2022年机电一体化专科毕业论文 .pdf

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1、机电一体化专业毕业论文题目机电一体化综合课程设计专业机电一体化指 导 教 师作者完 成 日 期精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 41 页第 0 页目录一、前言 . 4二、总体方案设计 . 6一 总体分析. 6 二 方案框图. 6 三、单元模块设计 . 7一 键盘与显示模块. 7 1 模块工作原理 . 7 2 芯片 CH452 介绍. 8 3 特点. 9 4 显示驱动原理 . 11 5 键盘扫描原理 . 13 二 单片机控制单元模块电路. 15 1 控制原理. 15 2 光电耦合电路 . 16 3 芯片介绍. 17 三 串行

2、通信模块 . 21 1 RS232通信协议. 21 2 串行通信电路 . 23 四、电机与电气控制电路设计. 24精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 41 页第 1 页一 步进电机模块 . 24 1 步进电机的工作原理. 24 2 步进电机的步距角与工作拍数 . 27 3 步进电机的频率特性. 28 二 交流电机正反转控制原理. 30 三 交流电机的星三角形启动 . 32 四 电气元件介绍 . 32 五、设计总结、致谢 . 35六、参考文献 . 37附录：单片机控制系统电路原理图设计 . 38附录 :电气控制原理图1. 39

3、附录 :电气控制原理图2. 40精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 41 页第 0 页机电一体化综合课程设计摘要：本设计是完成一两坐标步进电机驱动运开工作台控制系统的设计；完成交流电机启停的电气控制系统设计。其硬件部分共包括键盘操作、单片机控制、输入电路、控制电路、显示电路等五个主要组成部分。设计的总体思路是准确安全的对工作台和电机进行控制。位置信号和按键信息通过传输线传送给单片机和键盘接口芯片，数据经过处理， 将按键信息串行方式传送给单片机，单片机通过相应的程序，向控制回路发送控制信号，进而控制工作台的动作，实现对硬件设备

4、的控制。关键词 ：键盘操作，单片机控制，数码管显示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 41 页第 0 页一、前言机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。本设计中提到的微机数控机床是利用单板或单片微机对机床运动轨迹进行数控及对机床辅助功能动作进行程序控制的一种自动化机械加工设备。采用微机数控机床

5、进行机械加工的最大优点是能够有效地提高中、小批零件的加工生产率，保证加工质量。此外，由于微型电脑具有价格低、体积小、性能可靠和使用灵活等特点，微机数控机床的一次性投资比全功能数控机床节省得多，且又便于一般工人掌握操作和维修。因此将专用机床设计成微机数控机床已成为机床设计的发展方向之一。本设计中用到的步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步，具有较高的重复定位精度，并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响，因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本设计完成了如下要求：1单

6、片机控制系统电路原理图的设计2控制系统电路印制版的绘制精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 41 页第1页3利用单片机编程实现两坐标系统的手动、自动和回位等运动4实现两坐标工作台极限移动的保护及显示、报警5设计交流电机的点动、 正反转控制和星 -三角形启动的电气控制原理图6电气控制电路有相应的保护电路过载、过压、欠压等7熟悉机电系统常用元器件PLC、交流电机、直流电机、步进电机此次 “机电一体化课程设计”主要简单设计出数控机床系统，其实离实际真正工业用数控机床还有很大的距离。经过讨论，拟设计两坐标步进电机驱动运开工作台控制系统

7、和交流电机启停的电器控制系统，单元模块包括：单片机控制电路，键盘接口电路，键盘电路，显示电路，输入电路，控制电路，PC 接口电路等。由于时间仓促和自己知识水平有限，在设计中难免会有些许瑕疵，恳请老师指正。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 41 页第2页二、总体方案设计一 总体分析本次设计实现的是一两座标步进电机驱动运开工作台控制系统的设计。设计采用单片机对系统进行控制，单片机的包括键盘与显示的控制、与 PC机的串口通讯、以及电机输入输入输出信号的控制。电机的输入信号包含报警监测，在机床边缘运用一个接近开关即可实现此目的。二

