機(jī)電一體化液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

/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)老師：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)展和慢慢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)、功能和構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變更使工業(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)床幫助功能動(dòng)作進(jìn)行程序限制的一種自動(dòng)化機(jī)械加工設(shè)備。接受微機(jī)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地提中學(xué)、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)具有價(jià)格低、體積小、性能牢靠和運(yùn)用靈敏等特點(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)約得多，且又便于一般工人駕馭操作和修理。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)干脆轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的限制驅(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)整。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、速度限制和位置限制系統(tǒng)。目錄摘要 1第1章總體方案設(shè)計(jì) 21.1總體分析 21.2方案框圖 2第2章單元模塊設(shè)計(jì) 22.1鍵盤和顯示模塊 2模塊工作原理 32.1.2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 62.2單片機(jī)限制單元 7限制原理 7光電耦合電路 8芯片介紹 92.3串行通信模塊 122.3.1RS232通信協(xié)議 122.3.2串行通信電路 13第3章電機(jī)和電氣限制電路設(shè)計(jì) 143.1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 163.2溝通電機(jī)正反轉(zhuǎn)限制原理 173.3溝通電機(jī)的星—三角形啟動(dòng) 193.4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)限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)接受單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行限制，單片機(jī)的包括鍵盤和顯示的限制、和PC機(jī)的串口通訊、以及電機(jī)輸入輸入輸出信號(hào)的限制。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)接近開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)此目的。1.2方案框圖單片機(jī)作為限制的核心：一方面對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方向和位移量進(jìn)行限制，另外還將和鍵盤對(duì)應(yīng)的位移信息顯示在LED上，并實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)的通信。第2章單元模塊設(shè)計(jì)2.1鍵盤和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，ＩＮＴＥＬ、ＡＴＭＥＬ、ＭＩＣＲＯＣＨＩＰ、ＭＯＴＯＲＯＬＡ和ＰＨＩＬＰＳ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，ＣＰＵ的價(jià)格也從９０年頭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，越來越多地被功能強(qiáng)大、靈敏便利的智能型芯片所代替。我們運(yùn)用ＡＴＭＥＬ公司生產(chǎn)的８９Ｃ２０５１設(shè)計(jì)出了鍵盤ＬＥＤ顯示模塊，功能上比傳統(tǒng)的鍵盤顯示接口芯片８２Ｃ７９強(qiáng)，而成本僅有后者的１／３。ＡＴ８９Ｃ２０５１簡(jiǎn)介,ＡＴ８９Ｃ２０５１屬于ＭＣＳ５１家族，它同大家熟悉的８０３１單片機(jī)相比，Ｉ／Ｏ口削減到１５個(gè)，其它配置和性能不減，指令完全兼容，片內(nèi)具有２Ｋ字節(jié)的ＦＬＡＳＨ存貯器，電擦寫編程次數(shù)可達(dá)到１０００次，數(shù)據(jù)可保存１０年。其中的Ｐ３．０、Ｐ３．１口其次功能可以作串行口運(yùn)用，Ｐ１口可干脆驅(qū)動(dòng)ＬＥＤ顯示器，其中Ｐ１．０、Ｐ１．１可以當(dāng)作比較器的輸入端。２模塊原理模塊原理圖見圖１。鍵盤顯示模塊可外接４×８＝３２鍵，８位ＬＥＤ顯示器（可以擴(kuò)展至１６位），它通過串行口同主控設(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，由芯片CH452來對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描。圖3.1所示為一來個(gè)八位LED動(dòng)態(tài)顯示電路。在同一時(shí)刻，假如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)顯示出和本位相應(yīng)的顯示字符，就必需接受動(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。鍵盤的掃描原理和數(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)推斷改行或該列上是否有信號(hào)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(dòng)和鍵盤掃描限制芯片。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通過可以級(jí)聯(lián)的4線串行接口或者2線串行接口和單片機(jī)等交換數(shù)據(jù),并且可以對(duì)單片機(jī)供應(yīng)上電復(fù)位信號(hào)。圖3.2CH452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)顯示掃描限制干脆驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管、64位發(fā)光管LED或者64級(jí)光柱?？蛇x數(shù)碼管的段和數(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)立閃爍限制可選快慢兩種閃爍速度。隨意段位尋址，獨(dú)立限制各個(gè)LED或者各數(shù)碼管的各個(gè)段的亮和滅。64級(jí)光柱譯碼，通過64個(gè)LED組成的光柱顯示光柱值。掃描極限限制，支持1到8個(gè)數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管支配掃描時(shí)間?？梢赃x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、鍵盤限制內(nèi)置64鍵鍵盤限制器，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。供應(yīng)按鍵釋放標(biāo)記位，可供查詢按鍵按下和釋放。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DCLK信號(hào)線可以和其它接口電路共用，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)供應(yīng)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，不須要外部供應(yīng)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叮囑操作喚醒?？蛇x兩種封裝，SOP28、DIP24S引腳和CH451芯片兼容。經(jīng)過授權(quán)接受了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)光管接受動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，依次為DIG0至DIG7，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)，可以干脆驅(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SEG6SEG0，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支持掃描極限限制，并且只為有效數(shù)碼管支配掃描時(shí)間。當(dāng)掃描極限設(shè)定為1時(shí)，唯一的數(shù)碼管DIG0將得到全部的動(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DIG3DIG0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)立閃爍限制，在字?jǐn)?shù)據(jù)左右移動(dòng)或者左右循環(huán)移動(dòng)的過程中，閃爍限制的屬性不會(huì)隨數(shù)據(jù)移動(dòng)。