基于晶振粗精磨机的单片机实时多任务处理系统模式研究（可编辑）

基于晶振粗精磨机的单片机实时多任务处理系统模式研究（可编辑） 学校代码: 学 号: 基于晶振粗精磨机的单片机实时多任务处理系统模式研究 龟 ’? 专 业:机械电子工程 姓 名:于宏新 指导老师:杨向萍 , 飞 机械工程学院 年月日哪 四 刚 四 四 四 咖 四 附件一: 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:我恪守学术道德,崇尚严谨学风。所呈交的学位论文,是本人 在导师的 指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容 外,本论文不包 含任何其他个人或集体已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人 亲自撰写,我对 所写的内容负责,并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 %钞 了月 钎口 日期:枷/年 \ 附件二: 东华大学学位论文版权使用授权 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口,在??年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 鹤名 向 导巍彩 曙 夸 籼?签球印 杨驰侣 脚 .年 日期 尸 一钐 日期.夕衫月?日 歹 通“硕士学位论文 摘要 基于晶振粗精磨机的单片机实时多任务处理系统 模式研究 摘要 晶振粗精磨机是用于晶振加工工艺中的主要设备,其控制系统是 一个实时多任务处理系统。本课题通过对此系统分析和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,总结归 纳出一种实时多任务处理系统控制模式。此模式以系列单片机为 控制芯片,以时间片轮询法为调度算法,以模块化编程思想为基础, 为设计人员提供了一种“循环设计”的方法。 在晶振粗精磨机系统的设计中,本课题分析和改进了原有的机械 结构,并进行了总体方案设计、控制方法选择和硬件电路设计,同时 还对硬件系统的安全性和抗干扰性进行了简要的分析,提高可靠性。 在软件系统设计中,通过模块化编程,实现可移植性;应用任务 调度程序实现多任务处理;采取抢占式中断实现高实时任务的运行。 在建立实时多任务系统控制模式的过程中,本课题对任务管理、 调度器算法、任务模块化处理、资源分配、时间精度分析和模式使用 范围做了详尽的说明。将此模式应用于基于单片机的实时多任务 处理系统,可以大大的缩短开发周期,使系统的修改和后期维护更加 容易,且具有可移植性和通用性,便于设计人员快速上手,具有很好 的发展前景。 关键词:实时多任务系统,单片机,晶振粗精磨机,控制模式, 时间片轮询,模块化编程 硕士学位论文 ? 口, . , .‘ ,” . “’. , , ,.. ,,.? , , , ,. , ,? ‘. . .:, , ,“ ”, ?目录 硕士学位论文 目录 摘要. 第一章绪论. . 单片机实时性与多任务要求?.. ..单片机多任务要求. ..单片机实时系统?. . 晶振粗精磨机的发展现状??.. . 晶振磨削原理?.. .课题研究内容?.. 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进? .前期方案结构分析??.. ..进料机构?. ..夹持机构?. ..磨削机构?. ..分选机构? . 机械结构和磨削方案的改进? ..夹持机构的改进? ..磨削进给结构改进 ..改进机械结构总体方案? . 小结.. 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计?.. .控制系统总体方案制定 .控制方法选择? ..进料工序控制方法选择? ..夹持工序控制方法选择? ..磨削工序控制方法选择? ..分选工序控制方法选择? . 控制芯片选择及外围电路设计 ..主芯片选择与总体设计? ..电源电路设计??硕士学位论文 目录 ..键盘显示电路设计 ..步迸电机控制电路设计? ..气动电磁阀控制电路设计 ..交流开关控制电路设计?. ..传感器接收处理电路设计 ..串行通讯电路设计 ..磨削砂轮调速电路设计. . 阻抗频率测量模块设计 ..阻抗处理?. .频率处理电路设计 .测量精度分析. 小结.. 第四章系统软件体系设计??.. . 任务分析 . 总体设计思想? . 任务调度程序设计. 模块程序和接口程序设计..按键扫描和数码管显示? ..振动盘动作处理? ..气缸控制? ..数据通讯和处理? ..分选任务处理..步进电机控制处理 ..其他模块? . /、结.. 第五章可靠性分析与调试应用.. .安全性设计.抗干扰设计.。电源抗干扰设计? ..信号采集抗干扰设计..信号控制抗干扰设计硕士学位论文 目录 .. 板设计与布线.. . 系统调试及分析 ..部分按键功能测试 ..实时任务相应调试 ..多任务同步调试? ..显示测试和其他调试. 晶振粗精磨机板? . 小结.. 第六章单片机实时多任务系统控制模式建立??. .任务管理程序??调度器哺?. ..任务处理方式..时间片轮询及实现 .任务分析处理? ..短任务和长任务的处理? ..周期任务和单次任务的处理..抢占式中断任务? ..常用任务? . 资源管理分配? ..引脚使用? ..存储器的分配.中断的使用 .系统时间精度分析.模式适用范围? . 小结.. 