2022年电机驱动运动中单片机控制系统设计方案 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 机电一体化综合课程设计 The Format Criterionof SDJU 作 者 姓 名：专业 ：学 号 ：指 导 教 师：完 成 日 期：上海电机学院继续教育学院 摘 要本设计是完成一两坐标步进电机驱动运动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I / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

2、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，实现对硬件设备的控制。关键词： 键盘操作，单片机控制，数码管显示。II / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 注：论文英文题目。阅后删除此文本框。The Format Criterionof SDJU Abstract The design is completed on January 2 coordinates stepper motor dri

3、ven campaign platforms control system design。 complete AC motor COMMITMENT electrical control system design. Part of its hardware, including keyboard, microcontroller control, input circuits and control circuits, display circuit, the five main components. The overall design is an accurate idea of th

4、e table and the safety of motor control. Position signal and key information transmitted to the transmission line through the MCU and keyboard interface chip, a data processing, key information will be transmitted to the serial microprocessor, microcontroller through relevant procedures, sent to the

5、 control loop control signal and then control table action to achieve the control of the hardware equipment. Key Words：Keyboardoperation,SCM control,Digital Display。III / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录AbstractIII 引言 11 总体方案设计 2 1.1 总体分析 2 1.2 方案框图 2 2 单元模块设计 3 2.1 键盘

6、与显示模块 3 2.1.1 模块工作原理 3 2.1.2 芯片 CH452 介绍 4 2.1.2.1 特点 4 2.1.2.2 显示驱动原理 5 2.1.2.2 键盘扫描原理 62.2 单片机控制单元模块电路 8 2.2.1 控制原理 8 2.2.2 光电耦合电路 10 2.2.3 芯片介绍 10 2.3 串行通信模块 14 2.3.1 RS232通信协议 14 2.3.2 串行通信电路 15 3 电机与电气控制电路设计 16 3.1 步进电机模块 16 3.1.1 步进电机的工作原理 16 3.1.2 步进电机的步距角与工作拍数 18 3.1.3 步进电机的频率特性 19 3.2 交流电机正

7、反转控制原理 21 3.3 交流电机的星 三角形启动 22 3.4 电气元件介绍 22 结论 24 参考文献 25附录 A 单片机控制系统电路原理图设计 26 附录 By:电气控制原理图 127 致谢 28IV / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 引 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

8、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，由于微型计算机具有价格低、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

9、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 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

10、，其实离实际真正工 业用数控机床还有很大的距离。经过小组讨论，拟设计两坐标步进电机驱动运动工作 台控制系统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。1 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 总体方案设计1.1 总体分析本次设计实现的是一两座标步进电机驱动运动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

11、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。1.2 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4*8 键盘HD7279A 8LED 显示串行通信LED 上，并实现与 PC机的通信以及对报警的处理。三相交流 继电器控制光电隔离功率接口步进电机 X 单片机光电隔离功率接口步进电机 Y 工作台至 上 位行程开关即图 1.1 总体方案设计图2 单元模块设计2.1 键盘与显示模块2.1.1 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 L

12、ED 上显示出来，由芯片 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。若要各位 LED 能够同时显示出与本位2 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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，

13、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 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，达到同时显示的效果。VCCC2220C10.123VCCCH4 52SEG015R668 1N40012516200ADDRSEG117SEG21814SEG3H3L219SEG420SEG592

14、1GNDSEG61022GNDSEG712RSTDIG01224INTDIG13DIG2427SCLDIG35DIG46DIG5267SDADIG68DIG78 2K K8K0图 2.1 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。2.1.2 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

15、盘扫描； CH452 通过可以级联的 4 线串行接口或者 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。3 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2.2 CH452 工作原理图2.1.2.1 特点1、显示驱动内置电流驱动级，段电流不小于15mA，字电流不小于80mA。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

16、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 8 8 矩阵键盘扫描。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 3、外部接口CH452

17、 可以被部分按键唤醒。同一芯片，可选高速的4 线串行接口或者经济的2 线串行接口。CH451 芯4 线串行接口：支持多个芯片级联，时钟速度从0 到 2MHz，兼容片。4 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 址）。2 线串行接口：时钟速度从CH452 芯片并联 由 ADDR 引脚电平设定各自地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

18、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： SOP28、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。2.1.2.2 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 0.5 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

19、数点，字驱动引脚 DIG7DIG0 分别连接8 个数码管的阴极； CH452 也可以连接 8 8 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

20、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将比扫描极限为 亮度。8 时增加一倍，所以降低扫描极限可以提高数码管的显示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 中的任意一个或者数码管中的特定段 例如小数点），段

21、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。5 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

22、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

23、，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 0xx00000B 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；类似地，数据 1xx01000B 或者 88H 对应于字符 8.8 带小数点）；数据 0xx10011B 或者 13H 对应于字符 =；数据 0xx11010B 或者 1

24、AH 对应于字符 .小数点）；数据 0xx10000B 或者10H 对应于字符 空格，数码管没有显示）；数据 的特殊字符，由“ 自定义 BCD 码” 命令定义。2.1.2.2 键盘扫描原理0xx11110B 或者 1EH 对应于自定义CH452 的键盘扫描功能支持8 8 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，DIG7DIG

25、0 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

26、 时输出低电平脉冲中断，参考 5.5 节和 5.6 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6 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

27、按下，则按键代码是 1100011B 或者 63H，键被释放后，按键代码通常是 0100011B 或者23H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。+5VR1R274AHC1 G141740 4224HONGWAIA图 3.3 光电耦合电路2.2.3 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COMS8 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

28、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 电源引脚：Vcc(40 引脚 ：接 +5V 电源。Vss(20引脚：接地。(2时钟引脚：3.6 所示，其管脚功能如下：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。XTAL1控制引脚：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 ：RST

29、RESET）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，此引脚应为备用电源输入端。0.5V 低电平。 VPD 为本引脚的第二功能，即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 作为编程脉冲输入端。EPROM 型单片机编程写入，此引脚11 / 30 名师归纳总

30、结 - - - - - - -第 15 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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/VPPI/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

31、口：8 位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动 外， P3 口还有第二功能，如表 3.2 所示：表 3.2 P3口的第二功能2.3 串行通信模块4 个 LS 型 TTL 负载。除此之串行通信有很多种，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。2.3.1RS232 通信协议1）RS-232C标准介绍12 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 串行通信

32、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 M），需要使用专门的长线驱动器来延长 RS-232C 的通信距离。2）RS232C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

33、，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。DCD DSR RXD RTS TXD CTS DTR RI GND1 6 2 7 3 8 4 9 5DB9 图 3.6 DB9 连接器引脚定义表 3.3 DB9 连接器信号说明引脚号符号缩写方向说明1 DCD 输入数据载波检出输入接受数据2 RXD 输出发送数据3 TXD 4 DTR 输出数据终端准备好5 GND 输入信号地6 DSR 数据准备就绪7 RTS 输出请求发送8 CTS 输入允许发送输入振铃提示9 RI 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

34、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，因此需要使用正负极性的双电源供电。由于其与 TTL 等数字电路的逻辑电平不兼容，因此二者之间的连13 / 30 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 接必须使用电平转换。一般使用中，只需要连接好 根线即可正常通信。如果去掉握手信号，最少使用TXD 、RXD 、 DSR、 RTS、GND5 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