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基于西門子PLC的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述
單片機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀
單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是早期Single Chip Microcomputer的直譯，它忠實(shí)地反映了早期單片機(jī)的形態(tài)和本質(zhì)。隨后，按照面向?qū)ο?。突出控制功能，在片?nèi)集成了許多外圍電路和外設(shè)接口，突破了傳統(tǒng)意義的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。發(fā)展成microcontroller的體系結(jié)構(gòu)，目前國外己普遍稱之為微控制器MCU (Microcontroller Unit)鑒于它完全作嵌入式應(yīng)用，故又稱之為嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。國內(nèi)由于單片機(jī)一詞已約定俗成，仍沿用至今。但應(yīng)將單片機(jī)的“機(jī)”理解成為微控制器而不是微計(jì)算機(jī)。
二十世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。計(jì)算機(jī)兩大分支的產(chǎn)生大大促進(jìn)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以發(fā)展海量高速數(shù)值計(jì)算為己任，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)總線寬度不斷更新，迅速從8位、16位過渡到32位、64位，不斷完善其通用操作系統(tǒng)。突出發(fā)展海量高速數(shù)值計(jì)算能力，并在數(shù)據(jù)處理、棋擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛的應(yīng)用；單片機(jī)則以面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)控制為己任。目前仍以8位機(jī)為主流，不斷增強(qiáng)控制能力，降低成本，減小體積，改善開發(fā)環(huán)境。以空前的速度迅速而廣泛地取代經(jīng)典電子系統(tǒng)。
單片機(jī)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、功耗低、運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、可靠性高等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)靈活，數(shù)據(jù)基本上都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)口它既可用于工業(yè)自動(dòng)控制等場合，又可用于機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能儀器、測(cè)且儀器、醫(yī)療儀器、家用電拐等領(lǐng)域，在過程控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊等方面得到廣泛應(yīng)用。單片微型計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了1位、4位、8位、16位及32位的發(fā)展階段，世界上一些著名的半導(dǎo)體器件廠家都開發(fā)了單片微型計(jì)算機(jī)，如Intel， Motorola。 Zilog（澤洛格公司）。 Fairchild仙童攝像機(jī)與儀器公司〕、Mostek〔莫斯裕克公司〕等，單片機(jī)的品種日益增加。在眾多的通用單片機(jī)里，以Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)最為著名。MCS-51單片機(jī)系列有：
普通型： 51子系列 8051/8751/8031；
增強(qiáng)型： 52子系列 8052/8752/8032；
低功耗型：80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32。
8031內(nèi)部沒有ROM。 但外接一片EPROM就相當(dāng)于8051，它具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、使用靈活、開發(fā)方便落特點(diǎn)，適合推廣應(yīng)用。
低功耗型單片機(jī)采用CHMOS半導(dǎo)體工藝，型號(hào)中用宇母C標(biāo)識(shí)。如8051功耗為630mW而80C51功耗僅為120mW，適于便攜式或野外作業(yè)儀器設(shè)備中使用。
特別值得一是的是MCS-51的布爾處理器。它實(shí)際上是一個(gè)完整的一位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位機(jī)有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié)合在一起是微機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破。一位機(jī)在開關(guān)決策，邏輯電路仿真和實(shí)時(shí)控制方面非常有效；而八位機(jī)在運(yùn)算處理、數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在MCS-51單片機(jī)中，八位機(jī)和一位機(jī)（布爾處理器）的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成，這是MCS-51在設(shè)計(jì)上的精美之處，也是一般微機(jī)所不具備的，而且具有特殊的多極通訊功能，可作為多機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。
很多智能性應(yīng)用場合，智能型產(chǎn)品都用到了單片微型計(jì)算機(jī)，單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)一直受到人們的重視，并且日益強(qiáng)勁。MCS-51單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)一般包括兩大方面，即硬件接口設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中又分為與接口硬件有關(guān)的馭動(dòng)程序的設(shè)計(jì)以及與接口硬件無關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理程序的設(shè)計(jì)。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述
步進(jìn)電機(jī)的工作必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器針對(duì)每一個(gè)步進(jìn)脈沖，按一定的規(guī)律向電機(jī)各相繞組通電(勵(lì)磁)，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器構(gòu)成了不可分割的3大部分。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能除與電機(jī)自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器性能的優(yōu)劣。當(dāng)電機(jī)和負(fù)載己經(jīng)確定之后，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動(dòng)控制方法。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等
(1)單電壓驅(qū)動(dòng):主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常在繞組回路中串接電阻，以改善電路的時(shí)間常數(shù)來提高電機(jī)的高頻特性。缺點(diǎn)是串接電阻將產(chǎn)生大量的熱，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
(2)高低壓驅(qū)動(dòng):電機(jī)每相繞組導(dǎo)通時(shí)，首先施加高電壓，使電流快速上升當(dāng)電流上升到額定值時(shí)，將高電壓切斷，回路電流以低電壓電源維持。這種方式由于電流波形得到了很大改善，電機(jī)的矩頻特性較好，起動(dòng)和運(yùn)行頻率得到了較大提高。但由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)、相間互感等因素的影響易使電流波形的頂部呈凹形，致使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所下降且需要雙電源供電。
(3)斬波恒流驅(qū)動(dòng):為了彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動(dòng)電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，人們研制出斬波電路，采用斬波技術(shù)使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動(dòng)，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而斬波恒流驅(qū)動(dòng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
(4)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng):特點(diǎn)是施加在電機(jī)繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應(yīng)的改變，步進(jìn)電機(jī)在低頻時(shí)工作在低壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩;在高頻時(shí)工作在高壓狀態(tài)，使電機(jī)有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩。因而系統(tǒng)效率、運(yùn)行特性等都有了明顯改善。
(5)細(xì)分驅(qū)動(dòng):它是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這樣，繞組中的電流經(jīng)過若干個(gè)階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。雖然細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一，使步距角不再受電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)在驅(qū)動(dòng)器中獲得了廣泛應(yīng)用。
二 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)
本設(shè)計(jì)的題目來自于本人在東莞新科磁電技術(shù)研究開發(fā)有限公司實(shí)習(xí)時(shí)做的一個(gè)項(xiàng)目一錫球焊接新工序開發(fā)，項(xiàng)目中如何提高錫球焊接的位置精確度至關(guān)重要，其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是三相混合式步進(jìn)電機(jī)。本課題以設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為主要目標(biāo)，主要內(nèi)容有:
(l)采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)、電流跟蹤技術(shù)和細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)相電流的控制，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)下步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)。
(2)用開關(guān)電源為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路供電，減小驅(qū)動(dòng)器的體積和重量，提高電源效率。
(3)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)采用美國國際整流器公司生產(chǎn)的功率MOS器件(或IGBT)柵極驅(qū)動(dòng)集成電路IRZ130，它能輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為簡化。
(4)控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲(chǔ)器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel一8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。采用了Intel公司研制的鍵盤、顯示器接口電路芯片8279，該芯片能自動(dòng)完成對(duì)顯示的刷新，同時(shí)還可以對(duì)鍵盤自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，使用非常方便。8279鍵盤、顯示器接口器件是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的主要部件，該接口電路能大大節(jié)省CPU的開銷，提高了可靠性和CPU工作效
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