8、 方案框图单片机作为控制的核心，一方面对机床的运动方向和位移量进行控制，另外还将与键盘对应的位移信息显示在LED 上，并实现与PC 机的通信以及对报警的处理。三相交流单片机HD7279A 4*8 键盘8LED 显示串行通信光电隔离光电隔离功率接口功率接口步进电机 X 步进电机 Y 行程开关工作台至 上 位即继电器控制图 2.1 总体方案设计图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 41 页第3页三、单元模块设计一 键盘与显示模块1 模块工作原理本单元模块电路的功能是通过对单片机编程，使当前按键信息在8 个 LED上显示出来，由芯

9、片CH452 来对数码管进行驱动，并对键盘进行扫描。图 3.1 所示为一来个八位LED 动态显示电路。在同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话， 8 位 LED 将显示相同的字符。假设要各位LED 能够同时显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线则处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符段码。这样，在同一时刻，8 位 LED 中只有选通的那一位显示出字符，而另一位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各

10、位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使两位分别显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED 显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔时间足够短，则可以造成多位同时亮的假象，到达同时显示的效果。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 41 页第4页SEG015SEG116SEG217SEG318SEG419SEG520SEG621SEG722DIG01DIG12DIG23DIG34DIG45DIG56DIG67DIG78VCC23ADDR25H3L214GND

11、9GND10RST12INT24SCL27SDA26CH452R66200C 2220C10.1VCCK0K88 1N40018 2K图 3.1 显示单元模块电路图键盘的扫描原理与数码管的扫描显示原理类似，依次将矩阵键盘的某行或某列置一，再逐个判断改行或该列上是否有信号为高，有则说明两座标相交处的按键按下了。2 芯片 CH452 介绍CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。CH452 内置时钟振荡电路，可以动态驱动8 位数码管或者64 位 LED，具有 BCD 译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能； 同时还可以进行 64 键的键盘扫描； CH452 通过可以级联的 4 线串行接口或

12、者2 线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片机提供上电复位信号。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 41 页第5页图 3.2 CH452 工作原理图3 特点1显示驱动动态显示扫描控制， 直接驱动 8 位数码管、64 位发光管 LED 或者64 级光柱。可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD 译码方式。BCD 译码支持一个自定义的 BCD 码，用于显示一个特殊字符。数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。各数码管的数字独立闪烁控制，可选快慢两种闪烁速度。任意段位寻址，独立控制各个LED 或者各数码管的各个段

13、的亮与灭。64 级光柱译码，通过 64 个LED 组成的光柱显示光柱值。扫描极限控制，支持 1 到8 个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。可以选择字驱动输出极性，便于外部扩展驱动电压和电流。2键盘控制内置64 键键盘控制器，基于 88 矩阵键盘扫描。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 41 页第6页内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出。提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的CH452 可以被部分按键唤醒。3外部接口同一芯片

14、，可选高速的 4 线串行接口或者经济的 2 线串行接口。4 线串行接口：支持多个芯片级联，时钟速度从0 到2MHz，兼容CH451 芯片。4 线串行接口： DIN 和DCLK 信号线可以与其它接口电路共用，节约引脚。2 线串行接口：支持两个 CH452 芯片并联由 ADDR 引脚电平设定各自地址。2 线串行接口：时钟速度从 500Hz 到200KHz，兼容两线 I2C 总线，节约引脚。内置上电复位，可以为单片机提供高电平有效和低电平有效复位输出。4其它内置时钟振荡电路，不需要外部提供时钟或者外接振荡元器件，更抗干扰。支持低功耗睡眠，节约电能，可以被按键唤醒或者被命令操作唤醒。可选两种封装： S

15、OP28、DIP24S，引脚与 CH451 芯片兼容。经过授权采用了 1 项专利技术，低成本，简便易用。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 41 页第7页4 显示驱动原理CH452 对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为 DIG0 至 DIG7，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。CH452 内部具有电流驱动级，可以直接驱动英寸至1 英寸的共阴数码管， 段驱动引脚 SEG6SEG0 分别对应数码管的段G段 A，段驱动引脚SEG7 对应数码管的小数点，字驱动引脚DIG7DIG0 分别连接 8 个数码管的阴极；

