（测试计量技术及仪器专业论文）紫外可见分光光度计测控系统的研究与开发.pdf

ab s t r a c t t h e s t u d y w o r k i s a r o u n d t h e c e n t e r o f h o w t o d e v e lo p t h e a v r s i n g l e - s l i c e p r o c e s s , a n d p r o p o s e d a n e f f i c i e n t s i n g le - s l i c e p r o c e s s s y s t e m w h i c h i s u s e d b y t h e u l t r o v i o le t s p e c t r o p h o t o m e t e r. a t l a s t , a n u l t ro v i o l e t s p e c t r o p h o t o m e t e r s p e c t r u m a c t u a l m e a s u r e a n d c o n t r o l s y s t e m i s r e a l i z e d b y t h e u s e o f a n e w t y p e a t 9 0 s 8 5 1 5 m i c r o c o n t r o l l e r . d r i v e d b y a s t e p p i n g m o t e r w h i c h i s c o n t r o l l e d b y t h e a t 9 0 s s 5 1 5 m i c r o c o n t r o l l e r , t h e m e c h a n i s m c a n b e f i x e d p o s i t i o n v e ry p r e c i s e l y . c o o p e r a t e d w it h t h e a / d c o n v e r t e r a n d p h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r , t h e s y s t e m c a n t a k e d a t e s a m p l i n g , s t o r i n g a n d t r a n s m i s s i o n . i t a l s o c a n c o n v e y t h e d a t a t o t h e p c . t h e p c c a n t a k e c o m p l i c a t e d t r e a t m e n t a n d g i v e d i a g r a m o f c u r v e s . c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l a r t i f i c i a l m e a s u r e m e n t ,i t c a n t a k e s p e c t r u m a n a l y s i s m o r e p r e c i s e l y in a s h o rt t i m e . i t m a k e t h e u s e o f t h e u l t r o v i o l e t s p e c t r o p h o t o m e t e r v e ry s i m p l e a n d mo r e c o n v e n i e n t i t w a s s h o w n b y e x p e r i m e n t t h a t t h e u s e o f t h e a v r s i n g l e - s l i c e p r o c e s s c a n i m p r o v e th e a c t u a l e ff e c t o f t h e d e s i g n e d s y s t e m. i t h a s a c q u i r e d a g o o d r e s u l t i n p r a c t i c e s . k e y w o r d s : u l t r o v i o l e t s p e c t rop h o t o m e t e r , a v r s i n g l e - s l i c e p r o c e s s , s t e p - m o t o r , a i d c on ve rte r 紫外可见分光光度计测控系统的研究与开发 第一章 绪论 光电检测技术是各种检测技术中的重要组成部分，是建立在现代光、机、电、计算 机等科技成果基础上的综合技术。现代检测技术要求向非接触化方向发展，要求获得尽 可能多的信息量，所用电子元件及电路向集成化发展，检测技术向自 动化发展，检测结 果向数字化发展，检测系统向智能化发展。