家用缝纫机电机控制器毕业设计说明书

本科毕业设计论文课题名称： 家用缝纫机电机控制器设计 作者姓名 黑体三号，加粗，居中 指导教师 专业班级 学 院 提交日期 2016 年 4 月 20 日浙江工业大学本科毕业设计论文i家用缝纫机电机控制器设计摘 要针对直流电机运行环境恶劣、干扰严重的特点，从系统的硬件设计、软件设计等多方面进行抗干扰的综合考虑，并利用多种软件和硬件技术来提高和改善系统的抗干扰能力，有效地提高了系统的可靠性和实用性。本系统基于 SH88F54 单片机为核心控制，整流分压后定时打开 ADC，实现全波的过零检测和获取脚踏板电压值，线性映射了晶闸管的导通角。缝纫机运行过程中实时监测电机速度，利用 PI 算法，最终实现缝纫机电机速度的高效稳定控制。该控制器控制的电机具有加速快、运行平稳、抗干扰能力强等许多优点，而且还能自适应 50Hz/60Hz 两种电源频率，使得实用性更强、应用范围更广。由于开关电源效率高、抗干扰能力强、输入电压宽等优点，所以单片机和晶闸管驱动的供电电源采用了开关电源设计。最终该控制器系统可以达到简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。运行结果表明，该系统实现了家用缝纫机的电机速度稳定控制，达到了课题要求的性能要求。关键词：开关电源；SH88F54；PI 算法；ADC浙江工业大学本科毕业设计论文ii目 录摘 要 .错误！未定义书签。Abstract.错误！未定义书签。第一章 绪 论 .错误！未定义书签。1.1 选题背景 .错误！未定义书签。1.2 设计意义 .错误！未定义书签。第二章 设计要求与方案论证 .22.1 设计要求 .12.2 系统基本方案选择和论证 .22.2.1 单片机主控芯片的选择和方案论证 .22.2.2 显示模块选择方案和论证 .错误！未定义书签。2.2.3 时钟芯片的选择方案和论证 .错误！未定义书签。2.2.4 温度传感器的选择方案论证 .错误！未定义书签。2.3 电路设计最终方案决定 .5第三章 系统的硬件设计与实现 .73.1 系统硬件概述 .73.2 主要单元电路的设计 .73.2.1 控制系统的设计 .73.2.2 时钟电路模块的设计 .错误！未定义书签。3.2.3 温度采集模块设计 .错误！未定义书签。3.2.5 液晶显示模块概述 .错误！未定义书签。3.2.6 按键模块 .12第四章 系统的软件设计 .164.1 界面与交互 .错误！未定义书签。4.2 软件设计 .错误！未定义书签。4.2.1 主流程 .164.2.2 时间模块设计 .错误！未定义书签。4.2.3 时间设置模块 .164.2.4 闹铃设置模块 .错误！未定义书签。4.2.5 温度模块设计 .错误！未定义书签。4.2.6 显示模块 .错误！未定义书签。第五章 制作和调试 .225.1 硬件调试 .225.2 软件调试 .235.3 使用说明 .错误！未定义书签。第六章 设计总结与心得 .错误！未定义书签。参考文献 .错误！未定义书签。浙江工业大学本科毕业设计论文iii致谢 .错误！未定义书签。附录一 程序清单 .错误！未定义书签。附件二 原理图 .错误！未定义书签。附件三 PCB 图 .错误！未定义书签。浙江工业大学本科毕业设计论文1第 1 章 绪论1.1 选题背景 随着（宋体，小四号，行距 1.25 倍）随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的逐渐成熟，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。直流电机因具有良好的线性调速特性、效率高、控制简单、调速性能好及体积小等优点，所以直流电机在缝纫机领域里面也得到了广泛的应用。现在我国已经然成为了世界上最大的缝制机械生产和销售大国，各类缝机生产企业近两千家,而且在全球金融危机影响的背景下，国内缝制机械类专利申请数量还有大幅增长。目前，国内缝制机械总产量已占世界缝制机械总产量的 80%以上。虽然我们国家已经成为世界缝纫机生产中心和生产大国，但却不是强国，自动化程度低，功能单一，可靠性不高等都是我们生产的缝纫机一些严重不足。如何才能使控制电路具有成本低、控制精度高、调试修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可靠性高的直流电机控制系统中，这都是我们研究最终目的。1.2 设计意义目前本课题来自于企业实际项目，以家用电动缝纫机为应用背景，51 单片机为核心，采用晶闸管控制永磁有刷直流电机的速度。设计实用、经济、节能、方便的家用缝纫机，不但满足需求，还可以拓展海外市场。作为一种控制类的成熟控制产品，家用缝纫机非常的实用，家家户户都能用它制作衣服和缝补衣服，并会受到大多数人的喜爱和认可。设计的家用缝纫机有着许多优点，具有加速快、运行平稳、抗干扰能力强可以适应恶劣环境, 而且电源部分使用电源效率高的开关电源设计，不仅节能而且可靠。本着经济节能的设计宗旨，该缝纫机肯定有广大的市场需求。浙江工业大学本科毕业设计论文2第二章 设计要求与方案论证通过（宋体，小四号，行距 1.25 倍）图 2-1 XX 结构示意图（宋体，五号，居中）图 2-2 受力分析2.1 设计要求1 设计永磁直流有刷电机控制器，要求加速快、运行平稳、抗扰动能力强；2 电机采用 220V 直流有刷电机（串激或永磁） ；3 采用 51 单片机作为主控，晶闸管作为控制器件，通过改变导通角实现调速（可选用 PI 或 PID 控制） ；4 速度检测电路的实现（光编或 HALL 器件实现） ；5 调速器电路的实现（可选用滑阻或 HALL 器件实现） ；6 交流输入端有一定的 EMI/EMC 电路；7 实现 ACDC 开关电源，220V 交流输入，5V 直流输出给单片机等系统供电。