16、CH452 也可以连接88 矩阵的发光二级管 LED 阵列或者 64 个独立发光管或者64 级光柱；CH452 可以改变字驱动输出极性以便直接驱动共阳数码管不译码方式，或者通过外接反相驱动器支持共阳数码管，或者外接大功率管支持大尺寸的数码管。CH452 支持扫描极限控制，并且只为有效数码管分配扫描时间。当扫描极限设定为 1 时，唯一的数码管DIG0 将得到所有的动态驱动时间，从而等同于静态驱动；当扫描极限设定为8 时，8 个数码管 DIG7DIG0 各得到 1/8 的动态驱动时间；当扫描极限设定为4 时，4 个数码管 DIG3DIG0 各得到 1/4 的动态驱动时间，此时各数码管的平均驱动电流

17、将比扫描极限为8 时增加一倍，所以降低扫描极限可以提高数码管的显示亮度。CH452 内部具有 8 个 8 位的数据寄存器， 用于保存 8 个字数据，分别对应于 CH452 所驱动的 8 个数码管或者8 组每组 8 个的发光二极管。 CH452 支持数据寄存器中的字数据左移、右移、左循环、右循环，并且支持各数码管的独立闪烁控制，在字数据左右移动或者左右循环移动的过程中，闪烁控制的属性不会随数据移动。CH452 支持任意段位寻址，可以用于独立控制64 个发光管 LED 中的任意精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 41 页第8页

18、一个或者数码管中的特定段例如小数点，段位编址顺序与键盘编址一致，编址从 00H 到 3FH。当用“段位寻址置1”命令将某个地址的段位置1 后，该地址对应的发光管LED 或者数码管的段会点亮，该操作不影响任何其它LED 或者数码管其它段的状态。CH452 支持 64 级的光柱译码，用64 个发光管或者 64 级光柱表示 65 种状态，加载新的光柱值后，编址小于指定光柱值的发光管会点亮，而大于或者等于指定光柱值的发光管会熄灭。CH452 默认情况下工作于不译码方式，此时8 个数据寄存器中字数据的位7位 0 分别对应 8 个数码管的小数点和段G段 A，对于发光二极管阵列， 则每个字数据的数据位唯一地

19、对应一个发光二级管。当数据位为1 时，对应的数据管的段或者发光管就会点亮；当数据位为0 时，则对应的数据管的段或者发光管就会熄灭。例如，第三个数据寄存器的位0 为 1，所以对应的第三个数码管的段 A 点亮。通过设定， CH452 还可以工作于BCD 译码方式，该方式主要应用于数码管驱动，单片机只要给出二进制数BCD 码，由 CH452 将其译码后直接驱动数码管显示对应的字符。BCD 译码方式是指对数据寄存器中字数据的位4位 0 进行 BCD 译码，控制段驱动引脚SEG6SEG0的输出，对应于数码管的段 G段 A，同时用字数据的位7 控制段驱动引脚SEG7 的输出，对应于数码管的小数点，字数据的

20、位6 和位 5 不影响 BCD 译码。下表为数据寄存器中字数据的位 4位 0 进行 BCD 译码后，所对应的段G段 A 以及数码管显示的字符。参考下表，如果需要在数码管上显示字符0，只要置入数据 0 xx00000B 或者 00H；需要显示字符 0.0 带小数点，只要置入数据 1xx00000B 或者 80H；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 41 页第9页类似地， 数据 1xx01000B 或者 88H 对应于字符 8. 8 带小数点； 数据 0 xx10011B 或者 13H 对应于字符 =；数据 0 xx11010

21、B 或者 1AH 对应于字符 .小数点；数据 0 xx10000B 或者 10H 对应于字符 空格，数码管没有显示； 数据 0 xx11110B 或者 1EH 对应于自定义的特殊字符，由“自定义BCD 码”命令定义。5 键盘扫描原理CH452 的键盘扫描功能支持88 矩阵的64 键键盘。在键盘扫描期间，DIG7DIG0 引脚用于列扫描输出， SEG7SEG0 引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入。当启用键盘扫描功能后，4 线串行接口中的DOUT 引脚的功能由串行接口的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。CH452 定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。在键盘扫描期间，DIG7DIG0

