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1、西北大学连续教育学院毕业论文西北大学连续教育学院成人高等教育毕业论文：题 目压伺服系统设计指导教师： 学生姓名：学号：专业：机电一体化技术年级：学历层次： 学历形式：完成时间：二 0 一三 年 四 月 十五 日西北大学连续教育学院毕业论文摘 要本设计是完成一两坐标步进电机驱动运开工作台掌握系统的设计，完成沟通电机启停的电气掌握系统设计。其硬件局部共包括键盘操作、单片机掌握、输入电路、掌握电路、显示电路等五个主要组成局部。设计的总体思路是准确安全的对工作台和电机进展掌握。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
2、掌握回路发送掌握信号，进而掌握工作台的动作，实现对硬件设备的掌握。关键词：键盘操作，单片机掌握，数码管显示西北大学连续教育学院毕业论文目 录前 言1第 1 章 总体方案设计21.1 总体分析21.2 方案框图2第 2 章 单元模块设计22.1 键盘与显示模块22.1.1 模块工作原理22.1.2 芯片 CH452 介绍32.1.3 芯片 CH452 特点42.1.4 显示驱动原理52.1.5 键盘扫描原理62.2 单片机掌握单元72.2.1 掌握原理72.2.2 光电耦合电路82.2.3 芯片介绍92.3 串行通信模块122.3.1 RS232 通信协议122.3.2 串行通信电路13第 3
3、章 电机与电气掌握电路设计143.1 步进电机模块143.1.1 步进电机的工作原理143.1.2 步进电机的频率特性163.2 沟通电机正反转掌握原理173.3 沟通电机的星三角形启动193.4 电气元件介绍20总 结21致 谢22参考文献23西北大学连续教育学院毕业论文西北大学连续教育学院毕业论文前 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；是正在进展和渐渐完善的一门兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技术构造、产品构造、功能与构成、生产方式及治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”为特征的进展阶段。本设计中提到的微机数
4、控机床是利用单板或单片微机对机床运动轨迹进展数控及 对机床关心功能动作进展程序掌握的一种自动化机械加工设备。承受微机数控机床进 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、性能牢靠和使用敏捷等特点微机数控 机床的一次性投资比全功能数控机床节约得多，且又便于一般工人把握操作和修理。 因此将专用机床设计成微机数控机床已成为机床设计的进展方向之一。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掌握驱动元件具有快速 起动和停顿的特点。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
5、整。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、速度掌握和位置掌握系统。本设计完成了如下要求1 单片机掌握系统电路原理图的设计2 掌握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 设计沟通电机的点动、正反转掌握和星-三角形启动的电气掌握原理图6 电气掌握电路有相应的保护电路 过载、过压、欠压等7 生疏机电系统常用元器件 PLC、沟通电机、直流电机、步进电机此次 “机电一体化课程设计”主要简洁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。经过小组争论：拟设计两坐标步进
6、电机驱动运开工作台掌握系统和沟通电机启停的电器掌握系统、单元模块包括单片机掌握电路键盘接口电路、键盘电路、显示电路、输入电路、掌握电路、PC 接口电路等。1西北大学连续教育学院毕业论文第 1 章 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开工作台掌握系统的设计。设计承受单片机对系统进展掌握，单片机的包括键盘与显示的掌握、与 PC 机的串口通讯、以及电机输入输入输出信号的掌握。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掌握的核心：一方面对机床的运动方向和位移量进展掌握，另外还将与键盘对应的位移信息显示在 LED 上，并
7、实现与 PC 机的通信。第 2 章 单元模块设计2.1 键盘与显示模块随着电子及计算机技术的飞速进展，涌现出了很多的智能型芯片，、和等公司都推出了一系列满足不同行业多种需求的单片机芯片，的价格也从年月初的成百元降至如今最廉价的芯片只有数元，而一些功能单一的外围接口芯片，越来越多地被功能强大、敏捷便利的智能型芯片所代替。我们使用公司生产的 设计出了键盘显示模块，功能上比传统的键盘显示接口芯片 强，而本钱仅有后者的。简介,属于 家族，它同大家生疏的单片机相比，口削减到个，其它配置和性能不减，指令完全兼容，片内具有字节的存贮器，电擦写编程次数可到达次，数据可保存年。其中的、口其次功能可以作串行口使用
8、，口可直接驱动显示器，其中、可以当作比较器的输入端。 模块原理模块原理图见图。键盘显示模块可外接键，位显示器可以扩展至位，它通过串行口同主控设备进展数据通信。下面分别加以介绍。2西北大学连续教育学院毕业论文2.1.1 模块工作原理本单元模块电路的功能是通过对片机编程,使当前按键信息在 8 个 LED 上显示出来，由芯片 CH452 来对数码管进展驱动，并对键盘进展扫描。图 3.1 所示为一来个八位 LED 动态显示电路。在同一时刻，假设各位位选线都处于选通状态的话，8 位 LED 将显示一样的字符。假设要各位 LED 能够同时显示出与本位相应的显示字符，就必需承受动态显示方式；即在某一时刻；只
9、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消灭的，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。键盘的扫描原理与
