电磁控制运动装置设计毕业设计论文

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题目：电磁控制运动装置专业：应用电子技术班级：小组成员：指导老师：2014年4月21日电磁控制运动装置【摘要】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【Abstract】ThissystemusesATMEGA'sATmega64chiptocontrolthecore,using298driversdrivesolenoid.SystemthroughthePWMpulsewidthmodulationwaveismodulatedtocontrolthemagneticfieldstrength,therebyadjustingthesizeoftheelectromagneticcurrent,therebychangingtheanglelever.Between10°to45°range,youcansetthependulumanglefromthekeyboard.Meanwhile,thesystemusestheaccelerometerpendulumdeflectionforreal-timemeasurementanddisplayusingLCD12864pendulumangleandsystemoperatingstate.Freeplaysectionweuseinfraredremotecontroltosettheangleofthependulum.Thesystemhasareliable,highperformance,lowpowerconsumption.

Keywords:ATmega64chip,L298,anglesensors,LCD12864目录TOC\o"1-3"\h\z\u13886一、系统方案 423331.1系统组成 4238491.2方案论证与比较 4289891.2.1主控制器模块方案 4250311.2.2电磁线圈驱动模块 5126801.2.3角度传感器模块方案 5100121.2.4显示模块方案 632010二、理论分析与计算 6265462.1电磁控制分析与计算 6289442.2角度测量原理分析与计算 73305三、系统电路设计 855553.1最小系统电路设计 865963.2电磁控制及L298驱动电路模块 9225203.3角度测量模块 1033513.4键盘设定模块 10291113.5LCD12864显示模块 11323323.6声光提示模块 1156013.7总体电路设计 114369四、系统程序设计 12112394.1程序功能简介 12326824.2主函数流程图 1331553五、测试方案与测试结果 13145375.1测试仪器 13287915.2测试方法及数据 14135825.2.1基本部分 14120505.2.2发挥部分 15865.3测试结果分析 1610370参考文献： 1727847附录1：主要元器件清单 171162附录2：电路原理图及PCB图 18324432.1电路原理图 18159152.2印制板图 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大部分：角度测量模块、显示模块、电磁控制模块、键盘设定模块和声光提示模块。系统构成如图1，下面对各部分进行方案论证。图1系统框图图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COMS8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，中断源和定时器较少。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，具有功能强大的定时/计数器和A/D转换功能及通讯接口。考虑到项目的实际需求和可操作性，本系统选用AVR系列中的ATmega64作为主控芯片。考虑到项目的实际需求和可操作性，本系统选用AVR系列中的ATmega64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0.5~1.5A的电流，可满足绝大部分线圈控制的需求且成本低廉。但电路中需要引入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，但是如果没有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。L298是一款高压、大电流双全桥式驱动器，可以直接通过电源来调节输出电压，具有输出电压高（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IO口提供的信号。因此，电路简单，控制方便。综上所述，本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°连续可调的精密电阻，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，传感器便输出一个脉冲，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，安装困难，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/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚检测0g、以及脉冲信号检测（用于快速运动检测），灵敏度64LSB/g@2g/8g10位模式等功能。该模块输出精确，体积小，工作可靠，输出为数字量等特点。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，显示信息单一，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、阿拉伯数字和日语片假名，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种控制方式。该方案可以显示汉字及图片，写程序简单；具有驱动电压低；功耗小、显示直观大方等特点。本设计采用LCD12864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应用了PWM脉冲宽度调制原理，通过PWM信号控制电磁的电压。其通断频率很高，基本觉察不到，因而起到了类似调电流得到的摆杆摇摆的效果。本系统的电磁控制电路的主要组成包括：PWM信号发生、L298驱动电路。由Atmega64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来调节摆杆角度。电磁控制电路的基本框图如图2。图2电磁控制电路框图图2电磁控制电路框图PWM脉冲宽度调制原理：PWM是高低电平占空比不同的连续的方波。图3为典型的PWM脉宽调整波形。图中：T是PWM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：调节电压控制和控制放大电路的通断都可改变电磁的磁场强度。本系统选择后者，即控制设备的通电情况来调节磁场强度。图3典型的PWM波Vcc 图3典型的PWM波VccT1TT 2.2角度测量原理分析与计算本系统角度测量利用的原理是重力加速度计转换成倾斜角的基本原理：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大小，由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，并使之与帆板平行。当帆板倾斜角发生变化时，MMA7455输出的加速度发生相应变化。根据题目要求，摆板倾斜角变化范围为10°~45°，且对分辨率的要求不是很高，所以我们可以采用单轴（z轴）倾斜计算法来计算帆板的偏转角度。根据基本三角定理有：Z轴方向的重力投影等于重力的正弦分量。在本题目中，摆板倾斜角与z轴输出加速度的关系如图F-1-4所示。即： 所以， （a为弧度数）将弧度转为角度的基本公式为：角度数=180°÷π×弧度数即有： 图4重力加速度测量原理图 传感器z轴加速度：图4重力加速度测量原理图传感器z轴加速度：传感器z轴加速度：ya（b）（a）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。ATmega64是基于增强的AVRRISC结构低功耗8位CMOS微控制器，具有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1MIPS/Mhz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，具有处理速度快、高性能、低功耗等特点。图53.2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（ENA和ENB）接高电平，通过控制输入IN1，IN2和IN3，IN4来控制电机。L298可以驱动两个电机，OUT1，OUT2为一个输出组，OUT3，OUT4为另一个输出组。本系统只要驱动一个电磁线圈，只要用到一个输出组。IN1，IN2控制OUT1，OUT2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IN2。所以，PWM占空比不同，电磁周围的磁场强度也不一样。图63.3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不同寄存器的值来确定角度的改变。如图73.4键盘模块（如图8）图83.5LCD12864显示模块（如图9）图93.6声光提示模块（如图10）图103.7总体电路设计本系统整体电路（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，LCD12864液晶接线模块，MMA7455角度测量模块、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，角度测量模块程序，LCD12864液晶显示模块程序及声光提示模块程序等。4.2主函数流程图（如图12）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：①铜箔线、若干；280mm长铁棍一根。②自制长方体测试系统：1个，长300mm，宽240mm，高140mm的电磁控制装置。另加一根长为150mm的圆柱支架固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：按下启动按键，由静止点开始，摆杆开始摆动。测试数据：启动按键按下，摆杆由静点开始摆动。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。测试数据如下表1：表1系统测试数据一览表设定角度a测量值波动范围设定角度a测量值10°8°~12°30°28°~32°15°13°~16°35°34°~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，达到题目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。测试摆杆在不同角度停止需要时间（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的时间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：表3系统测试数据一览表检测次数预置角度实际测量值误差值(°)响应时间（S）11011122151503320222542526155302916635372774041178454508发挥部分第二项测试方法：摆杆周期在0.5s~2s范围内预置，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、2.0s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）10.50.520.02