光电检测技术的特点完全适应了这一发展的 方向和需要.随着各种新型光电 探测器件的出现及电子技术和微计算机技术的发展，光 电检测系统的应用前景越来越广泛，且随着发展，重要性越来越明显。 紫外可见分光光度计是光谱测量中采用的光学仪器，但是目前使用的大多采用手动 调节的方式，效率低、精度差或智能化不够，不仅给使用者造成了大大的不便，也同时 增加了人为测量误差。 本系统设计和实现了一种基于 8 5 1 5单片机的紫外可见分光光度计微机实时测控系 统，利用 8 5 1 5控制的步进电机控制机械负载，从而精确的定位，并配合光电探测器件、 .高 精 度 模 数 变 换 芯 片 进 行 数 据 的 采 集 、 存 储 、 处 理 并 上 传 上 位 机 进 行 复 杂 数 据 处 理 ， 绘 一出 各 种分析曲 线， 大 大提 高 测量 速度、 精 度， 减少 误差， 使利 用紫 外可见分 光光 度计 进 行光学分析变得更加简便和直观，同时也大大地提高了仪器的智能化。 此系统不仅大大地提高了检测效率，也使十分复杂的计算、修正和控制关系变得轻 .而易举。调节和执行可完成许多高难度的控制过程。可通过修改程序来修改控制方案， 一 因 而 灵 活 多 变 ， 可 靠 性 高 ， 简 化 了 控 制 逻 辑 ， 电 路 最 省 控 制 更 优 。 具 有 较 高 的 智 能 性 ， .具有测量精度高、测量速度快、测量数据可靠性强等优点。系统采用模块化设计，配合 一单片机、实现整机的微小化，具有高性能、高可靠、高 稳定等优点， 便于改进提高和仪 一 器 的 升 级 换 代 ， 有 利 于 产 品 的 产 业 化 - .- - , - - . - 及 履 漏 .制 j i-jllw 一由于本单片机系统将应用于现场的实时测控，这就要求系统的运行速度要快、v个 一杀统的3a仃要准确可靠，这一点通讨洗用am i m $ k i n ( a t o n c q c i c ) 4 h n i a b v f , ， il h l 一少肛 p- v l w j - l tj j fzf. t % w9 e mic r 片米集的数据等信号的精度要求很高，该1 甫 i 0 . sa 一效能的软件及和相应的硬件的配合得到解决。 一 一 巡7 a f a 丝ii 鱼 塑a m * 3 z 4 3 f 兰 一 一 - 第二章 基于8 5 1 5 的紫外可见分光光度计测控系统概述 2 . 1紫外可见分光光度计的 基本原理与结构p a d 由光源、单色仪和比率光度计组成的仪器称为分光光度计，可以用来测量样品的光 谱透射比或光谱反射比。按光路结构来区分，又可分为单光束分光光度计和双光束分光 光度计两类。单光束分光光度计结构简单，造价低，但使用不太方便，且测量结果易受 光源不稳定性和探测器灵敏度变化等因素的影响。双光束分光光度计把分光后的单色光 分成两束参考光束和测量光束。这两束光迅速交替地射到光电探测器上，有效地抑 制了光源及探测器灵敏度变化对测量结果的影响.双光束仪器的比率光度计部分有多种 形式。比较早期采用的是旋转偏振面使两束光达到平衡的办法. 现代的紫外分光光度计 则多采用光电倍增管阳极电压反馈的办法。 紫外光谱仪是依据被测物质在紫外吸收光谱的特性及光吸收定律对物质进行定性鉴 别和定量测定的仪器。仪器由光源、单色器、样品室、检测器、控制系统和显示系统等 部分组成。光源发射具有一定强度的稳定的合适波长范围的光。单色器将光源辐射的各 种波长的光变成单色光。样品室用于放置被测试样和各种仪器附件。检测器将光信号转 换成电信号。控制系统将电信号进一步放大并进行控制操作。最后由显示系统将测量结 果显示和记录下来。 2 . 2紫外可见分光光度计测控系统 2 . 2 . 1 系统设计原理 系统框图如图 1所示. 整个系统主要由 紫外可见分光光度计、8 5 1 5及上位机、步进 电机控制模块、数据采集模块等组成。步进电 机在 8 5 1 5的控制下带动机械负载来精确定 位，光电探测器进行光/ 电变换，放大后由数据采集模块 ( a / d 7 7 0 3 )进行数据采集，进 而送 9 5 1 5及上位机进行数据处理。处理结果可以曲线和数据文件保存，方便打印或平滑 处理。 图 紫外可见分光光度计测神系鱿根图 丫之、 干 h f 7 9 l 5 i 9 t f it ! # 3 e a l f鱼壑 一一一一一一一 由于该仪器采用了微计算机控制，能直接对测i结果作进一步的处理，从而使其功 能得到扩展。 2 .2 . 2 系统硬件设计 该系统的硬件部分包括如下:紫外可见分光光度计:光电倍增管;模数变换器 ( 采 用 a / d 7 7 0 3 , 2 0位，工作方式采用连续变换，通过同步串行口 将数据送 8 5 1 5 ，带高速光 祸隔离) ;步进电机 ( 采用二相步进电 机，在 8 5 1 5控制下，可选择二相四拍或二相八拍 的运行方式，可选择电压驱动或电 流驱动) 。主要电 路图部分见图2( 第4 页) ，a / d及隔 离电路见图 3( 第 5页) 。紫外可见分光光度计主机与计算机控制板连接图见图 4( 第 6 页) 。 2 . 