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1、 課 程 設 計 說 明 書課程設計名稱： 機電一體化綜合課程設計 題 目： 機電一體化課程設計 學 生 姓 名： 吳漢晨 專 業(yè)： 機電一體化 學 號： 指 導 教 師： 日 期： 2010-09-16 目 錄1 前言32 總體方案設計42.1 總體分析42.2 方案框圖43 單元模塊設計53.1 鍵盤與顯示模塊53.1.1 模塊工作原理53.1.2 芯片CH452介紹63.1.2.1 特點63.1.2.2 顯示驅動原理73.2 單片機控制單元模塊電路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 電機與電氣控制電路設計174.1 步進電機模塊174.1.1 步進電機的工作原理174.2.2 步進電機的步距角與工作拍數(shù)194.3.3 步進電機的頻率特性204.2 交流電機正反轉控制原理224.3 交流電機的星三角形啟動234.4 電氣元件介紹235 設計總結、致謝256 參考文獻26附錄：單片機控制系統(tǒng)電路原理圖設計27附錄:電氣控制原理圖128附錄:電氣控制原理圖229 機電一體化綜合課程設計摘 要：本設計是完成一兩坐標步進電機驅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

3、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。 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)據經過處理，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。關鍵詞：鍵盤操作，單片機控制，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、相互結合的產物，是正在發(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、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“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

7、夠有效地提高中、小批零件的加工生產率，保證加工質量。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)字信號直接轉換成角位移或線位移的控制驅動元件，具有快速起動和停止的特點。其驅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)正反轉和平滑速度調節(jié)。它的運行速度和步距不受電源電壓波動及負載的影響，因而被廣泛應用于數(shù)模轉換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。本設計完成了如下要求：（1）單片機控制系統(tǒng)電路原理

8、圖的設計（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)兩坐標系統(tǒng)的手動、自動和回位等運動（4）實現(xiàn)兩坐標工作臺極限移動的保護及顯示、報警（5）設計交流電機的點動、正反轉控制和星-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。經過小組討論，擬設計兩坐標步進電機驅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

9、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。2 總體方案設計2.1 總體分析本次設計實現(xiàn)的是一兩座標步進電機驅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。2.2 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。 圖2.1 總體方案設計圖3 單元模塊設計3.1 鍵盤與顯示模塊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相應的顯示字符，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

11、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。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。圖3.1 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)碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片。CH452

12、 內置時鐘振蕩電路，可以動態(tài)驅動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 線串行接口與單片機等交換數(shù)據；并且可以對單片機提供上電復位信號。 圖3.2 CH452工作原理圖3.1.2.1 特點（1）顯示驅動l 內置電流驅動級，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。l 動態(tài)顯示掃描控制，直接驅動8 位數(shù)碼管、64 位發(fā)光管LED 或者64 級光柱。l 可選數(shù)碼管的段與數(shù)據位相對應的不譯碼方式或者BCD 譯碼方式。l BCD 譯碼支持一個自定義的BCD 碼，用于顯示一個特

13、殊字符。l 數(shù)碼管的字數(shù)據左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。l 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。l 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。l 64 級光柱譯碼，通過64 個LED 組成的光柱顯示光柱值。l 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。l 可以選擇字驅動輸出極性，便于外部擴展驅動電壓和電流。（2）鍵盤控制l 內置64 鍵鍵盤控制器，基于88 矩陣鍵盤掃描。l 內置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內置去抖動電路。l 鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。l 提供按鍵釋放標志位，可供查詢按鍵按下與釋放。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 線串行接口或者經濟的2 線串行接口。l 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。l 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。l 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）。l 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。l 內置上電復位，可以為單片機提供高電平有效和低電平有效復位輸出。4、其它l 內置時鐘振蕩電路，不需要外部提供時鐘或者外接振蕩

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 經過授權采用了1 項專利技術，低成本，簡便易用。3.1.2.2 顯示驅動原理CH452對數(shù)碼管和發(fā)光管采用動態(tài)掃描驅動，順序為DIG0 至DIG7，當其中一個引腳吸入電流時，其它引腳則不吸入電流。CH452內部具有電流驅動級，可以直接驅動0.5英寸至1 英寸的共陰數(shù)碼管，段驅動引腳SEG6SEG0 分別對應數(shù)碼管的段G段A，段驅動引腳SEG7 對應數(shù)碼管的小數(shù)點，字驅動引腳DIG7DIG0分別連接8 個數(shù)碼管的陰極；CH452 也可以連接