第七章结论和前景展望。 .本设计所做研究工作? . 前景展望 参考文献? 在校期间发表论文情况? 致谢 附录 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 . 单片机实时性与多任务要求 ..单片机多任务要求 单片机,又称微控制器,由于体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗 干扰能力强、可在各种恶劣环境下可靠工作等特点,广泛应用于各个领域中。 单片机伴随嵌入式系统乜的发展而发展的,为了控制容易,单片机采用的是简单 直观的单任务机制,即按照某一流程执行单一任务,然而程序只能按照单一的线 索顺序执行?划,缺乏灵活性,只能用中断函数实时的处理一些运行时间较短的 任务,在复杂的应用中显出不足。 随着现代控制类产品自动化水平的提高以及单片机的广泛应用,产品往往出 现复杂控制、实时多任务的要求。多任务的处理方式多应用在位机、位机 的高级系统中畸,它是指用户可以在同一时间内运行多个应用程序,每个应用程 序被称作一个任务。位机和位机在处理数据位宽方面高于位单片机,然 而价格上却有几倍之差。通常的工程应用中,位机和位机的功能并不能得 到全部的利用。基于成本、技术和资源利用方面的考虑,工程应用中普遍应用 位单片机,且绝大多数按照单一任务顺序执行哺。由于单片机出厂只有裸空的程 序空间,软件开发需要程序开发人员基于处理器直接编写,且没有实时多任务操 作系统平台。较之多任务相比,传统的单任务编程还有如下不足川: ?编程繁琐效率低下。 ?扩充麻烦,往往要追加一个功能时需要开发者从头到尾把时序关系和语句 等重新调整一遍。这在几千行甚至几万行的汇编语言中往往是一个恼人的问题。 ?不利于多人合作。 ?传统的编程方法为了解决某些问题常利用多级中断嵌套,这样给调试带来 了一些困难。 ?在考虑成本的情况下,对于特定的,中断数很可能不够用。 ?程序日后较难解读。 随着多任务的要求越来越迫切,设计人员经验缺乏导致重复设计带来的弊端 开始显现出来,提出一种循环设计经验隋的方法,显得非常必要。本课题中对多 任务处理系统??晶振粗精磨机控制系统的研究中提出一种设计模式,为设计人 员提供一个通用的解决方案。 ..单片机实时系统 大多数软件系统的用户都希望他们的应用程序能够快速响应,不同的是:对硕士学位论文 第一章绪论 . 晶振粗精磨机的发展现状 石英晶体振荡器由品质因数极高的石英晶体振子和振荡电路组成,具有高精 度和高稳定度,被广泛应用于彩电、计算机、移动电话、电子钟表以及各种民用、 军事工业等电子设备中 。本设计中涉及的.的晶振在电子钟表行业得 到广泛应用。随着我国人造石英晶体生产技术的日趋成熟和完善,产品的质量和 档次也不断提高,逐步建立起了中国石英晶体材料和元器件的工业体系,但从生 产数量考察,我国已成为石英晶体材料和元器件的生产大国和主要出口国,但从 全面比较,无论是生产技术和产品质量,还是企业的经济效益,与发达国家美国 和日本,存在很大的差距。就晶体振荡器而言,高精度、高效率的加工设备国 内无法生产,只能依靠进口,且价格昂贵,普及困难。因此未来国内晶体元件的 发展,应从过去的数量扩张模式转化为质量效益模式,提高产品档次、技术水平 和经济效率,加大技术开发的投入。 石英晶振的加工工序叫:原料的选择、定向、切割或腐蚀、研磨等工序 制成半成品,然后再经过镀膜,上架、粗磨、清洗、精磨、封焊、老化、晶体参 数测量分拣等工艺才能制成合格成品。本课题中晶振粗精磨机就是对上完架的晶 振如图所示的粗精磨工序进行自动化加工的设备。在加工过程中,此设 备对谐振音叉片的频率和阻抗进行自动调整,降低平均频率偏差和分布方差, 满 足后续工艺要求。同时去除前道工序中出现的短片、电极短路片、不起振片等不 合格音叉片。 图上完架的晶振音叉 根据国内的晶体加工行业密集区一福建莆田地区的加工工厂、企业的走访中, 发现晶振粗精磨工序的加工主要有以下几种情况: 劳动力密集型手工磨削的方式。如图卜,由技术工人持夹头磨削晶振音叉, 通过观察频率和阻抗的变化来确定是否合格。产品产量和效益完全取决于技术工 人的熟练程度和人数的多少。在走访的厂家和企业,基本都有大量的工人进行类 似的操作,并从企业运营者了解到,由于现在的技术工人成本越来越高,工人流硕士学位论文 第一章绪论 动性大,且雇佣的工人向低龄化发展,使得工人的招聘越来越困难。基于这些情 况引发很多企业和厂家投资开发自动化的设备。 图手工磨削晶振设备 国外早期设备。国外自动化设备技术已经成熟,但是价格昂贵,技术保护严 重,国内使用的设备大多是国外十几年前的设备,如图?所示,日本十年前的 晶振粗调机,由于工艺的不断改进,以及电子行业的飞速发展,这些国外的早 期 设备已经不能满足现在的生产需求,所以大量的设备都闲置中。 图日本十年前的晶振粗调机 国内改进的半自动设备。根据国外早期设备的经验,通过加入新的控制系统 和机械结构,国内一些企业开发一些半自动化的晶振粗精磨机设备,如图卜 所示,基于伺服电机的晶振粗精磨机,但是由于进料采用设计好的模具条如 图 ?所示,虽然磨削实现了自动化,但是进料还要人工向模具条中摆放晶振, 所以没有实现完全的自动化,工人人数没有明显的改善。另外由于晶振音叉 片单 面磨削,降低了晶振产品的平衡性,并且短片率高,并没有被普遍采用。 硕士学位论文 第一章绪论 图卜国内半自动化的晶振粗精磨设备 图模具条 . 晶振磨削原理 方程用于描述石英晶体谐振频率与晶体及表面附着物质此处指银 电极层质量变化之间的关系‘,该方程如下: , 拈蔫 其中为晶原始谐振频率,伪晶片的频率变化量,?