CK系列冲孔桩基自动控制系统的软件设计-毕业设计(论文)

本科毕业设计(论文)件设计2012年06月1毕业设计(论文)任务书院(系)电子信息系专业通信工程班级080307姓名夏凯1.毕业设计(论文)题目：CK系列冲孔桩机自动控制系统的软件设源，降低工程造价，创造良好的经济效益。 3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标):要求：完成CK系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计内容：利用C语言编程，熟悉XS128单片机的编译环境，编写刹车、离合、放1绳、键盘与显示等子程序，设计CK系列冲孔桩机自动控制系统的软4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):①查阅国内外相关文献，了解系统的工作原理；第13-15周：进行软件设计、系统调试，验证系统功能；第16-17周：完成毕业论文，准备答辩自2012年月日起至月日止；设计地点西安工业大学。5.毕业设计(论文)的工作量要求①实验(时数)*或实习(天数):不少于200学时②图纸(幅面和张数)*:2张11intelligence,informationfusion,spreadtscience...etc.,theresearchconcerningthetopicisoneoftheonthegoresearchrecompanyproducesoftheMC9S12XS1core,carryoneachpartofsystemfirstofthebeginningstartleavetomatchoflooseandtight,attainarise,decliningofthedesignofcontrolingthesystem,electricalengine1realizationdrives 1.1课题名称及背景 1.2研究意义 1.3国内外相关研究情况 1.4论文的主要任务及内容 2CK系列冲孔桩机系统结构分析 1 2.1.1设计方案的研究 2.2硬件结构框图的分析 2.3软件设计方法 3.1数字PID控制原理 3.1.1PID控制的原理及特点 3.1.2PID控制器的参数整定 3.2数字PID控制算法 3.2.1位置式PID控制算法 3.3.1遇限削弱积分算法 3.3.2积分分离PID控制算法 3.3.4带死区的PID调节器 4系统软件设计与实现 4.1.1CodeWarrior软件的基本特性 4.2系统的软件设计总体介绍 1 4.3.1系统时钟初始化 4.3.3I/0初始化 4.4人机交互模块 4.4.1键盘设计 4.4.2液晶显示模块 4.4.3存储电路设计 4.5打桩机运行程序 4.6电机控制 4.6.1电机控制原理 4.6.2芯片功能 4.6.3PID控制算法 4.7故障分析 6论文工作总结 参考文献 毕业设计(论文)知识产权声明 毕业设计(论文)独创性声明 111.1课题名称及背景操作人员在工作过程中需要频繁对离合器、抱闸等控制部件进行操11.2研究意义1放锥均是如此，仅此一项，就可提高效率20%(同样的提升高度，人工操作是每分钟8次，而自动操作是10次)再加上它永远不休息，b.减少事故的发生。当出现吸锥(夹锥)、离合刹车突然不灵、经验来控制施工的质量显然无法满足当今社会对建筑工程质量越来越高的要求，而冲孔桩机自动控制系统的控制由各种程序和算法完1.3国内外相关研究情况由于当今各种打桩机的气动控制系统及电气控制系统方面已经11.4论文的主要任务及内容112.1.1设计方案的研究动控制系统，将原来的纯手动作业改为了手自动一体化系统，如图电机祖验2桩通掷削印1高度离介电机那动电路位置传感器传感器微控湖器位置刹车电械触模研输入相同信息显示出来图2.2打桩机系统结构示意图1CK系列冲孔桩机自动控制系统原理框图如图2.2所示。操作人2.1.2机械改装设计本课题通过对传统的CK系列冲孔桩机的控制机构进行机械改图2.3所示。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1固定块位置传感器图2.3刹车控制机械改装示意图块和电机导轨固定在打桩机的底座上，电机旋转带动丝杠沿导轨运2.2硬件结构框图的分析本课题研究的自动打桩机打桩机系统，主要包括控制器系统设图2.4所示。实时时钟实时时钟电源模块继电器开关量信号电机过流保护I²C存储离合控制键盘液晶显示图2.4系统结构框图路供电；交流220V为AC～DC(220V转24V)供电。电源电路主要经b.高度自检模块：高度自检采用永磁铁和现成的霍尔传感器模1的霍尔传感器检测轮子转过的角度。霍尔传感器的输出是开关量信2.3软件设计方法113PID控制如何才能更好地纠正系统，PID(比例-实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r(t)与输出值c(t)进行比较构成控制偏差e(t)=r(t)—c(t),3.1所示，所以简称为P(比例)、I(积分)、D(微分)调节器。图3.1所示。系统由模拟PID控制器和被控象组成.R(S)十积分环节1十 近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而1先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；b.仅加入比例控制环PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1PID的参数对系统性能的影响：a.比例系数KP对系统性能的影响：增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；b.积分时间TI对系统性能的影响：增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢；c.微分时间TD对系统性能的影响：增大微分时间TD,也有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。3.2数字PID控制算法PID调节器是比例调节(P调节)、积分调节(I调节)和微分调节(D调节)的组合。PID调节器的动作规律是在实际的控制中，一般都采用计算机控制，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID两种。3.2.1位置式PID控制算法基本PID控制器的理想算式为西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1u(t)——控制器(也称调节器)的输出；K,——控制器的比例放大系数；Ti——控制器的积分时间；Ta——控制器的微分时间。设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式为积分系数为微分系数PID位置式算法被控对象图3.2位置式PID算法控制原理图由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构(如阀门),u(k)的值与执行机构的位置(如阀门开度)一一对应，所以通常称式(3.2)为位置式PID控制算法。