1、機電一體化專業畢業論文題目機電一體化綜合課程設計專業機電一體化指導教師作者完成日期目錄一、前言 4二、總體方案設計 6（一）總體分析 6（二）方案框圖 6三、單元模塊設計 7（一）鍵盤與顯示模塊 71 模塊工作原理 72 芯片 CH452 介紹 83 特點 94 顯示驅動原理 115 鍵盤掃描原理 13（二）單片機控制單元模塊電路 151 控制原理 152 光電耦合電路 163 芯片介紹 17（三）串行通信模塊 211 RS232 通信協議 212 串行通信電路 23四、電機與電氣控制電路設計 24（一） 步進電機模塊 241 步進電機的工作原理 242 步進電機的步距角與工作拍數 273 步

2、進電機的頻率特性 28（二） 交流電機正反轉控制原理 30（三）交流電機的星三角形啟動 32（四）電氣元件介紹 32五、設計總結、致謝 35六、參考文獻 37附錄I：單片機控制系統電路原理圖設計 38附錄H :電氣控制原理圖139附錄皿:電氣控制原理圖240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 統的設計； 完成交流電機啟停的電氣控制系統設計。 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， 數據經過處理

3、， 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，向控制回路發送控制信號，進而控制工作臺的動作，實現對 硬件設備的控制。關鍵詞 ：鍵盤操作，單片機控制，數碼管顯示。一、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 機械工業的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨 大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發展 階段。本設計中提到的微機數控機床是利用單板或單片微機對機床運動軌跡進行 數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

4、 機數控機床進行機械加工的最大優點是能夠有效地提高中、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，微機數控機床的一次性投資比全功能數控機床節省得多， 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控機床已成 為機床設計的發展方向之一。本設計中用到的步進電機是一種將數字信號直接 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，并能實現正反轉和平 滑速度調節。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 泛應用于數模轉換、速度控制和位置控制系

5、統。本設計完成了如下要求：（1）單片機控制系統電路原理圖的設計（2）控制系統電路印制版的繪制（3）利用單片機編程實現兩坐標系統的手動、自動和回位等運動（4）實現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”主要簡單設計出數控機床系統，其實離實際 真正工業用數控機床還有很大的距離。經過討論，擬設計兩坐標步進電機驅動 運動工作臺控制系統和交流電機啟停的電器控制系統，單元模塊包括：

6、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。二、總體方案設計（一）總體分析本次設計實現的是一兩座標步進電機驅動運動工作臺控制系統的設計。設計采用單片機對系統進行控制，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測， 在機床邊緣運用一個接近開關即可實現此目的。（二）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，并實現與PC機的通信以及對報 警

7、的處理。三相交流圖2.1總體方案設計圖 三、單元模塊設計（一） 鍵盤與顯示模塊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 動態顯示電路。在同一時刻，如果各位位選 線都處于選通狀態的話， 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，而其他各位的位選線則處于關閉狀態，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、 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，在段碼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。C2圖3.1顯示單元模塊電路圖鍵盤的掃描原理與數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

9、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。2芯片CH452介紹CH452是數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片。CH452內置時鐘振蕩電路， 可以動態驅動8位數碼管或者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 級聯的4線串行接口或者2線串行接口與單片機等交換數據；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特點(1 )顯示驅動動態顯示掃描控制，直接驅動8位數碼管、64位發光管LED或者64級 光柱。可選數碼管的段與數據位相對應的不譯碼方式或者 BCD譯碼方式。BCD譯碼支持一個自

10、定義的BCD碼，用于顯示一個特殊字符。數碼管的字數據左移、右移、左循環、右循環。各數碼管的數字獨立閃爍控制，可選快慢兩種閃爍速度。任意段位尋址，獨立控制各個LED或者各數碼管的各個段的亮與滅。64級光柱譯碼，通過64個LED組成的光柱顯示光柱值。掃描極限控制，支持1到8個數碼管，只為有效數碼管分配掃描時間。 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)鍵盤控制內置64鍵鍵盤控制器，基于8X 8矩陣鍵盤掃描。內置按鍵狀態輸入的下拉電阻，內置去抖動電路 。 鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出 。 提供按鍵釋放標志位，可供查詢按鍵按下與釋放 。 支持按鍵喚醒，處于低功耗

