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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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 期名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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、 2 光电耦合电路 . 16 3 芯片介绍 . 17 三 串行通信模块 . 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第 0 页名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
3、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附录 :电气控制原理图2. 40第 1 页名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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，
4、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。第 0 页名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
5、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
6、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第 0 页名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
7、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。第 1 页名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
8、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 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 继电器控制4*8 键盘光电隔离功率接口步进电机 X HD7279A 8LED 显示单片机光电隔离功率接口步进电机 Y 工作台串行通信至 上 位行程开关即图 2.1 总体方案设计图第 2 页名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 41 页精选学习资料 - - - - -
9、- - - - 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
10、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。第 3 页名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - VCCC2220C10.123
11、VCCSEG015R662516ADDRSEG117SEG218SEG319SEG414H3L220SEG5921GNDSEG61022GNDSEG720012RSTCH452DIG018 1N400124INT2DIG13DIG2274DIG35SCLDIG46DIG5267SDADIG68DIG78 2KK8K0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
12、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 线串行接口或者 机提供上电复位信号。2 线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片第 4 页名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 。B
13、CD 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 。第 5 页名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 内置按
14、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，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 芯片 。0 到2MHz，兼容CH451 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 I
15、2C 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： 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。第 6 页名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 显示驱动原理CH452 对数码管和发光管采用动态扫描驱动，中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。顺序为 DIG0 至
16、DIG7，当其 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； 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
17、 静态驱动；当扫描极限设定为 态驱动时间；当扫描极限设定为DIG0 将得到所有的动态驱动时间，从而等同于 8 时，8 个数码管 DIG7DIG0 各得到 1/8 的动 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
18、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， 可以用于独立控制第 7 页64 个发光管 LED 中的任意名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
19、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 光管就会熄灭。例如，第三个数据寄存器的位0 时，则对应的数据管的段或者发 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
20、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
21、或者 80H；第 8 页名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 1AH 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 0xx11110B 或者 1EH 对应于自定义的特殊字符，由“ 自定义 5 键盘扫描原理BCD 码” 命令定义。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
22、，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 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
23、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，那么按键第 9 页名师归纳总结 - - - -
24、- - -第 14 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 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
25、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 8 8 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，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 按键编址第 10 页名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 41 页精选学习
26、资料 - - - - - - - - - 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
27、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。Y130P1P10AT8 9C5 1P00391VCCR21P01U1R31INPUT23P1138P12P01437P13P025361 2 3 4 5 6 7 8P14P036P15P0435734P16P05833P17P063210RXDP0711P2021TXD12222KINT0P2121323INT1P2231424R22P02U2200T0P2341525T1P245264P256R32XTAL2272KP26728P278C35XTAL
28、130R23P03U3200ALEDriv er12M30P29R33PSEN2KC431RD17R24P04U4200EA16WR9RST2KR34VCCK652VCCREST7R25P05U52003.3KR352K200R104PFIWDI6R26P06U6R362KR918M RWDO1K3GNDPFO5R27P07U72002KR37200第 11 页名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - VCCOUTPUT 1 2 3 4 5 6 7 8U1AR41121KP12P1317407 U2A2R421KP141
29、7407 U3A2R431K17407 U4A2R441KP1517407 U5A2R451KP16P1717407 U6A2R461K7407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 (如光敏三极管 )集成在一起，通过光线实现耦合构成电第 12 页(如发光二极管 )和
30、光敏器件-光和光 -电的转换器件。名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 41 页精选学习资料 - - - - - - - - - +5VR1R274AHC1 G1417 40 4224HONGWAIA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 公司的高密度、 非易失性技术生产， 与标准 MCS-51 指令系统
31、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，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。第 13 页名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 41