反馈式力传感器反馈控制设计

1、 Q260046902 专业做论文 I西南科技大学毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目名称：题目名称：反馈式力传感器反馈控制设计年年 级：级：2003 本科本科 专科专科学生学号：学生学号：2005080学生姓名：王亮学生姓名：王亮 指导教师：李凤保指导教师：李凤保 李俊国李俊国 学生单位：信息工程学院学生单位：信息工程学院 技术职称：研究员技术职称：研究员 副教授副教授 学生专业：生物医学工程学生专业：生物医学工程 教师单位：信息工程学院教师单位：信息工程学院西西 南南 科科 技技 大大 学学 教教 务务 处处 制制 Q260046902 专业做论文 II反馈式力传感器反馈控制设计摘要：传感

2、器技术是现代信息技术的重要基础之一。传感器的性能对自动化系统的功能起决定作用，在一般运用场合中传感器测量主要采用开环测量方式，这种方式结构简单，能满足一般精度的需求。但在高精度测量条件下，如电子分析天平，则必需采用闭环控制引入反馈环节，提高测量精度。本论文设计了一种用于高精度测量的反馈式力传感器。通过对位移量的处理输出反馈控制信号，使系统达到平衡状态。系统结构由前向通道和反馈控制两部分组成。本文给出了反馈控制模块设计制作方案，主要完成了单片机控制系统、1602 显示模块、PID 控制算法设计、系统电源电路的设计，并给出了具体参数、分析过程和调试结果及相应的实物图。整个控制系统设计简洁，集成度较

3、高，控制效果较好，达到了设计要求。关键字：反馈控制；单片机；PID 算法 Q260046902 专业做论文 IIIThe Design of Feedback Controlling based on Feedback Pressure SensorAbstract：The technology of the sensor is one of the important basis of modern information technology. Its performance plays a crucial part in the automatic system, and in the

4、general situations the measurement of sensor usually selects the open cycle mode, which is simple in construction and can satisfy the measurement of weight with general precision. But in those occasions which require high precision such as electronic analytical balance, the close-loop mode must be e

5、mployed to improve the precision of measurement. This paper exactly devises one kind of feedback type pressure sensor with high-precision measurement. It makes the system achieved balance after dealing with the displacement signal then outputting the feedback steering signal. The system structure is

6、 composed by two segments- frontal channel and feedback controlling. This paper provides the feedback control scheme, and mainly completes the curb of monolithic processor, the video module of 1602, the PID control algorithm and the design of the system power supply, along with concrete parameter, a

7、nalytical procedure, debugging results and the pictures of the corresponding objects. The circuit with a plain design, upper integration level and beneficent curb meets the design requirement well.Key words: feedback controlling, monolithic processor, PID control algorithm Q260046902 专业做论文 IV目 录第 1

8、章 绪论.11.1 反馈式力传感器设计的背景，意义及其目的.11.1.1 设计背景.11.1.2 设计的意义及其目的.21.2 主要完成的任务及设计思想.31.3 本文的结构组成.3第 2 章 反馈式力传感器各模块方案分析.42.1 测量结构设计方案分析.42.2 反馈控制部分各模块设计方案分析.62.2.1 显示模块方案分析.62.2.2 单片机控制系统方案分析.82.3 反馈控制算法设计方案的分析.9第 3 章 反馈控制系统硬件电路设计.123.1 系统硬件组成概述.123.2 系统电源设计.123.3 LCD1602 显示电路设计.153.4 单片机控制系统模块设计.173.4.1 单片

9、机控制系统及 ISP 并口下载电路.173.4.2 位移测量电路采集数据的 A/D 转换.19第 4 章 反馈式力传感器控制系统软件设计.214.1 系统主程序设计.214.2 PID 控制算法程序设计.224.3 1602 显示驱动程序设计.26第 5 章 反馈式力传感器系统的调试及结论.295.1 单片机微处理系统调试及软件编译环境.295.2 1602 显示模块调试.305.3 位移测量电路调试.315.4 PID 控制算法参数调试.32结 论.33 Q260046902 专业做论文 V致 谢.34参考文献.35附录 1 (反馈控制系统程序代码)： .36附录 2 (反馈控制系统电路图及

10、机械部分 CAD 图)：.42附录 3 (系统实物图)： .43西南科技大学本科生毕业论文1第 1 章 绪论在科学技术高度发达的现代社会中, 人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中, 主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置, 是感知、获取与检测信息的窗口, 一切科学实验和生产过程, 特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息, 都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。 1.1 反馈式力传感器设计的背景，意义及其目的1.1.1 设计背景随着现代科学技术的发展, 传感技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科也得到迅速的发

