機電專業(yè)畢業(yè)設計--兩坐標步進電機驅(qū)動運動工作臺控制系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設計是完成一兩坐標步進電機驅(qū)動運動工作臺控制系統(tǒng)的設計；完成交流電機啟停的電氣控制系統(tǒng)設計。其硬件部分共包括鍵盤操作、單片機控制、輸入電路、控制電路、顯示電路等五個主要組成部分。設計的總體思路是準確安全的對工作臺和電機進行控制。</p><p>　　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

2、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)對硬件設備的控制。</p><p>　　關鍵詞：鍵盤操作，單片機控制，數(shù)碼管顯示。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p>

3、<p><b>　　目 錄II</b></p><p><b>　　前 言III</b></p><p>　　第一章 總體方案設計- 1 -</p><p>　　1.1 總體分析- 1 -</p><p>　　1.2 方案框圖- 1 -</p><p&g

4、t;　　第二章 單元模塊設計- 2 -</p><p>　　2.1 鍵盤與顯示模塊- 2 -</p><p>　　2.1.1 模塊工作原理- 2 -</p><p>　　2.1.2 芯片CH452介紹- 3 -</p><p>　　2.2 單片機控制單元模塊電路- 7 -</p><p>　　2.2.1 控制

5、原理- 7 -</p><p>　　2.2.2 光電耦合電路- 8 -</p><p>　　2.2.3 芯片介紹- 9 -</p><p>　　2.3 串行通信模塊- 12 -</p><p>　　2.3.1 RS232通信協(xié)議- 12 -</p><p>　　2.3.2 串行通信電路- 14 -</

6、p><p>　　第三章 電機與電氣控制電路設計- 15 -</p><p>　　3.1 步進電機模塊- 15 -</p><p>　　3.1.1 步進電機的工作原理- 15 -</p><p>　　3.1.2 步進電機的步距角與工作拍數(shù)- 17 -</p><p>　　3.1.3 步進電機的頻率特性- 18 -&

7、lt;/p><p>　　3.2 交流電機正反轉(zhuǎn)控制原理- 20 -</p><p>　　3.3 交流電機的星—三角形啟動- 21 -</p><p>　　3.4 電氣元件介紹- 21 -</p><p>　　致 謝- 24 -</p><p>　　參考文獻- 25 -</p><p>　

8、　附錄Ⅰ：單片機控制系統(tǒng)電路原理圖設計- 26 -</p><p>　　附錄Ⅱ:電氣控制原理圖1- 27 -</p><p>　　附錄Ⅲ:電氣控制原理圖2- 28 -</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　機電一體化是以機械技術和電子技術為主題，多門技術學科相互滲透、相互結合的產(chǎn)物，是正

9、在發(fā)展和逐漸完善的一門新興的邊緣學科。機電一體化使機械工業(yè)的技術結構、產(chǎn)品結構、功能與構成、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。</p><p>　　本設計中提到的微機數(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)點是能夠有效地提高中、小批零件的加工生產(chǎn)

10、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。因此將專用機床設計成微機數(shù)控機床已成為機床設計的發(fā)展方向之一。本設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格同步，具有較高的重復定位精度，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

11、電源電壓波動及負載的影響，因而被廣泛應用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。</p><p>　　本設計完成了如下要求：</p><p>　　（1）單片機控制系統(tǒng)電路原理圖的設計</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)電路印制版的繪制</p><p>　?。?）利用單片機編程實現(xiàn)兩坐標系統(tǒng)的手動、自動和回位等運動</p><p

12、>　　（4）實現(xiàn)兩坐標工作臺極限移動的保護及顯示、報警</p><p>　?。?）設計交流電機的點動、正反轉(zhuǎn)控制和星-三角形啟動的電氣控制原理圖</p><p>　?。?）電氣控制電路有相應的保護電路（過載、過壓、欠壓等）</p><p>　?。?）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）</p><p>　　此次

13、 “機電一體化課程設計”主要簡單設計出數(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，擬設計兩坐標步進電機驅(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接口電路等。由于時間倉促和自己知識水平有限，在設計中難免會有些許瑕疵，懇請老師指正。</p><p>　　第一章 總體方案設計</p>

