电磁控制运动装置设计毕业设计论文

1、电磁控制运动装置题目：msb子技术专业：班级：小组成员: 指导老师:2014年4月21日电磁控制运动装置【字商要】本系统通过自做电磁线圈产生磁场控制单摆摆动摆角和周期。控 制核心采用atmega公司的atmega64，电磁线圈驱动器采用l298，角度检 测采用mma7455重力加速度传感器，显示采用lcd12864。通过pwm来控制 线圈电流大小调节磁场强度，从而实现单摆摆动摆角和周期的控制。摆杆转角沒 在10°到45°范围内，可以由键盘设置。本系统具有工作可靠，性能好，低功耗 等特点。【关键字】电磁控制；单摆；atmega64 : l298 ;角度传感器mma7455【a

2、bstract this system uses atmega s atmega64 chip to control the core，using 298 drivers drive solenoid . system through the pwm pulse width modulation wave is modulated to control the magnetic field strength，thereby adjusting the size of the electromagnetic current， thereby changing the angle lever .

3、between 10 ° to 45 o range，you can set the pendulum angle from the keyboard . meanwhile, the system uses the accelerometer pendulum deflection for real-time measurement and display using lcd 12864 pendulum angle and system operating state. free play section we use infrared remote control to set

4、 the angle of the pendulum . the system has a reliable, high performance , low power consumption.keywords : atmega64 chip，l298, angle sensors，lcd 12864目录一、系统方案41. 1系统组成41.2方案论证与比较41.2. 1主控制器模块方案41.2.2电磁线阍驱动模块51.2.3角度传感器模块方案51.2.4显示模块方案6二、理论分析与计算62.1电磁控制分析与计算62.2角度测量原理分析与计算7三、系统电路设计83.1蛙小系统电路设计83.2电磁

5、控制及l298驱动电路模块93.3角度测量模块103.4键盘没定模块103.5 lcd12864 显示模块113.6声光提示模块113.7总体电路设计11四、系统程序设计124.1程序功能简介124.2主函数流程图13五、测试方案与测试结果135.1测试仪器135.2测试方法及数据141 基本部分145.2.2发挥部分155.3测试结果分析16参考文献：17附录1:主要元器件清单17附录2:电路原理图及pcb图182. 1电路原理网182.2印制板?|18一、系统方案1.1系统组成根据题目要求，本系统系统设计主要包括五人部分：角度测量模块、敁示模 块、电磁控制模块、键盘设定模块和声光提示模块。

6、系统构成如图1,下血对各 部分进行方案论证。角度测是模块mi錠模块lcd12864显示模块电磁控制模块声光提示模块图1系统框图1.2方案论证与比较1.2.1主控制器模块方案方案一：采用at89s52单片机作为主控芯片。优点：at89s52是一种低功耗， 高性能的c0ms8位微控制器。作为一种比较成熟的单片机型号，广泛的应用于各 领域，技术比较成熟，价格相对便宜。缺点：其内部集成资源偏少，功能不够强 大，屮断源和定吋器较少。方案二：采用atmega64单片机作为主控芯片。优点：avr是高速嵌入式单 片机，具有高速、低耗、保密的优点。其内部集成资源丰富，具有功能强大的定 吋/计数器和a/d转换功能

7、及通讯接口。考虑到项口的实际需求和可操作性，本 系统选用avr系列屮的atmcga64作为主控芯片。考虑到项口的实际需求和可操作性，本系统选用avr系列屮的atmcga64作 为主控芯片。1.2.2电磁线圈驱动模块方案一：采用线性调节器max6639驱动电磁线圈。max6639能提供0. 51. 5a 的电流，可满足绝大部分线圈控制的需求且成木低廉。但电路中需耍引入rc滤 波电路对pwm输出进行平滑处理,然后经过一个运放缓冲或外部调节器对电流进 行放大。这种方案原理上是可行的，但是如果没宥额外的保护将很容易造成电路 损坏，电磁线圈一旦短路就会损坏整个电路。方案二：采用l298驱动电磁线圈。l2