22、引脚按照 DIG0 至 DIG7 的顺序依次输出高电平， 其余 7 个引脚输出低电平； SEG7SEG0引脚的输出被禁止， 当没有键被按下时， SEG7SEG0都被下拉为低电平；当有键被按下时，例如连接DIG3 与 SEG4的键被按下，则当 DIG3 输出高电平时 SEG4 检测到高电平；为了防止因为按键抖动或者外界干扰而产生误码， CH452 实行两次扫描，只有当两次键盘扫描的结果相同时，按键才会被确认有效。如果CH452 检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并通过 4 线串行接口中的DOUT 引脚或者 2 线串行接口中的INT#引脚产生低电平有效的键盘中断当INTM 为 1 时输出低电平

23、脉冲中断，参考5.5 节和节中的说明 ，此时单片机可以通过串行接口读取按键代码；在没有检测到新的有效按键之前， CH452 不再产生任何键盘中断。 CH452 不支持组合键，也就是说，同一时刻，不能有两个或者更多的键被按下；如果多个键同时按下，那么按键精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 41 页第10页代码较小的按键优先。CH452 所提供的按键代码为7 位，位 2位 0 是列扫描码，位 5位 3 是行扫描码，位 6 是状态码键按下为 1， 键释放为 0 。 例如，连接 DIG3 与 SEG4 的键被按下， 则按键代码是

24、1100011B 或者 63H，键被释放后， 按键代码通常是0100011B或者 23H也可能是其它值，但是肯定小于40H ，其中，对应 DIG3的列扫描码为 011B，对应 SEG4的行扫描码为 100B。单片机可以在任何时候读取按键代码，但一般在 CH452 检测到有效按键而产生键盘中断时读取按键代码，此时按键代码的位6 总是 1，另外，如果需要了解按键何时释放，单片机可以通过查询方式定期读取按键代码，直到按键代码的位6 为 0。下表是在 DIG7DIG0 与 SEG7SEG0之间 88 矩阵的顺序编址，既是按键编址，也是数码管段位、发光管LED 阵列以及光柱的编址。由于按键代码是 7 位

25、，键按下时位6 总是 1，所以当键按下时， CH452 所提供的实际按键代码是表中的按键编址加上40H，也就是说，此时的按键代码应该在40H 到 7FH之间。表 3.1 CH452 按键编址精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 41 页第11页二 单片机控制单元模块电路1 控制原理本次设计是以单片机为核心进行设计的。在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统最关键的器件。本系统中选用与 MCS-51 系列完全兼容的 AT89C52 单片机， AT89C52 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系

26、统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。89C52的 P2 口输出的矩形脉冲信号直接控制步进电机的正反转，两台电机需 4 个控制信号，一根信号线备用。工作台上行程开关的检测信号经光电隔离器件后送到单片机，这样可以实现单片机与电机工作电路的隔离，起到了抗干扰和保护的作用，也有3 个备用。工作台工作时的指示灯则由P14-P17和 T0、T1 控制，分别用于提示操作人职工作台是在哪个坐标上朝哪个方向运动。P101P112XTAL24XTAL15P123P134P145P156P167P178P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039P2728P2627P2526P

27、2425P2324P2223P2122P2021ALE30PSEN29R D17WR16RST9EA31RXD10TXD11INT012INT113T014T115AT89C51VCC2PFI4M R1GND3REST7WDI6WDO8PFO5R91KR103.3KVCCK65C 330PC 430PY112M1 2 3 4 5 6 7 8INPUT12345678Driv erU3U4U5U6U7U2U1R212KR222KR232KR242KR252KR262KR272KR31200R32200R33200R34200R35200R36200R37200P07P06P05P04P03P02

28、P01VCC精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 41 页第12页12U1A74 0712U2A74 0712U3A74 0712U4A74 0712U5A74 0712U6A74 07R 411KR 421KR 431KR 441KR 451KR 461K1 2 3 4 5 6 7 8OUTPUTVCCP12P13P14P15P17P16图 3.2 单片机控制单元模块电路2 光电耦合电路电机的那个输入信号先经光电耦合器后送至单片机处理，这是由于步进电机的大功率、高电平会对单片机产生较严重的干扰，不能直接把单片机产生的控制信

