電機驅(qū)動運動中單片機控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1、機電一體化綜合課程設(shè)計The Format Criterionof SDJU作者姓名：專業(yè) ：學(xué)號 ：指導(dǎo)教師：完成日期：上海電機學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院摘要本設(shè)計是完成一兩坐標(biāo)步進電機驅(qū)動運動工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計；完成交流電機啟停的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。其硬件部分共包括鍵盤操作、單片機控制、輸入電路、控I/30制電路、顯示電路等五個主要組成部分。設(shè)計的總體思路是準(zhǔn)確安全的對工作臺和電機進行控制。位置信號和按鍵信息通過傳輸線傳送給單片機和鍵盤接口芯片，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，將按鍵信息串行方式傳送給單片機，單片機通過相應(yīng)的程序，向控制回路發(fā)送控制信號，進而控制工作臺的動作，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的控制。關(guān)鍵詞： 鍵盤操作，

2、單片機控制，數(shù)碼管顯示。II/30注：論文英文題目。閱后刪除此文本框。The Format Criterionof SDJUAbstractThe design is completed on January 2 coordinates stepper motor driven campaign platforms control system design。 complete AC motor COMMITMENT electrical control system design. Part of its hardware, including keyboard, microcontroll

3、er control, input circuits and control circuits, display circuit, the five main components. The overall design is an accurate idea of the table and the safety of motor control.Position signal and key information transmitted to the transmission line through the MCU and keyboard interface chip, a data

4、 processing, key information will be transmitted to the serial microprocessor, microcontroller through relevant procedures, sent to the control loop control signal and then control table action to achieve the control of the hardware equipment.Key Words： Keyboardoperation,SCM control,Digital Display。

5、III / 30目錄AbstractIII引言 11 總體方案設(shè)計 21.1 總體分析 21.2 方案框圖 22 單元模塊設(shè)計 32.1 鍵盤與顯示模塊3模塊工作原理 3芯片 CH452 介紹 4特點 4顯示驅(qū)動原理 5鍵盤掃描原理 62.2 單片機控制單元模塊電路8控制原理 8光電耦合電路 10芯片介紹 102.3 串行通信模塊 14通信協(xié)議 14串行通信電路 153 電機與電氣控制電路設(shè)計163.1 步進電機模塊 163.1.1步進電機的工作原理163.1.2步進電機的步距角與工作拍數(shù) 183.1.3步進電機的頻率特性193.2 交流電機正反轉(zhuǎn)控制原理213.3 交流電機的星 三角形啟動

6、223.4 電氣元件介紹 22結(jié)論 24參考文獻 25附錄 A 單片機控制系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計26附錄 By: 電氣控制原理圖127致謝 28IV/30引言機電一體化是以機械技術(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。機電一體化使機械工業(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“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。本設(shè)計中提到的微機數(shù)控機床是利用單板或單片微機對機床運動軌跡進行數(shù)控及對機床輔助功能動作進行程序控制的一種自動化機械加工設(shè)備。采用微機數(shù)控機床進行機械加工的最大優(yōu)點是能夠有

7、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，由于微型計算機具有價格低、體積小、性能可靠和使用靈活等特點，微機數(shù)控機床的一次性投資比全功能數(shù)控機床節(jié)省得多，且又便于一般工人掌握操作和維修。因此將專用機床設(shè)計成微機數(shù)控機床已成為機床設(shè)計的發(fā)展方向之一。本設(shè)計中用到的步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動元件，具有快速起動和停止的特點。其驅(qū)動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，并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運行速度和步距不受電源電壓波動及負載的影響，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)。本設(shè)計完成了如下要求：1）單片機控制系統(tǒng)電路原理圖的設(shè)