11、展, 并且在工业自动化、测量和检测技术、航天技术、军事工程、医疗诊断等学科被越来越广泛地利用。各国对传感技术在信息社会的作用也有了新的认识, 认为传感器技术是信息技术的关键之一。然而目前的传感器，无论是在数量上、质量上还是功能上，还远不适应社会多方面发展的需要。因此，人们在充分利用先进的电子技术条件、研究和采用合适的外部电路以及最大限额地提高现有传感器的性价比的同时，也正在努力寻求提高传感器测量精度的新途径其一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；其二是在后续处理中添加适当的补偿方法或引入反馈控制环节提高测量精度。(1) 开发新的敏感、传感材料传感器材料是传感器技术的重要基础, 由于材料科学的

12、进步, 使传感器技术越来越成熟,传感器种类越来越多。 除了早期使用的材料, 如: 半导体材料、陶瓷材料以外, 光导纤维以及超导材料的发展, 为传感器技术发展提供物质基础。未来将会有更新式材料开发出来, 如纳米材料等。最近, 美国NRC公司已开发纳米ZrO气体传感器L在控制汽车尾气的排放效果很好,应用前景广阔。采用纳米材料制作的传感器具有庞大的界面, 提供大量的气体通道, 导通电阻很小, 有利于传感器向微型化发展。 (2) 引入反馈控制环节当前大部分传感器都采用开环测量方式，这种控制方式结构简单，动态特性好，其精度主要决定于敏感元件，对敏感元件的材料和结构要求很高。为了降低对敏感元件材料和结构的

13、精度要求，并提高测量精度，通常引入反馈控制环节构成一个闭西南科技大学本科生毕业论文2环测量系统。随着传感器在工业、国防等方面的应用越来越广泛，所处地位越来越重要。传感器正向着高精度化、新型化及开发仿生传感器的方向发展。这也为本课题研究的反馈式力传感器提供了一个更为广阔的前景和方向。1.1.2 设计的意义及其目的 随着科学技术和生产的发展人们对称重及测量技术提出了更高的要求，尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步，传统的机械式杠杆和刀刃的称重装置正在为电子称重装置所代替，从而进入到传感器，电子学和微处理机领域、使得称重装置变成为电子仪器。 称重技术的突破是微处理机的应用。称重技术的这种发展是由于，

14、不仅要求获得静态称重数据，而且进一步要求称重工作的自动化，实现快速称量，以及测量各种动态参数，提高测量精度和各种数据的及时处理。这些精度、速度、性能和功能方面的要求是传统的机械测量系统无法满足的。也就是说、这种技术发展中的突破是必然的结果。 电子称量装置通常分为三个部分，即称重部分，传感器和电气部分。电气部分包括模拟电路部分和微处理机部分。在测量方法上通常有两种：直读法和零位法。应用到称重装置上为：通过测量弹性元件的变形或物体的应变来测定被测物体的重量：和利用杠杆平衡原理通过已知重量来测定被测物体的重量。前者结构简单、操作方便、但精度较低。后者主要优点是精度高，但操作比较复杂，但是，在电子称重

15、装置中，采用电磁力反馈平衡方式，操作复杂方面的缺点可以很容易克服。因此，在电子称重装置结构的形式，通常采用电磁力反馈平衡方式，使得电子称重装置做到测量精度高、测量速度快、有很好的线性和很高的灵敏度。基于目前传感器的发展现状及力传感器在高精度测量中的应用及其与单片机系统的结合等，设计一种精度高、抗干扰能力强、响应速度快、稳定、智能化的反馈式力传感器已迫在眉睫。 本设计正是在这种背景下研究利用单片机控制的、采用电磁力反馈平衡方式、PID 自动回路调节的用于称重的反馈式力传感器。它具有精度高、抗干扰能力强、稳定、智能化等特点。西南科技大学本科生毕业论文31.2 主要完成的任务及设计思想本课题“反馈式

16、力传感器”主要由两部分组成反馈式力传感器前向通道和反馈控制设计。通过对位移检测电路测量的位移量进行处理输出反馈控制信号，控制执行结构使系统达到平衡状态。其中“反馈式力传感器反馈控制设计”此部分主要内容是完成系统的反馈控制设计及调试，如：用于反馈控制力发生器的 PWM波的产生及软件设计、PID 控制算法的设计、单片机控制系统的设计、系统电源的设计、显示模块 LCD1602 驱动程序设计等等。1.3 本文的结构组成本论文分为五部分。绪论：主要阐述传感器及其技术的发展现状，介绍设计研究背景、目的及意义，说明了设计任务及主要的设计思想，介绍本论文的组成。第 2 章：反馈式力传感器系统反馈控制各模块设计

