機(jī)電一體化專(zhuān)科畢業(yè)論文.doc

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1、 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 機(jī)電一體化綜合課程設(shè)計(jì) 題 目： 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名： 吳漢晨 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)電一體化 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 日 期： 2010-09-16 目 錄1 前言32 總體方案設(shè)計(jì)42.1 總體分析42.2 方案框圖43 單元模塊設(shè)計(jì)53.1 鍵盤(pán)與顯示模塊53.1.1 模塊工作原理53.1.2 芯片CH452介紹63.1.2.1 特點(diǎn)63.1.2.2 顯示驅(qū)動(dòng)原理73.2 單片機(jī)控制單元模塊電路93.2.1 控制原理93.2.2 光電耦合電路103.2.3 芯片介紹113.3 串行通信模塊143.3.1 RS232通信協(xié)議143.3.

2、2 串行通信電路154 電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì)174.1 步進(jìn)電機(jī)模塊174.1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理174.2.2 步進(jìn)電機(jī)的步距角與工作拍數(shù)194.3.3 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性204.2 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理224.3 交流電機(jī)的星三角形啟動(dòng)234.4 電氣元件介紹235 設(shè)計(jì)總結(jié)、致謝256 參考文獻(xiàn)26附錄：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)27附錄:電氣控制原理圖128附錄:電氣控制原理圖229 機(jī)電一體化綜合課程設(shè)計(jì)摘 要：本設(shè)計(jì)是完成一兩坐標(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)；完成交流電機(jī)啟停的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其硬件部分共包括鍵盤(pán)操作、單片機(jī)控制、輸入電路、控制電路、顯示電路等五

3、個(gè)主要組成部分。設(shè)計(jì)的總體思路是準(zhǔn)確安全的對(duì)工作臺(tái)和電機(jī)進(jìn)行控制。 位置信號(hào)和按鍵信息通過(guò)傳輸線(xiàn)傳送給單片機(jī)和鍵盤(pán)接口芯片，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，將按鍵信息串行方式傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)相應(yīng)的程序，向控制回路發(fā)送控制信號(hào)，進(jìn)而控制工作臺(tái)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的控制。關(guān)鍵詞：鍵盤(pán)操作，單片機(jī)控制，數(shù)碼管顯示。Abstract: The design is completed on January 2 coordinates stepper motor driven campaign platforms control system design; comlete AC motor COMMITMENT

4、 electrical contro; system design. Part of its hardware, including keyboard, microcoteoller control, input circuits and control circuits,display circuit,the five main compnents.The overall design is accurate idea of the table and safety of motor control. Position signal and key information transmitt

5、ed to the transmission line through the MCU and keyboard interface chip,a data processing,key information will be transmitted to the serial microprocessor microcontroller though relevant procedures,sent to the control loop control signal and then control table action to achieve the control of the ha

6、rdware equipment.Keywords:keyboard operation, SCM control, Digital Display.1 前言機(jī)電一體化是以機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)為主題，多門(mén)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(mén)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

7、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(zhuān)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(xiàn)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?chē)?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)。本設(shè)計(jì)完成了如下要求：（1）單片機(jī)控制系統(tǒng)電路原理

8、圖的設(shè)計(jì)（2）控制系統(tǒng)電路印制版的繪制（3）利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)系統(tǒng)的手動(dòng)、自動(dòng)和回位等運(yùn)動(dòng)（4）實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)工作臺(tái)極限移動(dòng)的保護(hù)及顯示、報(bào)警（5）設(shè)計(jì)交流電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和星-三角形啟動(dòng)的電氣控制原理圖（6）電氣控制電路有相應(yīng)的保護(hù)電路（過(guò)載、過(guò)壓、欠壓等）（7）熟悉機(jī)電系統(tǒng)常用元器件（PLC、交流電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)）此次 “機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)”主要簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)出數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，其實(shí)離實(shí)際真正工業(yè)用數(shù)控機(jī)床還有很大的距離。經(jīng)過(guò)小組討論，擬設(shè)計(jì)兩坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)控制系統(tǒng)和交流電機(jī)啟停的電器控制系統(tǒng)，單元模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路，鍵盤(pán)接口電路，鍵盤(pán)電路，顯示電路，輸入電路，控制

9、電路，PC接口電路等。由于時(shí)間倉(cāng)促和自己知識(shí)水平有限，在設(shè)計(jì)中難免會(huì)有些許瑕疵，懇請(qǐng)老師指正。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 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)采用單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，單片機(jī)的包括鍵盤(pán)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。2.2 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(pán)對(duì)應(yīng)的位移信息顯示在LED上，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信以及對(duì)報(bào)警的處理。 圖2.1 總體方案設(shè)計(jì)圖3 單元模塊設(shè)計(jì)3.1 鍵盤(pán)與顯示模塊3.

