随着科技日新月异得发展,人们的生活在不断得改善,尤其是医疗方面进步很快, 人类最重要的是骨骼的支撑,关节受伤很大程度上影响到工作和学习,所以就发明了骨 骼伤后恢复器。 CPM 是基于骨膜滑动理论的骨科辅助治疗康复机械,早期型号无反馈装置,在医生 误设置的情况下容易出医疗事故。使用单片机进行力矩的检测和方向控制可以避免医疗 事故的发生。我这次的课题是模拟它的运作方式,所以用到的为直流电机,模拟实际产 品的正转反转和调速并且阻力达到最大值可以反转。 由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉 以及面向控制等特点,因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种 家用电器等领域得到广泛的应用,而且发展非常迅猛。随着单片机应用技术水平不断提 高,目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。 随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现,采用全控型 的开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation,简称PWM),可以很好得进行 直流电机的调速。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率 高等优点,更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。 1.设计要求与方案1.1 实现要求 为了很好地实现力矩反转控制器的功能,主要从以下几个方面来设计: 1.可以控制电机的正反转 2.可以控制电机的速度 3.取得电机所受到的阻力 4.根据设定的力矩进行反转电机 1.2 方案的选取 因为要实现电机的正反转,变速和受阻力反转,最直接考虑到使用 51 单片机。51 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖 是Intel 的8031 单片机,后来随着Flash rom 技术的发展,8031 单片机取得了长足的 进展,成为目前应用最广泛的8 位单片机之一,其代表型号是ATMEL 公司的AT89 系列, 它广泛应用于工业测控系统之中。但是考虑到自身条件,又考虑到功能更加完善的芯片, 因为51 没有内置PWM 转换,而此设计需要改变电机速度,必须用到PWM,让它改变占空比来实现电机转速的变化。51 也能实现此功能,但是必须写相应的程序,而这对 本人来说是比较有难度的,所以最终选取了STC12C2052AD,此芯片自带PWM 转换,使用时可以直接赋值进行功能的实现,简单方便。电机的驱动电路采用L298N 的芯片, 其内部包含4 通道逻辑驱动电路,可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。 而此次设计只使用到了1 个无刷直流电机,所以实现功能是足够用的。 2.基本构成与工作原理 2.1 工作原理 下面来简单得介绍下直流电机的工作方式。电机是由电动机本体,转子位置传感器, 电子开关线路和驱动电路4 部分完成,是一种典型的机电一体化产品。它通过开关电路 和驱动电路向电动机定子绕组供电,位置传感器随时检测到转子位置,并根据转子的位 置信号来控制开关管的导通和截止,从而实现电子换向。CPM 力矩反转控制是这样的, 当患者的肢体放在仪器上面时,设置仪器上面的按钮可以进行肢体以骨关节为圆心的往 返运动,并且可以根据患者的需求调节速度的快慢,当然,患者的肢体肯定有个极限, 所以当患者刚要承受不了电机转动带来的拉力时,仪器会自动感觉到压力,此压力是通 过接在电机一端的电阻实现的,因为当电机受到阻力时,流过电机的电流会变大,这时 在电机一端加电阻时,可以测出这电阻两端的电压变化,电机是接在12V 电压的两端, 无法之间测出电机的电压,A/D转换无法直接来测得电流的变化,所以必须把电压反馈 给单片机,从而得到临界点的电压,即患者肢体所能承受的最大拉力,从而经过芯片的 处理,使仪器反转,从而避免肢体的再次受伤。 2.2 基本结构 此次设计采用STC12C2052AD 作主控制芯片。电源电路可提供5V 和12V 电压,分别 给单片机和电机提供工作电压。复位电路,按键电路,时钟震荡电路接在主控制芯片的 引脚上,电压检测电阻一端的电压,取得数据经过A/D 转换给芯片进行处理。内置的PWM 通过改变占空比可以对电机进行变速控制,电机由此可以加速和减速。所设计的基本框 图如图2.1 所示。 复位电路 按键 时钟震荡电 电压检测电源电路 电机 电阻 PWM IO接口 STC12C2 052AD 图2.1 设计的结构框图 3.硬件的设计 3.1 PWM 技术和电机原理及其调速方法 3.1.1 PWM 技术 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方 波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的, 因为在给定的任何适合,满幅值的直流供电要么完全有,要么完全无。电压或电流源是 以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的,通的时候即是直流供电被加到负 载上去,断的时候即是供电被断开。只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM 进行编 采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM 控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件 的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉 冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输 出电压的大小,也可改变输出频率。调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法,一种方法是 采用模拟电路中的调制方法,另一种方法是使用脉冲计数法。