2 .3 系统软件设计 系统软件有运行在单片机上的低端处理系统和运行在p c机上的高端处理系统。系统 软件主要有初始化程序 ( 硬件初始化，系统参数初始化) ;步进电机驱动程序:数据采集、 处理程序;通讯程序;数字量输入、输出、中断及中断处理程序;p wm 模块及上位机程 序等构成，主要流程图如下 ( 图5 ) 数据采集模块 图5软件流程图 一 -一 ji2h f pt d9 s l a ft l ;丝v * f 9m y f 5t 4 3 f 兰. 一 rh刃n尸甲”臼0 砷醚贵朴补 a c7xv i iii ii o dl工d门53pce 0只二父 ta一口 卜kc切“o4c幼注一0切 c价门丫门8二门0切 d一巴功u二4山口c叨jj4.勺13.勺 勺11印刊门田一阳口小 为二阅6刀，jj一k 图 二fl，刀r -二产口，留一勺、切 7 k - 6 t i n b bz i m 吕 b b bo w n 已 吕 白 目，二7门 j r f 口 匕 n 乙 a v i n 下 花 万 召 万 -卜 叭卜r o-t 7 - 哥 厂 r = 1 2 v宗吕宝吕n日宕占 】 沦二7 1 i - w _ _j f j_ _ 。 、 干 冲! ”叼必切仍v甲、 d。 ! 1 。 目 曰 口 ， 二 d 。 口 土 二 n w : : j f jm v : : : 口曰ooo口口口0! 否 jo y ，n二w n一o 7 注 _二j f j一_。 ， 一丁 刃】 习刁 舀( n曰 ， v w、 口. 二 纪 iw_ i 巴 昌苏 。r s ; j份 二 全2 斗 飞 洲 2 - * 台i.t cn1 丢n 葱 n - na n w w n a会 一三 寒: b ,91 : : : . 因 一 共上十窿二 十 子人人切， r一 w 1 币、 l -1十 陌 刁汉 莎 1 隋 曰) 2 “ n门, rt i 一 下二 二 二 二衷庄云三未注三=吉 j r 一- m) p 紫 外 可 见 5 t j t j e i it f ! # 3 脚塾丝丝 5 三星 x u 7 7 0 3 d l 7 7 0 3 - - 2 . p c h0 2 0 1 2 3 3 0 4 1 = a d 6 8 0 r z = 3 0 - - l o o k c 0 1 = d w , 1 0 4 4 2 = a d 7 7 0 3 c 0 q 艺乞o o kq 3 = fr 臂3 - - 5 .ik c 0 3 = d w , 2 - 4 7 r 2 - a3 一一 5.1 k c 0 4 = 1 0 4 - - 1 的 图3 a / d及隔离电路 一一 一 一一一 一 一 鱼 丝 翌3 l 丝it 8 n1塑 塑 迪 鲤 达型l一一一一一 一一一 模拟信号 工作方式 采集 析初始位置 二相磁 步进电机 模拟信号 增益控制 c r t显示 盘管理 图4紫外可见分光光度计主机与计算机控制板连接图 - 甲 一一 5 h 巴 翌 达 鱼 魁 旦 丝 壑 丝 竺 -5 3 f 一 一 一 一-. 2 .2 . 4 系统功能及特点简介 本系统的步进电机驱动模块，作通用时最多可驱动6 个电 机同时工作 ( 也可选四个) ， 步进电机可选择二相四拍或二相八拍的运行方式，可选择电 压驱动或电流驱动。在 8 5 1 5 控制下，实现步进电机的正转、反转、加速、减速、停、单步及定步等不同的驱动模式 和模式组合，可按上位机指定的曲线运行，大大提高了定位精度，并可实现快速返回。 可对步进电 机驱动的机械负载进行去回空处理。 通过软、硬件的配合，实现了硬件复位外的软件复位，可以通过上位机对 8 5 1 5系统 进行软件复位，为非现场复位操作提供了很大的方便。 可通过上位机关、启定时器，使能、禁止中断。对外部中断进行了扩展，数字量输 入有 4个中断 4个查询，满足了系统的需要，且可以分别单独对几个外部中断的中断方 式进行设置 ( 像高电平触发或低电平触发) 。 本系统提供的数字量输出电平可以根据上位 机的指定进行方便的设置。 脉宽调制模块可在上位机的控制下，关闭或启动脉宽输出，可输出指定的电压，1 0 位分辨率，代替 d / a芯片，简化了电路设计.可以 输出系统所需的各种模拟信号，满足 了系统检测及控制的要求。 a / d模块， 连续变换，变换、采集、存储、处理同时进行， a / d 7 7 0 3和 8 5 1 5 之间仅 用两条口 线就实现了同步串 行通讯。隔离方便，效率、 精度高， 速度快，电 路简单。 通信模块，采用中断及中断标志查询方式。8 5 1 5和上位机 ( p c )间采用全双工异步 串 行通讯， r s - 2 3 2协议， 波特率为 9 6 0 0 ， 进行命令、 参数、数据等的传递。电 平转换电 路使用 m a x 3 2 2 1 ，它使用十 5 v电源，与单片机相同。在计算机通讯过程中，由 于信道上 各种复杂因素的影响，所传输的信号将受到干扰，严重时造成误码以致阻断通讯，在接 受方为了检查所接受的数据是否有误码，可采用多种检测办法。