10、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推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掌握芯片。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、闪耀、移位、段位寻址、光柱译码等功能,同时还可以进展 64 键的键盘扫描，CH452 通过可以级联的 4 线串行接口或者 23西北大学连续教育学院毕业论文线串行接口与单片机等交换数据,并且可以对单片机供给上电复位信号。图 3.2CH452 工作原理2.1.3 芯片 CH452 特点1、显
11、示驱动内置电流驱动级段电流不小于 15mA,字电流不小于 80mA。动态显示扫描掌握直接驱动 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,用于显示一个特别字符。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耀掌握可选快慢两种闪耀速度。任意段位寻址，独立掌握各个 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。扫描极限掌握，支持 1 到 8 个数码管，只为有效数码管安排扫描时间。可以选择字驱动输出极性，便于外
12、部扩展驱动电压和电流。2、键盘掌握内置 64 键键盘掌握器，基于 88 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。供给按键释放标志位，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 可以被局部按键唤醒。3、外部接口同一芯片，可选高速的 4 线串行接口或者经济 2 线串行接口。4西北大学连续教育学院毕业论文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
13、 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，可以为单片机供给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，不需要外部供给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。经过授权承受了 1 项专利技术，低本钱，简便易用。2.1.4 显示驱动原理CH452 对数码管和发光管承受动态扫描驱动，挨次为 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
14、 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 SEG6 SEG0，分别对应数码管的 G 段、A 段驱动引脚 SEG7，对应数码管的小数点，字驱动引脚 DIG7、DIG0 分别连段 8 个数。CH452 支持扫描极限掌握，并且只为有效数码管安排扫描时间。当扫描极限设定为1 时，唯一的数码管 DIG0 将得到全部的动态驱动时间，从而等同于静态驱动；当扫描极限设定为 8 时，8 个数码管 DIG7。DIG0 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 DIG3 DIG0 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
15、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 位的数据存放器用于保存 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 支持数据存放器中的字数据左移、右移、左循环、右循环，并且支持各数码管的独立闪耀掌握，在字数据左右移动或者左右循环移动的过程中，闪耀掌握的属性不会随数据移动。CH452 支持任意段位寻址 可以用于独立掌握 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：段位编址挨次与键盘编址全都，编址从 00H 到 3FH。当用“段位寻址置1”命令将某个地址
16、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西北大学连续教育学院毕业论文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 默认状况下工作于不译码方式，此时 8 个数据存放器中字数据的位 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
17、0 时则对应的数据管的段或者发光管就会熄灭。例如，第三个数据存放器的位 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存放器中字数据的位 4 位 0 进展，BCD 译码掌握段驱动引脚 SEG6、SEG0 的输出，对应于数码管的段 G 段 A；同时用字数据的位 7 掌握段驱动引脚 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。下表为数据存放器中字数据的位
18、 4、位 0 进展 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，假设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 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，对应于自定义的特别字符，由“自定义 BCD 码”
19、命令定义。2.1.5 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，DIG7 DIG0 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， DIG7、DIG0 引脚依据 DIG0 至 DIG7 的挨次依次输出高电平，其余 7 个引脚输出低电平，SEG7 SEG0 引脚的输出被制止。当没有键被按下时，SEG7SEG0 都被下拉为低电平；当有键被按