17、方案的比较及选定，介绍了几种设计方案，通过对方案的比较，确定了反馈式力传感器各模块设计方案。第 3 章：介绍了反馈式力传感器系统中的一个组成部分反馈式力传感器反馈控制相关硬件电路的设计，详细分析各单元的硬件电路，并给出相关电路原理图。第 4 章：根据仪器的硬件构成和功能要求，给出了相应的软件设计，给出主要程序流程图。第 5 章：各模块调试及系统联机调试。西南科技大学本科生毕业论文4第 2 章 反馈式力传感器各模块方案分析反馈式力传感器系统主要是由敏感结构、力发生器、用于位移检测的位移检测电路和反馈控制系统这几部分组成的。控制器（或调节器）根据位移量检测值E(t)与设定值R的偏差，按照一定的控制

18、算法输出控制量U，对被控过程进行控制。力发生器接受控制器送来的控制信息调节敏感结构，从而达到预期的控制目的。过程输出的位移信号经过位移检测电路，反馈到单片机控制器的输入端，构成闭环控制系统3。如图2-1所示。位移检测电路力发生器及驱动电路反馈控制器敏感结构UE(t)图图 2-1 闭环反馈控制系统闭环反馈控制系统对于不同的反馈控制系统，在具体细节上有所不同。在确定最后的总体设计方案之前，首先需要对组成系统的各个组成模块的实现方案进行论证。考虑到每个模块都有多种不同的实现方案，故对各种实现方案的特性进行全面的分析、反复比较选择最合适的方案。力求使各模块的设计达到紧凑、简单,体积和功耗最小,可靠性最

19、高，成本最低。2.1 测量结构设计方案分析在整个系统中,反馈式力传感器前向通道主要是完成力发生器及驱动电路、位移检测电路，系统的整体机械结构等外围电路的设计。其中位移的测量、检测方式及其机械结构关系到整个系统设计的进展方向,在确定反馈控制系统具体组成细节之前首先要确定系统的测量结构方案。下面对几种可能的测量方案及机械结构进行了试验和论证，从中进行选择。下面列出几种可能的测量结构的原理和优缺点，从这几种测量结构中选择一种既简便易行又能达到设计要求的方案作为实际的测量方案。方案一：当力作用于弹性体上，使弹性体产生一定变形，通过传感器（反馈环节检测传感器）将位移测量出来，反馈给调节器，调节器输出电流

20、，此电流通过一西南科技大学本科生毕业论文5线圈对弹性体产生与被测力方向相反的力，使弹性体回复到初始状态。此时线圈产生的力与被测力大小相等，而线圈产生的力与电流成一定关系。通过测量反馈电流的大小，即可得出被测力的大小。如下图所示。图图 2-2这种方法中力发生器主要是采用电磁吸引力来实现的,优点是结构简单但也存在很多缺点，如线圈产生的引力过小加之其吸引力不稳定，随距离的改变电磁吸力发生很大的改变不易控制，且线圈易发热等原因。方案二：鉴于上一种方案存在的缺点,这种方案采用上下相对的两个 E 型铁芯，具体结构如下图所示。图图 2-3经过试验发现这种方案推力较大、稳定性较好，材料选取也比较容易，但要求的

21、驱动电流比较大，且线圈在大电流下发热量较大,功耗很大。方案三：鉴于上面所示方案不能满足要求，重新设计了以下这种方案，即，将原来的动磁铁改用永磁铁来代替，用一定磁感强度的永磁铁作为螺线管的铁芯，并西南科技大学本科生毕业论文6在不接触永磁铁(减小摩擦力)的外围绕制一定规格的漆包线，在漆包线上设置两个弹簧片(目的是方便放被称物体)，利用漆包线与永磁铁在通电情况下由于磁通量变化而引起的相互的排斥力致使系统回到初始状态，完成物体的测量。方案四： 在总结了前两种方案的设计后，决定采用类似天平的机械结构,即在力臂上架一个托盘,用指针式万用表的表头来代替力发生器,当有重物作用于托盘时，力臂向下运动，位移传感器

22、会测得一个位移量，通过控制系统驱动力发生器（指针式万用表表头）致使表头产生向上的力来对抗力臂位置的改变,并通过测量平衡时电流的大小计算物体的重量。图图 2-4 系统机械结构图系统机械结构图第四种方案虽不如第二种方案的电磁力及测量范围大，但由于其制作简单、材料收集容易、控制方便、便于测量等，故最后采用这种测量方案。2.2 反馈控制部分各模块设计方案分析2.2.1 显示模块方案分析在本设计中，为了方便观察最后的测量结果，需要对测量数据进行显示。要求具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点的显示模块。下面对几种可能的方案进西南科技大学本科生毕业论文7行论证。方案一：采用 4 位 LED 数码显示数据采