29、号直接连在步进电机上，需要进行强弱电隔离。在实际运用中，对于强弱电隔离一般采用电子开关方法或光电隔离的方法，在这里我们采用光电隔离的方法，如图 3.3 所示。光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管 )和光敏器件(如光敏三极管 )集成在一起，通过光线实现耦合构成电-光和光-电的转换器件。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 41 页第13页R1R2HONGWAI2474AHC1 G1412A7 40 4+5V图 3.3 光电耦合电路3 芯片介绍设计所使用的单片机AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能COM

30、S8 位单片机，如图 3.5 基本外围电路图所示。它片内含有8k bytes的可反复檫写的只读程序存储器 PEROM和 256 bytes的随机存储数据存储 RAM ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、 非易失性技术生产， 与标准 MCS-51 指令系统及 8052产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器 CPU和 Flash存储单元，功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89C52提供以下标准功能：8k 字节 Flash闪速存储器，256字节内部 RAM ，32 个 I/O 口线，3 个 16 位定时 /计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工川行通信口

31、，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许 RAM ，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 41 页第14页图 3.4 AT89C52基本外围电路图AT89C52 的内部逻辑框图如图3.4所示，其管脚功能如下：(1)电源引脚：Vcc(40 引脚)：接+5V 电源。Vss(20引脚)：接地。(

32、2)时钟引脚：2 个时钟引脚 XTAL1 、XTAL2 外接晶体与片内的反向放大器构成了一个晶体振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。两个引脚也可以外接独立的晶体振荡器。XTAL119 引脚 ：接外部晶体的一个引脚。 该引脚内部是一个反向放大器的输入端，这个反向放大器构成了片内振荡器。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 41 页第15页XTAL118 引脚 ：接外部晶体的另一端， 在该引脚的内部接至内部反向放大器的输出端。假设采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号。图 3.5 AT89C52的内部逻辑框图(3)控

33、制引脚：此类引脚提供控制信号，有的引脚还有复用功能。RST/VPD(9 引脚)：RSTRESET是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚上加上持续时间大于两个机器周期的高电平时，就可以完成复位工作。在单片机正常工作时，此引脚应为0.5V 低电平。 VPD 为本引精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 41 页第16页脚的第二功能，即备用电源输入端。ALE/PROG30 引脚 ：ALE 引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作以后， ALE 引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE 输出信号

34、的负跳沿用于单片机发出的低8 位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。 PROG为本引脚的第二功能， 为低电平有效。 在对片内 EPROM 型单片机编程写入，此引脚作为编程脉冲输入端。PSEN29 引脚 ：程序存储器允许输出控制端，为低电平有效。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。EA/VPP31 引脚 ： EA 功能为内外程序存储器选择控制端，为低电平有效。EA 为高电平时，单片机访问片内程序存储器， 反之则选择片外程序存储器。 VPP为本引脚的第二功能。 在对 Flash闪速存储器编程时， 该引脚加上 +12V 或是+5V的编程允许电源。(4)I

35、/O 口引脚：P0 口：双向 8 位三态 I/O 口，此口为地址总线低8 位及数据总线分时复用口，可驱动8 个 LS 型 TTL 负载。P1 口：8 位准双向 I/O 口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P2 口：8 位准双向 I/O 口，与地址总线高8 位复用，可驱动4 个 LS 型TTL 负载。P3 口：8 位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动4 个 LS 型 TTL 负载。除此之外， P3口还有第二功能，如表3.2 所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 41 页第17页表 3.2 P3口的第二功能三

36、 串行通信模块串行通信有很多种， 目前较常用的有 RS232、RS422和 RS485，根据本设计的实际情况， RS232 串行通信可以满足要求， 232 电平与 TTL 电平的转换使用已广泛使用且效果良好的MAX232 芯片。1 RS232通信协议1RS-232C标准介绍串行通信接口标准中，RS-232C 是目前最常用的一种串行通信接口。RS-232C 标准的全称是EIA-RS-232C 标准，该标准对串行通信的连接电缆和机械、电气特性、信号功能以及传输过程都进行了明确的规定，适合于数据传输速率在 0-20kb/s范围内的通信。RS-232C 的推荐最大电缆长度为15m，实际通信中可以以降低