2.2 系统硬件选择方案的选择和论证2.2.1 单片机主控芯片的选择和论证方案一：采用 AT89C51 芯片作为硬件的控制核心，内部具有 4KB ROM 存储空间，能在 3V 的超低电压工作，与 MCS-51 系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备 ISP 在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次插拔会对芯片造成一定的损坏。内部没有 ADC 采样模块，对需要 ADC 转换的设计需要增加 ADC 转换芯片，增加了成本。方案二： 采用 stc12c5a60s2 单片机是机器周期为 1T 的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容 8051，速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D转换，电机控制，强干扰场合。但不理想的是不能在线调试，不方便开发和调式，严重影响设计速度。浙江工业大学本科毕业设计论文3方案三：采用 SH88F54 是一种高速高效率 8051 兼容单片机，在同样振荡频率下，较之传统的 8051 新片片，它具有运行更快速，性能更优越的特性。它拥有 RAM 内部 256 字节，外部 1024 字节，还有内置 8 路高速 10 位 A/D 转换，高速 SPI，3 个定时器等，还具有在线调试功能。结论：结合综合价格、存储空间大小、耐用性、调试方便等因素，本设计采用 SH88F54 作为主控系统。2.2.2 过零检测的选择和论证方案一：利用 220V 交流电源（50Hz 或 60Hz）的正弦整流后，利用电阻分压后得到 0 到 5V 的变化电压，再经光耦隔离后得到 50Hz 或 60Hz 的下降沿信号，使得主控产生过零中断，再获取脚踏板的位置信号计算出晶闸管的导通角范围。方案二：220V 交流电源（50Hz 或 60Hz） ）整流后，也是利用电阻分压得到 0 到 5V 的电话电压，利用主控内部的 ADC 模块，检测过零电压 0V 左右，再获取脚踏板的位置信号计算出晶闸管的导通角范围。结论：出于成本考虑，选用主控内部的 ADC 模块为过零检测装置。2.2.3 晶闸管的选择和论证方案一：采用 MCR100 晶闸管。MCR100 晶闸管可用于继电器与灯控制、小型马达控制、较大晶闸管的门极 驱动、传感与检测电路等。晶闸管导通的条件是阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。在整流电路中，晶闸管在承受正向电压的时间内，改变触发脉冲的输入时刻，即改变控制角的大小，在负载上可得到不同数值的直流电压，因而控制了输出电压的大小，最终控制了电机的转速。此晶闸管最大断态重复峰值为 400V，最大平均通态电流 1A，控制极触发电压和触发电流最小值分别为 0.6V、30uA。在成本和性能上考虑都比较理想。方案二：采用 BT151 晶闸管。BT151 晶闸管适用于各种万能开关器、小型马达、彩灯控制，漏电保护器等。触发电流 IGT650V，最大平均通态电流为 7.5A。该晶闸管还具有灵敏的控制极触发电流、可高性能高、通态压降小。结论：考虑到该系统的通态平均电流和瞬间峰值都比较大，最终选用BT151 晶闸管。浙江工业大学本科毕业设计论文42.2.4 晶闸管驱动的选择和论证方案一：三极管驱动。三极管具有寿命长、安全可靠、没有机械磨损、开关速度快、体积小等特点。开关三极管可以用很小的电流，控制大电流的通断，有较广泛的应用。小功率开关管可以用在电源电路、驱动电路、开关电路等；也可用于低频功率放大电路、电流调整等。方案二：光耦驱动。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管 LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。结论 ：光耦具有隔离和抗干扰能力强等特点，可以保护主控模块，所以选用光耦驱动。2.2.2 速度测量的选择和论证方案一：采用霍尔传感器。使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。方案二：采用光电编码器。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电编码器与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 的两路脉冲信号。结论：光电编码器不但原理构造简单、易于实现，而且分辨率高、抗干扰能力较强，所以选用光电编码器。2.2.2 过流保护的选择和论证方案一：采用保险丝。当电流流过它时，它就会发热，随着时间的增加其浙江工业大学本科毕业设计论文5发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度，保险丝的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度，若产生热量的速度小于热量耗散的速度时，保险丝是不会熔断的。若产生热量的速度等于热量耗散的速度时，在相当长的时间内它也不会熔断。方案二：采用 LM358 作比较器。确定负载最大电流后，在负载接地端串接 0.4 欧的采样电阻，利用电流流过采样电阻转化为采样电压，当采样得到的电压超过 LM358 设定的比较电压后，其输出端产生负跳变信号，使主控产生最高级别中断，关闭 SCR。结论：为了或得更高的性能，结合两个方案实现过流保护。2.2.5 电源变压器的选择和论证方案一：采用交流线性变压器。在电器设备和无线电路中，变压器常用作升降电压、油式变压器、匹配阻抗，安全隔离等。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。但线性变压器输出电压不稳定，体积大，制造成本高。方案二：采用开关电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源具有输入电压范围宽，输出电压平稳，效率高等得点。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二