为提高传输数据的可靠 性，在通讯中 对命令字符，进行回传来验证确认; 对数据块，将多个字符组成一个信息 组，排列成矩阵形式，进行水平、垂直校验，既兼顾了效率，又提高了可靠性。 为提高系统的可靠性，使用了高速光电祸合器 ( h c p l 2 4 0 0 ) ，使输入信号和输出信 号在电器上绝缘，保证在共模噪声大和地电位差大的条件下传输信号时有良 好的效果。 为抑制5 0 h z 工频干扰，从软件上进行了考虑和处理。 上位机在 wi n d o ws . d o s平台下开发的应用软件.将具有先进的人机对话方式， 全中文界面，界面友好、清晰、漂亮、使用简单，操作方便，可满足用户各种要求。 由于将软件或人工智能引入仪器，使测量过程改用软件控制，不仅简化了硬件结构， 缩小了体积及功耗，提高了可靠性和灵活性，而且使仪器的自 动化程度更高。可以通过 数据处理实现间接测量，在很大程度上增加了扩展仪器功能的灵活性。具有远程控制和 数据传输能力，可纳入自动测试系统中。 系统软件由大量的小模块集成，修改非常简便，可随时应用户要求进行改造、完善。 系统模块化、微小化、智能化、网络化、高性能、高可靠。 .口.气 货外可见分光光 度计测控系统的研究与开发 第三章实时测控系统与p c机 为配合单片机更好的实现大量数据存储、复杂数据处理及实现远程控制等功能，系统 设计时考虑用 p c与单片机互联，让 p c为单片机提供数据存储空间及软件支援.系统中 p c与p c i p c与单片机之间的信息交换由串行通信来实现。通信模块将按r s - 2 3 2 接口 标 准实现单片机和p c机之间即a t 9 0 s 8 5 1 5 和p c机之间及p c和p c之间的串行通信，用 于实现远程测控、大量测量数据的存储及p c对单片机的软件支援，最终实现系统与中心 计算机间的联网。这也为将来将系统纳入 i n t e rn e t 网打下了坚实的基础。也有助于提高整 套仪器设备的智能性. 采用单片机承担实时测控，实现系统的实时测量控制及数据的初步处理分析，充分发 挥单片机稳定、 可靠、 适于实时测控的优点; 同时考虑到单片机资源有限的局限性， 用p c 机作为单片机的后盾，利用 p c机软硬件资源丰富的长处，提供数据综合分析、处理、储 存，联网。 3 . 1单片机:系统的实时测量控制及数据的 初步处理分析模块。 今 对系统进行硬件初始化，对系统各部分的工作状态，参数进行设置。 实现对系统相关外设的管理，整个系统各功能模块的实时控制测量及协调。 数据的采集、存储及数据的初步处理分析。 今命 / 终 端 仪 器 终 端 仪 器 图6系统联网示意图 紫 外 可 见 分 光 a l 过 m l 夔 婆 些 d h o 望 3 f 盆一 一 3 .2 p c 机部分: p c机作为单片 机的后盾， 提供数据综合分析处理储存， 联网。 + p c机为单片机提供汇编及c 语言的 编译环境。 p c机存储和管理大量的相关数据，当单片机需要时从p c调入。 4 利用 p c机丰富的软件资源对数据进行进一步综合分析处理，扩展仪器的功 能。 3 .3系统联网部分:实现系统的远程测控、诊断及系统软件的更新、升级等。 令 单片机与p c机串行通信的 软件模块. 令 通过p c机对系统进行远程测控。 令 多个仪器通过串行通信，实现数据交换共享. 令 单片机通过相应硬件接口 进入i n t e m e t 的软件模块。具有r s - 2 3 2 和4 8 5 接口与上 位机进行串行通信， i e e e 4 8 8 总线和u s b总线进行多机互连，有i n t e rn e t 网络接 口模块，可直接进入互联网。( 待后续开发功能) 令 并口 通讯软件模块。( 待后续开发功能) 令 多个仪器通过串、并型总线通信，实现数据交换共享软件模块。( 待后续开发功 能) 夺 网络下载单片机的更新程序 ( 待后续开发功能) 第四章 系统核心器件a t 9 0 s 8 5 1 5 4 . 1 a t 9 0 s 8 5 1 5 简介1 - 5 1 本系统所用的高性能单片机是 为a t me l公司生产的新一代基于 a t m e l公司的9 0 系列单片机之一。a t 9 0 系列单片机 a v r增强性能、r i s c结构的、低功耗、c mo s 技术的 高性能微控制器，简称 a v r系列单片机。是目 前市场上最新型的单片机之一，具有执行 高速、指令高效、低电压、低功耗、高驱动、程序可加密、适用范围广、开发工具廉价、 可扩展性、可作为用户专用芯片等优点。其采用了f l a s h技术和精简指令 r i s c结构， 这种结构使其在8 位微处理器市场上具有最高的m i p s / m v能力，也使其成为在8 位单片 机中第一种真正的r i s c机. 本设计使用 a t me l公司的 a v r系列的 a t 9 0 s 8 5 1 5单片机 ( 管脚图见图 7 ) e a t 9 0 s 8 5 1 5是a v r增强性能、r i s c结构、低功耗、c mo s技术的 8位微处理器。