CH452支持隨意段位尋址可以用于獨(dú)立限制64個(gè)發(fā)光管LED中的隨意一個(gè)或者數(shù)碼管中的特定段，例如小數(shù)點(diǎn)：段位編址依次和鍵盤編址一樣，編址從00H到3FH。當(dāng)用“段位尋址置1”叮囑將某個(gè)地址的段位置1后，該地址對(duì)應(yīng)的發(fā)光管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)狀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。通過設(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將其譯碼后干脆驅(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譯碼限制段驅(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限制段驅(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，假如須要在數(shù)碼管上顯示字符0，只要置入數(shù)據(jù)0xx00000B或者00H，須要顯示字符0.0帶小數(shù)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”叮囑定義。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，DIG7——DIG0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)掃描過程中插入鍵盤掃描。在鍵盤掃描期間，DIG7、DIG0引腳依據(jù)DIG0至DIG7的依次依次輸出高電平，其余7個(gè)引腳輸出低電平，SEG7——SEG0引腳的輸出被禁止。當(dāng)沒有鍵被按下時(shí)，SEG7——SEG0都被下拉為低電平；當(dāng)有鍵被按下時(shí)，例如連接DIG3和SEG4的鍵被按下；則當(dāng)DIG3輸出高電平常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。假如CH452檢測(cè)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(shí)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(shí)單片機(jī)可以通過串行接口讀取按鍵代碼，在沒有檢測(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，同一時(shí)刻，不能有兩個(gè)或者更多的鍵被按下，假如多個(gè)鍵同時(shí)按下，那么按鍵代碼較小的按鍵優(yōu)先。CH452所供應(yīng)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和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，也可能是其它值，但是確定小于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，假如須要了解按鍵何時(shí)釋放，單片機(jī)可以通過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和SEG7、SEG0之間8×8矩陣的依次編址，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所供應(yīng)的實(shí)際按鍵代碼是表中的按鍵編址加上40H，也就是說，此時(shí)的按鍵代碼應(yīng)當(dāng)在40H到7FH之間。2.2單片機(jī)限制單元單片機(jī)是微限制器，他是須要獨(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，要求高的還須要穩(wěn)壓?jiǎn)纹瑱C(jī),具有體積小、功耗低、限制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈敏、微型化和運(yùn)用便利等優(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。接受單片機(jī)限制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起接受電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。限制原理本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在整個(gè)單片機(jī)限制系統(tǒng)中，CPU既是運(yùn)算處理中心，又是限制中心，是限制系統(tǒng)最關(guān)鍵的器件。本系統(tǒng)中選用和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)牢靠性，降低系統(tǒng)成本。89C52的P2口輸出的矩形脈沖信號(hào)干脆限制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，兩臺(tái)電機(jī)需4個(gè)限制信號(hào)，一根信號(hào)線備用。工作臺(tái)上行程開關(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)和電機(jī)工作電路的隔離，起到了抗干擾和愛惜的作用，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限制，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)峻的干擾，不能干脆把單片機(jī)產(chǎn)生的限制信號(hào)干脆連在步進(jìn)電機(jī)上;須要進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于強(qiáng)弱電隔離一般接受電子開關(guān)方法或光電隔離的方法，在這里我們接受光電隔離的方法，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)所運(yùn)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8kbytes的可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲(chǔ)器，PEROM和256bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM器件接受ATMEL公司的高密度、非易失性技術(shù)生產(chǎn)和標(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位中心處理器CPU和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為困難限制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52供應(yīng)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)振蕩器剛好鐘電路。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)接著工作。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全部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外接晶體和片內(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)供應(yīng)了時(shí)鐘限制信號(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。若接受外部時(shí)鐘振蕩器時(shí)看該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)。(3)限制引腳此類引腳供應(yīng)限制信號(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)器周期的高電平常，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為本引腳的其次功能，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限制信號(hào)。PROG為本引腳的其次功能，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)器允許輸出限制端，為低電平有效。在單片機(jī)訪問外部程序存儲(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)器選擇限制端，為低電平有效。EA為高電平常，單片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，反之則選擇片外程序存儲(chǔ)器。VPP為本引腳的其次功能。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口和地址總線，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口還有其次功能，如表3.2所示2.3串行通信模塊2.3.1RS232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的舉薦最大電纜長(zhǎng)度為15m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。