多軸電機傳動系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄一、項目設(shè)計需求分析 .1.1.（一） 課題的背景與意義 .1.1.（二）.任務(wù)設(shè)計的要求1.1.二、系統(tǒng)硬件設(shè)計 .1.1.（一） .主控模塊的介紹2.2.（二） .顯示模塊的介紹6.（三） .驅(qū)動模塊的介紹8.8.（四） .電機模塊的介紹1010三、系統(tǒng)軟件設(shè)計 .1.21.2（一）.程序設(shè)計流程圖 1212（二）.電機加速部分 1313（三）.電機減速部分 1313四、系統(tǒng)的調(diào)試 .1414（一）.系統(tǒng)硬件調(diào)試1414（二）.系統(tǒng)軟件調(diào)試1414五、總結(jié) .1515參考文獻 .1515附錄 .1.61.6附錄1 1控制模塊原理圖 .1616附錄2 2控制模塊PCBPCB圖 .1616

2、附錄3 3調(diào)速驅(qū)動模塊原理圖 .1.71.71多軸電機傳動系統(tǒng)設(shè)計（電子信息工程技術(shù)專業(yè)電信1313 （2 2）班，）摘要：多軸電機傳動系統(tǒng)是運動控制研究領(lǐng)域的重要課題之一，可應(yīng)用于 紡織、自動儀表車床、自動化設(shè)備等制造和生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)中。本文用單片機技術(shù)設(shè)計了多軸電機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由控制模塊、驅(qū)動模塊、電機模塊、 顯示模塊組成?？刂颇K輸出電機選擇信號和電機運行速度信號給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊驅(qū)動被選擇電機按要求的速度運轉(zhuǎn)，同時顯示模塊實時顯示電機編號和轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)大大的提高了生產(chǎn)效率，可以更好的控制流水線。關(guān)鍵詞：STC89C52RSTC89C52R單片機；PCF8591PCF85

3、91數(shù)模轉(zhuǎn)換器；5110LCD5110LCD顯示；24V/30W24V/30W 直流電機一、項目設(shè)計需求分析（一）課題的背景與意義隨著工業(yè)化的快速發(fā)展， 企業(yè)的規(guī)模在日益擴大， 同時伴隨著生產(chǎn)流水線加長， 傳統(tǒng)的 工業(yè)管理控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。一方面按照原有的生產(chǎn)管理模式會增加生產(chǎn)成本， 另一方面人手的增多不便于工業(yè)的管理。這就需要一種新的模式來解決問題，多軸電機傳 動系統(tǒng)正好可以滿足工業(yè)化發(fā)展的要求。（二）任務(wù)設(shè)計的要求用單片機作為主控模塊設(shè)計的多軸電子轉(zhuǎn)動系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下要求：1該系統(tǒng)使用5個直流電機，可以選擇運行任意電機。2.運行電機可以加速，也可以減速。3.需要實時顯示運行電機編號

4、和轉(zhuǎn)速。二、 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖1系統(tǒng)設(shè)計框圖2多軸電機傳動系統(tǒng)由控制模塊、驅(qū)動模塊、顯示模塊及電機模塊構(gòu)成。 系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。電腦傳輸程序到單片機中，由單片機的串口通訊部分接受到數(shù)據(jù)，單片機通過接受到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，單片機將處理好的數(shù)字量發(fā)送給驅(qū)動模塊，通過PCF8591將單片機中的數(shù)字信號處理成模擬信號，PWM波即三角波將會產(chǎn)生不同的占空比，從而控制電機的轉(zhuǎn)動，顯示模塊將電機的編號、轉(zhuǎn)速顯示出來，這樣可以很直觀的看到電機的轉(zhuǎn)速及電機的編號，可以更好的控制電機運行，實現(xiàn)多軸電機傳動系統(tǒng)。（一）主控模塊的介紹主控模塊主要由單片機、復(fù)位電路、晶振電路、及電源、通訊電路、按鍵，接口