具有 以下特征: 具有8 k字节可下载的f l a s h 存储器， 5 1 2 字节的e e p r o m, 5 1 2 字节片内r a m ， 3 2条通用的u o线，3 2个通用寄存器，带比较模式的灵活性定时器/ 计数器，可编程的串 行u a r t ，内部及外部中断，带内 部晶振的可编程看门狗定时器，一个为下载程序而设计 的s p i 串行口，1 0 位a / d转换器，以 及2 个可通过软件选择的省电模式。闲置模式停止 c p u的工作， 而 s r a m、定时器/ 计数器、s p i口 及中断系统继续工作。掉电 模式保留寄 存器的内 容， 但冻结晶振，终止芯片的其它功能， 直至下一次外部中断或硬件复位. 8 5 1 5晶振最高可达 8 mh z 。用一个周期执行一条指令，具有良好的编程特性。因此 得到了越来越广泛的使用。 与 mc s 5 1 相比 1 ) a v r微控制器的 机器周期为一个时钟周期， 绝大多数指令为单周期指令，因此 每 1 mh z有近 1 mi p s的性能。在 8 mh z时钟下，每条指令执行时间仅为 1 2 5 n s a 这就优化了功耗和速度之间的矛盾。 2 ) a v r核为3 2 个通 用工作寄 存器与丰富 指令 集的 组合， 3 2 个寄 存器全部直 接地与 运算逻辑单元连接，这使得可以 通过在一个时钟周期内 执行一条指令来访问到两 个独立的寄存器。 这种组合结构具备的代码效率比完成同样处理能力的常规c i s c 微处理器要快 1 0 倍以上。 3 ) 程序存储器和数据存储器有分开的总线，程序可以高效的 执行，8 m h z频率下工 作的a v r相当于2 2 4 mh z频率下工作的普通的mc s 5 1 e 4 ) 拥有2 路p wm发生器， 这两路p wm可以 在双8 位、 9 位或1 0 位下自 运行、 抗 误 、节拍修正操作。同时还有一路输入捕获口，可以捕获引脚 i c p上的上升和 下降沿。 5 ) a v r单片机内置可重复编程的f l a s h程序存储器和e e p r o m数据存储器， 5 1 2 字节的 e e p r o m，可以保存运动参数，适于现场参数修改，这使得它用在运动 1 1 3 f 7 . 5 e i1f i f i i4 fe e f11 f 5 3 f 一一一一一一一 控制方面有很大的灵活性。同时a v r单片机还支持对存储器的在系统编程。 这些特点 使得 a t 9 0 s 8 5 1 5单片机， 执行高 速度， 指令效率高， 低电 压， 低功耗，高 驱动，成为一种满足许多需要的、 控制器。 4 . 2 a t 9 0 s s 5 1 5 管脚图 ( 图7 ) 14 1 具有高度灵活性和低成本的嵌入式控制应用的高效微 口 0 ) p 的 叮1 ) w 阴井 ( a i必 伪. ( y o a l ) ( 目 份 o ) t o 加， 1 阴 ， ， ( a i 月， 仍:f ， ( 04 ) ( a o 舜 w 朴 心 朋 n 栩附阴陇附脚脚附脚脚批ocf附pc.峭似附附阳p00 p.f附.阳ps附附丽，00p01肋阴侧po.麟po7 阿侧呵 ( 1 w ) 认， 与 ， ( a 1 4 ) 认1 3 1 ( a l p ( a 1 1 ) ( a 1 0 ) ( a 9 ) 口 曰 恤， 8 5 1 5 管脚图 jjo; 让让川7 幻n.n曰 货外可见分光光度计 测控系统的研究与开发 第五章 步进电 机驱动控制模块 本模块为步进电机的驱动提供四个相位的驱动脉冲，步进电机可选择二相四拍或二 相八拍的运行方式，可选择电 压驱动或电 流驱动。在 8 5 1 5控制下，此模块作通用时最多 可驱动6个电机同时工作 ( 或选择4 个电机) ，通过软件实现步进电 机的正转、反转、加 速、减速、停、单步及定步等不同的驱动模式和模式组合，可对步进电机驱动的机械负 载进行去回空处理。其中步进电 机的驱动将通过 8 5 1 5口 线控制驱动电流或电 压来实现， 并由软件实现步进电机按上位机要求的运行曲线运行，大大提高了定位精度。本模块通 过8 5 1 5 对六个电机的顺序扫描，实现6 个电机不同模式的驱动控制，并可快速返回。 5 . 1步进电 机简介 步进电机是机电一体化产品中常见部件。是一种把开关激磁的变化转换成转子位置 的增量运动的执行机构。 这种系统通常不需要反馈就能对位置或速度进行控制， 控制简 单，定位精度高，且位置误差不会积累。 按结构与工作原理可分为:反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机、 特种电机步进电机。其中以反应式步进电机最为常见。 反应式步进电机是利用磁阻转矩使转子转动的，( 定子控制绕阻每改变一次通电方式 称为一拍) 。永磁式步进电机，转子上有永久磁铁或单独的直流绕组产生单向的轴向磁场。 步进电机工作方式可采用单相绕组通电或多相绕组通电，( 单)通电方式由于在切换 时一相控制绕阻断电而另一相控制绕阻开始通电容易造成失步，此外单一控制绕阻通电 吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，故运行的稳定性较差。多相激励时， 可产生电磁阻尼，能克服失步现象。 步距角 q s ( 度 ) 是指每给一 个脉 冲信号，电 机转子所转角度的理论值。 