14、<p><b>　　1.1 總體分析</b></p><p>　　本次設計實現(xiàn)的是一兩座標步進電機驅(qū)動運動工作臺控制系統(tǒng)的設計。設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即可實現(xiàn)此目的。</p><p><b>　　1.2

15、 方案框圖</b></p><p>　　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。</p><p>　　圖1.1 總體方案設計圖</p><p>　　第二章 單元模塊設計</p><p>　　2.1 鍵盤與顯示模塊</p&g

16、t;<p>　　2.1.1 模塊工作原理</p><p>　　本單元模塊電路的功能是通過對單片機編程，使當前按鍵信息在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。</p><p>　　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相應的顯示

17、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閉狀態(tài)，同時，段碼線上輸出相應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。</p

18、><p>　　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。</p><p>　　圖2.1 顯示單元模塊電路圖</p><p>　　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

19、行或該列上是否有信號為高，有則說明兩座標相交處的按鍵按下了。</p><p>　　2.1.2 芯片CH452介紹</p><p>　　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BCD 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

20、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位信號。</p><p>　　圖2.2 CH452工作原理圖</p><p>　　2.1.2.1 特點</p><p><b>　?。?）顯示驅(qū)動</b></p><p>　　內(nèi)置電流驅(qū)動級，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。</p><

21、p>　　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。</p><p>　　可選數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對應的不譯碼方式或者BCD 譯碼方式。</p><p>　　BCD 譯碼支持一個自定義的BCD 碼，用于顯示一個特殊字符。</p><p>　　數(shù)碼管的字數(shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。</p><p>

22、　　各數(shù)碼管的數(shù)字獨立閃爍控制，可選快慢兩種閃爍速度。</p><p>　　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。</p><p>　　64 級光柱譯碼，通過64 個LED 組成的光柱顯示光柱值。</p><p>　　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。</p><p>　　可以選擇字驅(qū)

23、動輸出極性，便于外部擴展驅(qū)動電壓和電流。</p><p><b>　　（2）鍵盤控制</b></p><p>　　內(nèi)置64 鍵鍵盤控制器，基于8×8 矩陣鍵盤掃描。</p><p>　　內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內(nèi)置去抖動電路。</p><p>　　鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。<

24、/p><p>　　提供按鍵釋放標志位，可供查詢按鍵按下與釋放。</p><p>　　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。</p><p><b>　　3、外部接口</b></p><p>　　同一芯片，可選高速的4 線串行接口或者經(jīng)濟的2 線串行接口。</p><p>

25、　　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。</p><p>　　4 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。</p><p>　　2 線串行接口：支持兩個CH452 芯片并聯(lián)（由ADDR 引腳電平設定各自地址）。</p><p>　　2 線串行接口：時鐘速度從500Hz 到200KHz，兼容

26、兩線I2C 總線，節(jié)約引腳。</p><p>　　內(nèi)置上電復位，可以為單片機提供高電平有效和低電平有效復位輸出。</p><p><b>　　4、其它</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

27、喚醒。</p><p>　　可選兩種封裝：SOP28、DIP24S，引腳與CH451 芯片兼容。</p><p>　　經(jīng)過授權采用了1 項專利技術，低成本，簡便易用。</p><p>　　2.1.2.2 顯示驅(qū)動原理</p><p>　　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，當其中一個引腳吸入電流時，其它引腳

28、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SEG6～SEG0 分別對應數(shù)碼管的段G～段A，段驅(qū)動引腳SEG7 對應數(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8×8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

29、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。</p><p>　　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。當掃描極限設定為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；當掃描極限設定為8 時，8 個數(shù)碼管DIG7～DIG0各得到1/8的動態(tài)驅(qū)動時間；當掃描極限設定為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

30、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。</p><p>　　CH452內(nèi)部具有8 個8 位的數(shù)據(jù)寄存器，用于保存8 個字數(shù)據(jù)，分別對應于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支持數(shù)據(jù)寄存器中的字數(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，在字數(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。</p>

31、<p>　　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)碼管其它段的狀態(tài)。</p><p>　　CH452支持64級的光柱譯碼，用64 個發(fā)光管或者