5、部分組成，單片機主要選用 STC89C52RC復(fù)位電路主要有一個按鍵和兩個電阻（1K、10K） 個電容（10UF）組成；時鐘電路主要由晶振11.0592，加兩個電容（22PF）組成；電源電路由電源座加電源開關(guān) LED燈和1K電阻組成；通訊電路選用 MAX232與五個電容組成； 接口主要由 4*2插針組成；按鍵是由 3個按鍵組成，控制加速、減速、電機編號功能。1.STC89C52 單片機STC89C52是一種低功耗、高性能 CMOS位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash存 儲器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52為眾多嵌 入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提

6、供高靈活、超有效的解決方案。1.1 STC89C52的主要特性a.增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051b.工作電壓：5.5V3.3V （5V單片機）/3.8V2.0V （3V單片機）C.工作頻率范圍：040MHz相當于普通8051的080MHz實際工作頻率可達 48MHzd.用戶應(yīng)用程序空間為 8K字節(jié)e.片上集成512字節(jié)RAMf.通用I/O 口（32個），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉，P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O 口用時，需加上拉電阻g. ISP （在系統(tǒng)可編程

7、）/IAP （在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ RxD/P3.0,TxD/P3.1 ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片h.具有 EEPROM功能i.具有看門狗功能j.共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器 TO、T1、T23k.夕卜部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒l.通用異步串行口（ UART，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART4PO Pl P2 P3 TXD RXDINT0 INT:F圖為單片機元件圖（3.a）及實物圖（3.b）PiORXD5TCB9C2RCm.工作溫度范圍：-40+85C（工業(yè)級）/

8、075C（商業(yè)級）n. PDIP 封裝1.2 STC89C52RC的內(nèi)部組成STC89C52芯片是由控制核心的中央處理器，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)部程序存儲器，并行I/O端口，串行口，定時/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)，時鐘電路組成的。下圖是單片機的內(nèi)部組成圖：時鐘源T To o 圖2:單片機內(nèi)部組成LTi!pi.anr Pi UTPI2PI JPl 4PI 5PIJ6PIRST.VPDPM TXD _PJ2-INT0 ALE PROG PJ-iTNT円PiSTP2.7理機魚畐円前円了FZ.5F34XTAL2P25XT AL1切P21W挖0元件圖3.a圖3STC89C52RC勺引腳圖及實物圖2.晶振電路實物圖3

9、.b5單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。STC89C52單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反6XI向放大器引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端由于采用內(nèi)部方式時電路 簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定實際使用中常采用這種方式，電路如圖4所示。XT1CinnprU 1.0592 1HZ=C922PF晶振圖4時鐘電路圖3.復(fù)位電路為了初始化單片機內(nèi)部的某些特殊功能寄存器必須采用復(fù)位的方式。復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機的復(fù)位是靠外電路來實現(xiàn)的。在正常運行情況下

10、只要 RST引腳上出現(xiàn)兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位但如果 RST引腳上持續(xù)為高電平。 單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入/輸出（1/0）端口寄存器置為 FFH堆棧指針SP置為07H, SBUF內(nèi)置為不定值，其余的寄存 器全部清0,內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時RAM的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動（開關(guān)）復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。 電路如圖5所示。4.電源電路主要由撥動開關(guān)和 DC座LED燈組成電路圖見圖 6所示。75.按鍵電路主要由3個按鍵組成S4, S5, S6控制電機的加速、減速、編號電路圖如圖7所示6.插針部分插針部分主要

11、由兩個 4*2的插針組成，期主要作用是接液晶顯示屏和驅(qū)動模塊具體電路圖如圖8圖9 所示8主控模塊實物圖:液晶接口JP1VCC1 1vcc-|VCC94)Nokia5110工作電壓3.3V,正常顯示時工作電流 200uA以下，具有掉電模式， 適合電 池供電的便攜式移動設(shè)備?？梢栽谑袌錾腺I到 Nokia5110的裸屏和帶 PCB的Nokia5110屏幕，因為Nokia5110是不 帶背光的，所以通常商家會在PCB上按了幾個背光LED,上電就能亮，建議大家還是買那種連上PCB的5110。其原理圖如圖10 所示了。Nokia5110和Nokia3110是兼容的，用的都是同一款驅(qū)動芯片PHILIPS P