显 然， 步距角 越小，控制精度越高。 静态力矩一电机能产生的最大磁矩，即转子静止情况下的电磁转矩，是指电机能够 产生的最大转矩。它主要影响定位精度 ( 影响定子精度) 。对机械负载准确定位 ( 外部负 载多有摩擦产生) ，步进电机必须产生足够大的转矩来克服负载转矩，避免造成转子偏离 理论步进位置，造成位置误差。 空 载起动频率 f : 是能 不丢步 地启动的 极限频率 ( d e g / s ) ， 步进频率较高时， 每相激 磁时间缩短，在激磁时间结束之前，绕组中的电流有可能达不到它的额定值，由于相电 流较低，在各个转子位置产生的电机转矩相应减少.为提高控制系统的性能，即提高运 行速度，并使步进电机不失步，电机运行可采用变速控制，即起动频率低，中间频率高， 控制到位时再减速。 本系统设计中，开关激磁 ( 励)信号由 8 5 1 5产生，构成以 8 5 1 5为核心的步进电机 控制系统。由于步进电机需要一定的驱动功率，而控制信号往往功率很小，必须经过缓 冲 放大 环 节， 对驱 动电 路 的 基 本 要 求 是 : 能 改 善电 流 波 形， 有 续 流 功 能， 电 路简 单， 可 j 才 塑f 鲤全鱼t j 塑鱼笙燮丝里冬史世 靠，功耗低，效率高。 步进电 机主要由 硬件完成驱动，由 软件提供脉冲信号。 8 5 1 5提供步进脉冲的 信号， 步进脉冲的产生与停止、 步进脉冲的频率和个数都用软件控制. 5 . 2步进电机驱动电路 (图 8) 8 5 1 5 控制信号 图8步进电机驱动电路 5 .3驱动模式及编程思想 步进电机的驱动模式: 1 ) 可选择步进工作方式。 2 ) 可改变步进方向。 3 ) 步进速度可以调节。 4 ) 可对电 机控制的机械负载进行去回空处理。 5 ) 可按预定要求完成行走步数。 步进电 机的控制方法: 1 ) 用单片机8 5 1 5 输出口a口 的四位控制一个电 机的驱动脉冲信号。 本设计用a口 的8 位 ( 输出信号经 5 7 3 锁存器锁存)控制两个电机 ( 同组) ，使用三个锁存器， 经顺序扫描， 最多 可控制6 个电 机. 通过编写高效的软件， 扫描一次仅需约3 0 0 u s ( 6 个电 机， 4 m h z晶振下时， 8 m h z晶 振下时需约1 5 0 u s ) , 2 ) 根据所选定的步进电机及控制模式，给出相应控制方式的数学模型。 步进电机的供电方式: 1 ) 二相四 拍( a、b , c , d ) 驱动时， 采用两相励磁， 供电 方式相应控制为( a b -b c 一 一c d - d a - a b ) ,旋转方向相反，取相反通电 顺序。两相励磁的 总电流增大两倍，最高启 动频率增大，能获得高转速。 2 ) 二相八拍驱动时，采用一、二相励磁 ( 交替 进行一相励磁与二相励磁的办法) ， 紫外可见分光光度计侧控系统的研究与开发 供电方式相应控制为 ( a -a b -b -b c -c -c d -d -d a -a ) ， 旋转方向 相反 取相反通电顺序。一、二相励磁，步矩变小。 步进电机的驱动及保持: 采用电压驱动时，为了使启动时得到较大的转矩， 要求流经电 机的绕组的电流快速 上升， 采用高电 压驱动( 系统所用电 机的额定电 压为1 2 v ) ， 驱动时用1 2 v ， 维持时用3 - 5 v 即可， 来提供维持电 流。电 源的选择通过 8 5 1 5的口 线控制来实现。 ( 具体电 路部分见系统 电路图2 ) 步进电机的变速应用: 对大多数控制任务，总是希望能尽快地达到控制终点，因此要求速率尽可能快一些， 但如果太快，则可能产生失步，因为步进电 机的响应频率一般是比较低的，此外一般步 进电机对空载的最高启动频率有所限制 (空载最高启动频率:电机空载时， 转子从静止 状态不失步地步入同步的 最大控制脉冲频率) 。 根据步进电 机的矩频特性可知， 启动频率 越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差.当步进电机启动后，进入稳态时的工作频 率又远大于启动频率。考虑到步进电机的负载驱动，一个静止的步进电机不可能一下子 稳定到较高的工作频率， 可以在启动的瞬间采取加速措施。 一般来说， 升频的时间约为0 . 1 - i s ，反之，从高速运行到停止也可以有相应的减速措施，减速时加速度绝对值常比加速 时的大。步进电机速率控制的方法是改变每个脉冲的时间间隔。 变速控制程序的设计:在启动时，以较低的频率 ( 低于响应频率)的速率运行，然 后慢慢加速，加速到一定速率后，就以一定速率恒速运行，当要到终点时，又使其慢慢 减速，在低于响应频率的速率下运行，直到走完规定的步数后停机。这样步进电机以最 快的速度走完所规定的步数而又不出现失步. 几种变速控制方法: 1 ) 改变控制方式的 变速控制 2 ) 均匀 地改变脉冲时间间隔的变速控制 按一定的时间间隔输出不同控制字，在加速控制中，可以均匀地减少延时时间间隔， 在减速控制中，可以均匀地增加延时时间间隔。