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机电一体化课程设计论文
1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，由于微型计算机具有价格低、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
（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）
2总体方案设计
2.1总体分析
本次设计实现的是一两座标步进电机驱动运动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。
2.2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。
图2.1总体方案设
3单元模块设计
3.1键盘与显示模块
3.1.1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，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。
若要各位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。
图3.1显示单元模块电路图
3.1.2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2线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片机提供上电复位信号。
图3.2CH452工作原理图
3.1.3特点
（1）显示驱动
●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。
●BCD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。
●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。
●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，可以为单片机提供高电平有效和低电平有效复位输出。
3.1.4显示驱动原理
CH452对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为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分别对应数码管的段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，DIG7～DIG0引脚用于列扫描输出，SEG7～SEG0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。
表3.1CH452按键编址
3.2单片机控制单元模块电路
3.2.1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。
3.2.2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。
图3.2单片机控制单元模块电路
图3.3光电耦合电路
3.3串行通信模块
串行通信有很多种，目前较常用的有RS232、RS422和RS485，根据本设计的实际情况，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。
3.3.1RS232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行了明确的规定，适合于数据传输速率在0-20kb/s范围内的通信。
（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，出现了9芯D型连接器DB9，DB9引脚的分布和信号说明分别如图3.6和表3.3所示。
表3.3DB9连接器信号说明
引脚号
符号缩写
方向
说明
1
DCD
输入
数据载波检出
2
RXD
输入
接受数据
3
TXD
输出
发送数据
4
DTR
输出
数据终端准备好
5
GND
信号地
6
DSR
输入
数据准备就绪
7
RTS
输出
请求发送
8
CTS
输入
允许发送
9
RI
输入
振铃提示
4电机与电气控制电路设计
4.1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，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。
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。
脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。
在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。
它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。
图4.1三相反应式步进电机工作原理图
4.1.1步进电机的工作原理
一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。
若每旋转一圈以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、反转可由脉冲顺序来控制。
二、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁，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。
图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。
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。
4.1.2步进电机的步距角与工作拍数
对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为
，它的齿距角
为：
=2Π/
，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
可以表示如下：
公式（4.1）
或
公式（4.2）
其中：
k是步进电机工作拍数，Nr是转子的齿数。
4.2交流电机正反转控制原理
在生产实践过程中，常要求用一台电动机的正反转控制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。
本设计对交流电机的正反转控制的电气原理图如下所示：
图4.4交流电机正反转控制的电气原理图
要实现三相鼠笼型异步电动机的正反转控制，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：
假如接触器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：
要改变三相交流电机的旋转方向，只需要任意交换其中两相就可以达到目的。
图中各元器件的作用如表所示：
表4.2元器件作用列表
4.3交流电机的星—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，在启动时，为了保护电动机，一般采用Y/△降压启动方法来达到限制启动电流的目的。
Y/△降压启动的原理如图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
，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始定时，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。
5设计总结、致谢
本次课程设计是我所做的最综合的一个题目，它跨越了机械和电气两大领域。
在做设计时，我们第一步是按照设计要求来确定该题目可能需要的元器件，再慢慢根据个电子元件的功能及题目的要求一一进行筛选，最终确定用那些元件。
第二步是设计方案并确定。
。
方案确定后便开始设计实际电路，我们是在Protel99SE软件上设计原理图的，实际电路图设计好之后，便开始写设计报告。
通过这次课程设计我深刻的感到了理论和实践之间的巨大差距极其之间的联系。
平时理论知识学的很好，但是在课程设计中并不能得心应手，会遇到很多不会的操作，这就需要加强实践能力，一个同学的知识变成多个同学的知识，多个同学的知识变成一个同学的知识，这样才能相互促进、相互提高。
另外，理论与实践也存着必然的联系，在指导老师的帮助下才能使课程设计最终成功。
在此特别感谢我的指导老师，感谢学院给我们提供这次设计的机会和器材，同时要感谢我班的几位同学，正是因为有了你们的指导和帮助，我的设计才能进行和顺利结束。
六参考文献
[1]李建勇.机电一体化技术[M].北京:
科学出版社,2004.
[2]李运华.机电控制[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2003.
[3]张建民.机电一体化系统设计[M].北京：
北京理工大学出版社，1996
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