機(jī)電一體化液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) 年 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 摘 要機(jī)電一體化是以機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)為主題，多門技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合的產(chǎn)物；是正在發(fā)展和逐漸完善的一門新興的邊緣學(xué)科。機(jī)電一體化使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了以“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。 本設(shè)計(jì)中提到的微機(jī)數(shù)控機(jī)床是利用單板或單片微機(jī)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)控及對(duì)機(jī)床輔助功能動(dòng)作進(jìn)行程序控制的一種自動(dòng)化機(jī)械加工設(shè)備。采用微機(jī)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地提高中、小批零件的加工生產(chǎn)率保證加工質(zhì)量。此外，由于微型計(jì)算機(jī)具

2、有價(jià)格低、體積小、性能可靠和使用靈活等特點(diǎn)微機(jī)數(shù)控機(jī)床的一次性投資比全功能數(shù)控機(jī)床節(jié)省得多，且又便于一般工人掌握操作和維修。因此將專用機(jī)床設(shè)計(jì)成微機(jī)數(shù)控機(jī)床已成為機(jī)床設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一。本設(shè)計(jì)中用到的步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動(dòng)元件具有快速起動(dòng)和停止的特點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)速度和指令脈沖能嚴(yán)格同步；具有較高的重復(fù)定位精度并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運(yùn)行速度和步距不受電源電壓波動(dòng)及負(fù)載的影響，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。 目 錄摘要1第1章 總體方案設(shè)計(jì)2 1.1 總體分析2 1.2 方案框圖2第2章 單元模塊設(shè)計(jì)2 2.1 鍵盤與顯示模塊2 模塊

3、工作原理3 2.1.2 芯片CH452介紹3 芯片CH452特點(diǎn)4 顯示驅(qū)動(dòng)原理5 鍵盤掃描原理6 2.2 單片機(jī)控制單元7 控制原理7 光電耦合電路8 芯片介紹9 2.3 串行通信模塊12 2.3.1 RS232通信協(xié)議12 2.3.2 串行通信電路13第3章 電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì)14 3.1 步進(jìn)電機(jī)模塊14 步進(jìn)電機(jī)的工作原理14 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性16 3.2 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理17 3.3 交流電機(jī)的星三角形啟動(dòng)19 3.4 電氣元件介紹20總 結(jié)22致 謝23參考文獻(xiàn)24第1章 總體方案設(shè)計(jì)1.1 總體分析 本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是一兩座標(biāo)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采

4、用單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，單片機(jī)的包括鍵盤與顯示的控制、與PC機(jī)的串口通訊、以及電機(jī)輸入輸入輸出信號(hào)的控制。電機(jī)的輸入信號(hào)包含報(bào)警監(jiān)測(cè)，在機(jī)床邊緣運(yùn)用一個(gè)接近開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)此目的。1.2 方案框圖 單片機(jī)作為控制的核心：一方面對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方向和位移量進(jìn)行控制，另外還將與鍵盤對(duì)應(yīng)的位移信息顯示在LED上，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。第2章 單元模塊設(shè)計(jì)2.1 鍵盤與顯示模塊 隨著電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多的智能型芯片，、和等公司都推出了一系列滿足不同行業(yè)多種需求的單片機(jī)芯片，的價(jià)格也從年代初的成百元降至如今最便宜的芯片只有數(shù)元，而一些功能單一的外圍接口芯片，越來(lái)越多地被功能強(qiáng)大、靈活方便的智

5、能型芯片所代替。我們使用公司生產(chǎn)的設(shè)計(jì)出了鍵盤顯示模塊，功能上比傳統(tǒng)的鍵盤顯示接口芯片強(qiáng)，而成本僅有后者的。簡(jiǎn)介,屬于家族，它同大家熟悉的單片機(jī)相比，口減少到個(gè)，其它配置和性能不減，指令完全兼容，片內(nèi)具有字節(jié)的存貯器，電擦寫編程次數(shù)可達(dá)到次，數(shù)據(jù)可保存年。其中的、口第二功能可以作串行口使用，口可直接驅(qū)動(dòng)顯示器，其中、可以當(dāng)作比較器的輸入端。模塊原理模塊原理圖見(jiàn)圖。鍵盤顯示模塊可外接×鍵，位顯示器（可以擴(kuò)展至位），它通過(guò)串行口同主控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。下面分別加以介紹。 模塊工作原理 本單元模塊電路的功能是通過(guò)對(duì)片機(jī)編程,使當(dāng)前按鍵信息在8個(gè)LED上顯示出來(lái)，由芯片CH452來(lái)對(duì)數(shù)碼管進(jìn)