37、通信速率为代价适当延长通信距离。如果要实现长距离的传输数百米，需要使用专门的长线驱动器来延长RS-232C的通信距离。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 41 页第18页2RS232C中的引脚定义和电气特性RS-232C 中定义了 20 根信号线，使用25 芯 D 型连接器 DB25 实现，后来为了简化串口的线路连接，出现了9 芯 D 型连接器 DB9，DB9 引脚的分布和信号说明分别如图3.6和表 3.3所示。162738495DB9DCDDSRRXDRTSTXDCTSDTRRIGND图 3.6 DB9 连接器引脚定义表

38、 3.3 DB9 连接器信号说明引脚号符号缩写方向说明1 DCD 输入数据载波检出2 RXD 输入接受数据3 TXD 输出发送数据4 DTR 输出数据终端准备好5 GND 信号地6 DSR 输入数据准备就绪7 RTS 输出请求发送8 CTS 输入允许发送9 RI 输入振铃提示RS-232C 标准的电气特性参数有带3-7K时驱动器的输出电平、输出开路时接受器的输出逻辑、 输入经 300接地时接收器的输出逻辑和驱动器转换速率等。不同于传统的TTL 等数字电路的逻辑电平， RS-232C 的逻辑电平以公共地为对称，其逻辑“0”电平规定在 +3V-+25V 之间，逻辑“1”电平规定在 -3V25V之间

39、，因此需要使用正负极性的双电源供电。由于其与TTL 等数字电路的逻辑精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 41 页第19页电平不兼容，因此二者之间的连接必须使用电平转换。一般使用中，只需要连接好 TXD、RXD、DSR、RTS、GND5 根线即可正常通信。如果去掉握手信号，最少使用 3 根线即可实现正常的串口通信。本设计采用 MAX232 芯片实现单片机和上位机之间电平的转换，而且该芯片本身对电流具有一定的泵升的作用，因此广泛应用于串行通信中。2 串行通信电路RS-232C接口电路包括 RS-232C接口电平转换部分和RS-

40、232C总线连接部分。RS-232C标准的逻辑电平与TTL 电平之间的转换用MAX232 芯片实现，单片机的 TXD、RXD 分别连到 MAX232 的 T2in、R1out 端。在 RS-232C 的总线连接上采用最简单的三线连接模式，即连接DB9 的 TXD、RXD 和 GND 三端。V+2C 1+1C 1-3C 2+4C 2-5V-6T2IN7R 2OUT8VCC16GND15T1OUT14R1IN13R 1OUT12T1IN11T2OUT10R2IN9S?MAX232C60.1C70.1C80.1C 50. 1VCC162738495J?DB9图 3.7 RS-232C接口电路精选学习

41、资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 41 页第20页四、电机与电气控制电路设计一 步进电机模块步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛

42、。图 4.1 三相反应式步进电机工作原理图1 步进电机的工作原理步进电机是机电一体化的关键部件之一，被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。1 、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。假设每旋转一圈以200 个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进 18 度，其旋转角度与脉冲数成正比， 正、反转可由脉冲顺序来控制。2 、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁，其中全步励磁精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 41 页第21页又有 1 相励磁及 2 相励磁之分，而半步励磁又

43、称1-2 相励磁。图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B 的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。分述如下：A、1 相励磁法：在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗电力小， 精确度良好，但转矩小，振动较大，每送一励磁信号可走1.8 度。假设欲以1 相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如下图。假设励磁信号反向传送，则步进电动机反转。B、2 相励磁法： 在每一瞬间会有二个线圈同时导通。因其转矩大， 振动小，故为目前用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走1.8 度。假设以 2 相励磁法控制步进电动机

44、正转，其励磁顺序如下图。假设励磁信号反向传送，则步进电动机反转。C、 1-2 相励磁法：为 1 相与2 相轮流交替导通。因分辨率提高，且运转平滑，每送精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 41 页第22页一励磁信号可走 0.9 度，故亦广泛被采用。假设以1 相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如下图。假设励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励磁顺序：AAB BBC CCD DDA A3 、步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间