这种方法的优点是:由于延时的长短不 受限制，因此使步进电 机的工作频率范围 较宽. 3 ) 采用定时 器的 变速控制 为了提高单片机的工作效率，可以用8 5 1 5 的内部定时器 ( 本系统用t i me o )来提供 延时时间，其方法是将定时器初始化后，每隔一定时间，由定时器向c p u申请一次中断， c p u响应中断后，便发出一次控制脉冲，只要均匀地改变定时器的时间常数，即可达到 均匀加速或减速的目的。 步进电机的程序设计: 判断旋转方向 判断是否加、减速，是否回空处理，并对驱动工作频率及回空进行相应的设置. 卜卜 如、 丝 丝 卫些迷丝到鱼鱼熨迎里兰3 f 2 - 判断时刻到否. 按顺序传送控制脉冲。 判断所要求的控制步数是否传送完毕，从而控制步进电机的转动，以达到控制转 动角度和位移的目的。 首先从内存单元调电机参数，根据驱动模式对参数进行相应的设置。象回空处理， 设置正方向应走步数及负方向应走步数.回空步数既可以由上位机指定，上位机未指定 时，采取默认的 5 0步 ( 即在负方向多走 5 0步，转动结束后，再在正方向转动 5 0步) 。 象加、减速，根据上位机指定的最大频率及最小频率，在不同的时刻设置不同的驱动工 作频率.本设计加、减速既可以按上位机指定的运行曲线运行，也可以仅由上位机指定 最大频率及最小频率，由 8 5 1 5单片机根据要运行的步数进行智能判断及处理，决定其加 减速方式。 随后进行旋转方向的判别，转到相应的控制程序 ( 正，反向控制程序) 。然后根据指 定的四相四拍还是四相八拍取出控制字。把控制模型按顺序存放在内存单元中，然后逐 一取出， 大大简化了 程序。 四拍控制字取5 f . 9 f， o f ， “; 八四 拍控制字取5 f , l f , 9 f , 8 f , o f , 2 f , 6 f , 4 f 。对6 个电 机顺序扫描，驱动一个电机时， 注意保持同组电机相位。分别按 要求的控制顺序输出相应的控制模型，送a 口，根据电 机号，使能相应的锁存器。再加上 脉宽延时程序即可。 5 . 4步进电 机驱动软件流程 步进电机驱动模块程序流程图见图9 紫外可见分光光度计侧控系统的研究与开发 图9步进电机驱动模块 (定时器t i me o 中断)流程图 -二; 3 f 7 些逃丝迪巡里丝些些型 第六章脉宽 调制 ( p wm) 控制 6 . 1 p wm模式下的定时器叶数器1 15 1 8 5 1 5 拥有2路p wm发生器。当 选择p wm模式时，定时器/ 计数器 i 以及输出比较 寄存器o c r i a和输出比 较寄存器o c r i b形成一个双8 位， 9 位或1 0 位的自 运行， 抗误 操 作， 且 在引 脚p d 5 ( o c i a ) 和o c i b引 脚上 带 有 输出 的 节 拍 修 正p w m 。 定时 4 19 / 计 数 器 1 作为向上/ 向 下的计数器， 从$ 0 0 0 0 向 上计数到t o p ， 在重复 循环之前， 它反转，并向 下 再次计数到0 当 计数 器值与o c r i a , o c r i b的 最后1 0 位相 配时， p d 5 ( o c i a ) / o c i b引 脚根 据 在 定时器/ 计数器 1 控制寄存器t c c r i a中c o mi x i / c o mi x 0 位的设置而被设置或被清除。 在p wm模式下，当后 1 0 位o c r i a / o c r i b位被写入时，它们被送入临时地址，当 定时器/ 计数器1 到达t o p时，它们被锁存。这就防止了在非同步o c r i a / o c r i b写入事 件中发生奇数长的p w m脉冲( 误操作) 。 见图1 0 有效的非同 步o c r i 锁存。 a l e ff e c t s o n u n s y n c h r o n iz e d o c r 1 l a t c h in g c o n曰 e v 的 69 c r e m的 c o u n t e r v a lu e c o m p a r e v a l u e 一夕门门爪 一 习 一 一 七p w m o u tp u t o c i x s y n c h r o n iz e d o c r i x l a t c h c o m p a re v 业 ”曲 翻 如. c o u n t e r v a lu e c o m p a r e v a lu e p w m 0 吻u t mi x o c r i x l a t c h -g lit c h n o te : x二 ao r 8 图 1 0 有效的非同步 o c r i 锁存 6 .2本设计p wm的电 路及性能 本模块利用8 5 1 5的o c i b引脚， 它是定时器 / 计数器 1 输出比 较匹配( 即p w m ) 的输 出。定时器/ 计数器i 可以 从晶振时钟( c k ) ， 预定比 例晶 振时钟或外部引 脚中 选择时钟源， 这可 在定时 器 / 计数 器1 控制寄存 器b ( t c c r i b ) 的 低3 位 ( c s 1 2 , c s i 1 , c s i o ) 进行 设 置， 在t c c r i a中可以设置p wm为8 位，9 位或 1 0 位，通过对定时器/ 计数器i 输出比 较寄 紫 外 可 见 分 光 光 度 计 m 丝 翌 鲤 丝 鱼3 p r_ 存器o c r i b h和o c r i b l赋比 较值来输出p w m， 改变输出比 较寄存器中的比 较值， 即 可改变 p wm的占空比。 