23、用 4 位 LED 数码显示数据的优点有成本低，应用广泛，在系统实时性要求不高的情况下可采用动态扫描方式显示数据，在系统实时性要求较高的情况下应采用静态显示方式。如下图所示，采用静态显示方式，节约了 CPU 工作时间，但增加了外围器件和外围电路复杂程度。而且显示信息太单调只能显示数字 0-9，操作界面差。图图 2-5 LED 静态显示电路图静态显示电路图方案二：利用液晶显示模块液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。LCD1602 显示模块内集成了丰富的字符库，能显示所有大小写的英文字符和其他很多常用的特殊字符。并

24、且性价比较高，拥有丰富的资料和用户群，完全符合设计需求。LCD1602 可以显示 2 行 16 个字符，有 8 位数据总线 D0-D7，和 RS 、R/W，EN 三个控制端口，工作电压为 5V，并且带有字符对比度调节和背光。该西南科技大学本科生毕业论文8模块也可以只用 D4-D7 作为四位数据分两次传送。这样的话可以节省 MCU 的 I/O口资源。与 LED 数码管显示相比较很容易看出液晶显示模块具有显示内容丰富、功耗低的优势，故采用液晶显示模块作为本设计的显示模块。2.2.2 单片机控制系统方案分析为了对系统的反馈信号进行进一步的处理并输出调节信号，需要设计一个控制器对各模块输出控制信号并且

25、能对各种数据进行处理，并且要求控制器运算速度快、工作稳定、内部集成度高。下面对两种常用的单片机控制器进行比较论证，选择合适的控制处理。方案一：采用 51 系列单片机作为控制核心51 系列单片机是目前低端市场最常用的控制器，它具有 4k 字节可重擦写 Flash闪速存储器，1000 次擦写次数，OHz-24MHz 的工作频率，32 个可编程 I/0 口，2个 16 位定时/计数器，6 个中断源，低功耗空闲和掉电模式。优点是使用广泛，价格低廉，有很多成熟的技术资料可以采用，但缺点是 I/O 口驱动能力低，指令运算速度慢，主要是内部没有集成 A/D 转换器，必须外接独立的A/D 转换器，增加了成本和

26、外围电路的复杂性。方案二：采用 MEGA16 作为控制核心AVR 单片机是由 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8 位单片机。具有高性能、低功耗的特点，还采用了先进的 RISC 结构，只需两个时钟周期的硬件乘法器，16K 字节的系统内可编程 Flash，擦写寿命达 10,000 次，两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器/计数器，带有四通道 PWM，8 路 10 位 ADC，8 个单端通道、7 个差分通道，2 个具有可编

27、程增益(1x,10 x 或 200 x)的差分通道。可工作于主机/从机模式的 SPI 串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，6 种睡眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的 Standby 模式。ATmega16L 在 1 MHz, 3V, 25c 时的功耗，正常模式：1.1mA，空闲模式：0.35 mA，掉电模式： 1 NA。西南科技大学本科生毕业论文9通过比较 51 和 MEGA16 的产品特性可以看出 MEGA16 内部采用先进的 RISC结构，四通道 PWM，8 路 10 位 ADC，2 个具有可编程增益(1x, 10 x，

28、或 200 x)的差分通道，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及低功耗。这些都是设计中需要用到，而 51 系列单片机不具备的，若要采用 51 系列作为控制器的话，就必须在外围硬件中加入独立的 A/D 转换器件和差分运算电路。因此在设计中采用MEGA16 可以在达到设计要求的情况下简化系统外围电路，节约设计制作成本。2.3 反馈控制算法设计方案的分析为了能对前向通道输出的位移信号进行处理并输出相应的反馈调节信号，则必须加入反馈控制算法。算法要求响应速度快，能达到较高的控制精度。1、一般控制算法利用单片机执行速度较快的特点，对位移采样，再根据采样结果进行判断，增加或减少 PWM 占空比。图

29、图 2-6 一般控制算法流程图一般控制算法流程图优点是算法简单，利用简单的 IF 判别语句和 PWM 波占空比按固定值增加就能实现。缺点是控制速度慢，系统达到平衡需要很久的时间，而且系统容易受外界干扰影响产生不必要的振动。2、PID 控制算法选择论证西南科技大学本科生毕业论文10为了使加快系统响应速度和提高系统稳定性，考虑采用 PID 控制算法完成系统得反馈控制。常规的 PID 算法分为位置式 PID，增量式 PID 等，在实际中又对这几种方法进行了改进，演变出了积分分离 PID 控制算法，不完全微分 PID 控制算法，微分先行 PID 控制算法，带死区的 PID 控制算法下面对这几种常用的

30、PID 控制算法进行分析比较，选择一个能满足系统控制要求的最简单 PID 控制算法13。(1)、采用位置式 PID 控制算法位置式 PID 控制算法的基本算式： （2-1）)1(111TeeTTeTeKunnnkDkInPn其中 T 是采样时间。这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对采样值 e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的 U(k)对应的是执行机构的实际位置，如出现故障，U(k)的值产生大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，这种情况是实践中不允许的，在某些场合还有可能造成重大的事故。(2)、采用增量式 PID 控制算法对位置式算