8、98是一款高压、大电流双全桥式驱动 器，可以直接通过电源來调节输出电压，再宥输出电压高（最高可达50v）,可 靠性高，占用空间小等特点。该芯片可以直接受控于单片机10 口提供的信号。 因此，电路简单，控制方便。综上所述，木系统的电机驱动模块选用方案二。1.2.3角度传感器模块方案方案一:采用wdd35d4-5k角度传感器与高精度ad芯片构成的测量电路实现。 wdd35d4-5k其实质是一个360°连续可调的精密电附，其线性度为独立达0. 1%。 该方案将待测倾斜角的变化转化为wdd35d4-5k的电阻的滑动，原理简单，且角 度分辨率高。但wdd35d4-5k角度传感器体积大，不便于安

9、装固定，测量的灵活 性不高。方案二：采用霍尔传感器来进行测量角度。该传感器测量角度的原理是在待 测旋转物体的轴上装一个小圆盘，圆盘上粘有磁珠，磁珠越多精确度越高，霍尔 传感器则垂直磁珠安放在圆盘外，为了确定轴转动方向，可以采用2个或多个霍 尔传感器。测量角度时，每当一个磁珠转过霍尔传感器时，就会引起磁场的变化， 传感器便输岀一个脉冲，通过计算脉冲的个数，即可确定旋转体转过的角度。方 案虽然能够测出物体转动的角度，但需要大量的磁珠和霍尔传感器，安装闲难， 不适合本系统。方案三：采用mma7455数字加速度传感器模块进行角度测量。mma7455是 一款数字输出（i2c/sm）、低功耗、紧凑型电容式

10、微机械加速度计，具有信号调 理、低通滤波、温度补偿、自测、可配置通过巾断引脚检测0g、以及脉冲信号 检测（用于快速运动检测），灵敏度64 lsb/g 2g/8g 10位模式等功能。该模块 输岀精确，体积小，工作可靠，输岀为数字量等特点。综上所述，角度测量模块方案采用方案三来实现。1.2.4显示模块方案方案一：采用数码管显示。该方案具有显示清晰、价格较低、方便易行、但 外部电路复杂，占用i/o资源较多，显示信息申一，只能显示数字和少量字母, 动态扫描则需循环刷新数码管，占用更多的程序存储空间。方案二：采用lcd1602显示。并口传输速度快，内部集成有显示芯片，可以 识别英文字母、阿拉扪数字和h语

11、片假名，但是不能显示汉字。方案三：使用控制为st7920的12864汉字图形点阵液晶显示。5v电压驱动， 带背光，内置8192个16*16点阵、128个字符(8*16点阵)及64*256点阵显示 ram (gdram)。与外部cpu接口采用并行或串行两利控制方式。该方案可以显示 汉字及图片，写程序简申；具有驱动电压低；功耗小、显示直观大方等特点。木设计采用lcd 12864液晶显示。二、理论分析与计算2.1电磁控制分析与计算电磁控制电路极用了 pwm脉冲宽度调制原理,通过pwm信号控制电磁的电压。 其通断频率很商，基木觉察不到，因而起到了类似调电流得到的摆杆摇摆的效來。木系统的电磁控制电路的主

12、耍组成包括：pwm信号发生、l298驱动电路。由 atmcga64内部t/c2产生的固定的8位精度的pwm波作为驱动芯片l298的输入信号，通过l298控制电磁的通电情况來调节摆杆角度。图如图2。电磁控制电路的基木框atmega64内部t/c2pwm倍号电机驱动芯片摆板摆动的状态图2电磁控制电路框图pwm脉冲宽度调制原理：pwm是高低电平心空比不同的连续的方波。阁3为 典型的pwm脉宽调整波形。阁中：t是pw1波的周期；t1是高电平宽度；t1/t 称为pwm波的占空比。调节和改变t1的宽度，即可改变pwm的占空比。当该pwm 波通过一个积分器后，可以得到其输出的平均电压为：t调节电压控制和控制