32、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。</p><p>　　CH452默認情況下工作于不譯碼方式，此時8個數(shù)據(jù)寄存器中字數(shù)據(jù)的位7～位0分別對應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，則每個字數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位唯一地對應一個發(fā)光二級管。當數(shù)據(jù)位為1時，對應的數(shù)據(jù)管的段或者發(fā)光管就會點亮；當數(shù)據(jù)位為0 時，則對應的數(shù)據(jù)管的段或者

33、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，所以對應的第三個數(shù)碼管的段A點亮。通過設定，CH452 還可以工作于BCD譯碼方式，該方式主要應用于數(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)碼管顯示對應的字符。BCD 譯碼方式是指對數(shù)據(jù)寄存器中字數(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，對應于數(shù)碼管的段G～段A，同時用字數(shù)據(jù)的位7 控制段驅(qū)動引腳SEG7 的輸出，對應

34、于數(shù)碼管的小數(shù)點，字數(shù)據(jù)的位6和位5不影響B(tài)CD譯碼。下表為數(shù)據(jù)寄存器中字數(shù)據(jù)的位4～位0 進行BCD 譯碼后，所對應的段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)點），只要置入數(shù)據(jù)</p><p>　　2.1.2.3 鍵盤掃描原理</p><p>　　CH452 的鍵盤掃描功能支持8&#

35、215;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，SEG7～SEG0 引腳都帶有內(nèi)部下拉電阻，用于行掃描輸入。當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。</p><p>　　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

36、，其余7個引腳輸出低電平；SEG7～SEG0引腳的輸出被禁止，當沒有鍵被按下時，SEG7～SEG0都被下拉為低電平；當有鍵被按下時，例如連接DIG3與SEG4的鍵被按下，則當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，CH452實行兩次掃描，只有當兩次鍵盤掃描的結果相同時，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

37、接口中的INT#引腳產(chǎn)生低電平有效的鍵盤中斷（當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。</p><p>　　CH452 所提供的按鍵代碼為7 位，位2～位

38、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（也可能是其它值，但是肯定小于40H），其中，對應DIG3的列掃描碼為011B，對應SEG4的行掃描碼為100B。單片機可以在任何時候讀取按鍵代碼，但一般在CH452檢測到有效按鍵而產(chǎn)生鍵盤中斷時讀取按鍵代碼，此時按鍵代

39、碼的位6總是1，另外，如果需要了解按鍵何時釋放，單片機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。</p><p>　　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，鍵按下時位6總是1，所以當鍵按下時，CH452 所提供的實際按鍵代碼是表中的按鍵編址加上40H，也就是說，此時的

40、按鍵代碼應該在40H到7FH之間。</p><p>　　表2.1 CH452按鍵編址</p><p>　　2.2 單片機控制單元模塊電路</p><p>　　2.2.1 控制原理</p><p>　　本次設計是以單片機為核心進行設計的。在整個單片機控制系統(tǒng)中，CPU既是運算處理中心，又是控制中心，是控制系統(tǒng)最關鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS

41、-51系列完全兼容的AT89C52單片機，AT89C52可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。</p><p>　　89C52的P2口輸出的矩形脈沖信號直接控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，兩臺電機需4個控制信號，一根信號線備用。工作臺上行程開關的檢測信號經(jīng)光電隔離器件后送到單片機，這樣可以實現(xiàn)單片機與電機工作電路的隔離，起到了抗干擾和保護的作用，也有3個備用。工作臺工作時的指示燈則由P

42、14-P17和T0、T1控制，分別用于提示操作人員工作臺是在哪個坐標上朝哪個方向運動。</p><p>　　圖2.2 單片機控制單元模塊電路</p><p>　　2.2.2 光電耦合電路</p><p>　　電機的那個輸入信號先經(jīng)光電耦合器后送至單片機處理，這是由于步進電機的大功率、高電平會對單片機產(chǎn)生較嚴重的干擾，不能直接把單片機產(chǎn)生的控制信號直接連在步進電機上，

43、需要進行強弱電隔離。在實際運用中，對于強弱電隔離一般采用電子開關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，通過光線實現(xiàn)耦合構成電--光和光--電的轉(zhuǎn)換器件。</p><p>　　圖2.3 光電耦合電路</p><p>　　2.2.3 芯片介紹</p><p>　　