31、式加以变换，可以得到 PID 调节算法的另一种实用形式： （2-2）)2(1)(2111nnnDnInnPnnneeeTTeTeeKuuu令，,PKA/pKT/pDCK TT可以得到一个方程，这个方程，经常用来在计算机上做逻辑运算，所谓增量式 PID控制算法，指的是数字控制器的输出只是控制量u(k),由于计算机输出的是增量，所以误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉。算式中不需要累加，控制增量u(k)的确定仅与最近 K 次的采样值有关。(3)、带死区的 PID 控制算法在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作的过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可以采用带死区的 PID 控制算

32、法，西南科技大学本科生毕业论文11 （2-3）时当时当00)()()(0)(ekeekekeke在式中，死区0e是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若0e值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定控制对象的目的；若0e值太大，则系统将产生较大的滞后。此系统实际上是一个非线性系统。即当时，数字调节器输出为零；0| ( )| |e ke当时，数字调节器有 PID 输出。0| ( )| |e ke分析上述几种控制算法的优劣可以得出，在控制系统设计中为了减少控制器运算工作量、消除由于频繁动作所引起的振荡，故综合增量式 PID 控制算法和死区概念的优点，采用带死区的增量式 PID 控制

33、算法实现反馈控制。西南科技大学本科生毕业论文12第 3 章 反馈控制系统硬件电路设计整个反馈控制系统得主要作用是对位移检测电路检测到的位移信号进行处理，利用 PID 控制算法计算出控制参量，反馈给力发生器驱动电路，驱动力发生器发出调节信号。另外还需要将测量数据传送给显示模块显示出来。3.1 系统硬件组成概述反馈控制系统硬件由电磁力发生器，反馈电流驱动电路，位移检测电路，LCD1602 显示电路，单片机控制系统，系统电源电路组成。反馈控制部分设计主要包括：LCD1602 显示电路，单片机控制系统，系统电源电路硬件电路的设计制作。系统框图如图 3-1 所示，系统机械结构图如图 2-4 所示。图图

34、3-1 系统框图系统框图3.2 系统电源设计直流稳压电源的种类很多，常见的主要有以下四类：第一类是稳压二极管稳压电源，它的特点是电路结构简单，但功率小，稳定精度低；第二类是晶体管串联调整式稳压电源，它的主要特点是电路结构比较简单，工作可靠，功率较大，稳压精度高，无电磁干扰，但效率低；第三类是集成稳压器，它的主要特点是体积小、可靠性高以及温度特性好，而且使用方便、价格便宜；第四类是开关式稳压管，它的主要特点是效率高，温升低，电路便于集成化，但电路较复杂，并有高频干扰存在电磁力发生器反馈电流驱动模块位移检测电路单片机控制系统模块LCD显示模块压力敏感结构西南科技大学本科生毕业论文1310。根据本设

35、计对电源的要求需要+5V 单向直流稳压，我们选择了用集成稳压器来制作直流稳压源。以下是直流稳压源的一般框图。图图 3-2 直流稳压电源组成框图直流稳压电源组成框图变压-将交流电网电压变成所需的交流电压。变压过程通常由变压器来完成。整流-将交流电变成直流电。整流电路通常由半波整流电路，全波整流电路，桥式整流电路。为了克服前两种整流电路的缺点，提高整流效率，通常采用桥式整流电路。滤波-将整流所得的脉动电流(大小发生规律性变化)中的交流成分滤除，常用的滤波电路有电容滤波，电感滤波及阻容滤波。其中电容和电感是两种常见的滤波元件，其工作原理可看为：一是利用它们在二极管导电时贮存一部分能量，然后再逐渐释放

36、出来，从而得到比较平滑的波形；二是由于电容和电感对于交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同，若将其放入适当的电路中，可以达到降低交流成分，保留直流成分的目的，体现出滤波的作用。稳压-将滤波电路输出的直流电压稳定不变，即使输出的直流电压不随电网电压，负载等的变化而变化。稳压功能可由稳压二级管稳压电路，串联式稳压电路，开关式稳压电路等完成。在本部分电源设计中(1)变压部分,采用只有一个副边线圈的变压器，将 220V 的交流电转换成 15V 的交流电。(2)整流部分，采用桥式整流电路，用只有一个副边线圈的变压器，而能达到全波整流的目的。(3)滤波部分，采用电容滤波电路组成低通滤波器，利用电容器的充电和