为晶片的质量变化, 是晶片有效面积,是石英晶体密度,为晶体剪切弹性模量。对于某一特定晶 片,、、均为常数。基于上式,当改变银层或石英衬底质量时,谐振频率会 发生相应的变化。公式中的负号表示质量减少会引起谐振频率增加,反之亦然。 粗精磨的过程是通过不断检测频率值和阻抗值,对音叉臂的两侧进行磨削, 根据与目标频率差的大小决定砂轮的转速,根据阻抗的变化决定下次的磨削方向。 由于这种磨削是一种“减”的加工工艺,所以整个过程谐振频率一直增大,最后 根据谐振频率和阻抗进行分类。 . 课题研究内容 本课题通过对晶振粗精磨机控制系统的设计,寻求一种单片机实时多任务控 制系统的设计方法,为现在自动化控制中出现的大量多任务系统提供一种模式, 这种模式能使控制系统开发更加方便、快捷,减少产品的开发周期,并且以单片 机为控制芯片,大大的节约成本。主要工作有:硕士学位论文 第一章绪论 改进完善前期机械结构,与机械设计人员共同探讨,提出新的磨削方案设计 了相应的机械结构。 设计了单片机外围电路,并给出相应的功能模块电路,配以独立的键盘显示 电路。通过单个单片机实现了多任务系统的设计,大大节约成本。同时也对 系统 抗干扰性做了简要的论述。 分析了晶振振荡电路原理,在此基础上设计了晶振频率阻抗测量电路,测量 电路与主控制板串行数据通讯,基本达到了设备运行中对参数测量的要求。 编制了系统软件程序,并通过对粗精磨机控制系统的分析归纳,建立一套实 时多任务处理系统控制模式,具有通用性和可移植性,可有效的减少设计中的重 复设计,减少开发时间,给设计人员提供一种“循环设计”的方法。第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 硕士学位论文 振依次送到整形板的入口;此时整形板上的传感器检测到音叉片的到来,停止直 线筛选仪;气缸伸出,气缸伸出,带动顶针将晶振推到整形板的前端;气缸 伸出,带动插板对晶振管脚进行整形,等待夹持机构夹持。 图自动进料机构 ..夹持机构 如图?所示,为夹持换向机构,图?为磨削时的晶振夹头结构。初始状 态:气缸度如图状态,气缸缩,气缸伸。 硕士学位论文 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 图?夹持抉向机构 此机构的动作是:气缸伸出,带动夹板座和夹板向下运动到晶振位置,使 整形板前端如图?的晶振恰好置于夹板开口处;气缸缩进,夹板在弹簧 的作用下夹持晶振底座,气缸缩进,夹板夹持晶振上升,夹持状态如图?; 气缸旋转到度位置,带动气缸和夹持夹板结构向下旋转,到水平状态,等 待后续的磨削夹头取晶振音叉片。 图夹头夹持状态图 图夹头结构图 如图?所示,转向电机带动夹头,向晶振管脚靠近,张开两侧夹片如图 ?所示,使晶振管脚插入夹头中,气缸伸出,夹板张开,夹头夹片收合, 夹紧晶振离开夹板;转向电机带动夹头,送到磨削机构,准备磨削。 磨削过程中,为了满足实时检测晶振的频率和阻抗的要求,需要夹头夹持晶 振的结构为导体,且独立的与晶振管脚相连,具有良好的接触,以导线形式引 出。 这些要求使夹头的设计增加了许多的难度,导致设计的夹头存在一些缺陷如 下。 ?夹头尺寸小、组合零件多、动作复杂以及成本控制要求,很多厂家拒绝加 工。 ?由于夹持晶振的方式,需要前道工序的对接,加工的工件样品装配精度高, 晶振管脚插入夹头的动作,实现非常困难。 ..磨削机构 如图?所示,为磨削机构,可调速交流电机通过带传动,与被动带轮相连, 通过摩擦轮使两个砂轮以不同的方向旋转。通过对调速电机的控制,可以提 供 个速度档,每个档位可调。夹头夹持晶振送入砂轮中间,通过控制夹头两侧摆 动, 使晶振音叉片的两侧接触砂轮,达到磨削的效果。 硕士学位论文 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 图磨削机构 ..分选机构 如图?所示,为加工过程中和加工后的晶振分选机构,主要作用是把未加 工晶振和加工后的晶振通过检测,判断其是否合格,放入相对应的料斗中。料斗 分为合格品、残品断片和次品。如果需要还可以根据合格品的优质程度设置更细 化的分档。分选机构置于夹头下端,根据检测出来的不同分档信号,通过控制低 速电机旋转,使相应档位的料斗置于夹头下端,夹头通过气动将加工完的音叉片 吹落到料斗中,从而实现分选。 图分选机构 硕士学位论文 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 . 机械结构和磨削方案的改进 前期方案在试验调试的过程中发现许多的问题:?夹头的加工出现困难,由 于夹头尺寸小、精度高的特点,以及成本控制的要求,致使很多厂家拒绝加工, 而且从装配的结果看,装配精度要求高,晶振与夹头的对接过程困难,可靠性低。 ?整个进料过程繁琐,过多的动作带来了更多的不可靠因素,给加工和装配引入 大量的附加成本。?磨削进给机构采用原有进口设备的结构,占用空间大,且机 构笨拙,动作繁冗。 ..夹持机构的改进 由于前期方案夹头出现的种种问题,现将夹头改进如图.,图中叉形夹持 器采用非金属材料有机玻璃或树脂,减少由于夹持力太大造成晶振金属座的 硬损伤;线簧的作用使夹头在非工作状态处于张开状态,夹持针的向下运动使夹 持器夹紧晶振座,达到夹持效果;晶振的测量是通过叉形夹持器的楔形刃口插入 晶振管脚中,楔形刃口与管脚接触面覆有铜箔,将信号引出。 图?改进夹头机构 图夹头装配图 夹头装配如图,夹持针的动作通过一个单作用气缸实现,整个夹持器通 过夹持器座的环状紧固结构和柱体结构与夹持器底板相连。 ..磨削进给结构改进 磨削过程的工件进给结构的改进方案如图一,吸收原有机构减缓硬冲击 的特点,简化前期方案繁冗的结构。方案中,步进电机提供进给动力,传感器检 测整个结构运行的初始位置可调整,步进电机的转动带动滑块沿导轨离开初硕士学位论文 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 始位置运动,然后步进电机再反方向回到初始位置,这样就完成一次磨削。磨削 过程中,弹簧片带动夹持组件,做摆动,使晶振音叉片的两侧一次次接触砂轮, 形成磨削。弹簧片起到缓冲作用,将步进电机的位移控制量转化为力控制量,减 少晶振进给时的硬性冲击。 图改进工件进给机构 ..改进机械结构总体方案 根据晶振的加工工艺,本课题把晶振粗精磨机的加工工序分为四部分:进料、 夹持、磨削和分选。改进的总体方案中,通过个相互垂直气缸对工作台的操作, 形成四个工位,如图,工位:气缸伸,气缸缩,放置进料机构;工位 :气缸伸,气缸伸,放置进给机构和磨削机构;工位:气缸缩,气缸 缩,放置分选机构。 气缸和气缸为双作用气缸;夹持组件与气缸的支架用轴承相连,使夹 持组件可以沿气缸运动方向做摆动,在夹持组件和与其固定的支架上再加一个 单作用气缸,控制夹持组件是否摆动;磨削机构的砂轮方向也做了相应的改动, 砂轮转速控制采用原有控制方案。硕士学位论文 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 图 改进机械结构总体方案 进料机构,本课题将采用振动盘结构,实现自动进料。由于市面上振动盘的 工艺和产品非常成熟,设计中将不再设计,直接采用现有的成品。只要提供工件 尺寸,出料摆放要求,相应的加工厂家就会给客户提供相应的振动盘产品,通过 开发周期、成本、维修和控制各方面综合考虑,此方案更加切合实际要求。另外 此振动盘振幅和频率自动产生,启停控制由主芯片提供。 . 小结 本章节通过分析对比,详述了前期方案和改进方案的动作原理和优缺点,并 给出相应的结构模型和控制执行原件。 然而机构的改进和精简,必将会带来控制策略更高要求。气缸的引入,带来 更多定位传感器信号;步进电机的精确控制,带来时间精度的高要求;频率阻抗 的检测,带来大数据处理和大存储空间要求,以及不同电压元件的转换、高压电 机的控制引入的控制要求,这些都说明此系统是个多任务实时系统。因此多任务 控制策略的选择和实时性的实现将是本课题着重探讨的内容。并将在后续的 章节 中阐述。第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 . 控制系统总体方案制定 本课题中晶振粗精磨机的控制系统包括:频率阻抗测量模块及其相应的串行 通讯处理电路、定位传感器及其信号处理电路、交流电机及其驱动电路、气 动电 磁阀及其驱动电路、步进电机及其隔离驱动电路、键盘显示芯片及其外围接 口电 路和主控制芯片外围电路等。其控制框图如图?。 臼圈 臼圈 日圈 日囝 圈口圈昌 ,圈日圈 圈圈圈目群 图晶振粗精磨机硬件控制框图 本控制系统加工过程中控制如下: 进料振动盘启动,按照要求将晶振音叉片送到出口指定位置,指定位置的光 电传感器检测到晶振,主控制芯片发出振动盘停止信号,使振动盘停止自动进料。 夹持机构的气缸控制信号使夹头夹持晶振,并快速测量晶振频率阻抗,并将 数据通过串行通讯传输到主控制芯片处理,检查此晶振是否合格,不合格发出定 位气缸控制信号,送到分选槽上方,控制分选机构电机转到不合格料槽位置,夹 头张开放下不合格晶振。此过程中晶振被夹持后,振动盘的检测传感器检测到无 晶振时,发出振动盘启动信号,继续进给。 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 检查合格的晶振,发出定位气缸控制信号,送到磨削工位,并根据之前检测 的频率阻抗值,发出相对应的砂轮启动和速度档位信号,砂轮运转;发出夹持机 构摆动固定气缸信号,使夹持机构可以摆动,控制步进电机进给信号,进给机构 的弹簧片带动夹头摆动接触砂轮,形成磨削。步进初始位置为晶振置于两砂轮中 间时的位置,通过控制步进的转动方向,磨削晶振音叉的不同侧面,改变其阻抗, 调整晶振平衡性。 整个加工过程中,保持电源断电按键和功能停止按键的可用,并实时显示不 同工序的晶振频率阻抗值以及不同分档的产品数量和百分比;步进电机正反进给 位移可调,并在数码管显示调整结果。 在加工工程中,发生错误,报警灯闪烁;加工过程中,控制芯片全程记录加 工进程标志,防止突然断电再重启时,引起设备冲突。 . 控制方法选择 ..进料工序控制方法选择 进料工序中使用的执行元件和检测元件:振动盘启动和检测传感器。 振动盘是一种自动定向排序的送料设备,其工作目的是通过振动将无序工件 。自动送料振动盘主要由料斗、 自动有序定向排列整齐、准确地输送到下道工序 底盘、控制器、直线送料器等配套组成,如图?所示。自动送料振动盘的料斗 下面有个脉冲电磁铁,可以使料斗垂直方向振动,由于弹簧片的倾斜,使料斗绕 其垂直轴做扭摆振动。料斗内零件,由于受到这种振动,而沿螺旋轨道上升,直 到送到出料口。此振动盘可根据客户需求订制各式各样型号,并广泛应用于电池、 五金、电子、医药、食品、连接器等各个行业,是解决工业自动化设备供料的必 须设备。 图振动盘 振动盘配有控制器,可独立控制频率和振幅、调整送料速度以配合整台设备 的工作节奏。为了防止振动盘无休止的送料,本系统在出料口装配检测传感器,硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 并对振动盘的启动停止进行控制,使出料口一直保持只有一个工件的状态。