步进电机工作原理(一)反应式步进电机原理下面先叙述三相反应式步进电机原理: 结构:电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3 、2/3 ,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示) ,即 A 与齿 1 相对齐,B 与齿 2 向右错开 1/3 ,C 与齿 3 向右错开 2/3 ,A与齿 5 相电子取样器设计9对齐, (A就是 A,齿 5 就是齿 1) 旋转:如 A 相通电,B,C 相不通电时,由于磁场作用,齿 1 与 A 对齐, (转子不受任何力以下均同) 。如 B 相通电,A,C 相不通电时,齿 2 应与 B 对齐,此时转子向右移过 1/3 ,此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ,齿 4 与 A 偏移(-1/3 )=2/3 。如 C 相通电,A,B 相不通电,齿 3 应与 C 对齐,此时转子又向右移过 1/3 ,此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。如 A 相通电,B,C 相不通电,齿 4 与 A 对齐,转子又向右移过 1/3 这样经过 A、B、C、A 分别通电状态,齿 4(即齿 1 前一齿)移到 A 相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按 A,B,C,A通电,电机就每步(每脉冲)1/3 ,向右旋转。如按 A,C,B,A通电,电机就反转。由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 这种导电状态,这样将原来每步 1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合,使其 1/3 变为 1/12 ,1/24 ,这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出:电机定子上有 m 相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。 力矩:电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量 )当转子与定子错开一定角度产生力F 与(d/d)成正比 其磁通量 =Br*S Br 为磁密,S 为导磁面积 F 与 L*D*Br 成正比L 为铁芯有效长度,D 为转子直径Br=NI/RNI 为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R 为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态)电子取样器设计10因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。(二)感应子式步进电机 特点:感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。例如:四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为 C= ,D= 。AB一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。 分类感应子式步进电机以相数可分为:二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)可分为:42BYG(BYG 为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均为国内标准。 步进电机的静态指标术语相数:产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用 表示。=360 度(转子齿数 J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360 度/(50*4)=1.8 度(俗称整步),八拍运行时步距角为=360 度/(50*8)=0.9 度(俗称半步)。定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无电子取样器设计11关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。步进电机动态指标及术语:a、步距角精度:步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在 5%之内,八拍运行时应在 15%以内。b、失步:电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。称之为失步。c、失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。d、最大空载起动频率:电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。e、最大空载的运行频率:电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。f、运行矩频特性:电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。如下图3.1 所示:图 3.1其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。如下图 3.2 所示:电子取样器设计12功率放大信号分配图 3.2其中,曲线 3 电流最大、或电压最高;曲线 1 电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。g、电机的共振点:步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps 之间(步距角 1.8 度)或在 400pps 左右(步距角为 0.9 度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。h、电机正反转控制:当电机绕组通电时序为 AB-BC-CD-DA 或( )时为正转,通电时序为 DA-CA-BC-AB 或( )时为反转。3.5 电子取样器驱动控制系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如图 3.2 所示:图 3.3步进电机负载脉冲信号电子取样器设计13 脉冲信号的产生。脉冲信号一般由单片机或 CPU 产生,一般脉冲信号的占空比为 0.3-0.4 左右,电机转速越高,占空比则越大。 信号分配本设计的感应子式步进电机以二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种,具体分配如下:二相四拍为 ,步距角为 1.8度;二相八拍为 ,步距角为 0.9 度。四相电机工作方式也有二种,四相四拍为 AB-BC-CD-DA-AB,步距角为 1.8 度;四相八拍为 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为 0.9 度)。 细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。如图 3.4 所示:图 3.4 功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。为尽量提高电机的动态性能,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。