8、計2）控制系統(tǒng)電路印制版的繪制3）利用單片機編程實現(xiàn)兩坐標(biāo)系統(tǒng)的手動、自動和回位等運動4）實現(xiàn)兩坐標(biāo)工作臺極限移動的保護及顯示、報警5）設(shè)計交流電機的點動、正反轉(zhuǎn)控制和星-三角形啟動的電氣控制原理圖6）電氣控制電路有相應(yīng)的保護電路過載、過壓、欠壓等）7）熟悉機電系統(tǒng)常用元器件PLC、交流電機、直流電機、步進電機）此次 “機電一體化課程設(shè)計”主要簡單設(shè)計出數(shù)控機床系統(tǒng)，其實離實際真正工業(yè)用數(shù)控機床還有很大的距離。經(jīng)過小組討論，擬設(shè)計兩坐標(biāo)步進電機驅(qū)動運動工作臺控制系統(tǒng)和交流電機啟停的電器控制系統(tǒng)，單元模塊包括：單片機控制電路，鍵盤接口電路，鍵盤電路，顯示電路，輸入電路，控制電路， PC 接口電路

9、等。由于時間倉促和自己知識水平有限，在設(shè)計中難免會有些許瑕疵，懇請老師指正。1/30總體方案設(shè)計1.1 總體分析本次設(shè)計實現(xiàn)的是一兩座標(biāo)步進電機驅(qū)動運動工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計采用單片機對系統(tǒng)進行控制，單片機的包括鍵盤與顯示的控制、與 PC 機的串口通訊、以及電機輸入輸入輸出信號的控制。電機的輸入信號包含報警監(jiān)測，在機床邊緣運用一個接近開關(guān)即可實現(xiàn)此目的。1.2 方案框圖單片機作為控制的核心，一方面對機床的運動方向和位移量進行控制，另外還將與鍵盤對應(yīng)的位移信息顯示在 LED 上，并實現(xiàn)與 PC機的通信以及對報警的處理。三相交流繼電器控制4*8 鍵盤光電隔離功率接口步進電機 XHD7279A8

10、LED 顯示單片機功率接口工作臺光電隔離步進電機 Y串行通信至 上 位即行程開關(guān)圖 1.1 總體方案設(shè)計圖單元模塊設(shè)計2.1 鍵盤與顯示模塊模塊工作原理本單元模塊電路的功能是通過對單片機編程，使當(dāng)前按鍵信息在8 個 LED 上顯示出來，由芯片 CH452 來對數(shù)碼管進行驅(qū)動，并對鍵盤進行掃描。圖 3.1 所示為一來個八位 LED 動態(tài)顯示電路。在同一時刻，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 能夠同時顯示出與本位2/30相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動態(tài)顯示方式，即在某一時刻，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，

11、段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符段碼。這樣，在同一時刻，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出將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而在同一時刻，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暫留作用，只要每位顯示間隔時間足夠短，則可以造成多位同時亮的假象，達到同時顯示的效果。VCC23VCCSEG015R662516ADDRSEG117SEG2C2C118

12、SEG319SEG42200.11420H3L2SEG5921GNDSEG61022GNDSEG7200CH4 528 1N40112RST1DIG02DIG1243INTDIG24DIG35DIG4276SCLDIG5267SDADIG68DIG78 2KK8K0圖 2.1 顯示單元模塊電路圖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，再逐個判斷改行或該列上是否有信號為高，有則說明兩座標(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)動和鍵盤掃描控制芯片。 CH452 內(nèi)置時鐘振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動 8 位數(shù)碼管或者 64 位 LED，具有 BC

13、D譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能；同時還可以進行 64 鍵的鍵盤掃描； CH452 通過可以級聯(lián)的 4 線串行接口或者 2 線串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)；并且可以對單片機提供上電復(fù)位信號。3/30圖 2.2 CH452 工作原理圖特點1、顯示驅(qū)動內(nèi)置電流驅(qū)動級，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。動態(tài)顯示掃描控制，直接驅(qū)動8 位數(shù)碼管、 64 位發(fā)光管 LED 或者 64 級光柱。可選數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對應(yīng)的不譯碼方式或者BCD 譯碼方式。BCD 譯碼支持一個自定義的BCD 碼，用于顯示一個特殊字符。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)字獨立閃爍控制，可