37、放电，对脉动电压起到了“填平补齐”的作用，使负载上的电压得到了平滑。(4)稳压部分，采用集成稳压电源，集成稳压电源与一般分立元件的稳压电源相西南科技大学本科生毕业论文14比较，具有性能优良、可靠性高、体积小、价格低廉的优点，78、79 系列集成稳压器是一种有广泛用途的三端集成稳压器。它有若干种输出电压和三种输出电流。其内部设置了过流、过热及调整管安全区保护电路，所以芯片使用安全可靠。典型使用时可不加外接件。7805 稳压器的应用电路如图所示，220V 交流电经变压器降压，再经桥式整流，滤波后，加到 7805 稳压器的输入端，从输出端便可输出稳定的标称直流电压。为了改善纹波电压，常在输入端接入电

38、容 C1，一般 C1 的容量为 0.33uf。同时，在输出端接上电容 C2，以改善负载的瞬态响应，C2 的容量一般为 0.1uf。两个电容一般直接接在引脚处。图图 3-3 三端集成稳压三端集成稳压+5V 电源电源输出电流：L 档为小于 100mA，M 档为小于 0.5A，无字母档为小于 1.5A。输入输出压差：2V。输出电压：5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V。最大输入电压：Vo520V 时 Vimax 35V。Vo24V 时 Vimax 40V。工作温度范围：070。内部功率耗散：内部限制。西南科技大学本科生毕业论文153.3 LCD1602 显示电路设计该模块主要实现测量结果

39、的显示。为了提高显示效果采用 OCM1602A 型字符型液晶显示模块。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。其引脚说明如下VDD：电源正极，4.55.5V，通常使用 5V 电压；VL：LCD 对比度调节端，电压调节范围为 05V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个 10K 的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；RS：MCU 写入数据或者指令选择端。MCU 要写入指令时，使 RS 为低电平；MCU 要写入数据时，使 RS 为高电平；R

40、/W：读写控制端。R/W 为高电平时，读取数据；R/W 为低电平时，写入数据；E：LCD 模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块；D0D7：8 位数据总线，三态双向。如果 MCU 的 I/O 口资源紧张的话，该模块也可以只使用 4 位数据线 D4D7 接口传送数据。本充电器就是采用 4 位数据传送方式；BLA： LED 背光正极。需要背光时，BLA 串接一个限流电阻接 VDD，BLK 接地，实测该模块的背光电流为 50mA 左右；BLK： LED 背光地端。表表 3-1 1602B 引脚说明引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2双向数据口2VDD电源正极10D3

41、双向数据口3VL对比度调节11D4双向数据口4RS数据/命令选择12D5双向数据口5R/W读/写选择13D6双向数据口6E模块使能端14D7双向数据口7D0双向数据口15BLK背光源地8D1双向数据口16BLA背光源正极 1602 液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，如表 3-1 所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符西南科技大学本科生毕业论文16号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B(41H)，显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，就能显示字母“A”。

42、表表 3-2 CGROM 和和 CGRAM 中字符代码和字符图形对应关系中字符代码和字符图形对应关系1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 3-3 所示，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。表表 3-3 指令表指令表硬件连接电路图 西南科技大学本科生毕业论文17图图 3-4 LCD1602A 硬件连接硬件连接在本设计中为了节省控制系统的 I/O 资源，只使用 4 位数据线 D4D7 接口传送数据。3.4 单片机控制系统模块设计在本设计中，单片机控制系统采用 AT MEGA16 作为信息的控制处理核心。完成位移测量，PWM 占空比控制，电流测量，测量结果显

43、示，等多种功能。本设计从实用性、设计、货源及其价格的角度出发，考虑到在设计中需要采用 A/D，PID控制算法，为了响应更具实时性，外围电路更简单，成本更低，故本设计选用常用的 AT MEGA16 单片机，四通道 PWM，8 路 10 位 ADC，8 个单端通道，2 个具有可编程增益（1x, 10 x, 或 200 x）的差分通道5。AT MEGA16 单片机不仅完全可以实现对力的测量和测量结果显示，而且可以在线编程调试，适合设计的要求。3.4.1 单片机控制系统及 ISP 并口下载电路西南科技大学本科生毕业论文18图图 3-5 单片机控制系统连接图单片机控制系统连接图图图 3-6 ISP 并口

44、下载电路并口下载电路西南科技大学本科生毕业论文193.4.2 位移测量电路采集数据的 A/D 转换为了简化电路节约成本，本模块中不采用独立的 A/D 转换芯片，利用 MEGA 16片内自带的 A/D 转换器对位移检测电路输出的模拟信号进行采样。在MEGA16内部集成的A/D转换器具有以下特点：拥有10位 精度，0.5 LSB 的非线性度， 2 LSB 的绝对精度，65 - 260 s 的转换时间，最高分辨率时采样率高达15kSPS，8路复用的单端输入通道，7路差分输入通道，2个具有可编程增益(1x, 10 x，或200 x)的差分通道，可选的左对齐ADC读数，0 - VCC 的ADC输入电压范