13、放大电路的通断都可改变电磁的磁场强度。木系统选择 后者，即控制设备的通电情况来调节磁场强度。图3典型的pwivi波2.2角度测量原理分析与计算木系统角度测暈利用的原理是重力加逨度计转换成倾斜角的基木原理：即当加速 度计倾斜角与加速度计3轴输出成一定对应关系。已知传感器的加速度人小，巾 两者的关系可以求出倾斜角。mma7455是应用于倾斜检测的3轴加速度计。将mma7455加速度测量模块固 定在帆板上，丼使之与帆板平行。当帆板倾斜角发生变化时，mma7455输出的加 速度发生相应变化。根据题目耍求，摆板倾斜角变化范围为10° 45° ,且对分辨率的要求不是 很高，所以我们可以

14、釆用单轴（z轴）倾斜计算法来计算帆板的偏转角度。根据 基木三角定理有：z轴方向的重力投影等干重力的正弦分景。在木题目中，摆板倾斜角与z轴输出加速度的关系如图f-1-4所示。即：儿=g sin aa/所以，6/ = arcsin+ （a为弧度数）将弧度转为角度的基木公式为：角度数=180° +jtx弧度数即有:ax 180°ft感器z轴加速 度：=8传感器z轴加速 度：a. = g sin a图4重力加速度测量原理图y(b)三、系统电路设计3. 1最小系统电路设计avr最小系统由atmega64单片机（图5），isp下载端口，晶振，复位电路 及电源组成。atmcga64是基于

15、增强的avr risc结构低功耗8位cmos微控制器， 具宥独立片内振荡器的可编程看门狗定时器、2路8位pwm及6路分辨率可编程 （2到16位）的pwm。数据吞吐率高达1 mips/mhz，从而可以缓减系统在功耗 和处理速度之间的汐盾，具宥处理速度快、高性能、低功耗等特点。bsfibi i i i l«ll2l>2ul<omuuuuuue£-rs=l=g?£»trih l=y>:bliw變義i'ami>a2>aj aw< ,a4 am i. >aary1 1() 1u2sa<a 13«2:

16、 12>>>:>2cmt-j-k«4aa)>ci 似， >csvue k3 4uij k4'au， >cj'au， >ci ， xrwfj991 v»km 析沖j ml 9*00)”4adc 毳 xk)”：adcjimil ” ascttm* »r，afic.to0>«<*>3.2电磁控制及l298驱动电路模块该电路为l298的接线电路（如图6）。本电路使能端（en a和en b）接高 电平，通过控制输入ini, in2和in3，in4來控制电机。l298可以驱动两个屯 机

17、，0ut1, 0ut2为一个输!li组，0ut3, 0ut4为另一个输出组。本系统只要驱动 一个电磁线圈，只要用到一个输fli组。ini，in2控制0ut1，0ut2的输入电平。 本系统将单片机产生的pwm波接电磁线圈的两端，使得用pwm来控制in1和in2o 所以，pwm占空比不同，电磁周围的磁场强度也不一样。gsd-= cnd3.3角度测量模块mma7455是数字输出（如图7）,有iic和spi两种总线可选,内部有ad,与主 控芯片连接好，当改变传感器的倾斜角度会触发中断并向主控芯片发送变化的数 据，主控芯片可以通过读取mma7455不同寄存器的值來确定角度的改变。3. 4键盘模块（如图8

