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本科毕业设计（论文）

星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计

学院名称：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

08机制2Z

学号：

08321245

姓名：

戴文龙

指导教师姓名：

孙大圣

指导教师职称：

副教授

二〇一三年六月

星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计

摘要：

针对国内市场上尚未出现比较成熟、实用的爬楼轮椅这一现状，为了完善行星轮在爬楼梯上的应用，设计了一种实用的星轮行星轮转换式可爬楼轮椅。

该轮椅车主要有车体、星轮行星轮转换装置、离合器、导向轮、万向轮等零部件构成。

通过改变离合器的两种状态，它既可以在平地上行走，又可以攀爬楼梯。

离合器分离时，中心齿轮带动各行星齿轮旋转，此时为行星轮驱动模式，适用于平地行走；离合器结合时，中心轴和转臂锁死，各行星齿轮将不能自转，中心轴和整个行星轮系将整体翻转，此时为星轮驱动模式，适用于爬楼梯。

与此同时，在万向轮两侧各增加了一排导向轮，从而提高了轮椅车的越障能力。

本设计在总结前人对于这方面课题研究的成果基础上，对可爬楼轮椅车进行了优化设计。

关键词：

可爬楼梯轮椅；行星轮系；离合器；导向轮

TheDesignofConversionTypeoftheStarWheelPlanetaryGearClimbingStairsWheelchair

Abstract：

Fordomesticmarkethasnotyetappearedrelativelymatureandpracticalclimbingstairswheelchair,andaimedtoimprovetheplanetarygearintheapplicationofclimbingthestairs,apracticalstarwheelplanetarygear-conversionclimbingstairswheelchairhasbeendesigned.Thewheelchairmainlybodyiscomposedofstarwheelplanetarygearconversiondevices,clutch,guidewheels,universalwheelsandothercomponents.Bychangingtwostatesoftheclutch,thiswheelchaircanwalkontheflatground,andalsocanclimbstairs.Drivecenterwilldrivethegearplanetarygearrotatingwhentheclutchseparatedandtheplanet-wheelisunderdrivemodewhichcanleadsaonlevelgroundwalking;andwhentheclutchcombined,thecentralaxisandarmlocktheplanetarygearrotation,therewillbeaoverallflippingdrivercentralaxisoftheplanetarygeartrain,whichwilltaketheinitiativetoclimbobstacles.Thistimeforthestar-wheeldrivemodeappliestoclimbstairs.Atthesametime,addingarowoftheguidewheelsoneachsideoftheuniversalwheelshasenhancedtheobstacle-climbingcapabilityofthiswheelchair.Withsummarizeduptheachievementsofpreviousresearchinthisregard,thisdesignhasoptimizedandimprovedtheclimbingstairswheelchairinsomecriticalparts.

Keywords：

Climbingstairswheelchair;Planetarygeartrain;Clutch;Guidewheel

目录

序言…………………………………………………………1

第1章课题分析与方案论证……………………………………2

1.1课题任务分析…………………………………………………2

1.2设计方案………………………………………………………2

第2章硬件电路………………………………………………5

2.1A/D硬件单元…………………………………………………5

2.2.1电路设计………………………………………………………5

参考文献…………………………………………………………6

致谢…………………………………………………………7

序言

自从单片机问世以来，在国外，它已广泛应用于自动控制、数据采集和处理、家用电器等各方面，同时也渗透到其它各个科技领域。

在国内，虽然起步较晚，但由于单片机价廉物美、功能强、体积小、使用灵活方便，得到发展越来越多的发展，尤其在工业过程控制、自动化仪器等领域得到广泛应用。

对推动国家的工业现代化进程有着重大意义。

现代工业中绝大部分的动力装置都是用电机来实现的，由于电机并不能自身对转速进行控制，在以前只能用机械装置对电机进行调速，随着机械调速装置在实际应用中暴露出来的噪音、能耗大以及易磨损、占用空间大、安装不便等问题，人们开始把目光投向了电子调速。