45、。下面介绍的是国产20BY-0 型步进电机，它使用 +5V 直流电源，步距角为 18 度。电机线圈由四相组成，即A、B、C、D 四相，驱动方式为二相激磁方式，电机示意图和各线圈通电顺序如图4.2和表 4.1 所示：图 4.2 步进电机原理图表 4.1 线圈通电顺序精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 41 页第23页相顺序从 0 到 1 称为一步，电机轴将转过18 度，0 1 2 3 4 则称为通电一周，转轴将转过72 度，假设循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如4 3 2 1 将使电机同

46、速反转。 通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，假设信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤抖。2 步进电机的步距角与工作拍数对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Nr，它的齿距角z为：z=2/Nr，而步进电机运行k 拍可使转子转动一个齿距位置。实际上步进电机每一拍就执行一次步进，所以步进电机的步距角s可以表示如下：2/sNr k公式4.1或360 /sNr k公式4.2其中： k 是步进电机工作拍数， Nr 是转子的齿数。例如：对于三相反应式步进电机而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是在转动一个齿距时换相三次

47、；六拍则是换相六次。而在三拍方式中还有单三拍和双三拍之分。从公式 ()可知：为了使步进电机工作的步距角s减小，也即：使精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 41 页第24页控制精度增高，步进电机在相数一定的情况下应增加工作拍数。3 步进电机的频率特性对于反应式步进电机，在其绕组中通电的相序不同时，步进电机的旋转方向和步进精度有所不同。步进电机对绕组的通电频率有一定的要求。如果通电频率过高，超过步进电机的最大步进速度，就会产生失步。一般步进电机的通电频率，即起动频率为? 50 步秒到 2000 步秒。步进电机的频率特性曲线，是

48、步进电机的工作频率及其对应转动力矩所作出的曲线，典型的步进电机频率特性曲线如图2 所示。步进电机的频率特性曲线和很多因素有关，这些因素包括步进电机的转子直径、转子铁心有效长、.控制线路的电压、齿数、齿形、齿槽比、步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、转动一个齿距所需的拍数等。在使用中会影响到步进电机频率特性而又能由用户确定的因素有：控制拍数、控制线路的电压、线路时间常数等。下面分析这几种因素对步进电机频率特性的影响。(1)工作方式对频率特性的影响在步进电机应用中，它的工作方式是以一个齿距所用的拍数来表示的。拍数本质上也就是转动一个齿距所需的电源电压换相次数，值得指出的是换相是指对

49、步进电机各相绕组进行转换，而电源电压是单极性的固定的。一般而言反应式电机拍数越多矩频特性就越好。因此设计中应选择多拍的控制方式。(2)线路时间常数对频率特性的影响步进电机的每相绕组供电都是通过功率开关电路进行的。步进电机一相绕组的开关电路如图 3.2所示。其中 L 为步进电机绕组电感； RL 为绕组电阻； Rc 为晶精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 41 页第25页体管 T 的集电极电阻； D 是续流二极管，它为绕组放电提供回路；晶体管T 是大功率开关管。 Rc 也是个外接的功率电阻，它是一个消耗性负载，一一般为数欧姆。

50、这时线路的时间常数Tj为：/LCTjLRR公式() 其中： L 单位为亨， Rc、RL 单位为欧姆，Tj单位为秒。图 4.3 步进电机一线绕组的开关回路开关回路时间常数Tj对注入电机绕组的电流到达稳定值的时间有极大关系，它影响到步进电机的工作频率。并且有：Tj越小，电流达稳定时间小，相应电机工作频率高；反之，Tj越大，电流达稳定时间长，电机工作频率低。从式()可知：要减少Tj，可以采用增大 Rc 的方法。但是，增大 Rc 时，又会使稳态电流值减小， 从而影响电机的力矩。 为了减少Tj，而不使稳态电流减小，可采用在增大 Rc 的同时，也提高供电电压的方法。在高频应用中，要尽量减小以改善步进的特性