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1、河南职业技术学院 信阳高级技工学校函授站 机电一体化专业毕业论文题 目 机电一体化综合课程设计专 业 机电一体化 指 导 教 师 作 者 完 成 日 期2014年4月12日 目 录一、前言4二、总体方案设计6（一） 总体分析6 （二） 方案框图6三、单元模块设计7（一） 键盘与显示模块71 模块工作原理72 芯片CH452介绍83 特点94 显示驱动原理115 键盘扫描原理13 （二） 单片机控制单元模块电路151 控制原理152 光电耦合电路163 芯片介绍17（三） 串行通信模块211 RS232通信协议212 串行通信电路23四、电机与电气控制电路设计24（一） 步进电机模块24 1 步
2、进电机的工作原理242 步进电机的步距角与工作拍数273 步进电机的频率特性28（二） 交流电机正反转控制原理30（三） 交流电机的星三角形启动32（四） 电气元件介绍32五、设计总结、致谢35六、参考文献37附录：单片机控制系统电路原理图设计38附录:电气控制原理图139附录:电气控制原理图240第 1 页 机电一体化综合课程设计 摘 要：本设计是完成一两坐标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计；完成交流电机启停的电气控制系统设计。其硬件部分共包括键盘操作、单片机控制、输入电路、控制电路、显示电路等五个主要组成部分。设计的总体思路是准确安全的对工作台和电机进行控制。 位置信号和按键信息通过传
3、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，向控制回路发送控制信号，进而控制工作台的动作，实现对硬件设备的控制。关键词：键盘操作，单片机控制，数码管显示。第 0 页 一、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
4、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
5、、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） 此次 “机电一体化课程设计”主要简单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。经过讨论，拟设计两坐标步进电机驱动运动工作台控制系统和交流电机启停的电
6、器控制系统，单元模块包括：单片机控制电路，键盘接口电路，键盘电路，显示电路，输入电路，控制电路，PC接口电路等。由于时间仓促和自己知识水平有限，在设计中难免会有些许瑕疵，恳请老师指正。二、总体方案设计（一） 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。（二） 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
7、的通信以及对报警的处理。 图2.1 总体方案设计图三、单元模块设计（一） 键盘与显示模块 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，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
8、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出现的，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，达到同时显示的效果。 图3.1 显示单元模块电路图 键盘的扫描原理与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，再逐个判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
9、按下了。 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3.2 CH452工作原理图 3 特点 （1）显示驱动l 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。l 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。l BCD 译码支持一个自定义的BCD
10、码，用于显示一个特殊字符。l 数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。l 各数码管的数字独立闪烁控制，可选快慢两种闪烁速度。l 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。l 64 级光柱译码，通过64 个LED 组成的光柱显示光柱值。l 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。l 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l 内置64 键键盘控制器，基于88 矩阵键盘扫描。l 内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。l 键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出。l 提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放
11、。l 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l 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。l 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。l 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。l 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）。l 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。l 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。（4）其它l 内置时钟振荡电路，不需要外
12、部提供时钟或者外接振荡元器件，更抗干扰。l 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。l 可选两种封装：SOP28、DIP24S，引脚与CH451 芯片兼容。l 经过授权采用了1 项专利技术，低成本，简便易用。 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SEG6SEG0 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DIG7DIG0分别连接8 个数码管的阴极；CH45
13、2 也可以连接88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支持扫描极限控制，并且只为有效数码管分配扫描时间。当扫描极限设定为1时，唯一的数码管DIG0 将得到所有的动态驱动时间，从而等同于静态驱动；当扫描极限设定为8 时，8 个数码管DIG7DIG0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DIG3DIG0 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描极限为8时增加一倍，所以降
14、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 位的数据寄存器，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支持数据寄存器中的字数据左移、右移、左循环、右循环，并且支持各数码管的独立闪烁控制，在字数据左右移动或者左右循环移动的过程中，闪烁控制的属性不会随数据移动。 CH452 支持任意段位寻址，可以用于独立控制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），段位编址顺序与键盘编址一致，编址从00H 到3FH。当用“段位寻址置1”命令将某个地址的段位置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。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，加载新的光柱值后，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默认情况下工作于不译码方式，此时8个数据寄存器中字数据的位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