本设计目的就是利用单片机对当前国内使用最多的三种电机进行调速。

本说明书共分为4章，第一章课题分析与方案论证；第二章对硬件进行了详细的说明；第三章对系统的软件进行了分析；第四章有选择地列举了软硬件在调试过程中出现的问题，并对问题作出了分析；其中重点是单片机的各接口单元电路的设计，以及数据的显示处理。

设计的最终成果是能通过按钮对电机的速度进行控制，并实现对交流电机转速模拟量的采集，并通过LED进行显示。

第1章课题分析与方案论证

1.1课题任务分析

本课题主要实现用单片机控制交流、直流、步进三种电机转速的目的，并采集变频器转速输出口的电流信号将交流电机的实际转速显示出来。

实验室现有的西门子变频器有一模拟量输入口，在该口输入0-10V的电压，变频器就可以输出不同频率的交流电，达到控制交流电机转速的目的，为此对于交流电机的转速控制只要将单片机产生的数字信号转化为模拟电压信号与实验室现有的西门子变频器的模拟量输入口接驳即可；交流电机的转速显示则需将变频器输出的电流模拟信号转换为数字信号送单片机。

步进电机通过环行分配器控制各绕组的通电顺序运转，分配器有软件和硬件之分。

实验室的步进电机是通过硬件环行分配器驱动的，因而只要使单片机输出不同频率的脉冲至硬件环行分配器就可以控制步进电机的转速。

还可以从单片机上引出一个口，通过控制这个口的高低电平让步进电机正转或反转。

直流电机的转速控制只要改变直流电机的输入电压就能实现，为此利用单片机产生PWM脉冲送直流电机的驱动电路，由驱动电路产生不同的电压至直流电机，从而达到直流电机的转速控制。

本实验平台要求三种电机的调速电路以及模/数转换电路相互独立，以便在以后做不同的实验时只需将相应的电路与单片机控制电路接驳。

为此需要将各电路的硬件和系统的软件模块化，其中硬件部分首先将各电路设计成一个个独立的单元，然后用插口将各单元电路与单片机控制单元相连；软件的模块化则通过在主程序中调用各子程序实现。

1.2方案论证

尽管所要控制的交流电机的额定转速为1400r/min，所要的A/D、D/A芯片的分辨率最小为1/1400，但考虑到本次设计任务只是锻炼我们的实践能力和方便以后教学，没有必要去片面的追求高精度而增加硬件成本，为此直接选用了市面上较为常见的八位D/A（DAC0809）、A/D（ADC0832）转换芯片，而没有将D/A、A/D芯片的选择在方案中作为考虑对象。

本次方案论证主要对键盘/显示接口电路进行选择。

方案一：

1.键盘/显示器单元电路方案

选用通用并行接口芯片8155作LED显示和键盘的输入。

其中，8155的PA口为输出口，控制键盘列线的扫描，PA口同时又是4位LED显示器的位扫描口，PB作为显示器的段码口，PC口作为键盘行线状态的输入口。

2.交流电机单元的转速控制方案

由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P0输出8位数字量信号经D/A转换芯片DAC0832进行转换,产生相应的模拟电压信号，再将模拟电压信号通过二级运算器放大后，输入西门子变频器MM420的模拟量输入口,去控制交流电动机的转动。

3.步进电机单元的转速控制方案

由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0、P1.1口输出步进电机的控制信号，经74LS07正向放大后送步进电机驱动电路。

4.直流电机单元的转速控制方案

由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0口输出PWM信号，将此脉冲信号送直流电机驱动电路控制直流电机的转动。