对于一般电机控制,采用 第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难,这主要是因为滤波频率较 低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。但此芯片是内置的,也就是内部已经 编程完的,直接用端口调用就行。 3.1.2 电机原理及其调速 直流电机有定子和转子两大部分组成,定子上有磁极,转子有绕组,通电后,转子 上也形成磁场,定子和转子的磁极之间有一个夹角,在定转子磁场的相互吸引下,使电 机转动。改变电刷的位置,就可以改变定转子磁极夹角(假设以定子的磁极为夹角起始 边,转子的磁极为另一边,由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向) 的方向,从而改变电机的旋转方向。电机的N、S 为—对固定的磁极(一般是电磁铁,也 可以是永久磁铁),两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体,圆柱体的表面上固定着 一个线圈。当线圈中通入直流电流时,线圈边上受到电磁力,根据左手定则确定力的方 向,这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向。若电 枢转动,线圈两边的位置互换,而线圈中通过的还是直流电流,则所产生的电磁转矩的 方向却变为顺时针方向了,因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。 PWM 直流调速:其原理是将直流控制信号与三角波经调制电路产生一系列脉宽不等 的脉冲信号,做功率放大后驱动大功率器件。控制调制方波的占空比,便可以改变输出 平均电压。将PWM 输出电压接至直流电动机的电枢两端,便可组成性能优良的调速系统。 该调速系统的优点是调速范围广、效率高、响应速度快、电流脉动小及对电网污染小。 3.2 元器件的选型 3.2.1 STC12C2052AD STC12C2052AD 是宏晶电子生产的单时钟|机器周期(1T)的单片机,是高速,低功耗, 超强抗干扰的新一代8051 单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 部集成MAX810专用复位电路。其内部2 路PWM,8 路高速8 转换,针对电机控制,强干扰场合。 图3.1STC12C2052AD 引脚图 此芯片功能强大,内置PWM, A/D,可以不用自己写驱动程序,直接调用,它的工作 电压为5.5V-3.5V(5V 单片机),符合普遍单片机的供电电压。 STC12C5410AD 命名的涵义:12 为是普通8051 运行速度的12 是RAM是512 字节,4 是PWM 路,10是程序空间为10 字节,A/D 为本芯片内置A/D。 其中引脚1 是复位端,4 是外部中断口,9和11 是pwm 接口,12—19 接口,20为电源接口,10 为接地口。 3.2.2 74LS04 74LS04 是带有6 个非门的芯片。此芯片实现的功能比较简单,意思就是原来输入数 的取反,2 进制是0 图3.274LS04 内部结构 3.2.3 L298N L298N 是SGS 公司的产品,比较常见的是15 脚Multiwatt 封装的L298N,内部同样 包含4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达 50V,可以 直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的 IO 口提供信号;而且电路简单, 使用比较方便。 L298N可接受标准TTL 逻辑电平信号VSS,VSS 可接4.5~7 电压。4脚VS 接电 源电压,VS 电压范围VIH 为+2.5~46 V。输出电流可达2.5 A,可驱动电感性负载。 15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。 L298 可驱动2 个电动机,OUT1,OUT2 和OUT3,OUT4 之间可分别接电动机。5,7,10, 12 脚接输入控制电平,控制电机的正反转。EnA,EnB 接控制使能端,控制电机的停转。 图3.3 L298N 管脚图 3.2.4 7805 7805 端正稳压电路,TO-220封装,能提供多种固定的输出电压,应用范围广。 内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时,输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电 路,但使用外接元件,可获得不同的电压和电流。 图3.4 7805 引脚图 如图3.4 所示从左到右依次是1,2,3。1 是输入,2 是接地,3 是输出。 3.3 电路模块的功能介绍 3.3.1 时钟振荡和复位电路 此为复位和时钟振荡电路(图3.5),复位电路原理为:第一次上电时,+5V 电压 给电容充电,于是此时电容相当于短路,+5V直接加到RST 脚上,单片机自动复位。过 了极短的时间,电容充电完毕,此时电容则相当于开路,于是RST 脚被电阻R1 单片机开始正常工作。当RESET键按下时,+5V 通过按键加到RST 脚上,单片机复位, RESET 键弹起之后,RST 脚重新被R1 拉为低,单片机开始正常工作。 R1 10k S2 SW-PB C3 22uf Y1 12MHZ C2 20pf C1 20pf +5V rst vcc p3. xtal2p1. xtal1p1. gndp3. U1STC12C2052AD +5V 图3.5 复位和时钟振荡电路 时钟振荡电路外接晶振引脚XTAL1,XTAL2,芯片内部有一个高增益的反向放大器, XTAL1,XTAL2 分别是这个放大器的输入端和输出端,通过这两个引脚外接石英体和微调 电容构成振荡器,振荡器的输出脉冲直接送内部时钟电路。 3.3.2 测速电路 此为传感器电路如图3.6 所示,J3 口安插的为霍尔传感器,它的作用就是来测量电 机的转速。 rst vcc p3. xtal2p1. xtal1p1. gndp3. U1STC12C2052AD J3CON3 +5V R3 10K +5V +5V 图3.6 传感器测速电路 用霍尔元件测量位移的优点很多:惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 图3.7