振动 盘的控制如图。 振动盘使用交流电压供电,本课题将对其供电进行开关控制,达到控 制振动盘启动停止的目的。交流驱动采用可控硅和压敏电阻的组合,用带 过零检测功能的光耦进行隔离。 检测传感器采用对射光电传感器光电开关。对射型光电开关:由发射器和 接收器组成 ,结构上是两者相互分离的,如图所示,在光束被中断的情况 下会产生一个开关信号变化,位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达米。 图对射光电传感器 特征:辨别不透明的反光物体;有效距离大,因为光束跨越感应距离的时间 仅一次;不易受干扰,可靠性高,可以应用在野外或者有灰尘的环境中;装置的 消耗高,两个单元都必须敷设电缆。 驱动方式:本课题中选用欧姆龙的对射光电开关,电压,由于主控 板的信号电压,需要设计’转换电路,采用普通光耦光电隔离实现; 转换后的信号与主控芯片用双向总线驱动器驱动。控制示意图如图?。 振 处 启动 土 理 隔离 信号 ? ? ? 动 险 电 驱动 路 电路 片 盘 图振动盘控制框图 ..夹持工序控制方法选择 夹持工序使用的执行元件和检测元件:个带磁环双作用气缸、个单作用 气缸和个磁性开关传感器。控制示意图如图?。 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 处 理 电 路 图夹持工序控制框图 双作用气缸:从活塞两侧交替供气,在一个或两个方向输出力,如系统中的 两个工位气缸;单作用气缸:仅一端有活塞杆,从活塞一侧供气聚能产生气压, 气压推动活塞产生推力伸出,靠弹簧或自重返回,如系统中的摆动允许气缸和夹 头夹紧气缸。双作用气缸控制采用济南杰菲特公司的两位五通电磁阀,单作用气 缸采用两位三通电磁阀,电磁阀驱动电压,其驱动电路采用芯 片和继电器组合的驱动方式。是驱动器芯片,内部集成续流二极管。 继电器选用/。 磁性开关是利用磁性感应实现开关作用的一种传感器。起开关作用的是其内 部的干簧管。干簧管是干式舌簧管的简称,是一种有触点的无源电子开关元件, 具有结构简单,体积小便于控制等优点,其外壳一般是一根密封的玻璃管,管中 装有两个铁质的弹性簧片电板,还灌有一种叫金属铑的惰性气体。平时,玻璃 管 中的两个由特殊材料制成的簧片是分开的。当有磁性物质靠近玻璃管时,在磁场 磁力线的作用下,管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触,簧片就会吸合在一起, 使结点所接的电路连通。外磁力消失后,两个簧片由于本身的弹性而分开,线路 也就断开了。因此,作为一种利用磁场信号来控制的线路开关器件,干簧管可以 作为传感器用,用于计数,限位等等在安防系统中主要用于门磁、窗磁的制作, 同时还被广泛使用于各种通信设备中。在实际运用中,通常用永久磁铁控制这两 根金属片的接通与否,所以又被称为“磁控管”副。 本系统采用磁性开关,驱动原理同光电开关。其中,’ 转换电路,采用普通光耦光电隔离实现;转换后的信号与主控芯片用双向总线驱 动器驱动。安装如图所示.硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 图磁性开关及安装方式 ..磨削工序控制方法选择 磨削工序中使用的执行元件和检测元件:两个双作用气缸、一个单作用气缸、 一个交流光电机,一个步进电机和四个磁性开关。控制示意图如图?. 图磨削工序控制框图 气缸的原理和驱动,在夹持工序控制中已经描述,在此不再重述。 本课题中砂轮电机选用交流电子调速光电机如图?,并选用与之配套 的电子无极调速器如图?,光电机内部装有测速反馈装置,与调速器接线 简单,采用可调电位器实现无级调速,调速器与电机接线如图?。为了解决工 艺要求中砂轮分档调速和每档可调的特点,设计中采用多电位器,并行连接, 在 加以继电器为控制开关,实现分档,再调整每个电位器的阻值满足加工中高 速、 中速和低速的要求。主芯片通过控制继电器的通断实现智能控制。 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 翟盎 鏊 一 ? . ‘ 誊空 羹蓉 蹴’晰夸嘣 ?蕤馥睽掌深磅稍轮轴唪漱鹃抵岫. 图交流电子调速光电机装配尺寸图 图电子无极调速器和接线图 : 调速器的主要技术性能 外观样式:分离式 电源电压: ?%,或者?% 适用电机:适用于微型交流齿轮减速电子调速电机。 调速范围:一/时 工作温度:一?~? 工作湿度:%无结露现象 控制方式:远程电位器控制 电容安装方式:外置式电容 速度变动率对负荷:%标准值,/,额定扭矩%时的速度变化 旦 里 本课题中的步进电机选用常州德昌机电的两相混合式步进电机,并配置相应 的步进电机驱动器。步进电机技术规格参数如下表?。 表步进电机技术规格表‘们硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件 电路设计 系统中选用的步进驱动器为.系列,恒流细分控制,运行平稳, 性能可靠。 技术特点: 驱动电压~直流供电;桥双极恒相流驱动;最大的八种输出 电流可选;最大细分的七种细分模式可选;输入信号光电隔离;标准共阳单 脉冲接口;脱机保持功能;半密闭式机壳可适应更严苛环境;提供节能的自动 半 . 电流锁定功能。 表电气特性表环境温度?时 指标 特性 供电电源 ~,容量.