14、選快慢兩種閃爍速度。任意段位尋址，獨立控制各個LED 或者各數(shù)碼管的各個段的亮與滅。64 級光柱譯碼，通過64 個 LED 組成的光柱顯示光柱值。掃描極限控制，支持1 到 8 個數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管分配掃描時間?？梢赃x擇字驅(qū)動輸出極性，便于外部擴展驅(qū)動電壓和電流。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)濟的2 線

15、串行接口。4 線串行接口：支持多個芯片級聯(lián)，時鐘速度從0 到 2MHz ，兼容CH451 芯片。4/304 線串行接口： DIN 和 DCLK 信號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)置時鐘振蕩電路，不需要外部提供時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

16、腳與 CH451 芯片兼容。經(jīng)過授權(quán)采用了1 項專利技術(shù)，低成本，簡便易用。顯示驅(qū)動原理CH452 對數(shù)碼管和發(fā)光管采用動態(tài)掃描驅(qū)動，順序為 DIG0 至 DIG7 ，當(dāng)其中一個引腳吸入電流時，其它引腳則不吸入電流。 CH452 內(nèi)部具有電流驅(qū)動級，可以直接驅(qū)動 0.5 英寸至 1 英寸的共陰數(shù)碼管，段驅(qū)動引腳 SEG6SEG0 分別對應(yīng)數(shù)碼管的段G段 A ，段驅(qū)動引腳 SEG7 對應(yīng)數(shù)碼管的小數(shù)點，字驅(qū)動引腳 DIG7 DIG0 分別連接 8 個數(shù)碼管的陰極； CH452 也可以連接 88 矩陣的發(fā)光二級管 LED 陣列或者 64 個獨立發(fā)光管或者 64 級光柱； CH452 可以改變字驅(qū)動

17、輸出極性以便直接驅(qū)動共陽數(shù)碼管 不譯碼方式），或者通過外接反相驅(qū)動器支持共陽數(shù)碼管，或者外接大功率管支持大尺寸的數(shù)碼管。CH452 支持掃描極限控制，并且只為有效數(shù)碼管分配掃描時間。當(dāng)掃描極限設(shè)定為 1 時，唯一的數(shù)碼管 DIG0 將得到所有的動態(tài)驅(qū)動時間，從而等同于靜態(tài)驅(qū)動；當(dāng)掃描極限設(shè)定為 8 時， 8 個數(shù)碼管 DIG7 DIG0 各得到 1/8 的動態(tài)驅(qū)動時間；當(dāng)掃描極限設(shè)定為 4 時， 4 個數(shù)碼管 DIG3 DIG0 各得到 1/4 的動態(tài)驅(qū)動時間，此時各數(shù)碼管的平均驅(qū)動電流將比掃描極限為 8 時增加一倍，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 8 位

18、的數(shù)據(jù)寄存器，用于保存8 個字?jǐn)?shù)據(jù)，分別對應(yīng)于CH452 所驅(qū)動的 8 個數(shù)碼管或者 8 組每組 8 個的發(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)碼管的獨立閃爍控制，在字?jǐn)?shù)據(jù)左右移動或者左右循環(huán)移動的過程中，閃爍控制的屬性不會隨數(shù)據(jù)移動。CH452 支持任意段位尋址，可以用于獨立控制64 個發(fā)光管 LED 中的任意一個或者數(shù)碼管中的特定段例如小數(shù)點），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”命令將某個地址的段位置 1 后，該地址對應(yīng)的發(fā)光管 LED 或者數(shù)碼管的段會點亮，該操作不影響任何其它 LED 或者數(shù)碼管

19、其它段的狀態(tài)。5/30CH452 支持 64 級的光柱譯碼，用64 個發(fā)光管或者64 級光柱表示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)光管會點亮，而大于或者等于指定光柱值的發(fā)光管會熄滅。CH452 默認情況下工作于不譯碼方式，此時 8 個數(shù)據(jù)寄存器中字?jǐn)?shù)據(jù)的位 7位 0 分別對應(yīng) 8 個數(shù)碼管的小數(shù)點和段 G段 A ，對于發(fā)光二極管陣列，則每個字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位唯一地對應(yīng)一個發(fā)光二級管。當(dāng)數(shù)據(jù)位為1 時，對應(yīng)的數(shù)據(jù)管的段或者發(fā)光管就會點亮；當(dāng)數(shù)據(jù)位為0 時，則對應(yīng)的數(shù)據(jù)管的段或者發(fā)光管就會熄滅。例如，第三個數(shù)據(jù)寄存器的位0 為 1，所以對應(yīng)的第三個數(shù)碼管的段A 點亮。通過設(shè)定， C