16、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可以改變字驅動輸出極性以便直接驅動共陽數(shù)碼管（不譯碼方式），或者通過外接反相驅動器支持共陽數(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)驅動時間，從而等同于靜態(tài)驅動；當掃描極限設定為8 時，8 個數(shù)碼管DIG7DIG0各得到1/8的動態(tài)驅動時間；當掃描極限設定為4 時，4個數(shù)碼管DIG3DIG0 各得到1/4 的動態(tài)驅動時間，此時各數(shù)碼管的平均驅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

17、高數(shù)碼管的顯示亮度。CH452內部具有8 個8 位的數(shù)據寄存器，用于保存8 個字數(shù)據，分別對應于CH452所驅動的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)據寄存器中的字數(shù)據左移、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

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)據寄存器中字數(shù)據的位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)據的數(shù)據位唯一地對應一個發(fā)光二級管。當數(shù)據位為1時，對應的數(shù)據管的段或者發(fā)光管就會點亮；當數(shù)據位為0 時，則對應的數(shù)據管的段或者發(fā)光管就會熄滅。例如，第三個數(shù)據寄存器的位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

19、于BCD譯碼方式，該方式主要應用于數(shù)碼管驅動，單片機只要給出二進制數(shù)BCD 碼，由CH452 將其譯碼后直接驅動數(shù)碼管顯示對應的字符。BCD 譯碼方式是指對數(shù)據寄存器中字數(shù)據的位4位0進行BCD譯碼，控制段驅動引腳SEG6SEG0的輸出，對應于數(shù)碼管的段G段A，同時用字數(shù)據的位7 控制段驅動引腳SEG7 的輸出，對應于數(shù)碼管的小數(shù)點，字數(shù)據的位6和位5不影響B(tài)CD譯碼。下表為數(shù)據寄存器中字數(shù)據的位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0 xx00000B 或者00H；需要顯示字符0.（0 帶小數(shù)點），只要置入數(shù)據

20、1xx00000B 或者80H；類似地，數(shù)據1xx01000B或者88H 對應于字符8.（8 帶小數(shù)點）；數(shù)據0 xx10011B 或者13H 對應于字符=；數(shù)據0 xx11010B 或者1AH 對應于字符.（小數(shù)點）；數(shù)據0 xx10000B或者10H對應于字符 （空格，數(shù)碼管沒有顯示）；數(shù)據0 xx11110B 或者1EH 對應于自定義的特殊字符，由“自定義BCD 碼”命令定義。3.1.2.2 鍵盤掃描原理 CH452 的鍵盤掃描功能支持88 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 引腳都帶有內部下拉電阻，用于行掃描輸入。當啟用鍵盤掃描功

21、能后，4線串行接口中的DOUT 引腳的功能由串行接口的數(shù)據輸出變?yōu)殒I盤中斷輸出以及按鍵數(shù)據輸出。 CH452 定期在顯示驅動掃描過程中插入鍵盤掃描。在鍵盤掃描期間，DIG7DIG0 引腳按照DIG0至DIG7 的順序依次輸出高電平，其余7個引腳輸出低電平；SEG7SEG0引腳的輸出被禁止，當沒有鍵被按下時，SEG7SEG0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

22、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 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生鍵盤中斷時讀取按鍵代碼，此時按鍵代碼的位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。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，鍵按下時位6總是1，所以當鍵按下時，

24、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，此時的按鍵代碼應該在40H到7FH之間。表3.1 CH452按鍵編址3.2 單片機控制單元模塊電路3.2.1 控制原理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-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。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，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光電隔離

25、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P14-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。圖3.2 單片機控制單元模塊電路3.2.2 光電耦合電路電機的那個輸入信號先經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生較嚴重的干擾，不能直接把單片機產生的控制信號直接連在步進電機上，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