6、行驅(qū)動(dòng)，并對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描。 圖3.1所示為一來(lái)個(gè)八位LED動(dòng)態(tài)顯示電路。在同一時(shí)刻，如果各位位選線都處于選通狀態(tài)的話，8位LED將顯示相同的字符。若要各位LED能夠同時(shí)顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動(dòng)態(tài)顯示方式；即在某一時(shí)刻；只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)；而其他各位的位選線則處于關(guān)閉狀態(tài)；同時(shí)，段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符段碼。這樣；在同一時(shí)刻；8位LED中只有選通的那一位顯示出字符；而另一位則是熄滅的。同樣；在下一時(shí)刻；只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼；則同一時(shí)刻；只有選通位顯示出相應(yīng)的字符，而其他各位則是熄滅的。如此循環(huán)下去，就可以使兩位分別顯示

7、出將要顯示的字符。 雖然這些字符是在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而在同一時(shí)刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于LED顯示器的余輝和人眼的視覺(jué)暫留作用；只要每位顯示間隔時(shí)間足夠短則可以造成多位同時(shí)亮的假象達(dá)到同時(shí)顯示的效果。鍵盤的掃描原理與數(shù)碼管的掃描顯示原理類似,依次將矩陣鍵盤的某行或某列置一再逐個(gè)判斷改行或該列上是否有信號(hào)為高，有則說(shuō)明兩座標(biāo)相交處的按鍵按下了。 芯片CH452介紹CH452是數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片。CH452內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路,可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)8 位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能,同時(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描，CH452通過(guò)可以級(jí)聯(lián)

8、的4線串行接口或者2 線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù),并且可以對(duì)單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)。圖3.2 CH452工作原理2.1.3 芯片CH452特點(diǎn) 1、顯示驅(qū)動(dòng) 內(nèi)置電流驅(qū)動(dòng)級(jí)段電流不小于15mA,字電流不小于80mA。 動(dòng)態(tài)顯示掃描控制直接驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管、64位發(fā)光管LED或者64級(jí)光柱。 可選數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對(duì)應(yīng)的不譯碼方式或者BCD譯碼方式。 BCD譯碼支持一個(gè)自定義的BCD碼,用于顯示一個(gè)特殊字符。 數(shù)碼管的字?jǐn)?shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。各數(shù)碼管的數(shù)字獨(dú)立閃爍控制可選快慢兩種閃爍速度。任意段位尋址，獨(dú)立控制各個(gè)LED 或者各數(shù)碼管的各個(gè)段的亮與滅。 64級(jí)光柱譯碼，通過(guò)64個(gè)LE

9、D 組成的光柱顯示光柱值。 掃描極限控制，支持1 到8個(gè)數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管分配掃描時(shí)間。 可以選擇字驅(qū)動(dòng)輸出極性，便于外部擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電壓和電流。 2、鍵盤控制 內(nèi)置64 鍵鍵盤控制器，基于8×8矩陣鍵盤掃描。內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻內(nèi)置去抖動(dòng)電路。鍵盤中斷可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放。支持按鍵喚醒，處于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH452可以被部分按鍵喚醒。 3、外部接口 同一芯片，可選高速的4 線串行接口或者經(jīng)濟(jì)2線串行接口。 4 線串行接口支持多個(gè)芯片，級(jí)聯(lián)時(shí)鐘速度從0 到2MHz兼容CH451 芯片。 4 線串行接口DIN 和