我厂生产的 SH 系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如图 3.5所示:1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 28-Apr-2008 Sheet of File: C:ProtelExamples一一一20083.DDB Drawn By:一一一CPUCP AOPTO AFREE BDIR BVCCGND一一一一一+5V一一一一电子取样器设计14图 3.5说明:CP 接 CPU 脉冲信号(负信号,低电平有效)OPTO 接 CPU+5VFREE 脱机,与 CPU 地线相接,驱动电源不工作DIR 方向控制,与 CPU 地线相接,电机反转VCC 直流电源正端GND 直流电源负端 A 接电机引出线红线接电机引出线绿线 B 接电机引出线黄线接电机引出线蓝线电子取样器设计15步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如图 3.6所示:图 3.63.6 电子取样器驱动电路设计根据前面所介绍的设计思想,设计了 24BYJ24 的驱动电路,原理图如图 37 所示。图 3.7 两相永磁式步进电机驱动电路图1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 21-Apr-2008 Sheet of File: C:ProtelExamples一一一20083.DDB Drawn By:DQACQBBQCCPD/JAENQD74LS191A5A6A7A4A0A8A9I/O3A1I/O0CE A10A3A11I/O1OE I/O2A12A2AT28C64BGNDIBIAGNDOBVCCVCCOAL9110GNDIBIAGNDOBVCCVCCOAL9110VCCABABAB+24V一一一一一一一一电子取样器设计16它由可逆计数器 74LS191 ,电可擦除的可编程只读存储器 AT28C64B ,驱动芯片 L9110 组成,脉冲和方向输入信号由单片机发出。 两相永磁式步进电机的供电状态有两种,一种为两相四拍式,其通电方式为 A -OB - aA - B ,另一种为两相八拍方式,其通电方式为 A -AOB - OB - OBaA - aA - aAB - B - BA ,本文电路采用两项八拍通电方式。 输入脉冲数与绕组通电的对应关系列于表 31 中,E 2PROM 的地址从 0000H 开始。1 代表高电平,磁极绕组通电,0 代表低电平,磁极绕组不通电。输入脉冲数与绕组通电对应表 3.1:表 3.1 输入脉冲数与绕组通电E2PROM 地址 存储单元的数据二进制 二进制各相绕组通电情况:1-通电 0-不同电脉冲计数A3A2A1A0 Q3Q2Q1Q0 BA1 0000 0001 00012 0001 1001 10013 0010 1000 10004 0011 1010 10105 0100 0010 00106 0101 0110 01107 0110 0100 01008 0111 0101 0101从图 3.7 可知,计数器的 4 个输出端 QA ,QB ,QC ,QD 对 E2PROM 的低四位地址线 A0 ,A1 ,A2 ,A3 进行选址,共有 16 个单元可以存放步进电机的 16 种励磁状态,对两相步进电机的八拍式可以存放两组励磁状态数据。当可逆计数器的 D/ J 信号端输入为高电平时,可逆计数器进行加法计数,当可逆计数器的输出为 00H 时,由它选中 AT28C64B 的地址单元,输出 01H ,去驱动 L9110 芯片的 H 桥,使步进电机的 A 相通电。当 CP 端的第一个脉冲到时,可逆计数器加 1计数,选中 E2PROM 的 0001H 地址单元,输出 09H ,步进电机的 A 相和 B 相通电。 以此类推,根据表 1 依次导通步进电机的不同相,实现步进电机的正转。 同理,当 D/ J 输入信号为低电平时,可逆计数器进行减法计数,通过连续给 CP 端发送脉冲可以实现步进电机的反转。 同时我们还可以通过控制脉冲的发送频率来控制步进电机的转速;通过控制步进脉冲的个数,实现步进电机的定位。电子取样器设计17电子取样器设计18第 4 章 光耦的设计4.1 光耦的定义耦合器(optical coupler,英文缩写为 OC)亦称光电隔离器,简称光耦,是开关电源电路中常用的器件。在此电子取样器中,光耦由单片机控制,其作用是用来控制当活塞升到最高的位置时, 对其施加一个限制,如果没有此部分,一旦当活塞发生意外或其他特殊情况时,由于转轴的长度有限,可能发生活塞脱落的现象,加了此光耦,就可以更好的避免此事件的放生,使其不能脱离轨道,为活塞的安全提供了保证。4.2 光耦的工作原理耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED) ,使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。4.3 光耦的优点光耦合器的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件,现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中,利电子取样器设计19用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。4.4 光耦的种类光电耦合器分为两种:一种为非线性光耦,另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的,这类光耦适合于开关信号的传输,不适合于传输模拟量。 常用的 4N 系列光耦属于非线性光耦 。线性光耦的电流传输特性曲线接近直线,并且小信号时性能较好,能以线性特性进行隔离控制。 常用的线性光耦是 PC817AC 系列。开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦,有可能使振荡波形变坏,严重时出现寄生振荡,使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。由此产生的后果是对彩电,彩显,VCD,DCD 等等,将在图像画面上产生干扰。同时电源带负载能力下降。 在彩电,显示器等开关电源维修中如果光耦损坏,一定要用线性光耦代换。 常用的 4 脚线性光耦有 PC817A-C。PC111 TLP521 等常用的六脚线性光耦有:LP632 TLP532 PC614 PC714 PS2031等。 常用的 4N25 4N26 4N35 4N36 是不适合用于开关电源中的,因为这 4 种光耦均属于非线性光耦。根据以上所说,本设计采用上面两种里的线性光耦。4.5 线性光耦的介绍光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如 UART 协议的20mA 电流环。对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如 ADI 的 AD202, 能够提供从直流到几 K 的频率内提供 0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电子取样器设计20电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如 Agilent 公司的 HCNR200/201,TI子公司 TOAS 的 TIL300,CLARE 的 LOC111 等。本设计用的是 Agilent 公司的HCNR200/201,以下就是此型号的介绍。