对于位置式算法，控制从手动切换到自动时，必须先将计算机的输出值设置为原始阀门开度u0,才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。此外，西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1在计算机发生故障时，由于执行装置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。3.2.2增量式PID控制算法增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量△u(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量△u(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式程序化来完成。由式(3.2)可得增量式PID控制算式进一步可以改写成1一旦确定了K、Ti、T,只要使用前后3次测量的偏差值即可求出控增量式PID算法的优点：3.3数字PID控制算法的改进西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1限削弱积分法，积分分离PID控制算法，不完全微分PID控制算法，微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法。3.3.1遇限削弱积分算法a.基本思想一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的b.算法流程图遇限削弱积分算法流程图如图3.3所示。计算偏差e(n)计算比例及微分项YNY1YYN返回图3.3遇限削弱积分算法流程图3.3.2积分分离PID控制算法积分分离法：减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。限外时，该算法相当于PD调节器。只有在门限范围内，积分部分才图3.4为积分分离PID算法流程图。1计算e(k)=r(k)-c(t)NY计算控制量u(k)返回图3.4积分分离PID算法流程图3.3.3微分先行PID算法3.5微分先行的PID控制方框图3.3.4带死区的PID调节器基本思想：一旦计算出的控制量u(k)进入饱图3.6带有死区的PID控制特性灵敏区B,即带死区的PID控制。只有不在死区范围内时，才按PID4系统软件设计与实现14系统软件设计与实现分为六个阶段：系统分析(analysis)、系统设计(design)、编码4.1CodeWarrior集成开发环境本课题软件程序在CodeWarrior环境IDE,开发人员可以得益于采用各种处理器和平台(从Motorola到Palm公司正式认可的开发平台。基于Macintosh的CodeWarrior1CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具一IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。另外，CodeWarriorIDE支持开发人员插入他们所喜爱的工CodeWarrior开发工作室将尖端的调试技术与健全开发环境CodeWarrior开发工作室包括完成大多数嵌入式开发项目所CodeWarrior集成开发环境(IDE)是CodeWarrior系列嵌入1式的基本软件开发环境。所有软件开发任务都可以在并使用链接器从目标码生成最后的可执行图像。CodeWarrior使用符号数据库，提供源级别调试；支持符号格式，例如14.2系统的软件设计总体介绍始化。系统初始化成功后，则进入正常的工作状态。时系统检测是否有故障发生开始N西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文){}{14.3系统初始化模块系统初始化工作主要完成系统全局变量初始值的设置、时钟设正确的初始化工作，才能使系统正常工作，并发挥其最大的性能，才PWM初始化14.2系统初始化流程图4.3.1系统时钟初始化出的涓流充电时钟芯片DS1302,它内含有一个实时时钟/日历和31字西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1片机PM5管脚，数据线I/0接单片机PM6,复位端RST接单片机PM7管脚。引脚如图4.3所示。{//端口配置//1302初始化控制//系统上电1302是否初始化控制{}}二二二{DDRMDDRM6=0;//SDA输入}西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1{}4.3.2PWM初始化PWM(PulseWidthModulation)即脉冲宽度调制，它是一种通过器。其实现的步骤如下：首先要给定脉冲的周期T,假定控制信号的变化范围为0-V,则可以将其范围内的任一点按比例映射为周期T上统不断的重复这一过程，单片机的引脚也就不停的输出PWM方波信a.8个带周期占空比可程控的PWM独立通道h.分辨率：8位(8通道),16位(4通道)//通道23,67选择SB位时钟源通道01选择SA为时钟源//通道0123输出波形开始极性为1//通道01,23,45,67级联//通道23时钟SB为3MHZ(24/(2*4))1//设定通道01输出频率(50Hz)//设定通道23输出频率(50HZ)存器的设置，可以将I/0口初始化为通用I/01询的方式，其流程图如图4.4所示。返回//设置为输入捕捉//定时器正常工作4.4人机交互模块4.4.1键盘设计设编写键处理程序为A,数据处理程序为B,显示程序为C。A,B,C的关系是执行A,再执行B,再执行C的循环，A,B,C之间的用PEO~PE6,共26个按键。键盘程序的流程图如图4.5所示。有键闭合11YNNY返回图4.5键盘功能流程图4.4.2液晶显示模块西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1液晶液晶3002893图4.6液晶显示硬件连线图液晶显示软件流程图如图4.7所示。NY4.7液晶显示程序流程图液晶显示部分程序如下：{1{{}}4.4.3存储电路设计a.AT24C512介绍内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1范围为0000—OFFFFH。它采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片芯片，特别适用于具有大容b.I²℃总线协议数据线电平从低到高的跳变作为I²℃总线的停止信号。在停止信号产生后，总线就处于空闲状态。图4.8为I²℃总线的起始1I℃总线上字节传送与应答如图4.9所示。