单片机液位高度测量及控制 第2页
如图2 所示，左边的金属线与单片机的输入输出口相连接，将它伸到水面下，作为感应探头的部分。右边的金属线也与单片机的输入输出口相连接，将它与一个金属块绑在一起，作为传感探头的部分。金属块的另一端被一条绳子系着，绳子的另一端与电动机相连着，电动机的运动带动着绳子的移动，也带动着金属块的升降。当金属块降到与水面相碰的位置时，单片机发出的信号通过作为传感探头的金属线发到水这个介质，再通过水的导电性将信号传给作为感应探头的金属线上，作为感应探头的金属线又将信号传给单片机，单片机又发出信号给显示器，来显示水面高度的数值，从而测量出水位的高度。
4 实训方案电动系统
一个成功的检测系统必须要有强大的动力系统和精准的信号系统。目前，检测系统常用的动力系统有液压式、气动式、电动式、机械式。本设计选择电动式作为水位高度的动力系统。
4.1 电动机的选用
电动式是将电能变成电磁力驱动机械运动机构运动的，而电动机是本机械手设计系统的机械系统与控制系统连接部位的能量转换部件。
电动机是一种旋转式机器,它将电能转变为机械能,它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子,其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动。电动机主要由定子与转子组成。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。
由于实训的要求，本设计选用的电动机为步进电机。
4.2 步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件（如图3所示）。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
图3
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
本设计采用的步进电机为混合式步进电机。其相数为四两相，其固有的步距角为1.8°。它原则上会产生丟步现象，但实际上会进行一定程度的丟步，只是丟步的步数较小而已。
4.3 步进电机驱动电路设计
本设计采用以UCN5804芯片为核心的硬件电路作为步进电机驱动电路。UCN5804芯片是一块集成步进电机驱动芯片，它的输出引脚可以接到步进电机的输入端，直接驱动步进电机工作。在信号输出端接一反向二极管后连接到步进电机上，芯片可以承受最大1.5A的反向电流以及最大35V的电压。其工作电路如图4所示。
UCN5804芯片的脉冲输入端、方向控制端、片选端分别接到单片机P1口的P1.0、P1.2、P1.3。给片选端通入低电平信号，让UCN5804能够工作。给脉冲输入端相隔一定时间的电平，让连接着脉冲输出端的步进电机能够工作。若让连接着脉冲输出端的步进电机能够正转，则给方向控制端输入低电平；若让步进电机能够反转，则给方向控制端输入高电平。
根据电机运转的实际需要，由单片机送不同的控制字。在该电路中，电容C1和C2为去耦电容，滤除高频干扰。R1和R2为大功率小阻值电阻，作用是保证步进电机足够的驱动电流，同时电阻可以承受因其阻值过小而产生的大功率。V1～V4为4个二极管，分别与UCN5804芯片的脉冲输出端反接，来传导电机工作某一相工作时的反向电流。
图4
UCN5804芯片引脚介绍（如图5所示）。
引脚1：对应四相脉冲输出的B相。主CPU给UCN5804输送脉冲，芯片按顺序输出A、B、C、D脉冲信号，该信号接到步进电机的脉冲输入端。
引脚2：接+12V电源。
引脚3：对应四相脉冲输出的D相。
引脚4：接地。
引脚5：接地。
引脚6：对应四相脉冲输出的C相。
引脚7：接+12V电源。
引脚8：对应四相脉冲输出的A相。
引脚9：控制电机脉冲输出方式，若9脚为低电平，则脉冲每次输出两相脉冲信号（AB-BC-CD-DA-AB），即主CPU每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲；若9脚为高电平，则芯片每次输出两相脉冲信号（A-B-C-D-A），即主CPU每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲。
引脚10：控制电机接收脉冲后的步长，若10脚为低电平，则芯片控制电机每步运行一整个步长，即芯片送出的脉冲顺序为A-B-C-D-A或AB-BC-CD-DA-AB；若10脚为高电平，则芯片控制电机每步运行半个步长，即芯片送出的脉冲顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
引脚11：5804芯片的脉冲输入端，信号由主CPU送入。每送入一个信号，芯片送出一个控制信号。CPU不产生输入信号时，芯片不产生输出脉冲。
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