26、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-電的轉換器件。圖3.3 光電耦合電路3.2.3 芯片介紹設計所使用的單片機AT89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓，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)據存儲（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性技術生產，與標準MCS-51指令系統(tǒng)及8052產品引腳兼容，片內置通用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雜控制應用場合。AT89C52提供以

27、下標準功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內部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中的內容，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。圖3.4 AT89C52基本外圍電路圖AT89C52的內部邏輯框圖如圖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)時鐘引腳：2個時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內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。XTAL1（19引腳）：接外部晶體的一個引腳。該引腳內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振蕩器。XTAL1（18引腳）：接外部晶體的另一端，在該引腳的內部接至內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。圖3.5 AT89C52的內部邏輯框圖(3)控制引腳：此類引腳提供控制信號，有的引腳還有復用功能。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

29、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。 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EPROM型單片機編程寫入，此引腳作為編程脈沖輸入端。PSEN（29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

30、脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。EA/VPP（31引腳）：EA功能為內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。(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)據總線分時復用口，可驅動8個LS型TTL負載。P1口：8位準雙向I/O口，可驅動4個LS型TTL負載。P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅動4個LS型TTL負載。P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，可驅動4

31、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，根據本設計的實際情況，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標準介紹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、信號功能以及傳輸過程都進行了明確的規(guī)定，適合于數(shù)據傳輸速率在0-20kb

32、/s范圍內的通信。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。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)據載波檢出2RXD輸入接受數(shù)據3TXD輸出發(fā)送數(shù)據4DTR輸出數(shù)據終端準備好5G

33、ND信號地6DSR輸入數(shù)據準備就緒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標準的電氣特性參數(shù)有帶3-7K時驅動器的輸出電平、輸出開路時接受器的輸出邏輯、輸入經300接地時接收器的輸出邏輯和驅動器轉換速率等。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-3V25V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

34、掉握手信號，最少使用3根線即可實現(xiàn)正常的串口通信。本設計采用MAX232芯片實現(xiàn)單片機和上位機之間電平的轉換，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。3.3.2 串行通信電路RS-232C接口電路包括RS-232C接口電平轉換部分和RS-232C總線連接部分。RS-232C標準的邏輯電平與TTL電平之間的轉換用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。圖3.7 RS-232C接口電路4 電機與電氣控制電路設計4.1 步進電機

35、模塊步進電動機是一種將電脈沖信號轉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動電源，驅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)量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了電動機旋轉的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機旋轉的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅動電動機，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用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應用更為廣泛。圖4.1 三相反應式步進電機工作原理圖4.1.1 步進電機的工作原理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。

36、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，必須以脈沖電流來驅動。若每旋轉一圈以200 個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號前進18 度，其旋轉角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉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)轉動。分述如下：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

37、轉矩小，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，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。B、2 相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導通。因其轉矩大，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，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。 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，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。勵磁順序： AA

38、BBBCCCDDDAA3、步進電動機的負載轉矩與速度成反比，速度愈快負載轉矩愈小，當速度快至其極限時，步進電動機即不再運轉。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 線圈通電順序相順序從0到1稱為一步，電機軸將轉過18度，01234則稱為通電一周，轉軸將轉過72度，若循環(huán)進行這種通電一周的操作，電機便連續(xù)的轉動起來，而進行相反的通電順序如4321將使電機同速反轉。通電

39、一周的周期越短，即驅動頻率越高，則電機轉速越快，但步進電機的轉速也不可能太快，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。4.2.2 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拍可使轉子轉動一個齒距位置。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（4.2）其中：k是步進電機工作拍數(shù)，Nr是轉子的齒數(shù)。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。三拍就是在轉動一個齒距時換相三次；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

40、分。從公式(4.2)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)。4.3.3 步進電機的頻率特性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子直徑、轉子鐵心有效長、.控

41、制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進電機內部的磁路、繞組的繞線方式、定轉子間的氣隙、轉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。(1)工作方式對頻率特性的影響在步進電機應用中，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)本質上也就是轉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。(2)線路時間常數(shù)對頻率特性的影響步進電機的每相繞