方案二：

1.键盘/显示器单元的电路方案

选用五片“串入并出”移位寄存器74LS164扩展五个8位并行输出口：

一个8位并行输出口用于键盘的列线使用，其余的四个8位并行输出口用于控制4个LED段选口作静态显示。

2.交流电机单元的转速控制方案

由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P0输出8位数字量信号经D/A转换芯片DAC0832进行转换,产生相应的模拟电压信号，再将模拟电压信号通过二级运算器放大后，输入西门子变频器MM420的模拟量输入口,去控制交流电动机的转动。

3.步进电机单元的转速控制方案

由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0、P1.1口输出步进电机的控制信号，经74LS07正向放大后送步进电机驱动电路。

4.直流电机单元的转速控制方案

由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0口输出PWM信号，将此脉冲信号送直流电机驱动电路控制直流电机的转动。

综合上述两种方案，区别在于所采用的键盘、显示接口电路不同。

方案一：

选用通用并行接口芯片8155作LED显示和键盘的输入，这样就会和D/A转换芯片DAC0832共用P0口资源，需要进行片选，软件工作量大，硬件接线复杂。

方案二：

直接使用89C51的串换行口外扩键盘/显示器。

应用串行口方式0的输入方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，构成键盘/显示器接口。

这种静态显示方式的优点是亮度大，显示闪烁感小，且CPU不必频繁地为显示服务，因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简单，整个接口电路硬件也不复杂。

通过比较我发现，第二种方案软、硬较第一种方案简单，且充分利用了89C51单片机的串行口资源，节约了成本。

为此，我采用第二种方案。

图2-1A/D接口电路

第2章硬件电路

本实验平台要求三种电机的调速电路以及模/数转换电路相互独立，以便在以后做不同的实验时只需将相应的电路与单片机控制电路接驳。

为此需要将各电路的硬件和系统的软件模块化，其中硬件部分首先将各电路设计成一个个独立的单元，然后用插口将各单元电路与单片机控制单元相连；软件的模块化则通过在主程序中调用各子程序实现。

2.1A/D接口单元

A/D接口单元电路为采集到的变频器的模拟量能被单片机识别提供解决方案，如图2-1所示。

2.2.1电路设计

本设计采用8位A/D转换芯片ADC0809，ADC0809的分辨率为1/255，而设计的交流电机的最高转速为1275r/min，这样本设计中的A/D采集的最小分辨率为5r/min。

为了在以后的实验中能用A/D转换芯片单独采集电压信号，在设计中将ADC0809的INT0口和地线预留了接口，算例数值计算结果如表2-1所示。

表2-1算例数值计算结果

最大应力（MPa）

屈服极限（MPa）

安全裕度

最大变形（mm）

X方向

Z方向

438.6

770

0.76

0.076

0.415

根据载荷概率分布及元件的条件寿命发生函数分别构造元件的首级加载失效概率发生函数UP0（z）：

（2-1）

参考文献

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[16]ZHANGYimin，HEXiangdong．OptimizationDesignofDragRodsReliabilitywithRandomDistributedParameters[J]．AutomotiveTechnology，2004，2（6）：

20-23.

致谢

毕业设计是我们在大学期间最后的课程，是四年学习的一个总结，也是我们学习成果的具体体现。

所以我们做毕业设计必须有一个良好的态度，认真地对待，只有这样才可以学到更多的专业知识，为将来的工作做好各个方面准备。

首先要感谢带我毕业设计的孙大圣老师，我学的很多机电方面的知识都是他无私传授的。

在毕业设计中遇到的问题，都能得到老师的悉心指导和帮助，常常在吃饭和下班的时间，老师继续为我们留在学校指导毕业设计。

通过这次毕业设计我不但更深地掌握了单片机控制方面的知识，更为重要地是也学到了做人做事应该所必要的素质，那就是孙老师那种治学严谨、平易近人、无私奉献的精神。

其次要感谢我的同学们，感谢他们在毕业设计的过程中给我的帮助。

没有他们的帮助，我也不可能很好地完成本次设计任务。

同时感谢从我进入大学以来，学校所有在学习和生活方面对我关心的老师。