10、DCLK信號(hào)線可以與其它接口電路共用，節(jié)約引腳。 2 線串行接口支持兩個(gè)CH452芯片并聯(lián)，由ADDR引腳電平設(shè)定各自地址。 2 線串行接口時(shí)鐘速度從500Hz到200KHz兼容兩線I2C總線，節(jié)約引腳。 內(nèi)置上電復(fù)位，可以為單片機(jī)提供高電平有效和低電平有效復(fù)位輸出。 4、其它 內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路，不需要外部提供時(shí)鐘或者外接振蕩元器件,更抗干擾。 支持低功耗睡眠，節(jié)約電能，可以被按鍵喚醒或者被命令操作喚醒。 可選兩種封裝，SOP28、DIP24S引腳與CH451芯片兼容。 經(jīng)過(guò)授權(quán)采用了1項(xiàng)專利技術(shù)，低成本，簡(jiǎn)便易用。 顯示驅(qū)動(dòng)原理 CH452對(duì)數(shù)碼管和發(fā)光管采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，順序?yàn)镈IG0至D

11、IG7，當(dāng)其中一個(gè)引腳吸入電流時(shí)，其它引腳則不吸入電流。CH452內(nèi)部具有電流驅(qū)動(dòng)級(jí)，可以直接驅(qū)動(dòng)0.5英寸至1英寸的共陰數(shù)碼管段，驅(qū)動(dòng)引腳SEG6 SEG0，分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的G段、A段驅(qū)動(dòng)引腳SEG7，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)，字驅(qū)動(dòng)引腳DIG7、DIG0分別連段8個(gè)數(shù)。CH452支持掃描極限控制，并且只為有效數(shù)碼管分配掃描時(shí)間。當(dāng)掃描極限設(shè)定為1時(shí)，唯一的數(shù)碼管DIG0 將得到所有的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)間，從而等同于靜態(tài)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)掃描極限設(shè)定為8時(shí)，8 個(gè)數(shù)碼管DIG7。DIG0各得到1/8的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)間；當(dāng)掃描極限設(shè)定為4 時(shí)，4個(gè)數(shù)碼管DIG3 DIG0 各得到1/4 的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)間，此時(shí)各數(shù)碼管的平均

12、驅(qū)動(dòng)電流將比掃描極限為8時(shí)增加一倍，所以降低掃描極限可以提高數(shù)碼管的顯示亮度。 CH452內(nèi)部具有8個(gè)8位的數(shù)據(jù)寄存器用于保存8 個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)于CH452所驅(qū)動(dòng)的8個(gè)數(shù)碼管或者8組每組8個(gè)的發(fā)光二極管。CH452支持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器中的字?jǐn)?shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)，并且支持各數(shù)碼管的獨(dú)立閃爍控制，在字?jǐn)?shù)據(jù)左右移動(dòng)或者左右循環(huán)移動(dòng)的過(guò)程中，閃爍控制的屬性不會(huì)隨數(shù)據(jù)移動(dòng)。 CH452 支持任意段位尋址 可以用于獨(dú)立控制64個(gè)發(fā)光管LED中的任意一個(gè)或者數(shù)碼管中的特定段，例如小數(shù)點(diǎn)：段位編址順序與鍵盤編址一致，編址從00H到3FH。當(dāng)用“段位尋址置1”命令將某個(gè)地址的段位置1后，該地址對(duì)應(yīng)的發(fā)光

13、管LED或者數(shù)碼管的段會(huì)點(diǎn)亮。該操作不影響任何其它LED 或者數(shù)碼管其它段的狀態(tài)。CH452支持64級(jí)的光柱譯碼用64個(gè)發(fā)光管或者64級(jí)光柱表示65種狀態(tài)，加載新的光柱值后，編址小于指定光柱值的發(fā)光管會(huì)點(diǎn)亮，而大于或者等于指定光柱值的發(fā)光管會(huì)熄滅。 CH452默認(rèn)情況下工作于不譯碼方式，此時(shí)8個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中字?jǐn)?shù)據(jù)的位7位0分別對(duì)應(yīng)8個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)和段G，段A對(duì)于發(fā)光二極管陣列，則每個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位唯一地對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二級(jí)管。當(dāng)數(shù)據(jù)位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)管的段或者發(fā)光管就會(huì)點(diǎn)亮，當(dāng)數(shù)據(jù)位為0時(shí)則對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)管的段或者發(fā)光管就會(huì)熄滅。例如，第三個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的位0為1，所以對(duì)應(yīng)的第三個(gè)數(shù)碼管的段A點(diǎn)亮。