20、H452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，單片機只要給出二進制數(shù) BCD 碼，由 CH452 將其譯碼后直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示對應(yīng)的字符。BCD 譯碼方式是指對數(shù)據(jù)寄存器中字?jǐn)?shù)據(jù)的位4位 0 進行 BCD 譯碼，控制段驅(qū)動引腳SEG6 SEG0的輸出，對應(yīng)于數(shù)碼管的段G段 A ，同時用字?jǐn)?shù)據(jù)的位7 控制段驅(qū)動引腳SEG7 的輸出，對應(yīng)于數(shù)碼管的小數(shù)點，字?jǐn)?shù)據(jù)的位6 和位 5 不影響 BCD 譯碼。下表為數(shù)據(jù)寄存器中字?jǐn)?shù)據(jù)的位4位 0 進行 BCD 譯碼后，所對應(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)0 xx00000B 或者

21、00H；需要顯示字符 0.0 帶小數(shù)點），只要置入數(shù)據(jù) 1xx00000B 或者 80H；類似地，數(shù)據(jù) 1xx01000B 或者 88H 對應(yīng)于字符 8.8 帶小數(shù)點）；數(shù)據(jù) 0 xx10011B 或者 13H 對應(yīng)于字符 =；數(shù)據(jù) 0 xx11010B 或者 1AH 對應(yīng)于字符 .小數(shù)點）；數(shù)據(jù) 0 xx10000B 或者 10H 對應(yīng)于字符 空格，數(shù)碼管沒有顯示）；數(shù)據(jù) 0 xx11110B 或者 1EH 對應(yīng)于自定義的特殊字符，由“自定義 BCD 碼”命令定義。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， DIG7 DIG0 引腳用于列掃描輸

22、出， SEG7 SEG0 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 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)動掃描過程中插入鍵盤掃描。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 個引腳輸出低電平； SEG7SEG0 引腳的輸出被禁止，當(dāng)沒有鍵被按下時， SEG7SEG0 都被下拉為低電平；當(dāng)有鍵被按下時，例如連接 DIG3 與 SEG4 的鍵被按下，則當(dāng) DIG3 輸出高電平時 SEG4 檢測到高電平；為了防止因為按鍵抖動或者外界干擾而產(chǎn)生誤碼

23、，CH452 實行兩次掃描，只有當(dāng)兩次鍵盤掃描的結(jié)果相同時，按鍵才會被確認有效。如果CH452 檢測到有效的按鍵，則記錄下該按鍵代碼，并通過 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 時輸出低電平脈沖中斷，參考 5.5 節(jié)和 5.6 節(jié)中的說明），此時單片機可以通過串行接口讀取按鍵代碼；在6/30沒有檢測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，同一時刻，不能有兩個或者更多的鍵被按下；如果多個鍵同時按下，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

24、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，按鍵代碼通常是 0100011B 或者23H和光敏器件 (如光敏三極管 集成在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電 -光和光 -電的轉(zhuǎn)換器件。+5VR1R274AHC1G1424HONGWAI740 412A圖 3.3 光電耦合電路芯片介紹設(shè)計所使用的單片機AT89C52 是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能COMS8 位單片機，如圖3.5 基本外圍電路圖所示。它片內(nèi)含有8k bytes 的

25、可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲器PEROM）和256 bytes 的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲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 電源引腳：Vcc(40 引腳 ：接 +5V 電源。Vss(20 引腳 ：接地。(2時鐘引腳：2 個時鐘引腳 XTAL1 、XTAL2 外接晶體與片內(nèi)的反向放大器構(gòu)成了一個晶體振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。兩個引腳也可以外接獨立的晶體振蕩器。XTAL119 引腳）：接外部晶體的一個引腳。該引腳內(nèi)部是一個反向放大器的輸入端，這個反向放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。XTAL1控制