、, 峰值/相输出电流可由面板拨码开关设定 输出电流 恒相流控制 驱动方式 励磁方式 整步、半步及、、、、五种细分方式 绝缘电阻 在常温常压下 绝缘强度 在常温常压下.,分钟 输入信号: 公共端:本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式,将输入信号的电源正极 连接到该端子上,将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低 电平 有效,此时对应的内部光耦导通,控制信号输入驱动器中。 脉冲信号输入:共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲, 并驱动电机运行一步。为了确保脉冲信号的可靠响应,共阳极时脉冲低电平 的持 续时间不应少于。本驱动器的信号响应频率为,过高的输入频率将 可能得不到正确响应。 方向信号输入:该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳极时 该端悬空被等效认为输入高电平。控制电机转向时,应确保方向信号领先脉 冲信 号至少建立,可避免驱动器对脉冲的错误响应。 脱机信号输入:该端接受控制机输出的高/低电平信号,共阳极时低电平时 电机相电流被切断,转子处于自由状态脱机状态。共阳极时高电平或悬空时, 转子处于锁定状态。硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 图典型接线图 ..分选工序控制方法选择 分选工序中使用的执行元件和检测元件:一个可逆交流同步电机、一个单作 用气缸和三个接近开关传感器。控制示意图如图。 由于分选工序要求电机转速偏慢、可逆转和速度不变等特性,故本系统中分 选交流慢速电机选用温州正科的齿轮减速可逆永磁同步电机系列, 如图。此同步电机稳态运行时,转子的转速和电网频率之间有不变的关系 /,称为同步转速。若电网的频率不变,则稳态时同步电机的转速恒 为常数而与负载的大小无关,满足速度不变的要求;另一方面,此电机内置齿 轮 减速器,输出速度低值/,满足慢速的要求。其余参数如表?所示。 测量模块 ’讯电路 圜圆圈 旧耋曩羹日旧墨霉 图分选工序控制框图硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 图齿轮减速可逆永磁同步电机系列尺寸图 表齿轮减速可逆永磁同步电机系列参数表 系统中分选定位传感器选用接近开关,如图一,又称无触点行程开关, 它除可以完成行程控制和限位保护外,还是一种非接触型的检测装置,用作检测 零件尺寸和测速等引,也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工 程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频 率高以及适应恶劣的工作环境等。系统中的三个接近开关分别安装在转盘下方的 三个位置,对应三个料斗,转盘旋转时,转盘上的突起金属块接近任一接近开关 就会产生信号,实现料斗的定位。 图接近开关 此开关供电电压,驱动方式同迸料工序中的对射传感器。硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 。 控制芯片选择及外围电路设计 ..主芯片选择与总体设计 在大多数项目中,使用处理器都需要对硬件、软件和人员 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 做相当大的投 资,几乎没有哪个公司有能力为每个项目选择不同的芯片。相反,一般都倾向 于 专门研究单一或者很少的系列处理器。正如本课题中研究的系列处理器, 有很多的器件供选择,并且数量还在日益增多。因此,对于各种各样的项目而 言, 系列处理器已成为一种极好的选择。 系列处理器按功能分为标准、精简和扩展哺。对于精简 型,不同的芯片在功能特性上会极大的不同,且管脚不兼容;对于扩展, 虽然具有较好的性能,但功能增强带来的是昂贵的价格。标准,有非常的 厂家生产,替代性好,灵活通用,价格便宜,体系结构为许多开发人员所熟悉, 并得到许多开发工具的支持。由于本课题主要研究基于可移植性和通用性的 单片 机多任务系统,标准是首要选择。 在投放市场不久,也随之面世。在基本体系结构的基础上增 加了一些有用的特性,尤其是具有更多的和定时器,并且与的引脚 和代码兼容,因此当前情况下,系列处理器都以为标准。 本课题中采用宏晶科技生产的,完全兼容标准,高速、 高可靠、宽电压、低功耗、超强抗干扰,芯片特性如下心?: .工作电压.’.。 .时钟/机器周期,时钟/机器周期可任意选择。 .工作频率:’相当普通的~。 .程序存储器字节,字节扩展内部字节, 功能。 .可通过串口./.直接下载程序 根据设备的控制执行元件,硬件电路设计之前要对主芯片的管脚资源进行总 体分配,然后进行具体的芯片选型和电路设计。 为了实现本课题中晶振粗精磨机的多任务特性,使单片机有限的/接口控 制更多的任务,本课题对芯片进行了合理的扩展,为了提高系统的实时 性,在接口扩展中采用一些具有保持信息量的器件,本课题中就采用了锁存 器 实现/扩展,该器件具有数据锁存功能,在没有访问时,保持 控制数据不变,以利于总线对其他器件同步控制,保证实时多任务性的实现。 主芯片引脚胁和总体控制示意图如下:硕士学位论文 第三章控制系统总体 方案及硬件电路设计 斑 鼬. 瓣 碱 糊釜渺 峨 娩蛾缱 雌 舢 ? 豁衔?始孵粥猕 .疆囊渤 : . 燃 拉 . 投正 鹣.瓤鞠 四一九一九一四量一 燃 髓烈黼 琵翮 芦贫舅 辨囊珞拍 照嚣髑犸,?鼢 鲥陋. 