14、通過(guò)設(shè)定，CH452 還可以工作于BCD譯碼方式，該方式主要應(yīng)用于數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)只要給出二進(jìn)制數(shù)BCD碼，由CH452將其譯碼后直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的字符。BCD譯碼方式是指對(duì)數(shù)據(jù)寄存器中字?jǐn)?shù)據(jù)的位4位0進(jìn)行，BCD譯碼控制段驅(qū)動(dòng)引腳SEG6、SEG0的輸出，對(duì)應(yīng)于數(shù)碼管的段G段A；同時(shí)用字?jǐn)?shù)據(jù)的位7控制段驅(qū)動(dòng)引腳SEG7的輸出，對(duì)應(yīng)于數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)，字?jǐn)?shù)據(jù)的位6和位5不影響B(tài)CD譯碼。下表為數(shù)據(jù)寄存器中字?jǐn)?shù)據(jù)的位4、位0進(jìn)行BCD譯碼后，所對(duì)應(yīng)的段G、段A ，以及數(shù)碼管顯示的字符。參考下表，如果需要在數(shù)碼管上顯示字符0，只要置入數(shù)據(jù)0xx00000B或者00H，需要顯示字符0.0帶小數(shù)

15、點(diǎn)只要置入數(shù)據(jù)1xx00000B 或者80H。類似地，數(shù)據(jù)1xx01000B或者88H對(duì)應(yīng)于字符8.8 帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)0xx10011B 或者13H，對(duì)應(yīng)于字符=數(shù)據(jù)0xx11010B 或者1AH 對(duì)應(yīng)于字符.小數(shù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)0xx10000B或者10H對(duì)應(yīng)于字符 ，空格數(shù)碼管沒(méi)有顯示。數(shù)據(jù)0xx11110B 或者1EH，對(duì)應(yīng)于自定義的特殊字符，由“自定義BCD 碼”命令定義。 2.1.5 鍵盤掃描原理 CH452 的鍵盤掃描功能支持8×8矩陣的64鍵鍵盤。在鍵盤掃描期間，DIG7DIG0 引腳用于列掃描輸出SEG7SEG0 ，引腳都帶有內(nèi)部下拉電阻，用于行掃描輸入。當(dāng)啟用鍵盤掃描功能后4

16、線串行接口中的DOUT，引腳的功能由串行接口的數(shù)據(jù)輸出變?yōu)殒I盤中斷輸出以及按鍵數(shù)據(jù)輸出。 CH452定期在顯示驅(qū)動(dòng)掃描過(guò)程中插入鍵盤掃描。在鍵盤掃描期間，DIG7、DIG0引腳按照DIG0至DIG7 的順序依次輸出高電平，其余7個(gè)引腳輸出低電平，SEG7SEG0引腳的輸出被禁止。當(dāng)沒(méi)有鍵被按下時(shí)，SEG7SEG0都被下拉為低電平；當(dāng)有鍵被按下時(shí)，例如連接DIG3與SEG4的鍵被按下；則當(dāng)DIG3輸出高電平時(shí)SEG4 檢測(cè)到高電平，為了防止因?yàn)榘存I抖動(dòng)或者外界干擾而產(chǎn)生誤碼，CH452實(shí)行兩次掃描只有當(dāng)兩次鍵盤掃描的結(jié)果相同時(shí)，按鍵才會(huì)被確認(rèn)有效。如果CH452檢測(cè)到有效的按鍵，則記錄下該按鍵代

17、碼，并通過(guò)4 線串行接口中的DOUT引腳或者2線串行接口中的INT#引腳產(chǎn)生低電平有效的鍵盤中斷；當(dāng)INTM為1 時(shí)輸出低電平脈沖中斷，參考5.5 節(jié)和5.6節(jié)中的說(shuō)明此時(shí)單片機(jī)可以通過(guò)串行接口讀取按鍵代碼，在沒(méi)有檢測(cè)到新的有效按鍵之前；CH452 不再產(chǎn)生任何鍵盤中斷。CH452不支持組合鍵，也就是說(shuō)，同一時(shí)刻，不能有兩個(gè)或者更多的鍵被按下，如果多個(gè)鍵同時(shí)按下，那么按鍵代碼較小的按鍵優(yōu)先。CH452 所提供的按鍵代碼為7位，位2、位0是列掃描碼，位5、位3是行掃描碼。位6是狀態(tài)碼鍵，按下為1鍵釋放為0。例如，連接DIG3 與SEG4的鍵被按下，則按鍵代碼是1100011B或者63H鍵被釋放后