4.6 芯片介绍与原理说明HCNR200/201 的内部框图如图 4.1 所示图 4.1 HCNR200/201 的内部框图其中 1、2 引作为隔离信号的输入,3、4 引脚用于反馈,5、6 引脚用于输出。1、2 引脚之间的电流记作 IF,3、4 引脚之间和 5、6 引脚之间的电流分别记作 IPD1 和 IPD2。输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流 IF 上,IPD1和 IPD2 基本与 IF 成线性关系,线性系数分别记为 K1 和 K2, 即, 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 22-Apr-2008 Sheet of File: C:ProtelExamples一一一20083.DDB Drawn By:Vf一一NCNCPD2 CATHODEPD2 ANODEPD1 ANODEPD1 CATHODELED ANODELED CATHODE 1234 5678FLpd1 Lpd2FPDIK11 FPDIK22电子取样器设计21K1 与 K2 一般很小(HCNR200 是 0.50%),并且随温度变化较大(HCNR200 的变化范围在 0.25%到 0.75%之间),但芯片的设计使得 K1 和 K2 相等。在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值 K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。HCNR200 和 HCNR201 的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于HCNR200,HCNR201 提供更高的线性度。采用 HCNR200/201 进行隔离的一些指标如下所示:* 线性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;* 线性系数 K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;* 温度系数: -65ppm/oC;* 隔离电压:1414V;* 信号带宽:直流到大于 1MHz。从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对 HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。4.7 典型电路分析HCNR200/201 的手册上给出了多种实用电路 ,其中较为典型的一种如图 4.2所示:设输入端电压为 Vin,输出端电压为 Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为 K1、K2,显然,和之间的关系取决于和之间的关系。将前级运放的电路提出来看,如图 4.3 所示:设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系:Vo=Voo-GVi (41)其中是在运放输入差模为 0 时的输出电压,G 为运放的增益,一般比较大。忽略运放负端的输入电流,可以认为通过 R1 的电流为 IP1,根据 R1 的欧姆定律得:1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 22-Apr-2008 Sheet of File: C:ProtelExamples一一一20083.DDB Drawn By:LEDPD1PD21234 5678VCCR3R1 R?RES1VCC IfIp1VCC一一+5V一一一VinVoutIp2(42)11RVIiinP电子取样器设计22图 4.2 HCNR200/201 典型电路图 4.3 HCNR200/201 反馈电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 22-Apr-2008 Sheet of File: C:ProtelExamples一一一20083.DDB Drawn By:LEDR1R2PD1IfIp1VCCViVoVCC1234VDD电子取样器设计23通过 R3 两端的电流为 IF,根据欧姆定律得:其中,为光耦 2 脚的电压,考虑到 LED 导通时的电压()基本不变,这里的作为常数对待。根据光耦的特性,即:K1=IP1/IF (44)将和的表达式代入上式,可得:上式经变形可得到:将的表达式代入(43)式可得:考虑到 G 特别大,则可以做以下近似:(43)3RVIoDF)()(013133111 ioDiinoDiinoDiinFP GVRVRVIK (45)iinioDGKVRK33101)( (46)3103 )(RVoDini (47)33100303 )(RGKVVRGVVI oDinoDIoDoDF 313 0100 )()()(KoDoDo31330)(RRVGVinoD (48)131330)( RKVRGKVlinIliI ininoDGFGF (49)电子取样器设计24这样,输出与输入电压的关系如下:可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由 K3 和 R1、R2 确定。一般选 R1=R2,达到只隔离不放大的目的。 4.8 辅助电路与参数确定上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。a、运放选型运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从 0 到 VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI 公司的 LMV321 单运放电路能够满足以上要求,可以作为 HCNR200/201 的外围电路。b、阻值确定电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流 IFmax。K1已知的情况下,IFmax 又确定了 IPD1 的最大值 IPD1max,这样,由于 Vo 的范围最小可以为 0,这样,由于考虑到 IFmax 大有利于能量的传输, 由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑 IPD1 的限制,这样,R2 的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将 R2=R1 即可。另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在 R2 处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。c、参数确定实例假设确定 Vcc=5V,输入在 0-4V 之间,输出等于输入,采用 LMV321 运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。* 确定 IFmax:HCNR200/201 的手册上推荐器件工作的 25mA 左右;* 确定 R3:R3=5V/25mA=200;* 确定 R1:;* 确定 R2:R2=R1=32K。综上所述,此部分由单片机控制,其作用是用来控制当活塞升到最高的位置时,对其施加一个限制,如果没有此部分,一旦当活塞发生意外或其他特殊情况时,ininFPout VRKRIKIV 1231222 (410)电子取样器设计25由于转轴的长度有限,可能发生活塞脱落的现象,加了此光耦,就可以更好的避免此事件的放生,使其不能脱离轨道,为活塞的安全提供了保证。
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