纳米材料制备设备控制器

摘 要

　　随着纳米技术的发展，纳米材料得到了广泛的研究和应用，一系列新型的纳米材料制备设备也应运而生。机械合金化法是目前制备纳米材料的主要方法之一，其原理是将两种或两种以上的物质放在高能球磨机中球磨，在特定的条件下使材料发生界面反应，得到纳米材料。球磨机在工作中拥有很高的动能和内能，所以安全性成为机械合金化法制备设备的第一要素，本文设计了一种工业级纳米材料制备设备控制器，在满足了安全性要求的同时，更具有便捷性、人性化、自动化等优点。

　　本论文的主要内容包括控制器的主体设计、电路设计和程序设计三个部分。首先，本文以 CJM-SY-A 型机床的架构和工业可编程控制器的思想为基础，阐述了控制器的设计思路，并对各个模块进行了耦合分析。然后，本文基于 ATmega8 微型处理器，设计了一套完备的控制系统。其次，本文硬件方面集成了 PT100 测温电路、液晶显示屏、温控报警电路和多路继电器等模块，并采用 EMI 电源滤波器设计，增强了控制器的高频抗干扰性。再次，本文在软件方面采用了定时器节点轮询方案，并为数据采集增加了滤波算法，优化了控制程序的数据结构，液晶显示屏和控制面板拥有一套高效稳定的通信协议，界面美观，操作简便。最后，本文通过完成印制电路板，对控制器进行了系统性的整体测试，检验了设计的可靠性和合理性。

　　关键词：ATmega8；纳米材料制备设备；工业控制器；EMI 电源滤波器

Abstract

　　With the development of nanotechnologies, nanometer materials have been widely studied and applied. A series of facilities about the newly nanometer materials come into being, mechanically alloying method is one of the main methods of the preparation of nanometer materials. It is that, add two or more materials to the simoloyer mill, then make the materials’ interface react under certain conditions, finally gain the materials. As the simoloyer mill has great advantages of the kinetic and intrinsic energy, the safety turns to the first factor of the mechanically alloying preparation equipment. This paper designs an industrial-strength nanometer materials preparation equipment controller, which also satisfys the safety requirement, becomes more convenient, humanistic, and automated.

　　The main content of this paper includes three parts such as the body of the controller design, circuit design and software design. First, this article is based on the CJM-SY-A type of machine tool structure and the thought of industrial programmable controller, expounds the design idea of the controller, and has carried on the coupling analysis to each module. And, this paper is based on ATmega8 microprocessor, designs a complete control system. Then, referring to the hardware side, it integrates PT100 temperature measurement circuit, temperature control alarm circuit, multiple relay module and so on, meanwhile it creates the EMI power filter design which enhances the high frequency disturbance rejection controller. In term of the software, by using the timer notes polling scheme, and increasing filtering algorithm for data acquisition, optimizing the data’s structure of the control program, and the liquid crystal display and control panel have been got a highly efficient and stable communication protocols, simple to operate and the interface is beautiful. Finally, this paper based on completing the printed circuit board, carries a systematic overall test on the controller, tests the reliability and rationality of the design.

　　Keywords：ATMEGA8; Nanometer materials preparation equipment; Controller ;EMI power filter

　　纳米材料指的是由处于纳米级别的颗粒物作为基本构成单元的材料，近年来，由于纳米技术的兴起，纳米材料被应用到各个领域，上至航空、国防、电子、生物医学，下至寻常百姓的日常生活用品，到处都在应用着纳米材料。因此，近年来纳米材料的研究应用和制备技术引起了各国科研机构的普遍重视，我国从上世纪末开始进入纳米技术研究领域，已经走在世界的前列[1][2][3]。纳米材料的研究主要分为三个方面，纳米材料的制备设备与技术工艺研究，纳米材料的性质研究，纳米材料的应用与改造研究。目前纳米材料主要采用机械法制备，机械法有两种，一种是机械粉碎法，即通过机械碾压研磨和电荷放电型爆炸等方法将原材料直接进行粉碎，制成纳米级别的超微粉，这种方法尤其适用于脆性材质的原材料；另一种方法是机械合金化法，这种方法的原理是将制备目的纳米材料的两种或两种以上原材料放入高能纳米冲击磨中，通过冲击磨的高速多维摆动冲击，使磨介充分研磨原材料，待原材料粉碎成足够小纳米级的粒子时，其相对表面积急剧增大，发生在粒子表面的界面反应也会加剧，通过反应制备出纳米级的目的材料，这种方法可以制备出纯纳米材料、纳米合金和聚合物纳米材料。机械合金化法工艺成熟、操作简单、设备完善度高，是目前应用最广泛的纳米材料制备方法。

　　自从上世纪四十年代晶体管问世以来，人们就一直试图将晶体管应用到工业控制领域，直到 1959 年，出现了第二代控制器：晶体管控制的加工中心（第一代为电子管控制），这种加工中心能够有效管理控制电路和机床，但其体积大，成本高，应用领域有限。1965 年，以小规模集成电路为中心的第三代控制器问世，数控技术得到了巨大的进步，其特点是体积较小，并且与前代相比可靠性和抗干扰性有所提高。