44、設計所使用的單片機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的可反復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、非易失性技術生產(chǎn)，與標準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存儲單元，功能強大AT89C52單片機適合于許多較為復

45、雜控制應用場合。</p><p>　　AT89C52提供以下標準功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結構，一個全雙工川行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，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/計數(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

46、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硬件復位。</p><p>　　圖2.4 AT89C52基本外圍電路圖</p><p>　　AT89C52的內(nèi)部邏輯框圖如圖3.6所示，其管腳功能如下：</p><p><b>　　(1)電源引腳：</b></p><p>　　Vcc(40引腳)：接+5V電源。&

47、lt;/p><p>　　Vss(20引腳)：接地。</p><p><b>　　(2)時鐘引腳：</b></p><p>　　2個時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內(nèi)的反向放大器構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。</p><p>　　XTAL1（19引腳）：接外部

48、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，這個反向放大器構成了片內(nèi)振蕩器。</p><p>　　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。若采用外部時鐘振蕩器時，該引腳接收時鐘振蕩器的信號。</p><p>　　圖2.5 AT89C52的內(nèi)部邏輯框圖</p><p><b>　　(3)控制引腳：<

49、/b></p><p>　　此類引腳提供控制信號，有的引腳還有復用功能。</p><p>　　RST/VPD(9引腳)：RST（RESET）是復位信號輸入端，高電平有效。當單片機運行時，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，就可以完成復位工作。在單片機正常工作時，此引腳應為≤0.5V低電平。VPD為本引腳的第二功能，即備用電源輸入端。 </p&g

50、t;<p>　　ALE/PROG（30引腳）：ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正常工作以后，ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。當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)EPROM型單片機編程寫入，此引腳作為編程脈沖輸入端。</p><p>　　PSEN（29引腳）：程序存儲器允

51、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。</p><p>　　EA/VPP（31引腳）：EA功能為內(nèi)外程序存儲器選擇控制端，為低電平有效。EA為高電平時，單片機訪問片內(nèi)程序存儲器，反之則選擇片外程序存儲器。VPP為本引腳的第二功能。在對Flash閃速存儲器編程時，該引腳加上+12V或是+5V的編程允許電源。</p><p&g

52、t;　　(4)I/O口引腳：</p><p>　　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)總線分時復用口，可驅(qū)動8個LS型TTL負載。</p><p>　　P1口：8位準雙向I/O口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。</p><p>　　P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。</p><

53、p>　　P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，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：</p><p>　　表2.2 P3口的第二功能</p><p>　　2.3 串行通信模塊</p><p>　　串行通信有很多種，目前較常用的有RS232、RS422和RS485，根據(jù)本設計的實際情況，RS232串行通信可以滿足要求，2

54、32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。</p><p>　　2.3.1 RS232通信協(xié)議</p><p>　?。?）RS-232C標準介紹</p><p>　　串行通信接口標準中，RS-232C是目前最常用的一種串行通信接口。RS-232C標準的全稱是EIA-RS-232C標準，該標準對串行通信的連接電纜和機械、電氣特性、信號功能以

55、及傳輸過程都進行了明確的規(guī)定，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0-20kb/s范圍內(nèi)的通信。</p><p>　　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延長通信距離。如果要實現(xiàn)長距離的傳輸（數(shù)百米），需要使用專門的長線驅(qū)動器來延長RS-232C的通信距離。</p><p>　　（2）RS232C中的引腳定義和電氣特性</p><p>　

56、　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。</p><p>　　圖2.6 DB9連接器引腳定義</p><p>　　表2.3 DB9連接器信號說明</p><p>　　RS-232C標準的電氣特性參數(shù)有帶3-7KΩ時驅(qū)動器的輸

57、出電平、輸出開路時接受器的輸出邏輯、輸入經(jīng)300Ω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—25V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

58、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。</p><p>　　本設計采用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，因此廣泛應用于串行通信中。</p><p>　　2.3.2 串行通信電路</p><p>　　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