45、围，可选的2.56V ADC 参考电压，连续转换或单次转换模式，通过自动触发中断源启动ADC 转换，ADC 转换结束中断，基于睡眠模式的噪声抑制器5。图图 3-7 AD 转换滤波线路的设计转换滤波线路的设计为减小 AD 转换的电源干扰，Mega16 芯片有独立的 AD 电源供电。官方文档推荐在 VCC 串上一只 10uH 的电感(L1)，然后接一只 0.1uF 的电容到地(C3)。Mega16 内带 2.56V 标准参考电压。也可以从外面输入参考电压，比如在外面使用TL431 基准电压源。不过一般的应用使用内部自带的参考电压已经足够。习惯上在AREF 脚上接一只 0.1uF 的电容到地(C4)

46、。设备内部及外部的数字电路都会产生电磁干扰(EMI)，从而影响模拟测量的精度。在设计中通过以下方法来减少噪声。(1)模拟通路越短越好；(2) AVCC 应通过一个LC 网络与数字电压源VCC 连接；西南科技大学本科生毕业论文20(3)使用ADC噪声抑制器来降低来自CPU 的干扰噪声；(4)在ADC端口被用作数字输出时，必须保证在转换进行过程中它们不会有电平的切换。西南科技大学本科生毕业论文21第 4 章 反馈式力传感器控制系统软件设计4.1 系统主程序设计主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行，是单片机系统程序的框架。上电后，仪器首先进行整机初始化处理。主程序的初始化模块主要完成仪器硬件、软

47、件的初态设置，单片机内专用寄存器的设定，单片机工作方式及各端口的工作状态的规定。开始结束系统初始化显示WELCOMEPLEASE WAIT。调用PID反馈控制函数使系统达到初始状态计算物体重量显示测量结果1602显示模块初始化图图 4-1 主程序流程图主程序流程图西南科技大学本科生毕业论文224.2 PID 控制算法程序设计PID 工作基理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值(以下简称被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给 PID 控制器，改变过程变量值(以下简称 PV 值)，经变送器

48、送至 PID 控制器的输入端，并与其给定值(以下简称 SP 值)进行比较得到偏差值(以下简称 e 值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(SP 值)，以达到控制目的。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分

49、作用的强弱取决与积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，

50、需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD或 PID 控制器。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 R(t)与实际输出值 C(t)构成控制偏差 E(t) = R(t) C(t)。将偏差的比例(P)，积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律表达式为：西南科技大学本科生毕业论文23 （4-1）)1(dtdeTedtTeKUDIp式中：测量值与给定值的偏差；e微分时间；DT积分之间；iT调节器的放大系数，又叫调节器的比例带。pk1/pk 图图 4-2 模拟模拟 PID 控制系统原理框图控制系统原理框图为了避免控制动作的过于频繁，消除由于频繁运动所引起的振荡，

51、采用了带死区的 PID 控制，相应得控制算式为 （4-2）时当时当00)()()(0)(ekeekekekeR(k)+-e(k)e(k)-eo+eoPID控制器生产过程Tc(t)图图 4-3 带死区的带死区的 PID 控制系统框图控制系统框图被控对象微分积分比例E(t)U(t)R(t)C(t)+-西南科技大学本科生毕业论文24在式中，死区是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确0e定。若值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定控制对象的目的；若值太大，0e0e则系统将产生较大的滞后。此系统实际上是一个非线性系统。即当时，数0( )| |e ke字调节器输出为零；当时，数字调节器有

52、PID 输出。0| ( )| |e ke我们在设计中采用常用的 PI 控制算法，增量式 PI 调节器(Td=0)，基本算式采用增量形式，写成为 （4-3）nInnPnneKeeKuu)(11这里，其中是当前的期望值，也是当前平衡位_nvcalnvdesen_nvdes置的给定值，是当前位移的计算值，也就是位移检测电路得到的信号经过_nvcal单片机 AD 采样计算后的位移值。是当前的 PI 调节器的输出值，是上一个周nu1nu期 T 得到的 PI 调节器的输出值。和为待整定参数。PKIK故在设计中采用带死区的比例积分控制(PI)，算法流程如下图所示。西南科技大学本科生毕业论文25开始本次采样输

53、入 C (k)计算偏差值 E (k) = R (k) C (k)设初值E (k - 1）= E (k ) = 0计算控制参数 A，BE (k) = | E. | ?计算控制量U (k)U (k) = A*E (k) + B*( E (k ) E (k - 1) )A/DD/A输出U (k)力发生器驱动电路为下一时刻作准备E (k) E (k - 1)采样时刻到吗？U (k) = 0NYYN图图 4-4 带死区的带死区的 PI 控制算法流程图控制算法流程图PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制