26、引腳：此類引腳提供控制信號，有的引腳還有復(fù)用功能。RST/VPD(9 引腳 ： RSTRESET）是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)單片機運行時，在此引腳上加上持續(xù)時間大于兩個機器周期的高電平時，就可以完成復(fù)位工作。在單片機正常工作時，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/PROG30 引腳）： ALE 引腳輸出為地址鎖存允許信號，當(dāng)單片機上電正常工作以后， ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號。當(dāng)單片機訪問外部存儲器時，ALE 輸出信號的負跳沿用于單片機發(fā)出的低8 位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。PROG為本引腳的第二功能，為低電平有效。在對片內(nèi)E

27、PROM 型單片機編程寫入，此引腳作為編程脈沖輸入端。11/30PSEN29 引腳）：程序存儲器允許輸出控制端，為低電平有效。在單片機訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。EA/VPPI/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)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負載。P1 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。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4 個 LS 型 TTL 負載。P3 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，雙功能復(fù)用口

28、，可驅(qū)動4 個LS型TTL負載。除此之外， P3 口還有第二功能，如表3.2 所示：表 3.2 P3 口的第二功能2.3 串行通信模塊串行通信有很多種，目前較常用的有 RS232、 RS422 和 RS485，根據(jù)本設(shè)計的實際情況， RS232 串行通信可以滿足要求， 232 電平與 TTL 電平的轉(zhuǎn)換使用已廣泛使用且效果良好的 MAX232 芯片。通信協(xié)議1） RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)介紹12/30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)對串行通信的連接電纜和機械、電氣特性、信號功能以及傳輸過程都進

29、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 的推薦最大電纜長度為 15m，實際通信中可以以降低通信速率為代價適當(dāng)延長通信距離。如果要實現(xiàn)長距離的傳輸 數(shù)百 M ），需要使用專門的長線驅(qū)動器來延長 RS-232C 的通信距離。2） RS232C中的引腳定義和電氣特性RS-232C 中定義了 20 根信號線，使用 25 芯 D 型連接器 DB25 實現(xiàn)，后來為了簡化串口的線路連接，出現(xiàn)了 9 芯 D 型連接器 DB9 ，DB9 引腳的分布和信號說明分別如圖 3.6 和表 3.3 所示。DCD1DSR6RXD2RTS7TXD3CTS8DTR4RI9GND5DB

30、9圖 3.6 DB9 連接器引腳定義表 3.3 DB9 連接器信號說明引腳號符號縮寫方向說明1DCD輸入數(shù)據(jù)載波檢出2RXD輸入接受數(shù)據(jù)3TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR輸出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好5GND信號地6DSR輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒7RTS輸出請求發(fā)送8CTS輸入允許發(fā)送9RI輸入振鈴提示RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性參數(shù)有帶 3-7K 時驅(qū)動器的輸出電平、輸出開路時接受器的輸出邏輯、輸入經(jīng) 300接地時接收器的輸出邏輯和驅(qū)動器轉(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稱，其邏輯“0”電平規(guī)定在 +3V-+25V 之間，邏輯“ 1”電平規(guī)定在 -3V 2

31、5V 之間，因此需要使用正負極性的雙電源供電。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13/30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，最少使用3 根線即可實現(xiàn)正常的串口通信。本設(shè)計采用MAX232 芯片實現(xiàn)單片機和上位機之間電平的轉(zhuǎn)換，而且該芯片本身對電流具有一定的泵升的作用，因此廣泛應(yīng)用于串行通信中。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 芯片實現(xiàn)

32、，單片機的TXD 、RXD 分別連到 MAX232 的 T2in、 R1out 端。在 RS-232C 的總線連接上采用最簡單的三線連接模式，即連接DB9 的 TXD 、 RXD 和 GND 三端。VCCC5S?162V+VCCJ?0.1 1C1+GND15DB90.1C6T1OUT143C1-R1IN13146C2+0.1R1OUT1227C7115C2-T1IN386V-R2IN9479T2INC88105R2OUTT2OUT0.1MAX232圖 3.7 RS-232C接口電路電機與電氣控制電路設(shè)計3.1 步進電機模塊步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機，它的運行需