20、下时，例如连接 DIG3 与 SEG4 的键被按下；则当 DIG3 输出高电寻常 SEG4 检测到高电平，为了防止由于按键抖动或者外界干扰而产生误码，CH452 实行两次扫描 只6西北大学连续教育学院毕业论文有当两次键盘扫描的结果一样时，按键才会被确认有效。假设 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 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，在没有检测到的有效按键之前；CH452 不再产生任何键盘中断。
21、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，假设多个键同时按下，那么按键代码较小的按键优先。CH452 所供给的按键代码为 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，但是确定小于 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
22、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，假设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 DIG7、DIG0 与 SEG7、SEG0 之间 88 矩阵的挨次编址，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 所供给的实际按键代码是表中的按键编址加上 40H，也就是说，此时的按键代码应当在 40H 到 7FH 之间。2.2 单片机掌握单元单片机是微掌握器，他是需要独立工作的 51 单片机的工作电压是 5VT
23、TL 电平或 CMOS 电平工作电流不能太大，要求高的还需要稳压单片机,具有体积小、功耗低、掌握功能强、扩展敏捷、微型化和使用便利等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。承受单片机掌握使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起承受电子或数字电路更加强大。2.2.1 掌握原理本次设计是以单片机为核心进展设计的，在整个单片机掌握系统中，CPU 既是运算处理中心，又是掌握中心，是掌握系统最关键的器件。本系统中选用与 MCS-51 系列完7西北大学连续教育学院毕业论文全兼容的 A
24、T89C52 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， 提高系统牢靠性，降低系统本钱。89C52 的 P2 口输出的矩形脉冲信号直接掌握步进电机的正反转，两台电机需 4 个掌握信号，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 掌握，分别用于提示操作人员工作台是在哪个坐标上朝哪个方向运动2.2.2 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8西北大学连续教育学院
25、毕业论文功率、高电平会对单片机产生较严峻的干扰，不能直接把单片机产生的掌握信号直接连在步进电机上;需要进展强弱电隔离。在实际运用中，对于强弱电隔离一般承受电子开关方法或光电隔离的方法，在这里我们承受光电隔离的方法，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 根本外围电路图所示。它片内含有 8k bytes 的可反复檫写的只读程序存储器，PEROM 和 256by
26、tes 的随机存储数据存储 RAM 器件承受 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 位中心处理器 CPU 和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C52 单片机适合于很多较为简单掌握应用场合。AT89C52 供给以下标准功能 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 向量两级中断构造，一个全双工川行通信口片内振荡器准时钟电路。同时，AT89C52 可降至 0Hz 的静态规律操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停顿 CPU
27、 的工作，但允许 RAM 定时/计数器，串行通信口及中断系统连续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停顿工作并制止其它全部部件工作直到下一个硬件复位。9西北大学连续教育学院毕业论文AT89C52 的内部规律框图如图 3.6 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。(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供给了时钟掌握信号。两个引脚也可以外接独立的晶体振荡器。XTAL1、19 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
28、了片内振荡器。XTAL1、8 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。假设承受外部时钟振荡器时看该引脚接收时钟振荡器的信号。10西北大学连续教育学院毕业论文(3) 掌握引脚此类引脚供给掌握信号，有的引脚还有复用功能。 RST/VPD(9 引脚)RST 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寻常，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 为本引脚的其次功能，即备用电源输入端。ALE/PROG、30 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，AL
29、E 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掌握信号。PROG 为本引脚的其次功能，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。PSEN 29 引脚 程序存储器允许输出掌握端，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/VPP 31 引脚 EA 功能为内外程序存储器选择掌握端，为低电平有效。EA 为高电寻常，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 为本引脚的其次功能。在对 Flash 闪速存储器编