18、按鍵代碼通常是0100011B或者23H，也可能是其它值，但是肯定小于40H其中，對(duì)應(yīng)DIG3的列掃描碼為011B，對(duì)應(yīng)SEG4的行掃描碼為100B。單片機(jī)可以在任何時(shí)候讀取按鍵代碼，但一般在CH452檢測(cè)到有效按鍵而產(chǎn)生鍵盤中斷時(shí)讀取按鍵代碼，此時(shí)按鍵代碼的位6總是1另外，如果需要了解按鍵何時(shí)釋放，單片機(jī)可以通過(guò)查詢方式定期讀取按鍵代碼，直到按鍵代碼的位6為0。 下表是在DIG7、DIG0與SEG7、SEG0之間8×8 矩陣的順序編址，既是按鍵編址，也是數(shù)碼管段位、發(fā)光管LED陣列以及光柱的編址。由于按鍵代碼是7位鍵，按下時(shí)位6總是1，所以當(dāng)鍵按下時(shí)，CH452所提供的實(shí)際按鍵代碼

19、是表中的按鍵編址加上40H，也就是說(shuō)，此時(shí)的按鍵代碼應(yīng)該在40H到7FH之間。2.2 單片機(jī)控制單元 單片機(jī)是微控制器，他是需要獨(dú)立工作的51單片機(jī)的工作電壓是5V（TTL電平）或CMOS電平工作電流不能太大，要求高的還需要穩(wěn)壓?jiǎn)纹瑱C(jī),具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。 控制原理 本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在整個(gè)單片

20、機(jī)控制系統(tǒng)中，CPU既是運(yùn)算處理中心，又是控制中心，是控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS-51系列完全兼容的AT89C52單片機(jī)，AT89C52可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。 89C52的P2口輸出的矩形脈沖信號(hào)直接控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，兩臺(tái)電機(jī)需4個(gè)控制信號(hào)，一根信號(hào)線備用。工作臺(tái)上行程開(kāi)關(guān)的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)光電隔離器件后送到單片機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電機(jī)工作電路的隔離，起到了抗干擾和保護(hù)的作用，也有3個(gè)備用。工作臺(tái)工作時(shí)的指示燈則由P14-P17和T0、T1控制，分別用于提示操作人員工作臺(tái)是在哪個(gè)坐標(biāo)上朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng) 光電耦合電路 電機(jī)的那

21、個(gè)輸入信號(hào)先經(jīng)光電耦合器后送至單片機(jī)處理，這是由于步進(jìn)電機(jī)的大功率、高電平會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生較嚴(yán)重的干擾，不能直接把單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)直接連在步進(jìn)電機(jī)上;需要進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于強(qiáng)弱電隔離一般采用電子開(kāi)關(guān)方法或光電隔離的方法，在這里我們采用光電隔離的方法，如圖3.3所示，光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)集成在一起，通過(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電-光和光-電的轉(zhuǎn)換器件 芯片介紹設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能COMS8位單片機(jī)，如圖3.5基本外圍電路圖所示。它片內(nèi)含有8k bytes的可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲(chǔ)器，PER

22、OM和256bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性技術(shù)生產(chǎn)與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器CPU和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能8k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM、32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工川行通信口片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)

23、繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C52的內(nèi)部邏輯框圖如圖3.6所示其管腳功能如下:(1)電源引腳 Vcc(40引腳)接+5V電源。 Vss(20引腳)接地。 (2)時(shí)鐘引腳 2個(gè)時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內(nèi)的反向放大器構(gòu)成了一個(gè)晶體振蕩器它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號(hào)。兩個(gè)引腳也可以外接獨(dú)立的晶體振蕩器。XTAL1、19引腳，接外部晶體的一個(gè)引腳。該引腳內(nèi)部是一個(gè)反向放大器的輸入端，這個(gè)反向放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 XTAL1、8引腳，接外部晶體的另一端，在該引腳的內(nèi)部接至內(nèi)部反向放大器的輸出端。若采用外部時(shí)