　　第四代控制器为计算机控制器，由于大规模集成电路和冯·诺依曼体系结构的应用，控制器的性能显着提高，能够长时间稳定、高速的运行，但其体积过大、安装调试困难仍然是技术瓶颈。直到 1971 年，Intel 公司发布了第一个微型处理器（MCU），才解决了控制器的体积问题，在这之后，以微型处理器为核心的第五代控制器得到了广泛的应用，尤其在数控机床和工厂自动化方面发展迅速，企业的人工加工和管理费用减少了近九成[4][5][6]。

　　近年来，国内外对微型处理器的研究和开发投入巨大，一些高性能的微型处理器相继问世，广为人知的有宏晶公司的 8051 单片机，爱特梅尔公司的 AVR 单片机，德州仪器公司的 MSP430 单片机，意法半导体的 STM32 和 STM8 系列单片机等。

　　本课题设计了一种优质的纳米材料制备设备自动控制系统，通过研究纳米制备机床和工业可编程控制器原理和思想，结合了较成熟的单片机控制电路和液晶显示显示电路等硬件技术，设计并实现了具有多路可编程控制、智能化自动处理、实时信息显示、人机交互、安全警报等多种先进功能的工业级控制器。

　　本课题研究了一种基于集成外围芯片的开关电源系统，控制器可工作在市电、蓄电池、发电机等多种环境下，具有优良的抗电磁干扰性能，继电器最高可控制 250V电压，兼容性、鲁棒性和安全性都高于市场上常见的工业控制器。

　　本课题研究的主要内容还包括以下五个方面：

　　(1) 以 ATmega8 单片机为核心，设计了一套包含液晶显示屏、可编程按键和高精度数模转换器的完整的多功能多路输出控制电路，并设计制作成印制电路板；

　　(2) 根据纳米材料制备机床的实际情况，本文设计了限位开关的光电耦合器输入电路、电桥式测温电路、信号放大电路等多种信息采集模块，并利用采集到的信息对设备进行反馈调节；

　　(3) 利用成熟的液晶显示技术，通过和显示屏模块进行串行数据通信，实现了机床信息实时显示、定时显示、用户面板操作的等功能；

　　(4) 设计了一套自动化处理程序，单片机能够通过采集到的数据自动对机床进行控制，实现了真正的机床无人控制；

　　(5) 采用多种先进的滤波算法，使信息采集更加准确，控制方式更加安全。

　　纳米材料制备设备控制器系统测试：

硬件实物图

控制器输入输出端口架构图

工作过程示意图

显示屏工作界面

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第 1 章 绪 论
　　　　1.1 研究背景
　　　　　　1.1.1 纳米材料制备的数字化改造
　　　　　　1.1.2 控制器的发展及研究现状
　　　　　　1.1.3 国产控制器存在的问题
　　　　1.2 课题研究的意义
　　　　1.3 课题研究的内容及论文结构安排
　　　　　　1.3.1 课题研究内容
　　　　　　1.3.2 论文结构安排
　　第 2 章 控制器总体设计
　　　　2.1 机床结构与工作原理
　　　　2.2 控制器的结构与工作原理
　　　　　　2.2.1 控制器的结构
　　　　　　2.2.2 控制器的工作原理
　　　　　　2.2.3 控制器和机床的耦合性分析
　　　　2.3 控制系统总体硬件设计
　　　　2.4 控制器系统总体软件设计
　　　　2.5 本章小结
　　第 3 章 硬件系统电路设计
　　　　3.1 单片机模块的介绍与电路设计
　　　　　　3.1.1 单片机芯片的介绍
　　　　　　3.1.2 单片机核心电路
　　　　3.2 电源电路设计
　　　　　　3.2.1 220VAC 转 24VDC
　　　　　　3.2.2 24VDC 转 5VDC
　　　　3.3 输入电路设计
　　　　　　3.3.1 测温电路
　　　　　　3.3.2 限位检测电路
　　　　　　3.3.3 按键电路
　　　　3.4 输出电路设计
　　　　　　3.4.1 报警电路
　　　　　　3.4.2 继电器控制电路
　　　　　　3.4.3 显示屏模块接口
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 单片机程序设计
　　　　4.1 单片机程序的总体设计
　　　　　　4.1.1 开发环境简介
　　　　　　4.1.2 单片机整体程序规划
　　　　　　4.1.3 定时器程序设计
　　　　　　4.1.4 看门狗程序设计
　　　　4.2 LCD 显示屏通信程序设计
　　　　　　4.2.1 命令传输协议和用户指令集
　　　　　　4.2.2 数据传输协议
　　　　4.3 数字量输入和输出程序设计
　　　　　　4.3.1 输入程序设计
　　　　　　4.3.2 输出程序设计
　　　　　　4.3.3 自动处理程序设计
　　　　4.4 模拟量输入程序设计
　　　　　　4.4.1 ADC 的初始化和启动程序
　　　　　　4.4.2 滤波算法程序设计
　　　　4.5 本章小结
　　第 5 章 系统测试
　　　　5.1 硬件测试
　　　　　　5.1.1 输入输出端口架构
　　　　　　5.1.2 工作过程分析与测试
　　　　5.2 程序测试
　　　　　　5.2.1 控制程序测试
　　　　　　5.2.2 显示程序测试
　　　　5.3 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　致 谢
　　作者简介

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