假如要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸數(shù)百米，須要運(yùn)用特地的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器來延長(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，運(yùn)用25芯D型連接器DB25實(shí)現(xiàn)，后來為了簡(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3-7KΩ時(shí)驅(qū)動(dòng)器的輸出電平、輸出開路時(shí)接受器的輸出邏輯、輸入經(jīng)300Ω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，邏輯“1”電平規(guī)定在-3V—25V之間，因此須要運(yùn)用正負(fù)極性的雙電源供電。由于其和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需運(yùn)用電平轉(zhuǎn)換。一般運(yùn)用中，只須要連接好TXD、RXD、DSR、RTS、GND5根線即可正常通信。假如去掉握手信號(hào)，最少運(yùn)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)的邏輯電平和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的總線連接上接受最簡(jiǎn)潔的三線連接模式，即連接DB9的TXD、RXD和GND三端。第3章電機(jī)和電氣限制電路設(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)行須要特地的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)限制。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)量確定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率確定了電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，變更繞組的通電依次可以變更電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字限制系統(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)用于須要精確定位、同步、行程限制等場(chǎng)合。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三線式、五線式、六線式三種，但其限制方式均相同，必需以脈沖電流來驅(qū)動(dòng)。若每旋轉(zhuǎn)一圈以200個(gè)勵(lì)磁信號(hào)來計(jì)算，則每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)前進(jìn)18度其旋轉(zhuǎn)角度和脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖依次來限制。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)的限制等效電路，適應(yīng)限制A、B、/A、/B的勵(lì)磁信號(hào)，即可限制步進(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)磁法限制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁依次如圖所示。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)磁法限制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁依次如圖所示。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相和2相輪番交替導(dǎo)通。因辨別率提高，且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走0.9度，故亦廣泛被接受。若以1相勵(lì)磁法限制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁依次如圖所示。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)磁依次A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和速度成反比，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，程序必需延時(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)，它運(yùn)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)依次從0到1稱為一步，電機(jī)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(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，而進(jìn)行相反的通電依次如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)速也不行能太快，因?yàn)樗孔咭徊巾氁_定的時(shí)間若信號(hào)頻率過高，可能導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至只在原步抖動(dòng)。對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，假如它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Nr它的齒距角z為z=2Π/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。事實(shí)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，也即使限制精度增高步進(jìn)電機(jī)在相數(shù)確定的狀況下應(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)電機(jī)對(duì)繞組的通電頻率有確定的要求。假如通電頻率過高，超過步進(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)的頻率特性曲線和許多因素有關(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)、限制線路的電壓、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。在運(yùn)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，限制拍數(shù)、限制線路的電壓、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)選擇多拍的限制方式。(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功率開關(guān)電路進(jìn)行的，步進(jìn)電機(jī)一相繞組的開關(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,它為繞組放電供應(yīng)回路,晶體管T是大功率開關(guān)管。Rc也是個(gè)外接的功率電阻,它是一個(gè)消耗性負(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溝通電機(jī)正反轉(zhuǎn)限制原理步進(jìn)電機(jī)一線繞組的開關(guān)回路，開關(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，要削減Tj，可以接受增大Rc的方法。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。為了削減Tj，而不使穩(wěn)態(tài)電流減小，可接受在增大Rc的同時(shí)，也提高供電電壓的方法。(1)在高頻應(yīng)用中，要盡量減小，以改善步進(jìn)的特性，所以常在開關(guān)回路中接受較大的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，可依據(jù)客觀狀況來考察選擇恰當(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)開關(guān)回路電壓對(duì)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(huì)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)生的限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)矩形脈沖電壓窄到確定程度，流入電機(jī)繞組的電流就無法達(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)，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(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)限制，只要把三相線當(dāng)中的隨意兩相調(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，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，要變更三相溝通電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，只須要隨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溝通電機(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)為了愛惜電動(dòng)機(jī)，一般接受Y/△降壓?jiǎn)?dòng)方法來達(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