59、。RS-232C標準的邏輯電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換用MAX232芯片實現(xiàn)，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。</p><p>　　圖2.7 RS-232C接口電路</p><p>　　第三章 電機與電氣控制電路設計</p><p>　　

60、3.1 步進電機模塊</p><p>　　步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應角位移或線位移的電動機，它的運行需要專門的驅(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

61、控制中得到廣泛的應用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應用更為廣泛。</p><p>　　圖3.1 三相反應式步進電機工作原理圖</p><p>　　3.1.1 步進電機的工作原理</p><p>　　步進電機是機電一體化的關鍵部件之一，被廣泛應用于需要精確定位、同步、行程控制等場合。</p><p>　　一、步進電動機有三線式、五線式、六

62、線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅(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

63、序不斷送出脈沖信號，即可步進電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動。</p><p><b>　　分述如下：</b></p><p>　　A、1 相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導通。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)。</p><p>

64、;　　B、2 相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導通。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)。</p><p>　　C、1-2 相勵磁法：為1 相與2 相輪流交替導通。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

65、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→DA→A</p><p>　　3、步進電動機的負載轉(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

66、，電機示意圖和各線圈通電順序如圖4.2和表4.1所示：</p><p>　　圖3.2 步進電機原理圖</p><p>　　表3.1 線圈通電順序</p><p>　　相順序從0到1稱為一步，電機軸將轉(zhuǎn)過18度，01234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，而進行相反的通電順序如4321將使電機同速反轉(zhuǎn)。通電一周的

67、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，可能導致電機失步，甚至只在原步顫動。</p><p>　　3.1.2 步進電機的步距角與工作拍數(shù)</p><p>　　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：=2Π/，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

68、的步距角可以表示如下：</p><p><b>　　公式（3.1）</b></p><p>　　或 公式（3.2）</p><p>　　其中：k是步進電機工作拍數(shù)，Nr是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。</p><p>　　例如：對于三相反應式步進電機而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是在轉(zhuǎn)動一個齒

69、距時換相三次；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(3.2)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)一定的情況下應增加工作拍數(shù)。</p><p>　　3.1.3 步進電機的頻率特性</p><p>　　對于反應式步進電機，在其繞組中通電的相序不同時，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

70、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，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

71、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)、控制線路的電壓、線路時間常數(shù)等。</p><p>　　下面分析這幾種因素對步進電機頻率特性的影響。</p><p>　　(1)工作方式對頻率特性的影響</p><p>　　在步進電機應用中，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

72、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。一般而言反應式電機拍數(shù)越多矩頻特性就越好。因此設計中應選擇多拍的控制方式。</p><p>　　(2)線路時間常數(shù)對頻率特性的影響</p><p>　　步進電機的每相繞組供電都是通過功率開關電路進行的。步進電機一相繞組的開關電路如圖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)流二極管，它為

73、繞組放電提供回路；晶體管T是大功率開關管。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：</p><p><b>　　公式(3.3)</b></p><p>　　其中：L單位為亨，Rc、RL單位為歐姆，單位為秒。</p><p>　　圖3.3 步進電機一線繞組的開關回路</p><p&

74、gt;　　開關回路時間常數(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。</p><p>　　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，可采用在增大Rc的同時，也提高供電電壓的辦法。&l

75、t;/p><p>　　在高頻應用中，要盡量減小 以改善步進的特性，所以常在開關回路中采用較大的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?shù)耐獠侩娮鑂c，使步進電機處于合適的工作頻率狀態(tài)。</p><p>　　(3)開關回路電壓對頻率的影響</p><p>　　在一般應用中，開關電

76、路的脈寬和流人繞組的電流的最大值，必定會隨開關電路換相頻率的提高而相應減小。開關電路產(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提高，這樣，矩形脈沖電壓的寬度和周期也就會變小，當矩形脈沖電壓窄到一定程度，流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，可以提高開關回路的電壓。</p><

77、;p>　　開關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：</p><p><b>　　公式(3.4)</b></p><p>　　其中：i是電流脈沖瞬時值；</p><p>　　

78、是在開關回路電壓為u時的電流穩(wěn)態(tài)值；</p><p>　　是開關回路的時間常數(shù)，</p><p>　　綜上所述，本設計選用三相步進反應式電機，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?lt;/p><p>　　3.2 交流電機正反轉(zhuǎn)控制原理</p><p>　　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