24、鐘振蕩器時(shí)看該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)。(3)控制引腳 此類引腳提供控制信號(hào)，有的引腳還有復(fù)用功能。 RST/VPD(9引腳)RSTRESET是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳上加上持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位工作。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為0.5V低電平。VPD為本引腳的第二功能，即備用電源輸入端。 ALE/PROG、30引腳，ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作以后，ALE引腳不斷輸出正脈沖信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)的負(fù)跳沿用于單片機(jī)發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號(hào)。PROG為本引腳的第二功能

25、，為低電平有效。在對(duì)片內(nèi)EPROM型單片機(jī)編程寫入，此引腳作為編程脈沖輸入端。 PSEN29引腳程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端，為低電平有效。在單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。EA/VPP31引腳EA功能為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端，為低電平有效。EA為高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，反之則選擇片外程序存儲(chǔ)器。VPP為本引腳的第二功能。在對(duì)Flash閃速存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V或是+5V的編程允許電源。 (4)I/O口引腳 P0口 雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線，低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。 P1口 8位準(zhǔn)雙

26、向I/O口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。 P2口8位準(zhǔn)雙向I/O口與地址總線，高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。 P3口8位準(zhǔn)雙向I/O口雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。除此之外P3口還有第二功能，如表3.2所示2.3 串行通信模塊 2.3.1 RS232通信協(xié)議 1RS-232C標(biāo)準(zhǔn)介紹 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)中 RS-232C是目前最常用的一種串行通信接口。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信的連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能以及傳輸過(guò)程都進(jìn)行了明確的規(guī)定，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0-20kb/s范圍內(nèi)的通信。 RS-232C的推薦最大電纜長(zhǎng)度為15

27、m實(shí)際通信中可以以降低通信速率為代價(jià)適當(dāng)延長(zhǎng)通信距離。如果要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸數(shù)百米，需要使用專門的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器來(lái)延長(zhǎng)RS-232C的通信距離。 2RS232C中的引腳定義和電氣特性 RS-232C中定義了20根信號(hào)線，使用25芯D型連接器DB25實(shí)現(xiàn)，后來(lái)為了簡(jiǎn)化串口的線路連接，出現(xiàn)了9芯D型連接器DB9、DB9引腳的分布和信號(hào)。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性參數(shù)有帶3-7K時(shí)驅(qū)動(dòng)器的輸出電平、輸出開(kāi)路時(shí)接受器的輸出邏輯、輸入經(jīng)300接地時(shí)接收器的輸出邏輯和驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率等。不同于傳統(tǒng)的TTL等數(shù)字電路的邏輯電平，RS-232C的邏輯電平以公共地為對(duì)稱，其邏輯“0”電平規(guī)定在+3V-+25V之間，

28、邏輯“1”電平規(guī)定在-3V25V之間，因此需要使用正負(fù)極性的雙電源供電。由于其與TTL等數(shù)字電路的邏輯電平不兼容，因此二者之間的連接必須使用電平轉(zhuǎn)換。一般使用中，只需要連接好TXD、RXD、DSR、RTS、GND5根線即可正常通信。如果去掉握手信號(hào)，最少使用3根線即可實(shí)現(xiàn)正常的串口通信。 2.3.2 串行通信電路RS-232C接口電路包括RS-232C接口電平轉(zhuǎn)換部分和RS-232C總線連接部分。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)的TXD、RXD分別連到MAX232的T2in、R1out端。在RS-232C的總線連接上采用最簡(jiǎn)單的三線連接模式，即連

29、接DB9的TXD、RXD和GND三端。第3章電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì)3.1 步進(jìn)電機(jī)模塊步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，它的運(yùn)行需要專門的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以用作伺服電動(dòng)機(jī)。 圖4.1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件之一，被廣泛應(yīng)用于需要精確定位、同步、行程控制等場(chǎng)合。 一、