髓 辫 鋈 ? 黻 , 鞫 . 九一四一九一一一四 . 翔 眦. 预霞 鞫 . 一蠹街啦勘蝣抡塑国 豫. 垃 ? .鬟翦 控一媳一搏耩沁一拧一撸一搏 腿?赫髓甜越啦班 ?,疆秘 技 四一九一 一? 飞,一 , 巷 毒 鬻 巧崎??型 一奶街?绱蝣搬塑 撞一搀扭一撼一撼盯覆一悖 髓射醚嬲戳糙越射 苎隔一九一一一九一兰一四蕊一四 一黻 磷百鬈墓薹姒嘴蕊百鬈砖誊慧鼍 图主芯片总体控制示意图 ..电源电路设计 本课题中控制电路所需电源如下: .交流电机和振动盘所需的/的交流电,由市电直接提供。 .气动电磁阀、传感器、继电器和步进驱动器所需的直流电压。 .运算放大器所需?直流电压。 .为单片机及其他元器件供电的直流电压。 直流电压和?电路 和?的电源电路设计如图,市电交流经过变压器降压, 再经过桥电路整流,电容滤波得到平滑的直流电压,这样的电压还会随电网 的电 压波动,。负载和温度的变化也会有影响,故在滤波之后再加稳压电路,得到 稳定 的电压。图中为输出的三端稳压器,起滤波作用,、稳压 滤波作用,为/变换器,可以得到?的直流电压。 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 图和士的电源电路 直流电压电路 在的电压经过的三端稳压器就得到我们所需要的电源。电路 如图?。图中滤波作用,、稳压滤波作用。 岛 图的电源电路 ..键盘显示电路设计 本课题中,由于工序的单步调试要求,再加上通用人机交互的要求,使得本 系统需求的按键数比较多,为了节省单片机的资源,本系统引入了专门的按 键扫 描和驱动控制芯片,串行接口只占用控制器个引脚。 是带键盘扫描接口的发光二极管显示器驱动控制专用电 路,内部集成有数字接口、数据锁存器、高压驱动、键盘扫描等电 路。主要应用于冰箱、空调、家庭影院等产品的高段位显示屏驱动。 特性: 采用功率工艺; 显示模式段×位; 键扫描×; 辉度调节电路占空比级可调; 串行接口,,; 振荡方式:振荡%: ,气硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 内置上电复位电路; 采用封装。 表 管脚功能表‘ 表时序特性一~?,.~. 对应的时序波形图如下图: 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 几 歹 ? .~憎 一 、 , 弋 ‘ / 』 枉, ?怫一; \ 一 ?一 一慨一 一 一 汰 半 ?一???’ % .考 ?艄 图时序波形图 下图为数码管显示及键盘扫描硬件原理图,所用数码管为共阳极数码管。 、之间滤波电容在板布线应尽量靠近芯片放置,加强 滤波效果;连接在、、通讯口上三个电容可以降低对通讯口 的干扰;因共阳极数码管的导通压降压约为,故供电选用。整 个键盘显示电路占用单片机.、.和.端口。 ? 叠? 锚 珏挣 注】数码管为共阳极段数码管亨亨亨 墅‰啪煞警壁‰舢‰。 ”叩种舭 市 下 丁 丁 泰 涤』南墼寿 图键盘显示电路图 ..步进电机控制电路设计 本课题中,控制系统是个多任务系统,为了更有效的利用单片机的端口,本 系统用锁存器进行扩展,锁存器的锁存功能使输出的端信号保持, 进而达到多任务同时运行,从而实现单个单片机控制多任务系统。 ?%\硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 控制步进电机硬件电路如图。步进电机控制有个信号:脉冲、方向 和脱机,脉冲的个数和频率决定步进电机的角位移和速度的大小,方向信号 的高 低电平控制步进正反转,脱机信号控制电机停止状态是否锁定位置瞳。锁存 器和 驱动器之间使用光耦隔离,图中为光电耦合器,.接锁存器的片选端, .接锁存器锁存信号端,.、.和.分别控制脉冲、方向和脱机。? 磁?,??????????? 挖. . ’茁???左 公翼丽 ‘‘ 、 罩, 】 拣冲 驱动器 ? 删 ? 。方随 瑚?一章声 膣礁 ?二 嬲 殴 了 吣 辜多;【. 躲 眺籽札黔? 图步进电机控制电路图 ..气动电磁阀控制电路设计 本课题中所需的气动电磁阀共有个,分别控制各个单作用气缸和双作用气 缸,另外对砂轮的吹气除尘也要用电磁阀控制。控制硬件电路如图?。 . 心 ?仪汀 ?乒?兰卜 ,。, 气动电磁阀 垃 ?争驹 仪玎 毒匕车 工 互 鎏 ? 弑仪玎 卫?一 仪玎 硌 ?, 聋, ? ????一?????’ 眦 蛇 ?一 撑 ???翌一 一霭,, , 丁?汀,殳,殳、 。.。 图气动电磁阀控制电路图 如电路图所示,仍旧采用锁存器进行扩展口,.接片选 端,.接锁存端。继电器控制电磁阀的开关,由于电磁阀选用电压,选 用型号继电器,方便电源供给,继电器驱动选用常用驱动器 系列许多厂商生产。因为为高电平控制,为了复位保持 一致,驱动器输入端接一反相器对电平进行转换。 本系统选用的,如图,为灌电流驱动器旧。,包含个驱 动器,每个能开关/.直流。每个驱动器由一对达林顿管一对连接 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 在一起的组成,达林顿管通过将两个三极管级联以增加电流增益。器件中 还包含了二极管以保护芯片免受“感性冲击”,这样也减少了元件数量。瞒 司同同阳同同同丽冈 ?嘲酬划倒例潆 婚 图 的引脚和内部细节 注意: ?不需要单独的电源接线。 ?引脚应该接地。 ?用于开关电感负载时,内部个二极管的共阴极引脚应接到大功 率供电电源的正端本系统。 的开关速度大约是微秒。 ..交流开关控制电路设计 本系统中需要开关控制的器件有分选电机、磨削电机和振动盘。