1、1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(fā)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(yè)的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。本設計中提到的微機數(shù)控機床是利用單板或單片微機對機床運動軌跡進行數(shù)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。采用微機數(shù)控機床進行機械加工的最大優(yōu)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(shù)控機床的一次性投資比全功能數(shù)

2、控機床節(jié)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(shù)控機床已成為機床設計的發(fā)展方向之一。本設計中用到的步進電機是一種將數(shù)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(xiàn)正反轉和平滑速度調節(jié)。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(shù)模轉換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。本設計完成了如下要求：（1）單片機控制系統(tǒng)電路原理圖的設計（2）控制系統(tǒng)電路印制版的繪制（3）利用單片機編程實現(xiàn)兩坐標系統(tǒng)的手動、自動和回位等運動（4）實現(xiàn)兩坐標工作臺極限移動的保護及顯示、報警（5）設

3、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(tǒng)常用元器件（PLC、交流電機、直流電機、步進電機）2 總體方案設計2.1 總體分析本次設計實現(xiàn)的是一兩座標步進電機驅動運動工作臺控制系統(tǒng)的設計。設計采用單片機對系統(tǒng)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(jiān)測，在機床邊緣運用一個接近開關即可實現(xiàn)此目的。2.2 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(xiàn)與PC機的

4、通信以及對報警的處理。 圖2.1 總體方案設3 單元模塊設計3.1 鍵盤與顯示模塊 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，由芯片CH452來對數(shù)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(tài)顯示電路。在同一時刻，如果各位位選線都處于選通狀態(tài)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(tài)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(tài)，而其他各位的位選線則處于關閉狀態(tài)，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，

5、只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，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(huán)下去，就可以使兩位分別顯示出將要顯示的字符。圖3.1 顯示單元模塊電路圖3.1.2 芯片CH452介紹CH452是數(shù)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(tài)驅動8 位數(shù)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(lián)的4線串行接口或者2 線串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)；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3.1.3

6、特點（1）顯示驅動l 內置電流驅動級，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。l 動態(tài)顯示掃描控制，直接驅動8 位數(shù)碼管、64 位發(fā)光管LED 或者64 級光柱。l 可選數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對應的不譯碼方式或者BCD 譯碼方式。l BCD 譯碼支持一個自定義的BCD 碼，用于顯示一個特殊字符。l 數(shù)碼管的字數(shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。l 各數(shù)碼管的數(shù)字獨立閃爍控制，可選快慢兩種閃爍速度。l 任意段位尋址，獨立控制各個LED 或者各數(shù)碼管的各個段的亮與滅。l 64 級光柱譯碼，通過64 個LED 組成的光柱顯示光柱值。l 掃描極限控制，支持1 到8 個數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管分配掃描時間。

7、l 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l 內置64 鍵鍵盤控制器，基于8×8 矩陣鍵盤掃描。l 內置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內置去抖動電路。l 鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。l 提供按鍵釋放標志位，可供查詢按鍵按下與釋放。l 支持按鍵喚醒，處于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH452 可以被部分按鍵喚醒。3、外部接口l 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。l 4 線串行接口：支持多個芯片級聯(lián)，時鐘速度從0 到2MHz，兼容CH451 芯片。l 4 線串行接口：DIN 和DCLK 信號線可以與其它接口電路共用，節(jié)約引腳。

8、l 2 線串行接口：支持兩個CH452 芯片并聯(lián)（由ADDR 引腳電平設定各自地址）。l 2 線串行接口：時鐘速度從500Hz 到200KHz，兼容兩線I2C 總線，節(jié)約引腳。l 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。3.1.4 顯示驅動原理CH452對數(shù)碼管和發(fā)光管采用動態(tài)掃描驅動，順序為DIG0 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(shù)碼管，段驅動引腳SEG6SEG0 分別對應數(shù)碼管的段G段A，段驅動引腳SEG7 對應數(shù)碼管的小數(shù)點，字驅動引腳DIG7DIG0分別連接8 個數(shù)碼

9、管的陰極；CH452 也可以連接8×8矩陣的發(fā)光二級管LED陣列或者64 個獨立發(fā)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(shù)碼管（不譯碼方式），或者通過外接反相驅動器支持共陽數(shù)碼管，或者外接大功率管支持大尺寸的數(shù)碼管。 CH452 的鍵盤掃描功能支持8×8 矩陣的64 鍵鍵盤。在鍵盤掃描期間，DIG7DIG0 引腳用于列掃描輸出，SEG7SEG0 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(shù)據(jù)輸出變?yōu)殒I盤中斷輸出以及按鍵數(shù)據(jù)輸出。 表3.1 CH452按鍵編址3.2 單片機控制單

10、元模塊電路 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(tǒng)中，CPU既是運算處理中心，又是控制中心，是控制系統(tǒng)最關鍵的器件。本系統(tǒng)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(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。 光電耦合電路電機的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。

11、光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)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(xiàn)耦合構成電-光和光-電的轉換器件。圖3.2 單片機控制單元模塊電路圖3.3 光電耦合電路3.3 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(jù)本設計的實際情況，RS232串行通信可以滿足要求，232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。 RS232通信協(xié)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

12、性、信號功能以及傳輸過程都進行了明確的規(guī)定，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0-20kb/s范圍內的通信。（2）RS232C中的引腳定義和電氣特性RS-232C中定義了20根信號線，使用25芯D型連接器DB25實現(xiàn)，后來為了簡化串口的線路連接，出現(xiàn)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。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(shù)據(jù)載波檢出2RXD輸入接受數(shù)據(jù)3TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR輸出數(shù)據(jù)終端準備好5GND信號地6DSR輸入數(shù)據(jù)準備就緒7RTS輸出請求發(fā)送8CTS輸入允許發(fā)送9RI輸入振鈴提示4 電機與電氣控制電路設計4.1 步進電機模塊

13、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(shù)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(shù)字控制系統(tǒng)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(yè)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 步進電機的工作原理一、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。若每旋轉一圈

14、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(shù)成正比，正、反轉可由脈沖順序來控制。二、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(xù)轉動。4.1.2 步進電機的步距角與工作拍數(shù)對于一個步進電機，如果它的轉子的齒數(shù)為，它的齒距角為：=2/，而步進電機運行k拍可使轉子轉動一個齒距位置。實際上步進電機每一拍就執(zhí)行一次步進，

15、所以步進電機的步距角可以表示如下： 公式（4.1）或 公式（4.2）其中：k是步進電機工作拍數(shù)，Nr是轉子的齒數(shù)。4.2 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(xiàn)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

16、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 元器件作用列表4.3 交流電機的星三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，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，進入正常運行階段。5 設計總結、致謝本次課程設計是我所做的最綜合的一個題目，它跨越了機械和電氣兩大領域。在做設計時，我們第一步是按照設計要求來確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據(jù)個電子元件的功能及題目的要求一一進行篩選，最終確定用那些元件。第二步是設計方案并確定。方案確定后便開始設計實際電路，我們是在Protel 99 SE軟件上設計原理圖的，實際電路圖設計好之后，便開始寫設計報告。通過這次課程設計我深刻的感到了理論和實踐之間的巨大差距極其之間的聯(lián)系。平時理論知識學的很好，但是在課程設計中并不能得心應手，會遇到很多不會的操作，這就需要加強實踐能