总线上传送的每一帧接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的(从机)起婚号91I℃的初始化程序如下：DDRS_DDRS6=1;//SCLK//内部运行变量初始化例如：EKEK1EK2 {}{1}4.5打桩机运行程序系统参数设置完成以后，控制器根据所设定的参数驱动电机转图4.10所示。1YY紧刹车返回图4.10桩机运行流程图1{二//刹车紧{//刹车紧}{}1二{}{」voidMotor_on(void)//电机开{」voidMotor_off(void)//电机关{}14.6电机控制研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片MC3309电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行F/V转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。4.6.1电机控制原理从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号(SA,SB,SC)一方面送入MC33035,经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。另一方面，转子位置检测信号还送入MC33039经F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FB。FB通过简单的器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实际应用中，还可外接各种PI,PD,调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。MC33035芯片管脚排1列图如图4.11所示。003间电流密应及相输入研些盐大器输出PWN雕入基准增出能活感应正标珀入误盖放大毒正相输入误基坟大反和输入传感标满器tū图4.11MC33035管脚排列图4.6.2芯片功能a.转子位置传感器译码电路：该译码电路将电动机的转子位置器。输入端脚4、5、6都设有提升电阻，输入电路分TTL电路电平120°、240°、300°四种情况的三相无刷电动机。由于3个输入逻辑信号，可有8种逻辑组合。其中6种正常状态决定了电动机，个1不同位置状态。其余2种组合对应于位置传感不正常状态，即3个信号线开路或对地短路状态，此时脚14将输出故障信号(低电平)。用脚3逻辑电平来确定电动机转向。当脚3逻辑状态改变时，若脚7接地，3个上侧驱动输出开路(1状态),3个下侧驱动输出强制为低电平(0状态),使电动机失去激励而停车，同时故障信号输当加到脚23上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使3个上侧驱动输出开路，下侧3个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧3个功率开关导通，使电动机3个绕组端对地短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚23的制动信号和上侧驱动输出3个信号，它的作用是等待3个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许3个下侧驱动输出变为高电平状态，闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为80dB,增益带宽为0.6MHz,输入共模电压范围从地到VREF(典型值为6.25V),可得到跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚11输入。脚12～13短14.6.3PID控制算法本设计中直流电机是打桩机正常运行的驱动电机，因为直流电机系统存在静态误差，可以通过PID调节的方法，将系统参数调整到最佳，以此来加快系统的响应速度。4.7故障分析1掉电前的参数对系统自动设置，使其能够自动恢复为原来的工作状5系统调试15系统调试116论文工作总结将近四个月的毕业设计工作在老师的指导和同学的帮助下终于程的实验更加重要，如果没有平时的锻炼就不可能有较好的动手能13、学会了怎样查阅资料和利用工具书。平时课堂上所学习的知这次设计确实使我受益匪浅，但同时也暴露了自己不少的缺点和不11最后深深地感谢在百忙之中对我的论文进行评审并提出宝贵意11参考文献[1]张忠海.液压式振动桩锤发展现状及选型应用.建筑机[3]邓长峰.多功能打桩机.中国专利：200610070513.5,2007(5).[9]《建筑机械使用手册》编写组.建筑机械使用手册(上册),1989(5).[11]孙靖民.机械设计优化.北京：机械工业出版社，1999,44[24]孔德文，赵克利，徐宁生.液压挖掘机[M].北京：化学工业出版[12]同济大学.单斗液压挖掘机[M].上海：同济大学出版社，第二1[13]汪琪.机械零件设计问题解析.中国致公出版社，1988,(3).[14]IvanovAP.Stabilizationofanimpactoscillatornear毕业设计(论文)知识产权声明本人完全了解西安工业大学北方信息工程学院有关保护知识产权的规定，即：本科学生在校攻读学士学位期间毕业设计(论文)工校后，使用毕业设计(论文)工作或用毕业设计(论文)工作成果发保留送交的毕业设计(论文)的原文或复印件，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以公布毕业设计(论文)的全部或部分内容，(保密的毕业设计(论文)在解密后应遵守此规定)毕业设计(论文)作者签名：11毕业设计(论文)独创性声明设计(论文)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成毕业设计(论文)作者签名：11{西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1{{}}voiddel_lcd(unsignedintcc{{CCC--}{1{{}}{}1{}//设置地址，X方向以点为单位，Y方向以page为单位{Write_0108_Reg(Set_Colu}{unsignedcharj,k;西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1for(j=0;j<64;j++){}}//—ldf{unsignedcharj,k;{}}voidputhzbyte(unsigne{1}{{西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1CSC_H();}}}//显示字符串Xx=x*8;{{}1}}{{}}//—voidldfputchar(intx,int 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