30、程时，该引脚加上+12V 或是+5V 的编程允许电源。11西北大学连续教育学院毕业论文(4) I/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 口还有其次功能，如表 3.2 所示2.3 串行通信模块串行通信有很多种，目前较常用的有 RS
31、232、RS422 和 RS485，依据本设计的实际状况，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。2.3.1 RS232 通信协议1 RS-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展了明确的规定，适合于数据传输速率在 0-20kb/s 范围内的通信。RS-232C 的推举最大电缆长度为15m 实际通信中可以以降低通信速率为代价适当延12西北大学连续
32、教育学院毕业论文长通信距离。假设要实现长距离的传输数百米，需要使用特地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，消灭了 9 芯 D 型连接器 DB9、DB9 引脚的分布和信号。RS-232C 标准的电气特性参数有带 3-7K 时驱动器的输出电平、输出开路时承受器的输出规律、输入经 300 接地时接收器的输出规律和驱动器转换速率等。不同于传统的 TTL 等数字电路的规律电平，RS-232C 的规律电平以公共地为对称，其规律“0” 电平规定
33、在+3V-+25V 之间，规律“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 等数字电路的规律电平不兼容，因此二者之间的连接必需使用电平转换。一般使用中，只需要连接好 TXD、RXD、DSR、RTS、GND5 根线即可正常通信。假设去掉握手信号，最少使用 3 根线即可实现正常的串口通信。本设计承受 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肯定的泵升的作用，因此广泛应用于串行通信中。2.3.2 串行通信电路RS-232C 接口电路包括 RS-232C 接口电平转换局部和 RS-232C 总线连接局部。RS-232C 标准
34、的规律电平与 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 的总线连接上承受最简洁的三线连接模式，即连接 DB9 的 TXD、RXD 和 GND 三端。13西北大学连续教育学院毕业论文第 3 章电机与电气掌握电路设计3.1 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，它的运行需要特地的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号掌握。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。脉冲的数量打算了旋转的总角度，脉冲的频率打算了电动机旋转的速度，转变
35、绕组的通电挨次可以转变电机旋转的方向。在数字掌握系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。它在工业过程掌握中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要准确定位的场合应用更为广泛。图 4.1 三相反响式步进电机工作原理图3.1.1 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，被广泛应用于需要准确定位、同步、行程掌握等场合。一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其掌握方式均一样，必需以 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、反转可由脉冲挨次来掌握。二、步进电动机的励磁 方式可分为全部励磁及半步
36、励磁，其中全步励磁又有 1 相励磁及 2 相励磁之分，而半步励磁又称 1-2 相励磁。图为步进电动机的掌握等效电路，适应掌握A、B、/A、/B 的励磁信号，即可掌握步进电动机的转动。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14西北大学连续教育学院毕业论文A、1 相励磁法在每一瞬间只有一个线圈导通，消耗电力小，准确度良好 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 相励磁法掌握步进电动机正转，其励磁挨次如下图。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
37、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 相励磁法掌握步进电动机正转，其励磁挨次如下图。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 相轮番交替导通。因区分率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走 0.9 度，故亦广泛被承受。假设以 1 相励磁法掌握步进电动机正转， 其励磁挨次如下图。假设励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励磁挨次AABBBCCCDDDAA3、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，程序必需延时一段时间。下面介绍的是国产 20BY-0 型
38、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，如以下图所示：15西北大学连续教育学院毕业论文步进机挨次从 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，假设循环进展这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进展相反的通电挨次如 4-3-2-1，将使电机同速反转。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行能太快，由于它每走一步需要肯定的时间假设信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步抖动。对于一个步进电机，假设它的转子的齿数为