控制 电路如图所示,采用双向晶闸管控制高电压电路。单片机的口通过锁存 器扩展,由于晶闸管电路为高电压,主芯片控制回路为 低电压,基于系统可靠性和安全性考虑,锁存器的输出端和晶闸管的控制端 进行 光耦隔离。电路中起到隔离触发信号的作用。 圣咐 分庐~蔑 翱 嗡壹 图交流开关控制电路 光电双向可控硅驱动器是美国摩托罗拉公司推出的光电器件,它 可用直流低电压、小电流控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管具 有结 构简单、成本低、触发可靠等优点。 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 采用双列直插封装,、脚为输入端,输入级是一个砷化镓红外 发光二极管,二极管触发电流;、脚为空脚,、脚为输出端, 输出级为具有过零检测的双向可控硅,当二极管发光时,双向可控硅导通。 主要性能参数:可靠触发电流?,保持,超阻断电压 ,重复冲击电流峰值,关断状态额定电压上升率//。 图~中,为限流电阻,使输入电流为。可按下式计算: ? ?/ 为红外发光 式中为红外发光二极管的正向电压,可取.’.; 二极管的触发电流,为; 计算./,取。 为双向可控硅的门极电阻,当可控硅灵敏度较高时,门级阻抗也很高, 并上可以提高抗干扰能力。 为触发功率双向可控硅的限流电阻,其值由交流电网电压峰值及触发器 输出端允许重复冲击电流峰值决定,可按下式选取: ? / 式中为交流电路中峰值电压,为重复冲击电流峰值,为。 计算×互/ .,取。 图中为压敏电阻,加在它上面的电压低于它的阀值””时,流过 它的电流极小,相当于一只关死的阀门,当电压超过时,流过它的电流激增, 相当于阀门打开。利用这一功能,可以抑制电路中经常出现的异常过电压, 保护 电路免受过电压的损害。在本系统中主要起抑制浪涌电路的作用。 电源入线端高压交流电加入安规电容,起到减少共模干扰和差模干扰的 作用。 可控硅的选型瞳: 控制器件中最大功率为振动盘?。 负载电流有效值://. .×.. 负载电流峰值:? 流过双向可控硅的平均电流:三警. 晶闸管的额定电压为正常工作峰值电压的’倍,?×, 取额定电压为。 额定工作电流为实际工作电流的’倍,××.., 取额定电流为。 根据计算结果,本系统选择双向晶闸管的型号:?。 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 ..传感器接收处理电路设计 本课题中,传感器信号全部为开关信号,分为和两类,硬件电路如 图所示,由于传感器较多,采用双向总线驱动芯片,增加单片 机的端口驱动能力,传感器直接接入芯片的输入端,的传感 器信号端和的输入端用进行光耦隔离。为.排阻, 起上拉作用,输入端使用.电容接地,消除共模干扰。的输出 接端口,方向控制端接,控制信号流向;片选信号端接.。 ’?。?。???’。?’?’一 专 图?传感器接收处理电路 ..串行通讯电路设计 本课题中,串行通讯电路主要应用于频率阻抗测量模块和主控芯片的通讯, 另外通过此端口可以在机上调试,并为芯片烧制程序。硬件电路采 用通用芯片与单片机串口相连啪,接线如图?所示。垆. . ; . . . .图串行通讯电路 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 ..磨削砂轮调速电路设计 本课题中由于砂轮的分级调速、单级速度可调的要求,设计电路图如图?, 一插座为专用调速器接口,此调速器通过与其相连接的可调电位器实现无级 调速,图中、和为可调电位器,通过对个继电器的合理设计使每次 只有个可调电位器接入调速器,调整、和为不同的阻值,就可以实 现高中低三档调速,且每档速度可调。 开关为手动/自动调整开关,手动状态被接入调速器,和不可 用;自动状态由儿接收速度控制信号,控制、、之一接入调速器,控 制信号由主控板发送。为自动状态指示灯,、和为不同速度档 位指示灯。 图砂轮调速电路 . 阻抗频率测量模块设计 本课题中此模块独立于主控制板,单独制作板,通过接口与主 控制板通讯。采用表法乜,由石英晶振构成振荡器的反馈环节,只有处于谐 振状态时,振荡器才能满足起振条件并正常工作,此时就可以测出石英晶振 的电 参数。此模块主要包括:阻抗处理和频率处理两大部分。 ..阻抗处理 振荡电路设计 基本正弦振荡电路由一个放大器和一个连接在反馈回路上的选频网络组成, 图为振荡电路的方框图。 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 图振荡电路方框 : 为了保持振荡,必须满足两个条件瞳? 幅度平衡条件: ? 声 相位平衡条件: 根据振荡电路的振荡条件,设计电路图如图、图所示。图为振荡电 路的放大电路,图为振荡电路的反馈电路。 图?中,跨导放大器、晶振和运放一起构成选频网络,晶振信号 通过反相放大后电压信号经过跨导放大器转换为电流信号,经过、 变为电压信号加到晶振上,由于跨导放大器的偏置电流端脚输入负电 流,从而使整个回路形成正反馈,图中、和起到限制测量晶振频率上 下限的作用,并提供起振信号。 图/振荡电路的放大电路 图中,、点对应图中的、点,在晶振谐振状态下,点的频 率即为晶振的谐振频率,经过反相放大,经过整流二极管、,和 转换成直流信号,再经过反相以及和的分流形成负电流进入跨导放大 器的偏置电流端点。图的反馈电路根据晶振谐振频率的变化改变偏置 电流的大小,进而影响跨导放大器的跨导口?,使整个电路满足振荡的幅度平 衡条件,也使后续的阻抗测量去除了频率因素的影响。