33、要專門的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源的輸出受外部的脈沖信號控制。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，這個角度稱為步距角。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機旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅(qū)動電動機，也可以用作伺服電動機。它在工業(yè)過程控制中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應(yīng)用更為廣泛。14/30圖 3.1 三相反應(yīng)式步進電機工作原理圖步進電機的工作原理步進電機是機電一體化的關(guān)鍵部件之一，被廣泛應(yīng)用于需要精確定位、同步、行程控制等場合。一、步進電動機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電

34、流來驅(qū)動。若每旋轉(zhuǎn)一圈以 200 個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號前進 18 度，其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖順序來控制。二、步進電動機的勵磁方式可分為全部勵磁及半步勵磁，其中全步勵磁又有1 相勵磁及2 相勵磁之分，而半步勵磁又稱1-2 相勵磁。圖為步進電動機的控制等效電路，適應(yīng)控制A 、B、/A 、/B 的勵磁信號，即可控制步進電動機的轉(zhuǎn)動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號，即可步進電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動。分述如下：A 、1 相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導(dǎo)通。消耗電力小，精確度良好，但轉(zhuǎn)矩小，振動較大，每送一勵磁信號可走1.8 度。若欲以1 相勵磁

35、法控制步進電動機正轉(zhuǎn)，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。B、2 相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導(dǎo)通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動小，故為目前用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走1.8 度。若以 2 相勵磁法控制步進電動機正轉(zhuǎn)，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。15/30C、1-2 相勵磁法：為 1 相與 2 相輪流交替導(dǎo)通。因分辨率提高，且運轉(zhuǎn)平滑，每送一勵磁信號可走 0.9 度，故亦廣泛被采用。若以 1 相勵磁法控制步進電動機正轉(zhuǎn)，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。勵磁順序： A AB B BC C CD D DAA3、步進電

36、動機的負載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度愈快負載轉(zhuǎn)矩愈小，當(dāng)速度快至其極限時，步進電動機即不再運轉(zhuǎn)。所以在每走一步后，程序必須延時一段時間。下面介紹的是國產(chǎn) 20BY-0 型步進電機，它使用 +5V 直流電源，步距角為 18 度。電機線圈由四相組成，即 A 、B 、 C、 D 四相，驅(qū)動方式為二相激磁方式，電機示意圖和各線圈通電順序如圖 4.2 和表 4.1 所示：圖 4.2步進電機原理圖表 4.1 線圈通電順序16/30相順序從 0 到 1 稱為一步，電機軸將轉(zhuǎn)過 18 度， 0 1 2 3 4 則稱為通電一周，轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過 72 度，若循環(huán)進行這種通電一周的操作，電機便連續(xù)的轉(zhuǎn)動起來，而進行相反的通

37、電順序如 4 3 2 1 將使電機同速反轉(zhuǎn)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動頻率越高，則電機轉(zhuǎn)速越快，但步進電機的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因為它每走一步需要一定的時間，若信號頻率過高，可能導(dǎo)致電機失步，甚至只在原步顫動。步進電機的步距角與工作拍數(shù)對于一個步進電機，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為，它的齒距角為：=2，而步進電機運行 k 拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。實際上步進電機每一拍就執(zhí)行一次步進，所以步進電機的步距角可以表示如下：公式 4.1）或公式 可知：為了使步進電機工作的步距角減小，也即：使控制精度增高，步進電機在相數(shù)一定的情況下應(yīng)增加工作拍數(shù)。步進電機的頻率特性對于反應(yīng)式步進電機，在其繞組中通電的相序不同時