42、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： 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回路開關回路時間常數(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。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，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。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)。(3)開關回路電壓對頻率的影響在一般應用中，開關電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。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；是在開關回路電壓為u時的電流穩(wěn)態(tài)值；是開關回路的時間常數(shù)，

45、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 交流電機正反轉控制原理在生產實踐過程中，常要求用一臺電動機的正反轉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。本設計對交流電機的正反轉控制的電氣原理圖如下所示：圖4.4 交流電機正反轉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控制，只要把三相線當中的任意兩相調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，則當接觸器KM1斷開，接觸器KM2閉合時，電動機就會反轉。從圖中我們可以看出：要改變三相交流電機的旋轉方向，只需要任意交換其中兩相就可以達到

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（正轉或反轉）按鈕后，電機先作星型

47、連接啟動，經延時6秒后自動換接到三角形連接運轉。按下停止，電機停轉。按下反轉按鈕后，進行反轉的Y/啟動。要求正反轉互鎖、Y/互鎖。4.4 電氣元件介紹 繼電器繼電器是根據某種輸入信號來接通或斷開小電流控制電路，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。繼電器的種類很多,按輸入信號的性質分為：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：有觸點和無觸點兩類。本設計

48、主要用電磁繼電器、時間繼電器、熱繼電器等。 接觸器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、制動和調速等。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。接觸器種類很多，按驅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。 熔斷器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，具有一定的瞬動特性，用于電路的短路保護和嚴重

49、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，以內功用十分廣泛。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。 行程開關行程開光又稱限位開關，是一種利用生產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，將機械信號轉換為電信號，以實現(xiàn)對生產機械的

50、控制，限制它們的動作和位置，借此對生產機械給以必要的保護。5 設計總結、致謝本次課程設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域。在做設計時，我們第一步是按照設計要求來確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據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。第二步是設計方案并確定。最開始我們選擇了兩個方案，但經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計。方案確定后便開始設計實際電路，我們是在Protel 99 SE軟件上設計原理圖的，實際電路圖設計好之后，便開始寫設計報告。這次課程設計是我又一次親自動手設計東西，收獲很多，體會也很深刻。在這次設計中

51、我也學會了很多新的東西，例如Protel 99 SE軟件使用、WORD軟件的一些細節(jié)地方的應用、以及一些常用的文本處理方法。當然最重要的是學到了基于單片機的機床設計的一些基本方法，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，我覺得在這次設計的過程中學到的另外的更重要東西是一種精神，一種同學與同學之間的團隊與合作精神，很多時候一個人的力量是有限的，一個人不可能什么都會，我覺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題，還能提高我們每個人的實際水平，也培養(yǎng)了

52、我們的團隊合作精神，這些能力對于我們今后的學習和工作都很有幫助。通過這次課程設計我深刻的感到了理論和實踐之間的巨大差距極其之間的聯(lián)系。平時理論知識學的很好，但是在課程設計中并不能得心應手，會遇到很多不會的操作，這就需要加強實踐能力，一個同學的知識變成多個同學的知識，多個同學的知識變成一個同學的知識，這樣才能相互促進、相互提高。另外，理論與實踐也存著必然的聯(lián)系，在指導老師的幫助下才能使課程設計最終成功。在此特別感謝我的指導老師XX老師和XX老師，感謝XX學院給我們提供這次設計的機會和器材，同時要感謝我班的幾位同學，正是因為有了你們的指導和幫助，我的設計才能進行和順利結束。6 參考文獻【1】爾桂花. 運動控制系統(tǒng) 清華大學出版社 2002【2】張宏建，蒙建波.自動檢測技術與裝置 化學工業(yè)出版社【3】潘永雄. 電子線路CAD實用教程. 西安電子科技大學出版社【4】黃惟公 單片機原理與應用技術 西安電子科大出版社 2007【5】張毅剛 MCS51單片機應用設計 哈爾濱工業(yè)大學大學出版社【6】張萬忠 電器與PLC控制技術 化學工業(yè)出版社2004【7】鄧星鐘 機電傳動控制 華中理工大學出版社 附錄：單片機控制系統(tǒng)電路原理圖設計 第 - 29 - 頁 附錄:電氣控制原理圖1附錄:電氣控制原理圖2