本系统利用8 5 1 5 的p wm功能， 配合r c电路及放大电路 ( 见图2 ) ，实现了d / a功 能 ( p wm输出口 输出的p wm信号，经过r c电 路及放大电 路， 就变成了 模拟信号， 可 作为对外的控制信号) ，具有 1 0位的分辨率，通过对定时器/ 计数器 1输出比较寄存器 o c r i b h和 o c r i b l赋比 较值来输出p wm，改变输出比 较寄存器中的比 较值，即可改 变p wm的输出电压。经测量输出电压可以从0 .0 0 8 v - 4 .9 6 7 v . 在实际应用中，经常需要用到一个线性增长的电压去控制某一个检测过程或者作为扫 描电压去控制一个电子束的转动。( 锯齿电压) 本模块可以在上位机的指示下，输出 2 5 6级电压二程序在执行时得到的输出电压含 有 2 5 6个小台阶，不过宏观看，仍为连续上升的锯齿波，对于锯齿波的周期，可以 利用 延 迟 进 行调 整。 延迟的 时间 如 果比 较短， 那 姗 就可以 利 用 几 条n o p指 令来实 现， 如 果比 较长，则可以用延迟子程序，利用延迟子程序来控制锯齿波周期。 可以在上位机的控制下，输出各种所需要的脉冲 ( 象阶跃电压，线性扫描电 压， 阶 梯扫描电压，方波等) 。如可以在输出端输出如图 1 1所示阶梯波，其中 t可以由上位机 指定数值。 t ( 1 -1 0 rnn s ) 图1 1 ( 1 )输出 图1 1 ( 2 )输出 一一一一一一一 4 f p j 9 .5 j l i l , it (l lt l 第 七章 高 精度模数 变 换芯片a / d 7 7 0 3 与8 5 1 5 的 接口 7 . 1 2 0 位a / d转换器a / d 7 7 0 3 在本单片机控制系统中，使用了 新颖的 转换器a / d 7 7 0 3 e a / d 7 7 0 3 是2 0 位a i d转换 器，线性误差仅为 0 .0 0 0 3 %.它采用了过采样 e - 转换技术和片内自 标定控制电路， 精 度高、成本低、工作温度范围宽，而且它的噪声低、抗干扰能力强，对工业现场噪声的 抑制能力不亚于双积分型的 a d c 。它最突出的 特点是具有片内 标定电路。片内 标定电 路 可以消除芯片本身的零点误差和增益误差;片内的系统标定可以减小通道的失调和增益 误差。标定非常方便，不象一般的 a / d转换器需要手调电位器进行标定.手动的标定不 但费时费力， 而且电位器由于振动等原因会发生变化， 从而导致标定的值不准确， 影响a i d 转换的精度。 1 a d 7 7 0 3 的 特点和主要性能指标 1 ) a d 7 7 0 3 的主要特点: . 采用高质量的二氧化硅电 容器，有良 好的线性度。 . 采用过采样e - 转换技术，提高了信噪比，简化了芯片模拟电路结构。 . 输入级采用了斩波自 稳零技术，使a / d 7 7 0 3 获得了极低的输入漂移。 . 片内标定微控制器控制的数字标定技术，使失调和增益误差减为最小. . 灵活的串行输出口 使a / d 7 7 0 3 可方便地与8 5 1 5 单片机相连。 . 功耗低，正常工作最大功耗为4 0 m w; 处于s l e e p 状态的功耗仅为1 0 p w. . 工作温度范围非常宽。 . 只需十 5 v和一5 v工作电 源，与一般的t t l电路兼容。 2 ) a d 7 7 0 3 的主 要性能指标: . 分辨率为2 0 位，线性误差为0 .0 0 0 3 %a . 满量程误差为f 4 l s b :典型有效值噪声为1 .6 l s b o 今 模拟输入范围为 ( 0 - + 2 .5 ) v或1 2 .5 v . . 最大数据更新速率为4 k h z . o 今 工作电源为士 5 v:工作温度范围为 ( -4 0 -+ 8 5 ) c . 2 a d 7 7 0 3 使用 a d 7 7 0 3 , m o d e是串行接口 方式选择;c l k i n和 c l k o u t脚是时钟输入/ 输出脚， c l k i n为外时钟输入端，c l k o u t为内时钟输出端;s c i , s c 2为系统校准脚，决定校 准类型;d g n d , a g n d为数字地和模拟地;a v d d , a v s s 为模拟正负电源，通常为1 5 v , d v d d , d v s s 为数字正负电源， 通常为 士 s v , a m 为模拟信号输入端; v r e f 为参考源输入脚， 通 常 + 2 .5 v ; s l e e p为 睡 眠工 作 方 式 端; b p i u p 为 单、 双极 性 输 入方 式 选 择; c a l 为 校 准 控 制; 砚 为 片 选端， 当砚钓时 发 送 数 据; .石 蔽 开