11、節電狀態中的 CH452 可以被部分按鍵喚醒 。3）外部接口同一芯片，可選高速的 4 線串行接口或者經濟的 2 線串行接口 。4線串行接口 ：支持多個芯片級聯，時鐘速度從 0到2MHz，兼容CH451 芯片 。4線串行接口： DIN和DCLK信號線可以與其它接口電路共用， 節約引 腳。2 線串行接口：支持兩個 CH452 芯片并聯（由 ADDR 引腳電平設定各 自地址） 。2線串行接口：時鐘速度從500Hz到200KHz，兼容兩線I2C總線，節約 引腳。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 內置時鐘振蕩電路，不需要外部提供時鐘或者外接振蕩元器件，更抗干 擾。

12、 支持低功耗睡眠，節約電能，可以被按鍵喚醒或者被命令操作喚醒 。可選兩種封裝：S0P28 DIP24S，引腳與CH451芯片兼容。經過授權采用了 1 項專利技術，低成本，簡便易用4 顯示驅動原理CH452對數碼管和發光管采用動態掃描驅動，順序為DIGO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英寸的共陰數碼管，段驅動引腳 SEG6SEG0分別 對應數碼管的段G段A，段驅動引腳SEG7對應數碼管的小數點，字驅動引 腳DIG7DIG0分別連接8個數碼管的陰極；CH452也可以連接8X 8矩陣的 發光二級管 LED 陣

13、列或者 64 個獨立發光管或者 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碼管（不譯碼方式） ，或者通過外接反相驅動 器支持共陽數碼管，或者外接大功率管支持大尺寸的數碼管。CH452 支持掃描極限控制，并且只為有效數碼管分配掃描時間。當掃描極 限設定為 1 時，唯一的數碼管 DIG0 將得到所有的動態驅動時間，從而等同于 靜態驅動；當掃描極限設定為 8 時， 8 個數碼管 DIG7DIG0 各得到 1/8 的動 態驅動時間；當掃描極限設定為 4 時， 4 個數碼管 DIG3DIG0 各得到 1/4 的 動態驅動時間，此時各數碼管的平均驅動電流將比掃描極限為 8 時增

14、加一倍， 所以降低掃描極限可以提高數碼管的顯示亮度。CH452 內部具有 8 個 8 位的數據寄存器， 用于保存 8 個字數據， 分別對應 于 CH452 所驅動的 8 個數碼管或者 8 組每組 8 個的發光二極管。 CH452 支持 數據寄存器中的字數據左移、右移、左循環、右循環，并且支持各數碼管的獨 立閃爍控制，在字數據左右移動或者左右循環移動的過程中，閃爍控制的屬性 不會隨數據移動。CH452 支持任意段位尋址， 可以用于獨立控制 64 個發光管 LED 中的任意 一個或者數碼管中的特定段（例如小數點） ，段位編址順序與鍵盤編址一致，編 址從OOH到3FH。當用“段位尋址置1”命令將某個

15、地址的段位置1后，該地 址對應的發光管 LED 或者數碼管的段會點亮，該操作不影響任何其它 LED 或 者數碼管其它段的狀態。CH452支持64級的光柱譯碼，用64個發光管或者64級光柱表示65種狀態， 加載新的光柱值后，編址小于指定光柱值的發光管會點亮，而大于或者等于指 定光柱值的發光管會熄滅。CH452 默認情況下工作于不譯碼方式，此時 8 個數據寄存器中字數據的位7位0分別對應8個數碼管的小數點和段 G段A,對于發光二極管陣列，則 每個字數據的數據位唯一地對應一個發光二級管。當數據位為 1 時，對應的數 據管的段或者發光管就會點亮；當數據位為 0 時，則對應的數據管的段或者發 光管就會熄

16、滅。例如，第三個數據寄存器的位 0 為 1，所以對應的第三個數碼管 的段 A 點亮。通過設定， CH452 還可以工作于 BCD 譯碼方式，該方式主要應 用于數碼管驅動，單片機只要給出二進制數 BCD 碼，由 CH452 將其譯碼后直 接驅動數碼管顯示對應的字符。 BCD 譯碼方式是指對數據寄存器中字數據的位 4位0進行BCD譯碼，控制段驅動引腳 SEG6SEG0的輸出，對應于數碼管 的段G段A，同時用字數據的位7控制段驅動引腳SEG7的輸出，對應于數 碼管的小數點，字數據的位 6 和位 5 不影響 BCD 譯碼。下表為數據寄存器中字 數據的位4位0進行BCD譯碼后，所對應的段 G段A以及數碼