12、CD8544。(1)SPI接口時序?qū)憯?shù)據(jù)/命令Nokia5110(PCD8544)的通信協(xié)議是一個沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議，如果單片機有富裕的SPI接口，也可以利用硬件 SPI，但通常沒有必要，只需要軟件程序模擬即可。圖11為實物圖10SCEDCSCLKLTT_rT_rL_rr_n_nSDib 仁1:1時戸亦7衛(wèi)匪丫衛(wèi)閃 丫飛1_1MGWQ圖11: 5110實物圖（三）驅(qū)動模塊的介紹驅(qū)動模塊主要是接受主控模塊發(fā)來的指令給PCF8591實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號與模擬信號的轉(zhuǎn)換,再通過LM232產(chǎn)生的穩(wěn)定的三角波電壓與可控制電壓的占空比來實現(xiàn)直流電機的加速、減 速和選擇的控制要求。1、PWM脈沖生

13、成模塊：它利用TL431產(chǎn)生穩(wěn)定電壓和 LM324芯片產(chǎn)生恒定的三角波，控制電壓和三角波經(jīng)LM324組成的滯回比較器產(chǎn)生 PWM脈沖， 通過改變脈沖的占空比去調(diào)節(jié)電機的速度。PWM脈沖的形成：由TL431產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓，通過滯回、微分、并與直流電壓對 比，形成一個占空比，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，PWM脈沖電路如圖12所示圖12脈沖電路原理圖11AOUT : D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。VREF :基準電源端。2） PCF8591芯片的特性：【1】單獨供電【2】PCF8591的操作電壓范圍2.5V-6V【3】低待機電流【4】通過I2C總線串行輸入/輸出【5】PCF8591通過3個硬件地址 引腳尋址【6】

14、PCF8591的采樣率由I2C總線速率決定【7】4個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入【8】自動增量頻道選擇【9】PCF8591的模擬電壓范圍從 VSS到VDDA1NO AINI AIN2AIN3A0A1A2VS8AOUTREFAC NDEHOSCSDA圖I PCF859I引腳圖13: PCF8591引腳圖2、PCF8591芯片接收模塊PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳AO, A1 和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591

15、器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。1）引腳功能：AINOAIN3 :模擬信號輸入端。A0A2 :引腳地址端。VDD、VSS :電源端。（2.5 6V）SDA、SCL : I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。OSC :外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。EXT :內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地。AGND :模擬信號地?！?0】PCF8591內(nèi)置跟蹤保持電路12【12】通過1路模擬輸出實現(xiàn)DAC增益-r I i i-掘態(tài)寄存器D為亡數(shù)翳積存器ADCA數(shù)折積存器AINOAIN1AIN2 AIN3 采樣/一保

16、捋DACREFAG ND【11】8-bit逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器圖14: PCF8591原理圖（四）電機模塊的介紹電機是聯(lián)系生產(chǎn)最直接的模塊，本系統(tǒng)所有的功能都由它實現(xiàn)。其工作原理是由主控模塊的按鍵發(fā)送指令、通過調(diào)速驅(qū)動模塊產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖頻率來改變電機的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)使用的是24V/30W直流電機。如圖15所示1、直流電機的介紹：由直流電動機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁 極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)I2C總線 接口SCSDAOSCSD

17、AO處OSC上電復(fù)位邏輯控用采樣慄持逐次比姣寄存希邏輯AOUT-*圖15電機模塊1316所示。直流電機的縱向生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢， 是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞， 由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。裝配后的電機如圖 剖視圖如圖17所示。1)定子(1)主磁極主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。鐵心一般用0.5mm1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞 組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分 布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵

18、心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上。圖16直流電機刨面圖(2) 換向極換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成，如8.6所示。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。(3) 機座電機定子的外殼稱為機座，機座的作用有兩個：一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用；二是機座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。 為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。電刷裝置14初始化調(diào)按鍵子程序調(diào)用