39、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。例如:对于三相反响式步进电机而言，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，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，也即使掌握精度增高步进电机在相数肯定的状况下应增加工作拍数。3.1.2 步进电机的频率特性对于反响式步进电机，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肯定的要求。假设通电频率过高，超过步进电机的最大步进
40、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 2023 步秒。步进电机的频率特性曲线是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、掌握线路的电压、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，掌握拍数、掌握线路的电压、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
41、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步进电机各相绕组进展转换，而电源电压是单极性的固定的。一般而言反响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掌握方式。(2) 线路时间常数对频率特性的影响16西北大学连续教育学院毕业论文步进电机的每相绕组供电都是通过功率开关电路进展的，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 为晶体管 T 的集电极电阻,D 是续流二极管,它为绕组放电供给回路,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
42、,一一般为数欧姆。这时线路的时间常数 Tj ， 其中 L 单位为亨 Rc、RL 单位为欧姆 Tj 单位为秒。3.2 沟通电机正反转掌握原理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17西北大学连续教育学院毕业论文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。从公式可知，要削减 Tj，可以承受增大 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。为了削减 Tj ，而不使稳态电流减小，可承受在增大Rc 的同时，也提高供电电
43、压的方法。(1) 在高频应用中，要尽量减小，以改善步进的特性，所以常在开关回路中承受较大的 Rc，同时也提高回路的电源电压 U，但这样也会使效率降低在低频段工作时也会使步进电机的振荡加剧。在实际中，可依据客观状况来考察选择恰当的外部电阻 Rc， 使步进电机处于适宜的工作频率状态。(2) 开关回路电压对频率的影响在一般应用中，开关电路的脉宽和流人绕组的电流的最大值，必定会随开关电路 换相频率的提高而相应减小，开关电路产生的掌握电压是以矩形波方式加在绕组上的。随着换相频率的提高，矩形脉冲电压波频率相应提高这样，矩形脉冲电压的宽度和周 期也就会变小，当矩形脉冲电压窄到肯定程度，流入电机绕组的电流就无
44、法到达稳定 值 I ，步进电机就难以步进工作了。为了保证在矩形脉冲电压相当窄时，也即频率足够高时，步进电机仍能正常步进工作，可以提高开关回路的电压。开关回路加到绕组的是矩形脉冲电压，故电流也是脉冲。在步进电机中要设法增大起动电流，以提高步进电机转动力矩，即提高其工作频率。由于步进电机是感性负载，所以进入绕组的电流脉冲是以指数形式上升，即这时电流脉冲 i 为1/(1 )TjHi= I .e公式(4.4)其中 i 是电流脉冲瞬时值HI 是在开关回路电压为 u 时的电流稳态值，Tj 是开关回路的时间常数综上所述， 本设计选用三相步进反响式电机。运行中，依据工作频率对电源电压升压补偿的掌握方法。 4.
45、2 沟通电机正反转掌握原理在生产实践过程中,常要求用一台电动机的正反转掌握方向相反的两个运动，如小车的左行、右行，机械手的上升、下降等。18西北大学连续教育学院毕业论文要实现三相鼠笼型异步电动机的正反转掌握，只要把三相线当中的任意两相调换一下位置就可以了。如图 4.4 所示，假设接触器 KM1 闭合时电动机正转，则当接触器KM1 断开，接触器KM2 闭合时，电动机就会反转。从图中我们可以看出，要转变三相沟通电机的旋转方向，只需要任意交换其中两相就可以到达目的。图中各元器件的作用如表所示表 4.2 元器件作用列表3.3 沟通电机的星三角形启动对于正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼型异步电动机在启
46、动时为了保护电 动机，一般承受 Y/降压启动方法来到达限制启动电流的目的。Y/降压启动的原理19西北大学连续教育学院毕业论文如图 1 所示在启动过程中将电动机定子绕组接成星形即接触器 KMY 闭合，此时电动机每相绕组承受的电压为额定电压的 3/1 启动电流为三角形接法时启动电流的 1/3。接触器 KMY 闭合的同时定时器开头定时，定时时间到接触器 KMY 断开，接触器 KM闭合。电动机绕组为三角形接法，进入正常运行阶段。掌握电路要有自锁、互锁、定时等常用电路，要求合上启动，正转或反转，按钮后，电机先作星型连接启动经延时 6 秒后自动换接到三角形连接运转。按下停顿，电机停转。按下反转按钮后，进展反转的 Y/启动。要求正反转互锁、Y/互锁。3.4 电气元件介绍(1) 继电器继电器是依据某种输入信号来接通或断开小电流掌握电路实现远距离掌握和保护的自动掌握电器。其输入量可以是电流、电压等电量，也可以的温度、时间、速度、压力等非电量，而输出