10、1.1 模塊工作原理本單元模塊電路的功能是通過(guò)對(duì)單片機(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)行驅(qū)動(dòng)，并對(duì)鍵盤(pán)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(xiàn)都處于選通狀態(tài)的話(huà)，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(xiàn)處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線(xiàn)則處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段碼線(xiàn)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(xiàn)處于選通狀態(tài)，在段碼

11、線(xiàn)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(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。圖3.1 顯示單元模塊電路圖 鍵盤(pán)的掃描原理與數(shù)碼管的掃描顯示原理類(lèi)似，依次將矩陣鍵盤(pán)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。3.1.2 芯片CH452介紹CH452是數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描控制芯片。CH452

12、 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(pán)掃描；CH452 通過(guò)可以級(jí)聯(lián)的4線(xiàn)串行接口或者2 線(xiàn)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工作原理圖3.1.2.1 特點(diǎn)（1）顯示驅(qū)動(dòng)l 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。l 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。l 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。l BCD 譯碼支持一個(gè)自定義的BCD 碼，用于顯示一個(gè)特

13、殊字符。l 數(shù)碼管的字?jǐn)?shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。l 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。l 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。l 64 級(jí)光柱譯碼，通過(guò)64 個(gè)LED 組成的光柱顯示光柱值。l 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。l 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(pán)控制l 內(nèi)置64 鍵鍵盤(pán)控制器，基于88 矩陣鍵盤(pán)掃描。l 內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內(nèi)置去抖動(dòng)電路。l 鍵盤(pán)中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。l 提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢(xún)按鍵按下與釋放。l 支持按鍵喚醒

14、，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l 同一芯片，可選高速的4 線(xiàn)串行接口或者經(jīng)濟(jì)的2 線(xiàn)串行接口。l 4 線(xiàn)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。l 4 線(xiàn)串行接口：DIN 和DCLK 信號(hào)線(xiàn)可以與其它接口電路共用，節(jié)約引腳。l 2 線(xiàn)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）。l 2 線(xiàn)串行接口：時(shí)鐘速度從500Hz 到200KHz，兼容兩線(xiàn)I2C 總線(xiàn)，節(jié)約引腳。l 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l 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

15、元器件，更抗干擾。l 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。l 可選兩種封裝：SOP28、DIP24S，引腳與CH451 芯片兼容。l 經(jīng)過(guò)授權(quán)采用了1 項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，低成本，簡(jiǎn)便易用。3.1.2.2 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SEG6SEG0 分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的段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DIG7DIG0分別連接8 個(gè)數(shù)碼管的陰極；CH452 也可以連接

16、88矩陣的發(fā)光二級(jí)管LED陣列或者64 個(gè)獨(dú)立發(fā)光管或者64級(jí)光柱；CH452可以改變字驅(qū)動(dòng)輸出極性以便直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)數(shù)碼管（不譯碼方式），或者通過(guò)外接反相驅(qū)動(dòng)器支持共陽(yáng)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(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DIG7DIG0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

17、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(pán)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)光管LED 或者數(shù)碼管的段會(huì)點(diǎn)亮，該操作不影

18、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。通過(guò)設(shè)定，CH452 還可以工作

19、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SEG6SEG0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)0 xx00000B 或者00H；需要顯示字符0.（0 帶小數(shù)點(diǎn)），只要置入數(shù)據(jù)

20、1xx00000B 或者80H；類(lèi)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)0 xx10011B 或者13H 對(duì)應(yīng)于字符=；數(shù)據(jù)0 xx11010B 或者1AH 對(duì)應(yīng)于字符.（小數(shù)點(diǎn)）；數(shù)據(jù)0 xx10000B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)0 xx11110B 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。3.1.2.2 鍵盤(pán)掃描原理 CH452 的鍵盤(pán)掃描功能支持88 矩陣的64 鍵鍵盤(pán)。在鍵盤(pán)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(pán)掃描功

21、能后，4線(xiàn)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(pán)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(pán)掃描。在鍵盤(pán)掃描期間，DIG7DIG0 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(pán)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