38、，步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和步進精度有所不同。步進電機對繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過高，超過步進電機的最大步進速度，就會產(chǎn)生失步。一般步進電機的通電頻率，即起動頻率為 ? 50 步秒到 2000 步秒。步進電機的頻率特性曲線，是步進電機的工作頻率及其對應(yīng)轉(zhuǎn)動力矩所作出的曲線，典型的步進電機頻率特性曲線如圖2 所示。步進電機的頻率特性曲線和很多因素有關(guān)，這些因素包括步進電機的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵心有效長、 .控制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進電機內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、轉(zhuǎn)動一個齒距所需的拍數(shù)等。在使用中會影響到步進電機頻率特性而又能由用戶確定的因素有：控制拍數(shù)、控制

39、線路的電壓、線路時間常數(shù)等。下面分析這幾種因素對步進電機頻率特性的影響。17/30(1工作方式對頻率特性的影響在步進電機應(yīng)用中，它的工作方式是以一個齒距所用的拍數(shù)來表示的。拍數(shù)本質(zhì)上也就是轉(zhuǎn)動一個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步進電機各相繞組進行轉(zhuǎn)換，而電源電壓是單極性的固定的。一般而言反應(yīng)式電機拍數(shù)越多矩頻特性就越好。因此設(shè)計中應(yīng)選擇多拍的控制方式。(2線路時間常數(shù)對頻率特性的影響步進電機的每相繞組供電都是通過功率開關(guān)電路進行的。步進電機一相繞組的開關(guān)電路如圖 3.2 所示。其中 L 為步進電機繞組電感； RL 為繞組電阻； Rc 為晶體管 T 的集電極電阻； D 是續(xù)流

40、二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管 T 是大功率開關(guān)管。 Rc 也是個外接的功率電阻，它是一個消耗性負載，一一般為數(shù)歐姆。這時線路的時間常數(shù)為：公式 (4.3其中： L 單位為亨， Rc、RL 單位為歐姆，單位為秒。圖 4.3 步進電機一線繞組的開關(guān)回路開關(guān)回路時間常數(shù)對注入電機繞組的電流達到穩(wěn)定值的時間有極大關(guān)系，它影響到步進電機的工作頻率。并且有：越小，電流達穩(wěn)定時間小，相應(yīng)電機工作頻率高；反之，越大，電流達穩(wěn)定時間長，電機工作頻率低。從式 (4.3可知：要減少，可以采用增大Rc 的辦法。但是，增大Rc 時，又會使穩(wěn)態(tài)電流值減小，從而影響電機的力矩。為了減少，而不使穩(wěn)態(tài)電流減小，可采用在

41、增大 Rc 的同時，也提高供電電壓的辦法。在高頻應(yīng)用中，要盡量減小以改善步進的特性，所以常在開關(guān)回路中采用較大的Rc，同時也提高回路的電源電壓U。但這樣也會使效率降低，在低頻段工作時也會使步進電機的振蕩加劇。在實際中，可根據(jù)客觀情況來考察選擇恰當(dāng)?shù)耐獠侩娮鑂c，使步進電機處于合適的工作頻率狀態(tài)。18/30(3開關(guān)回路電壓對頻率的影響在一般應(yīng)用中，開關(guān)電路的脈寬和流人繞組的電流的最大值，必定會隨開關(guān)電路換相頻率的提高而相應(yīng)減小。開關(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變小，當(dāng)矩形脈沖電壓窄到一定程度，流

42、入電機繞組的電流就無法達到穩(wěn)定值 I ，步進電機就難以步進工作了。為了保證在矩形脈沖電壓相當(dāng)窄時，也即頻率足夠高時，步進電機仍能正常步進工作，可以提高開關(guān)回路的電壓。開關(guān)回路加到繞組的是矩形脈沖電壓，故電流也是脈沖。在步進電機中要設(shè)法增大起動電流，以提高步進電機轉(zhuǎn)動力矩，即提高其工作頻率。由于步進電機是感性負載，所以進入繞組的電流脈沖是以指數(shù)形式上升，即這時電流脈沖i 為：公式 (4.4其中： i 是電流脈沖瞬時值；是在開關(guān)回路電壓為u 時的電流穩(wěn)態(tài)值；是開關(guān)回路的時間常數(shù)，綜上所述，本設(shè)計選用三相步進反應(yīng)式電機，采用運行中根據(jù)工作頻率對電源電壓升壓補償?shù)目刂品椒ā?.2 交流電機正反轉(zhuǎn)控制原