19、初始化程序按下按鍵調(diào)用按鍵子程序握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在 端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計（一）程序設(shè)計流程圖卄始選擇電機編號，啟用編號程序電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的,如圖17所示。電刷裝置由電刷、刷調(diào)用按鍵子程序 進行加減速控制對電機進行加減速控制圖17直流電機縱向刨面圖1516從而達到加從而達到減（二）電機加速部分電機轉(zhuǎn)動，按下加速鍵，調(diào)用加速子程序，使電機每轉(zhuǎn)動一次的時間變短, 速功能。（三）電機減

20、速部分電機轉(zhuǎn)動，按下減速鍵，調(diào)用減速子程序，使電機每轉(zhuǎn)動一次的時間變長, 速功能。17四、系統(tǒng)的調(diào)試（一）系統(tǒng)硬件調(diào)試硬件調(diào)試的時候有可能電機部轉(zhuǎn)動，其原因有a.無電壓。B.勵磁回路斷卉。C.電刷回路斷開d.有電源但是電機不能轉(zhuǎn)動。解決方法有a.當電子無電壓時，應(yīng)該檢查電機與調(diào)速驅(qū)動模塊之間的連線是否斷開，調(diào)速模塊時候上電。b.當勵磁回路斷卉，應(yīng)該檢查勵磁繞組和啟動器。c.當電刷回路斷開時，應(yīng)檢查電樞繞組及電刷換向器接觸情況。D.有電源但是電機不能轉(zhuǎn)動時， 應(yīng)檢查電機時候負載過重或電樞卡死或啟動設(shè)備不符合 條件。（二）系統(tǒng)軟件調(diào)試把編好的程序合理安排好結(jié)合在一起進行編譯，還要檢查是否有邏輯錯誤

21、，程序修改后,當顯示0錯誤0警告時這說明程序是正確的，就可以下載到芯片中試運行了。（三）調(diào)試結(jié)果經(jīng)過對控制模塊、驅(qū)動模塊、電機模塊、 顯示模塊的調(diào)試，實現(xiàn)了通過控制單片機對電 機的編號和轉(zhuǎn)速進行控制， 按下按鈕一，選擇電機的編號，再按下按鈕二對電機進行加速控制，按下按鈕三對電機進行減速的控制， 轉(zhuǎn)速和電機編號顯示在顯示屏上最終實現(xiàn)調(diào)試結(jié)果。五、總結(jié)通過這次的設(shè)計，我們進一步的了解了單片機的最小系統(tǒng)，以及各個模塊的工作原理、18編程及一些簡單的運用；這次的設(shè)計更好的鍛煉了我實際的動手能力， 讓我有機會學以致用， 為我接下的工作奠定了基礎(chǔ)。 美中不足的是，對于一些復(fù)雜的電路還是理解不透； 對于有-

22、 些復(fù)雜程序還是不能過很好的理解；焊接技術(shù)還有待提高。本次的設(shè)計更加的讓我清楚自己的弱點在哪里，在單片機編程方面還需要跟多的歷練，要想把程序編譯好必須下更多的時間去研究，另外對于硬件的焊接來說，并不是想象的那么容易的，特別是貼片元件，需要很大的耐心和細心，這就要求我在以后的工作中要更加的細 心完成每一件事情。參考文獻1張毓：單片機應(yīng)用技術(shù)項目化教程M,2013.72李學剛：C語言程序設(shè)計M,高等教育出版社，2013.43郭勇：印制電路板設(shè)計教程M,機械工業(yè)出版社，2014.64宋燕飛：模擬電子技術(shù)項目驅(qū)動教程M，蘭州，蘭州大學出版社，2010.4 吳新杰：AVR單片機項目教程一一基于C語言M,北京航空航天大學出版社，2013.8附錄附錄1控制模塊原理圖ZJT,51.-ST5I復(fù)也TUilT-徭MOS斗DS單片機-Yzs-tt忙ISLir M ppp DnPl%pinPUM.0pu曲1PL4W2PIKJRdK.lPUHJUHK邂鬻KHYTOW.7WKO氐倔K-Lropjjiwn.P5.4TJPJ.571M?pylTEpuPllffiPUXTAL2P23STALLfi：3MJO2蚩今-7Qin、爼工OUSTCh- AU 導(dǎo)阿ondCL- vC4r0 Kl MIE 貯15】il串口 ifi倍附錄2控制模塊PCB圖5 也=