17、管顯示的 字符。參考下表，如果需要在數碼管上顯示字符 0，只要置入數據 0xx00000B 或 者00H;需要顯示字符0. （0帶小數點），只要置入數據1xx00000B或者80H; 類似地，數據 1xx01000B 或者 88H 對應于字符 8（. 8 帶小數點）；數據 0xx10011B 或者 13H 對應于字符 =；數據 0xx11010B 或者 1AH 對應于字符 .（小數點）；數 據 0xx10000B 或者 10H 對應于字符 （空格，數碼管沒有顯示）；數據 0xx11110B 或者 1EH 對應于自定義的特殊字符，由“自定義 BCD 碼”命令定義。5 鍵盤掃描原理CH452的鍵盤

18、掃描功能支持 8X 8矩陣的64鍵鍵盤。在鍵盤掃描期間， DIG7DIGO引腳用于列掃描輸出，SEG7SEGO引腳都帶有內部下拉電阻， 用于行掃描輸入。當啟用鍵盤掃描功能后， 4 線串行接口中的 DOUT 引腳的功 能由串行接口的數據輸出變為鍵盤中斷輸出以及按鍵數據輸出。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 D

19、IG3 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 節和 5.6 節中的說明），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；

20、如果多個鍵同時按下，那么按鍵代碼較小的按鍵優先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1100011B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

21、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8X 8矩陣的順序編址，既是 按鍵編址，也是數碼管段位、發光管 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，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。編址DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2OldDI GOSEG007H06H05H04H03H02H01HOOHSEG10FH0EH0DHQCHOBHOAH09HOSHSEG217H16H15H14H13H12H11H10HSEG31

22、FH1EH1DHr ich1BH1AH19H18HSEG427H26H25H24H23H22IH21H20HSEG52FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28HSEG637H36HP 35HP 34H33H32H 131H30HSEG73FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H表3.1CH452按鍵編址（二）單片機控制單元模塊電路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中，CPU既是運算處理中心，又是控制中心，是控制系統最關鍵的器件。本系統中選用 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，縮小系統體積，

23、提高系統可靠性，降低系統成本。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 器件后送到單片機，這樣可以實現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。R41P16P17VCCOUTPUTP12P13P14P15127407U5A7407U6A1740721KR421KR43f1KR441KR451KR461K圖3.2單片機控制單元模塊電路2光電耦合電路電機的

24、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光器件（如發光二極管）和光敏器件 （如光敏三極管）集成在一起，通過光線實現耦合構成電-光和光-電的轉換器件。圖3.3光電耦合電路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 C0MS8位單片機，如圖3.5基本外圍電路圖所示。它片內含有 8k byt

25、es的可反 復檫寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256 bytes的隨機存儲數據存儲（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 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提供以下標準功能：8k字節Flash閃速存儲器，256字節內部RAM， 32個I/O 口線，3個16位定時/計數器，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OHz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式

26、。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。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。K24 :rpiuapurrF12 p巧 F14P15P17U1 iLTSSCS?383?3S34033221222325藥2723hUUF01FO2FO4FO5 PO百FOTF20F21rnn£ WMF23F24F25F26F2?EA/VPRXDTKD ALE/PPSSN31ITIT30圖3.4 AT89C52基本外圍電路圖AT89C52的內部邏輯框圖如圖3.4所示，其管腳功能如下：（1）電源引腳：Vcc（40引腳

27、）：接+5V電源。Vss（20引腳）：接地。（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 片機運行時，在此

28、引腳上加上持續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W0.5V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

29、，此引腳輸出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 I/O 口，此口為地址總線（低 8 位）及數據總線分時 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）

30、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 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 口的第二功能端口引腳笫一功能P3.0RKD串行輜入口）P3.1他Z串行輸出口）P3.2nm （外中斷口）P3.3nm （外中斷1）P3.4ro定時用救器0）P3.5n定時/計數畫1）P5.6WR 外部數據有儲器寫選通）P3.7RD （外部數據存儲器寫選通（三）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，23

31、2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。1 RS232通信協議（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定，適合于數據傳輸 速率在0-20kb/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。如果要實現長距離的傳輸（數百米），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