54、器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID西南科技大学本科生毕业论文26控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。一般而言，这些方法都要求取得被控对

55、象在一定控制作用下的响应曲线。但是，我们的力反馈控制系统中的被控对象是活动线圈，其空转情况下的负载与放入重物时的负载有很大区别。而硬件上又没有可以记录响应情况的存储器，更不具备自学习自适应的功能，因而按照标准的程式进行参数整定几乎是不可能的。实际整定的过程可以说是仿照“临界比例法”的思路做“试凑” 。所谓“临界比例法” ，是指让带有调节器的系统闭环工作，但暂时去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。先找到一个可以让系统比较稳定的比例参数，然后逐渐减小调节器的比例带，直到系统发生持续 45 次的比较稳定的等幅振荡为止。仿照这一思路，最终的整定办法是nInnPnneKeeKuu)(11(1)置控制

56、器积分时间(相当于屏蔽掉了积分参数)，给比例带设定一个较大IT 的值使系统运行，当系统运行达到稳定后。(2)逐渐减小比例带（增大）直至杠杆出现比较明显的等幅振荡迹象，但保证PK这个振荡不是发散的。记下这时的值。PK(3)确定后，设定一个较大的积分时间从 0.002(由于最大位移差为 610)开始PKIT增大，反复试验直至达到比较满意的控制效果为止。IK(4)在此基础上再小范围调节、。PKIK通过上述整定步骤，得到、参数分别为 1.1 和 0.03(设定过程见第 5 章 PIDPKIK控制算法参数调节)。在这组参数下能达到比较好的控制效果。4.3 1602 显示驱动程序设计主要完成系统测量结果的

57、显示，并且为使用者提供一个良好的用户界面。西南科技大学本科生毕业论文27置位RS及EN调用写地址函数，设置1602显示模块的X，Y坐标开始初始化1602显示模块向1602模块写入字符接受输入信号判断字符串是否结束向1602模块写入控制指令结束判断是指令还是地址数据指令地址NY图图 4-5 1602 显示驱动程序流程图显示驱动程序流程图为了节约单片机控制器的 I/O 端口，在程序设计时采用了四-线式数据传输模式。将标准的 8 位数据分为高 4 位和低 4 位分别送入 1602 显示模块的 D4 -D7 口，西南科技大学本科生毕业论文28在两次数据传输之间加入 1602 液晶使能指令。完成 8 位

58、数据的正确传输。西南科技大学本科生毕业论文29第 5 章 反馈式力传感器系统的调试及结论调试部分是设计的关键部分，通过对系统的调试可以检验系统电路是否可以达到满足设计要求。由于本设计题目由多个模块组成，各模块之间相互独立，由单片机控制系统协调控制，因此，我在设计时将各个模块分离，进行独立设计，调试。最后再将各个模块整合到一起进行系统调试。5.1 单片机微处理系统调试及软件编译环境这一部分的调试是整个反馈控制系统调试的基础，在这一系统调试成功的基础上才能对其他模块进行下一步调试。参照 MEGA16 数据手册设计制作出单片机的最小系统，再逐步加上复位电路，加上 AD 转换滤波线路，引出下载引脚，引

59、出 1602模块的数据和控制引脚，再根据双龙公司给出的 ISP 下载电路图制作一块 ISP 并口下载电路。如下图所示。图图 5-1 软件调试环境软件调试环境 ICCAVR6.1西南科技大学本科生毕业论文30图图 5-2 单片机小系统单片机小系统图图 5-3 单片机单片机 ISP 并口下载电路并口下载电路5.2 1602 显示模块调试参照 1602 显示模块的数据手册，了解 1602 的使用方法。熟悉它的工作时序，利用它的指令显示指定的字符。在第一行显示“ 1602 Test！”在第二行显示“Hello! 2007523 ” 西南科技大学本科生毕业论文31图图 5-4 1602 模块调试图模块调

60、试图5.3 位移测量电路调试在位移检测传感器的设计调试过程中，制作和比较了多种方案。一开始采用直射式光电对管来判断杠杆是否处于平衡位置，后来在分析中发现考虑到用这种方法只能测得开关量，无法测得精确的位移量。第 2 种方案采用一个红外发射二极管和两个并排的接收二极管检测位移量，示意图及原理图如下。图图 5-5 位移检测示意图位移检测示意图图图 5-6 位移检测原理图位移检测原理图西南科技大学本科生毕业论文32由于 MEGA16 内部自带有 8 路的 AD 转换通道，所以在实际确定最后方案时省去了后续的差分运算电路，直接送入 MEGA16 的 AD 转换通道进行差分运算。由于人工安装精度的误差，在