18、）3.5 lcd12864显示模块（如图9）gndp16gnd10kvcc10ko.lufsizenumber图93.6声光提示模块（如图10）gndp28声光报警3.7总体电路设计木系统整体电路（如图11）设计包括的主要模块有：单片机最小系统电路设计， l298驱动电路设计，独立按键电路设计，lcd 12864液品接线模块，mma7455角 度测暈模块、声光显示模块等。下图为系统的整体电路。图11四、系统程序设计4. 1 程序功能简介为方便调试，系统程序分模块进行调试。系统程序设计的主要模块包括：电 磁驱动模块程序，角度测景模块程序，lcd 12864液晶显示模块程序及声光提示 模块程序等。

19、4.2主函数流程图（如图12）按键 | s3:完成基:本功能 第项按键s4:完成基:本功能 第一项开始初始化1待机界lid&本部分界面h:发挥部分界a按键s5完成县本功能第三项发能 s3成功充挥(k二图12五、测试方案与测试结果5.1测试仪器测试所需测量仪器如下：铜箱线、若干；280mm长铁棍一根。自制长方体测试系统：1个，长300mm，宽240mm，鳥140腿的电磁控制 装置。另加一根长为150mm的圆柱支架m定在与电磁控制装置盒垂直的指定位置，支架顶部贴上一个量角器，并安装个摆杆，摆杆底部，固定一块磁铁。5.2测试方法及数据5.2.1基本部分基础部分第一项测试方法：按卜*启动按键，

20、由静止点幵始，摆杆幵始摆动。测试数据：启动按键按卜摆杆由静点幵始摆动。基础部分第二项测试方法：由静止点开始，用按键设定摆杆指定的角度，摆杆在指定的角度 连续摆动。随机抽取角度 10°、15°、18°、22°、30°、35°、38°、45° 为摆杆的指定角度进行功能检测。测试数据如卜*表1 :表1系统测试数据一览表设定角度a测:w:位波动 范围设定角度a测量值10°8° 12。30°28° 32o15°13° 16°35°34°

21、 36°18°18° 22°38°36° 39°22°20° "23°45°44° '48°测试数据：测量角度与摆杆指定的角度几乎相等，达到题0摆中动摆角绝对误差 5°要求，液晶显示正常。/*基础部分第三项测试方法：由静止点开始，用按键设定摆杆指定的周期，摆杆在指定周期范围内 连续摆动。测试数据：测量周期与摆杆指定的角度相等，液晶显示正常。*/基础部分第四项测试方法：摆杆连续摆动的情况下，按下停止按键，摆杆停在静止点上。测试摆 杆在不同角

22、度停止需要吋间(如表2)表2系统测试数据一览表检测次数摆角角度（° ）停止用时（s）11022153325543575458测试数据：启动停止，摆杆在10°45°都能在10s的时问内平稳的停止在静止 点上，通过上表测量数据，确定基本部分4达标。5.2.2发挥部分（1）发挥部分第一项测试方法：摆杆摆角幅度在0° 45°范围内预置，预置步进值为5°，然后 取预置角度值分别为10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°进行 检测。测试数据如表3

23、:表3系统测试数据一览表检测次数预置角度实际测m值误差值（° ）响应时间（s）11011122151503320222542526150302916635372774041178454508（2）发挥部分第二项测试方法：摆杆周期在0.5s2s范围|a）预置，预置步进值为0.5° ,然后取预 置角度值分别为0.5s、1.0s、1.5s、2. os进行检测。测试数据如表4:表4系统测试数据一览表检测次数预置周期实际周期误差值（s）响应时间（s）10. 50. 520. 02321.00. 980. 02431.51.530. 03642.02. 040. 0485. 3测试结果分析通过测试结果分析可以发现，本系统实现了基础部分要求的所有功能，满足设计 要求的各项指标，而且精度高。对于发挥部分，系统亦能实现键盘设定，间距任 意选择等大部分功能。且自由发挥部分的软硬件功能也都成功实现，但其不足点 在于系统不能满足发挥部分的精度要求，绝对误差比要求值偏大一点点。具体测 试结果分析见表5。表5测试0结果分析一览000000000表测试项名称题