43、理在生產(chǎn)實踐過程中，常要求用一臺電動機的正反轉(zhuǎn)控制方向相反的兩個運動，如小車的左行、右行；機械手的上升、下降等。本設(shè)計對交流電機的正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如下所示：19/30FUS1K1K2(2/1)(2/3)U?常閉開關(guān)_1U?常閉開關(guān)_1_1FR1(2/1)U?U?07-13-01U?U?U?07-13-01U?U?07-13-01U?U?U?07-13-01M07-02-0307-02-03U?U?U?U?307-15-0107-15-0107-15-0107-15-01U?三相電機_1圖 4.4交流電機正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖要實現(xiàn)三相鼠籠型異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制，只要把三相線當(dāng)中的任意兩

44、相調(diào)換一下位置就可以了。如圖 4.4 所示：假如接觸器 KM1 閉合時電動機正轉(zhuǎn)，則當(dāng)接觸器 KM1 斷開，接觸器 KM2 閉合時，電動機就會反轉(zhuǎn)。從圖中我們可以看出：要改變?nèi)嘟涣麟姍C的旋轉(zhuǎn)方向，只需要任意交換其中兩相就可以達到目的。圖中各元器件的作用如表所示：表 4.2 元器件作用列表20/303.3 交流電機的星三角形啟動對于正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動機，在啟動時，為了保護電動機，一般采用Y/ 降壓啟動方法來達到限制啟動電流的目的。Y/ 降壓啟動的原理如圖 1 所示：在啟動過程中將電動機定子繞組接成星形，即接觸器KMY 閉合。此時電動機每相繞組承受的電壓為額定電壓的，啟

45、動電流為三角形接法時啟動電流的1/3。接觸器KMY 閉合的同時定時器開始定時，定時時間到，接觸器KMY 斷開，接觸器 KM 閉合。電動機繞組為三角形接法，進入正常運行階段?？刂齐娐芬凶枣i、互鎖、定時等常用電路，要求合上啟動 、熔體及導(dǎo)電部件等部分組成。其中熔體是主要部分，它既是感測元件又是執(zhí)行元件。熔斷管的作用是便于安裝熔體和有利于熔體熔斷時熄滅電弧。 行程開關(guān)行程開光又稱限位開關(guān)，是一種利用生產(chǎn)機械某些運動部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產(chǎn)機械的運動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。行程開關(guān)廣泛應(yīng)用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當(dāng)生產(chǎn)機械運動到某一預(yù)

46、定位置時，行程開關(guān)通過機械可動部分的動作，將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產(chǎn)機械給以必要的保護。結(jié)論本次課程設(shè)計是我所做的最綜合的一個題目，它跨越了機械和電氣兩大領(lǐng)域。在做設(shè)計時，我們第一步是按照設(shè)計要求來確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據(jù)個電子元件的功能及題目的要求一一進行篩選，最終確定用那些元件。第二步是設(shè)計方案并確定。最開始我們選擇了兩個方案，但經(jīng)過方案的比較及論證后去掉不合理的一個，最終用那個最好的方案來設(shè)計。方案確定后便開始設(shè)計實際電路，我們是在Protel 99 SE軟件上設(shè)計原理圖的，實際電路圖設(shè)計好之后，便開始寫設(shè)計報告。這次課程設(shè)計是我又一次親自動手設(shè)計東西，收獲很多，體會也很深刻。在這次設(shè)計中我也學(xué)會了很多新的東西，例如 Protel 99 SE 軟件使用、 WORD 軟件的一些細節(jié)地方的應(yīng)用、以及一些常用的文本處理方法。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了基于單片機的機床設(shè)計的一些基本方法，同時也加深了對一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握，比如單片機AT89S52、通訊接口芯片MAX232 、鍵盤掃描顯示芯片CH452 等元器件，除了這些具體的東西，我覺得在這次設(shè)計的過程中學(xué)到的另外的更重要東西是一種精神，一種同學(xué)與同學(xué)之間的團隊與合作精神，很多時候一個人的力量是有限的，一個人不