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基于西門子PLC的洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計
1、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述
單片機技術(shù)現(xiàn)狀
單片微型計算機簡稱單片機，是早期Single Chip Microcomputer的直譯，它忠實地反映了早期單片機的形態(tài)和本質(zhì)。隨后，按照面向?qū)ο蟆Ｍ怀隹刂乒δ?，在片?nèi)集成了許多外圍電路和外設(shè)接口，突破了傳統(tǒng)意義的計算機結(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)由于單片機一詞已約定俗成，仍沿用至今。但應(yīng)將單片機的“機”理解成為微控制器而不是微計算機。
二十世紀七十年代單片機的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，因為單片機的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。計算機兩大分支的產(chǎn)生大大促進了現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。通用計算機系統(tǒng)以發(fā)展海量高速數(shù)值計算為己任，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；單片機則以面向?qū)ο蟮膶崟r控制為己任。目前仍以8位機為主流，不斷增強控制能力，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)。
單片機具有體積小、重量輕、功能強、功耗低、運行速度快，抗干擾能力強、性價比高、可靠性高等特點，結(jié)構(gòu)靈活，數(shù)據(jù)基本上都在單片機內(nèi)部傳送，易于組成各種微機應(yīng)用系統(tǒng)口它既可用于工業(yè)自動控制等場合，又可用于機電一體化產(chǎn)品、智能儀器、測且儀器、醫(yī)療儀器、家用電拐等領(lǐng)域，在過程控制、計算機網(wǎng)絡(luò)及通訊等方面得到廣泛應(yīng)用。單片微型計算機經(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)了單片微型計算機，如Intel， Motorola。 Zilog（澤洛格公司）。 Fairchild仙童攝像機與儀器公司〕、Mostek〔莫斯裕克公司〕等，單片機的品種日益增加。在眾多的通用單片機里，以Intel公司的MCS-51系列單片機微型計算機最為著名。MCS-51單片機系列有：
普通型： 51子系列 8051/8751/8031；
增強型： 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，它具有價格低、功能強、使用靈活、開發(fā)方便落特點，適合推廣應(yīng)用。
低功耗型單片機采用CHMOS半導(dǎo)體工藝，型號中用宇母C標識。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。它實際上是一個完整的一位微計算機，這個一位機有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。把八位微機和一位微機結(jié)合在一起是微機技術(shù)上的一個突破。一位機在開關(guān)決策，邏輯電路仿真和實時控制方面非常有效；而八位機在運算處理、數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在MCS-51單片機中，八位機和一位機（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)計上的精美之處，也是一般微機所不具備的，而且具有特殊的多極通訊功能，可作為多機系統(tǒng)的一個子系統(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算機，單片微型計算機應(yīng)用開發(fā)一直受到人們的重視，并且日益強勁。MCS-51單片機的應(yīng)用設(shè)計一般包括兩大方面，即硬件接口設(shè)計和軟件設(shè)計。軟件設(shè)計中又分為與接口硬件有關(guān)的馭動程序的設(shè)計以及與接口硬件無關(guān)的數(shù)據(jù)運算和處理程序的設(shè)計。
步進電機驅(qū)動系統(tǒng)概述
步進電機的工作必須使用專用設(shè)備—步進電機驅(qū)動器。驅(qū)動器針對每一個步進脈沖，按一定的規(guī)律向電機各相繞組通電(勵磁)，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。步進電機、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的3大部分。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電機自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。當(dāng)電機和負載己經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法。步進電機驅(qū)動方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等
(1)單電壓驅(qū)動:主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常在繞組回路中串接電阻，以改善電路的時間常數(shù)來提高電機的高頻特性。缺點是串接電阻將產(chǎn)生大量的熱，對驅(qū)動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。
(2)高低壓驅(qū)動:電機每相繞組導(dǎo)通時，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，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，電機的矩頻特性較好，起動和運行頻率得到了較大提高。但由于電機旋轉(zhuǎn)反電勢、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:為了彌補高低壓驅(qū)動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，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而斬波恒流驅(qū)動應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
(4)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動:特點是施加在電機繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應(yīng)的改變，步進電機在低頻時工作在低壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩;在高頻時工作在高壓狀態(tài)，使電機有足夠的驅(qū)動力矩。因而系統(tǒng)效率、運行特性等都有了明顯改善。
(5)細分驅(qū)動:它是將電機繞組中的電流細分，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)過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。雖然細分驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在不改變電機內(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電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由于微處理機技術(shù)的發(fā)展，細分驅(qū)動技術(shù)在驅(qū)動器中獲得了廣泛應(yīng)用。
二 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計的題目來自于本人在東莞新科磁電技術(shù)研究開發(fā)有限公司實習(xí)時做的一個項目一錫球焊接新工序開發(fā)，項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)行機構(gòu)就是三相混合式步進電機。本課題以設(shè)計一套基于單片機和步進電機細分控制技術(shù)的步進電機驅(qū)動器為主要目標，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)和細分技術(shù)實現(xiàn)對電機相電流的控制，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)下步進電機低速振動、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點。
(2)用開關(guān)電源為驅(qū)動器內(nèi)部電路供電，減小驅(qū)動器的體積和重量，提高電源效率。
(3)驅(qū)動器的功率驅(qū)動環(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)動集成電路IRZ130，它能輸出六路驅(qū)動信號，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)計極為簡化。
(4)控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel一8279等組成，單片機是控制系統(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，該芯片能自動完成對顯示的刷新，同時還可以對鍵盤自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，使用非常方便。8279鍵盤、顯示器接口器件是實現(xiàn)人機對話的主要部件，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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