30、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。若每旋轉(zhuǎn)一圈以200個(gè)勵(lì)磁信號(hào)來(lái)計(jì)算，則每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)前進(jìn)18度其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖順序來(lái)控制。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式可分為全部勵(lì)磁及半步勵(lì)磁，其中全步勵(lì)磁又有1相勵(lì)磁及2 相勵(lì)磁之分，而半步勵(lì)磁又稱1-2 相勵(lì)磁。圖為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制等效電路，適應(yīng)控制A、B、/A、/B 的勵(lì)磁信號(hào)，即可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號(hào)，即可步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 分述如下: A、1 相勵(lì)磁法在每一瞬間只有一個(gè)線圈導(dǎo)通，消耗電力小，精確度良好但轉(zhuǎn)矩小，振

31、動(dòng)較大，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走1.8度。若欲以1相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。B、2 相勵(lì)磁法在每一瞬間會(huì)有二個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小，故為目前用最多的勵(lì)磁方式，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走1.8 度。若以2 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。C、1-2 相勵(lì)磁法為1相與2相輪流交替導(dǎo)通。因分辨率提高，且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走0.9度，故亦廣泛被采用。若以1相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。勵(lì)磁順序AABBBCCCDDDAA3、步進(jìn)電

32、動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度愈快負(fù)載轉(zhuǎn)矩愈小，當(dāng)速度快至其極限時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即不再運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在每走一步后，程序必須延時(shí)一段時(shí)間。下面介紹的是國(guó)產(chǎn)20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，它使用+5V直流電源，步距角為18度。電機(jī)線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，驅(qū)動(dòng)方式為二相激磁方式，如下圖所示： 步進(jìn)機(jī)順序從0到1稱為一步，電機(jī)軸將轉(zhuǎn)過(guò)18度0- 1-2-3-4，則稱為通電一周轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過(guò)72度，若循環(huán)進(jìn)行這種通電一周的操作，電機(jī)便連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，而進(jìn)行相反的通電順序如4-3-2-1，將使電機(jī)同速反轉(zhuǎn)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動(dòng)頻率越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因?yàn)樗孔咭徊叫枰欢?/p>

33、的時(shí)間若信號(hào)頻率過(guò)高，可能導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至只在原步顫動(dòng)。 對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Nr它的齒距角z為z=2/Nr，而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行k拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置。實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn)所以步進(jìn)電機(jī)的步距角s。 例如:對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距時(shí)換相三次，六拍則是換相六次。而在三拍方式中還有單三拍和雙三拍之分。從公式可知，為了使步進(jìn)電機(jī)工作的步距角s減小，也即使控制精度增高步進(jìn)電機(jī)在相數(shù)一定的情況下應(yīng)增加工作拍數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，在其繞組中通電的相序不同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和步進(jìn)精度有所不同，步進(jìn)電

34、機(jī)對(duì)繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過(guò)高，超過(guò)步進(jìn)電機(jī)的最大步進(jìn)速度，就會(huì)產(chǎn)生失步。一般步進(jìn)電機(jī)的通電頻率，即起動(dòng)頻率為50步，秒到2000步秒。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線是步進(jìn)電機(jī)的工作頻率及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩所作出的曲線，典型的步進(jìn)電機(jī)頻率特性曲線如圖2所示。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線和很多因素有關(guān)，這些因素包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵心有效長(zhǎng)、控制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的拍數(shù)等。在使用中會(huì)影響到步進(jìn)電機(jī)頻率特性而又能由用戶確定的因素有，控制拍數(shù)、控制線路的電壓、線路時(shí)間常數(shù)等。 下面分析這幾種因素對(duì)步進(jìn)電機(jī)頻率特

35、性的影響。(1)工作方式對(duì)頻率特性的影響 在步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中它的工作方式是以一個(gè)齒距所用的拍數(shù)來(lái)表示的。拍數(shù)本質(zhì)上也就是轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的電源電壓換相次數(shù)，值得指出的是換相是指對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而電源電壓是單極性的固定的。一般而言反應(yīng)式電機(jī)拍數(shù)越多矩頻特性就越好，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇多拍的控制方式。 (2)線路時(shí)間常數(shù)對(duì)頻率特性的影響 步進(jìn)電機(jī)的每相繞組供電都是通過(guò)功率開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行的，步進(jìn)電機(jī)一相繞組的開(kāi)關(guān)電路如圖3.2所示。其中L為步進(jìn)電機(jī)繞組電感RL為繞組電阻,Rc為晶體管T的集電極電阻,D是續(xù)流二極管,它為繞組放電提供回路,晶體管T是大功率開(kāi)關(guān)管。Rc也是個(gè)外接的功率電阻,它是一個(gè)消