79、左行、右行；機械手的上升、下降等。</p><p>　　本設計對交流電機的正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如下所示：</p><p>　　圖3.4 交流電機正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖</p><p>　　要實現(xiàn)三相鼠籠型異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制，只要把三相線當中的任意兩相調(diào)換一下位置就可以了。如圖3.4所示：假如接觸器KM1閉合時電動機正轉(zhuǎn)，則當接觸器KM1斷開，接觸器KM2閉

80、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： </p><p>　　表3.2 元器件作用列表</p><p>　　3.3 交流電機的星—三角形啟動</p><p>　　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

81、，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。</p><p>　　控制電路要有自鎖、互鎖、

82、定時等常用電路，要求合上啟動（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）按鈕后，電機先作星型連接啟動，經(jīng)延時6秒后自動換接到三角形連接運轉(zhuǎn)。按下停止，電機停轉(zhuǎn)。按下反轉(zhuǎn)按鈕后，進行反轉(zhuǎn)的Y/△啟動。要求正反轉(zhuǎn)互鎖、Y/△互鎖。</p><p>　　3.4 電氣元件介紹</p><p><b>　　⑴ 繼電器</b></p><p>　　繼電器是根據(jù)某種輸入信號來接通或斷開小

83、電流控制電路，實現(xiàn)遠距離控制和保護的自動控制電器。其輸入量可以是電流、電壓等電量。也可以的溫度、時間、速度、壓力等非電量，而輸出則是觸頭的動作或者是電路參數(shù)的變化。</p><p>　　繼電器的種類很多,按輸入信號的性質(zhì)分為：電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、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、感應式繼電器、電動式繼電器、熱繼電器、電子式繼電器等。按輸出形式分為：有觸點和無觸點兩

84、類。本設計主要用電磁繼電器、時間繼電器、熱繼電器等。</p><p><b>　　⑵ 接觸器</b></p><p>　　接觸器是用來接通或分斷電動機主電路或其他負載電路的控制電器。用它可以實現(xiàn)頻繁的遠距離自動控制，接觸器最主要的用途是控制電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、制動和調(diào)速等。因此它是電力拖動控制系統(tǒng)中最重要的控制電器之一。它具有低電壓釋放保護功能。它具有比工作電流大數(shù)倍

85、乃至十幾倍的接通和分斷能力，但不能分斷短路電流。它是一種執(zhí)行電器，即使在先進是可編程控制器應用系統(tǒng)中.它一般也不能被取代。</p><p>　　接觸器種類很多，按驅(qū)動力不同分為電磁式、氣動式、和液壓式，以電磁式應用最廣泛。</p><p><b>　　⑶ 熔斷器</b></p><p>　　熔斷器基于電流熱效應原理和發(fā)熱元件熱熔斷原理設計，具有

86、一定的瞬動特性，用于電路的短路保護和嚴重過載保護。它具有結構簡單、體積小、使用維護方便、分斷能力較高、限流性能良好等特點，以內(nèi)功用十分廣泛。</p><p>　　熔斷器在結構上主要由熔斷管(或蓋、或座) 、熔體及導電部件等部分組成。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。</p><p><b>　　⑷ 行程開關<

87、;/b></p><p>　　行程開光又稱限位開關，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。</p><p>　　行程開關廣泛應用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當生產(chǎn)機械運動到某一預定位置時，行程開關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

88、動作和位置，借此對生產(chǎn)機械給以必要的保護。</p><p><b>　　總 結</b></p><p><b>　　致 謝</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】爾桂花. 運動控制系統(tǒng) 清華大學出版社 2002</p>

89、<p>　　【2】張宏建，蒙建波.自動檢測技術與裝置 化學工業(yè)出版社</p><p>　　【3】潘永雄. 電子線路CAD實用教程. 西安電子科技大學出版社</p><p>　　【4】黃惟公 單片機原理與應用技術 西安電子科大出版社 2007</p><p>　　【5】張毅剛 MCS—51單片機應用設計 哈爾濱工業(yè)大學大學出版社</p