32、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，后來為了簡化串口的線路連接，出現了 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。DCD 1DSR 廠RXD 2qRTS 7nTXD 3CTS 8qODTR 4qRI9GND 5DB9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輸入數據載波檢出2RXD輸入接受數據3TXD輸出發送數據4DTR輸出數據終端準備好5GND信號地6DSR輸入數據準備就緒7RTS輸出請求發送8CTS輸入允許發送9RI輸入振鈴提示RS-232C標準的電氣特性參數

33、有帶3-7K Q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300Q接地時接收器的輸出邏輯和驅動器轉換速率 等。不同于傳統的TTL等數字電路的邏輯電平，RS-232C的邏輯電平以公共地 為對稱，其邏輯“0”電平規定在+3V-+25V之間，邏輯“ 1”電平規定在-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。如果去掉握手信號， 最少使用3根線即可實現正常的串口通信。本設計采用MAX232芯片實現單片機和上位機之間電平的轉

34、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。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，單 片機的TXD、RXD分別連到 MAX232的T2in、Rlout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。VCC圖3.7 RS-232C接口電路 四、電機與電氣控制電路設計（一）步進電機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

35、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 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。在數字控制系統中，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。（1）、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

36、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成正比，正、反轉可由脈沖順序來控制。（2）、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

37、，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:A EDASTEPABcD11000201003001040001B、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。勵磁順序：ABfB JCD 一 DA ->ABSTEPABCD1110001103001141001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，故亦廣泛被米用。若以1相勵磁法控制步進電動機正轉

38、，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："ABr> B BO C CD> “ D2ASTEPABCD1100021I00301004011050010600117000181001(3) 、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

39、原理圖表4.1線圈通電順序r相順序;AB|CD01100101102001131P 00P 1相順序從0到1稱為一步，電機軸將轉過18度，0 1 2 3 4則稱為通電 一周，轉軸將轉過72度，若循環進行這種通電一周的操作，電機便連續的轉動 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。2步進電機的步距角與工作拍數對于一個步進電機，如果它的轉子的齒數為 Nr，它的齒距角z為：z=2n /Nr，而步進電機運行k拍可使轉子轉

40、動一個齒距位置。實際上步進電機每一拍 就執行一次步進，所以步進電機的步距角s可以表示如下：s 2 /Nrk公式（4.1）或s 360 /Nr咔公式（4.2）其中：k是步進電機工作拍數，Nr是轉子的齒數。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 和雙三拍之分。從公式（4.2）可知：為了使步進電機工作的步距角s減小，也即： 使控制精度增高，步進電機在相數一定的情況下應增加工作拍數。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

41、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、 .控制線路的電壓、齒數、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、控制線路的電壓、線路時間常數等。下面分析

42、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來表示的。拍數本 質上也就是轉動一個齒距所需的電源電壓換相次數，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) 線路時間常數對頻率特性的影響 步進電機的每相繞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是續流二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管 T是大功率開

43、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 歐姆。這時線路的時間常數Tj為：Tj L/ R Rc公式(4.3)其中：L單位為亨，Rc、RL單位為歐姆，Tj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Tj對注入電機繞組的電流達到穩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：Tj越小，電流達穩定時間小，相應電機工作頻率高；反之，Tj越大，電流達穩定時間長，電機工作頻率低。從式(4.3)可知：要減少Tj，可以采用增大Rc的辦法。但是，增大Rc時, 又會使穩態電流值減小，從而影響電機的力矩。為了減少 Tj，而不使穩態電流 減小，可采用在增大Rc的同時

44、，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的外部電阻Rc,使步進電機處于合適的工作頻率狀態。(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

45、組的電流就無法達到穩定值 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形式上升，即這時電流脈 沖 i 為：i IH(1 e 1/Tj) 公式(4.4)其中：i是電流脈沖瞬時值；IH 是在開關回路電壓為 u 時的電流穩態值；Tj 是開關回路的時間常數， Tj L/ RL RC綜上所述，本設計選用三相步進反應式電機，采用運行中根

46、據工作頻率對電源 電壓升壓補償的控制方法。(二) 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 到目的。圖中各元器件的作用如表所示：表4.2

47、元器件作用列表崖接的外部設備Q功能說明門SBl停止命令丄電機正轉命令pSB*電機反轉命令pFR常開門電動機過載保護存掛N電機正轉壯控電機反轉門（二）交流電機的星一二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 1八3，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

48、， 進入正常運行階段。控制電路要有自鎖、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。（四）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

49、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。它是一種執行電器，即使在先進是可編程控制 器應用系統中 .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過載保護。它具有結