22、錄下該按鍵代碼，并通過(guò)4 線(xiàn)串行接口中的DOUT引腳或者2 線(xiàn)串行接口中的INT#引腳產(chǎn)生低電平有效的鍵盤(pán)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(pán)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11

23、00011B 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(pán)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(xún)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DIG7DIG0 與SEG7SEG0之間88 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)，

24、CH452 所提供的實(shí)際按鍵代碼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。表3.1 CH452按鍵編址3.2 單片機(jī)控制單元模塊電路3.2.1 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(xiàn)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

25、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)。圖3.2 單片機(jī)控制單元模塊電路3.2.2 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)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

26、光敏器件(如光敏三極管)集成在一起，通過(guò)光線(xiàn)實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電-光和光-電的轉(zhuǎn)換器件。圖3.3 光電耦合電路3.2.3 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(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256 bytes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

27、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(xiàn)，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。空閑方式停止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)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。圖3.4 AT89C52基本外圍電路圖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。

28、(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（18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)鐘振蕩器時(shí)，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)。圖3.5 AT89C52的內(nèi)部邏輯框圖(3)控制引腳：此類(lèi)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)：RST（RESET）是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)

29、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(fǎng)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，為低電平有效。在對(duì)片內(nèi)EPROM型單片機(jī)編程寫(xiě)入，此引腳作為編程脈沖輸入端。PSEN（29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(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出

30、脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。EA/VPP（31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(fǎng)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(xiàn)（低8位）及數(shù)據(jù)總線(xiàn)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，與地址總線(xiàn)（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

31、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：表3.2 P3口的第二功能3.3 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(jì)的實(shí)際情況，RS232串行通信可以滿(mǎn)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。3.3.1 RS232通信協(xié)議（1）RS-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(chēng)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

32、/s范圍內(nèi)的通信。RS-232C的推薦最大電纜長(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。如果要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸（數(shù)百米），需要使用專(zhuān)門(mén)的長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器來(lái)延長(zhǎng)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(hào)線(xiàn)，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(xiàn)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)說(shuō)明分別如圖3.6和表3.3所示。圖3.6 DB9連接器引腳定義表3.3 DB9連接器信號(hào)說(shuō)明引腳號(hào)符號(hào)縮寫(xiě)方向說(shuō)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5G

33、ND信號(hào)地6DSR輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒7RTS輸出請(qǐng)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(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(chēng)，其邏輯“0”電平規(guī)定在+3V-+25V之間，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(xiàn)即可正常通信。如果去

34、掉握手信號(hào)，最少使用3根線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)正常的串口通信。本設(shè)計(jì)采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位機(jī)之間電平的轉(zhuǎn)換，而且該芯片本身對(duì)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。3.3.2 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(xiàn)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(xiàn)連接上采用最簡(jiǎn)單的三線(xiàn)連接模式，即連接DB9的TXD、RXD和GND三端。圖3.7 RS-232C接口電路4 電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì)4.1 步進(jìn)電機(jī)

35、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(xiàn)位移的電動(dòng)機(jī)，它的運(yùn)行需要專(zhuān)門(mén)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(chēng)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)。它在工業(yè)過(guò)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(chǎng)合應(yīng)用更為廣泛。圖4.1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖4.1.1 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。

36、一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三線(xiàn)式、五線(xiàn)式、六線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)圈導(dǎo)通。消耗電力小，精確度良好，但

37、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(xiàn)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： AA

38、BBBCCCDDDAA3、步進(jìn)電動(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(xiàn)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，電機(jī)示意圖和各線(xiàn)圈通電順序如圖4.2和表4.1所示：圖4.2 步進(jìn)電機(jī)原理圖表4.1 線(xiàn)圈通電順序相順序從0到1稱(chēng)為一步，電機(jī)軸將轉(zhuǎn)過(guò)18度，01234則稱(chēng)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4321將使電機(jī)同速反轉(zhuǎn)。通電

39、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ǖ臅r(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)。4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的步距角與工作拍數(shù)對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為，它的齒距角為：=2/，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)的步距角可以表示如下： 公式（4.1）或 公式（4.2）其中：k是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，Nr是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。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

40、分。從公式(4.2)可知：為了使步進(jìn)電機(jī)工作的步距角減小，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)。4.3.3 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(xiàn)，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(xiàn)，典型的步進(jìn)電機(jī)頻率特性曲線(xiàn)如圖2所示。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線(xiàn)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