36、耗性負(fù)載,一一般為數(shù)歐姆。這時(shí)線路的時(shí)間常數(shù)Tj ，其中L單位為亨Rc、RL單位為歐姆Tj單位為秒。3.2 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理步進(jìn)電機(jī)一線繞組的開(kāi)關(guān)回路，開(kāi)關(guān)回路時(shí)間常數(shù)Tj對(duì)注入電機(jī)繞組的電流達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間有極大關(guān)系，它影響到步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。并且有Tj越小，電流達(dá)穩(wěn)定時(shí)間小，相應(yīng)電機(jī)工作頻率高，反之Tj越大，電流達(dá)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)工作頻率低。 從公式可知，要減少Tj，可以采用增大Rc的辦法。但是增大Rc時(shí)，又會(huì)使穩(wěn)態(tài)電流值減小，從而影響電機(jī)的力矩。為了減少Tj ，而不使穩(wěn)態(tài)電流減小，可采用在增大Rc的同時(shí)，也提高供電電壓的辦法。 (1)在高頻應(yīng)用中，要盡量減小，以改善步進(jìn)的特性，所

37、以常在開(kāi)關(guān)回路中采用較大的Rc，同時(shí)也提高回路的電源電壓U，但這樣也會(huì)使效率降低在低頻段工作時(shí)也會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的振蕩加劇。在實(shí)際中，可根據(jù)客觀情況來(lái)考察選擇恰當(dāng)?shù)耐獠侩娮鑂c，使步進(jìn)電機(jī)處于合適的工作頻率狀態(tài)。 (2)開(kāi)關(guān)回路電壓對(duì)頻率的影響 在一般應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)電路的脈寬和流人繞組的電流的最大值，必定會(huì)隨開(kāi)關(guān)電路換相頻率的提高而相應(yīng)減小，開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的控制電壓是以矩形波方式加在繞組上的。隨著換相頻率的提高，矩形脈沖電壓波頻率相應(yīng)提高這樣，矩形脈沖電壓的寬度和周期也就會(huì)變小，當(dāng)矩形脈沖電壓窄到一定程度，流入電機(jī)繞組的電流就無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定值I ，步進(jìn)電機(jī)就難以步進(jìn)工作了。為了保證在矩形脈沖電壓相當(dāng)窄時(shí)

38、，也即頻率足夠高時(shí)，步進(jìn)電機(jī)仍能正常步進(jìn)工作，可以提高開(kāi)關(guān)回路的電壓。 開(kāi)關(guān)回路加到繞組的是矩形脈沖電壓，故電流也是脈沖。在步進(jìn)電機(jī)中要設(shè)法增大起動(dòng)電流，以提高步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，即提高其工作頻率。由于步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，所以進(jìn)入繞組的電流脈沖是以指數(shù)形式上升。要實(shí)現(xiàn)三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，只要把三相線當(dāng)中的任意兩相調(diào)換一下位置就可以了。如圖4.4所示，假如接觸器KM1閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，則當(dāng)接觸器KM1斷開(kāi)，接觸器KM2閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。從圖中我們可以看出，要改變?nèi)嘟涣麟姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，只需要任意交換其中兩相就可以達(dá)到目的。圖中各元器件的作用如表所示 表4.2 元器件作用列表3.3 交流電機(jī)的星三角形啟動(dòng) 對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)，一般采用Y/降壓?jiǎn)?dòng)方法來(lái)達(dá)到限制啟動(dòng)電流的目的。Y/降壓?jiǎn)?dòng)的原理如圖1所示在啟動(dòng)過(guò)程中將電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形即接觸器KMY閉合，此時(shí)電動(dòng)機(jī)每相繞組承受的電壓為額定電壓的3/1啟動(dòng)電流為三角形接法時(shí)啟動(dòng)電流的1/3。接觸器KMY閉合的同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到接觸器KMY斷開(kāi)，接觸器KM閉合。電動(dòng)機(jī)繞組為三角形接法，進(jìn)入正常運(yùn)