41、制線(xiàn)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(xiàn)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(hù)確定的因素有：控制拍數(shù)、控制線(xiàn)路的電壓、線(xiàn)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(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(xiàn)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

42、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)消耗性負(fù)載，一一般為數(shù)歐姆。這時(shí)線(xiàn)路的時(shí)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(jìn)電機(jī)一線(xiàn)繞組的開(kāi)關(guān)回路開(kāi)關(guān)回路時(shí)間常數(shù)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：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，越大，電流達(dá)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)工作頻率低。從式(4.3)

43、可知：要減少，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 ，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。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(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(guān)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)。(3)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

44、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)，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，即這時(shí)電流脈沖i為： 公式(4.4)其中：i是電流脈沖瞬時(shí)值；是在開(kāi)關(guān)回路電壓為u時(shí)的電流穩(wěn)態(tài)值；是開(kāi)關(guān)回路的時(shí)間常數(shù)，

45、綜上所述，本設(shè)計(jì)選用三相步進(jìn)反應(yīng)式電機(jī)，采用運(yùn)行中根據(jù)工作頻率對(duì)電源電壓升壓補(bǔ)償?shù)目刂品椒ā?.2 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，常要求用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制方向相反的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，如小車(chē)的左行、右行；機(jī)械手的上升、下降等。本設(shè)計(jì)對(duì)交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如下所示：圖4.4 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖要實(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(xiàn)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

46、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4.3 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，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)行階段?？刂齐娐芬凶枣i、互鎖、定時(shí)等常用電路，要求合上啟動(dòng)（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）按鈕后，電機(jī)先作星型

47、連接啟動(dòng)，經(jīng)延時(shí)6秒后自動(dòng)換接到三角形連接運(yùn)轉(zhuǎn)。按下停止，電機(jī)停轉(zhuǎn)。按下反轉(zhuǎn)按鈕后，進(jìn)行反轉(zhuǎn)的Y/啟動(dòng)。要求正反轉(zhuǎn)互鎖、Y/互鎖。4.4 電氣元件介紹 繼電器繼電器是根據(jù)某種輸入信號(hào)來(lái)接通或斷開(kāi)小電流控制電路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和保護(hù)的自動(dòng)控制電器。其輸入量可以是電流、電壓等電量。也可以的溫度、時(shí)間、速度、壓力等非電量，而輸出則是觸頭的動(dòng)作或者是電路參數(shù)的變化。繼電器的種類(lèi)很多,按輸入信號(hào)的性質(zhì)分為：電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、溫度繼電器、速度繼電器、壓力繼電器等。按工作原理分為：電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器、電動(dòng)式繼電器、熱繼電器、電子式繼電器等。按輸出形式分為：有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)兩類(lèi)。本設(shè)計(jì)

48、主要用電磁繼電器、時(shí)間繼電器、熱繼電器等。 接觸器接觸器是用來(lái)接通或分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)主電路或其他負(fù)載電路的控制電器。用它可以實(shí)現(xiàn)頻繁的遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制，接觸器最主要的用途是控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和調(diào)速等。因此它是電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中最重要的控制電器之一。它具有低電壓釋放保護(hù)功能。它具有比工作電流大數(shù)倍乃至十幾倍的接通和分?jǐn)嗄芰?，但不能分?jǐn)喽搪冯娏?。它是一種執(zhí)行電器，即使在先進(jìn)是可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)中.它一般也不能被取代。接觸器種類(lèi)很多，按驅(qū)動(dòng)力不同分為電磁式、氣動(dòng)式、和液壓式，以電磁式應(yīng)用最廣泛。 熔斷器熔斷器基于電流熱效應(yīng)原理和發(fā)熱元件熱熔斷原理設(shè)計(jì)，具有一定的瞬動(dòng)特性，用于電路的短路保護(hù)和嚴(yán)重

49、過(guò)載保護(hù)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用維護(hù)方便、分?jǐn)嗄芰^高、限流性能良好等特點(diǎn)，以?xún)?nèi)功用十分廣泛。熔斷器在結(jié)構(gòu)上主要由熔斷管(或蓋、或座) 、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(cè)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(shí)熄滅電弧。 行程開(kāi)關(guān)行程開(kāi)光又稱(chēng)限位開(kāi)關(guān)，是一種利用生產(chǎn)機(jī)械某些運(yùn)動(dòng)部件的碰撞來(lái)發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方向、速度、行程大小或位置的一種自動(dòng)控制器件。行程開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)床、起重機(jī)械以及輕工機(jī)械的行程控制。當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)到某一預(yù)定位置時(shí)，行程開(kāi)關(guān)通過(guò)機(jī)械可動(dòng)部分的動(dòng)作，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的

50、控制，限制它們的動(dòng)作和位置，借此對(duì)生產(chǎn)機(jī)械給以必要的保護(hù)。5 設(shè)計(jì)總結(jié)、致謝本次課程設(shè)計(jì)是我所做的最綜合的一個(gè)題目，它跨越了機(jī)械和電氣兩大領(lǐng)域。在做設(shè)計(jì)時(shí)，我們第一步是按照設(shè)計(jì)要求來(lái)確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據(jù)個(gè)電子元件的功能及題目的要求一一進(jìn)行篩選，最終確定用那些元件。第二步是設(shè)計(jì)方案并確定。最開(kāi)始我們選擇了兩個(gè)方案，但經(jīng)過(guò)方案的比較及論證后去掉不合理的一個(gè)，最終用那個(gè)最好的方案來(lái)設(shè)計(jì)。方案確定后便開(kāi)始設(shè)計(jì)實(shí)際電路，我們是在Protel 99 SE軟件上設(shè)計(jì)原理圖的，實(shí)際電路圖設(shè)計(jì)好之后，便開(kāi)始寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。這次課程設(shè)計(jì)是我又一次親自動(dòng)手設(shè)計(jì)東西，收獲很多，體會(huì)也很深刻。在這次設(shè)計(jì)中

51、我也學(xué)會(huì)了很多新的東西，例如Protel 99 SE軟件使用、WORD軟件的一些細(xì)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(jī)的機(jī)床設(shè)計(jì)的一些基本方法，同時(shí)也加深了對(duì)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(jī)AT89S52、通訊接口芯片MAX232、鍵盤(pán)掃描顯示芯片CH452等元器件，除了這些具體的東西，我覺(jué)得在這次設(shè)計(jì)的過(guò)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(tuán)隊(duì)與合作精神，很多時(shí)候一個(gè)人的力量是有限的，一個(gè)人不可能什么都會(huì)，我覺(jué)得人與人之間的相互幫助很有必要，這樣不僅能幫助大家很快的解決問(wèn)題，還能提高我們每個(gè)人的實(shí)際水平，也培養(yǎng)了

52、我們的團(tuán)隊(duì)合作精神，這些能力對(duì)于我們今后的學(xué)習(xí)和工作都很有幫助。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我深刻的感到了理論和實(shí)踐之間的巨大差距極其之間的聯(lián)系。平時(shí)理論知識(shí)學(xué)的很好，但是在課程設(shè)計(jì)中并不能得心應(yīng)手，會(huì)遇到很多不會(huì)的操作，這就需要加強(qiáng)實(shí)踐能力，一個(gè)同學(xué)的知識(shí)變成多個(gè)同學(xué)的知識(shí)，多個(gè)同學(xué)的知識(shí)變成一個(gè)同學(xué)的知識(shí)，這樣才能相互促進(jìn)、相互提高。另外，理論與實(shí)踐也存著必然的聯(lián)系，在指導(dǎo)老師的幫助下才能使課程設(shè)計(jì)最終成功。在此特別感謝我的指導(dǎo)老師XX老師和XX老師，感謝XX學(xué)院給我們提供這次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)和器材，同時(shí)要感謝我班的幾位同學(xué)，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹笇?dǎo)和幫助，我的設(shè)計(jì)才能進(jìn)行和順利結(jié)束。6 參考文獻(xiàn)【1】爾桂花. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 清華大學(xué)出版社 2002【2】張宏建，蒙建波.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置 化學(xué)工業(yè)出版社【3】潘永雄. 電子線(xiàn)路CAD實(shí)用教程. 西安電子科技大學(xué)出版社【4】黃惟公 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù) 西安電子科大出版社 2007【5】張毅剛 MCS51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)大學(xué)出版社【6】張萬(wàn)忠 電器與PLC控制技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社2004【7】鄧星鐘 機(jī)電傳動(dòng)控制 華中理工大學(xué)出版社 附錄：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì) 第 - 29 - 頁(yè) 附錄:電氣控制原理圖1附錄:電氣控制原理圖2