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1、成人高等教育毕业作业题 目：步进电机驱动运动工作台控制系统设计 学院(函授站）： 年级专业： 层 次： 专科 学 号： 姓 名： 李晓光 指导教师： 起止时间： 年 月 日 月 日 目 录1 前言12 总体方案设计22.1 总体分析22.2 方案框图23 单元模块设计33.1 键盘与显示模块33.1.1 模块工作原理33.1.2 芯片CH452介绍43.1.2.1 特点43.1.2.2 显示驱动原理53.2 单片机控制单元模块电路73.2.1 控制原理73.2.2 光电耦合电路83.2.3 芯片参数93.3 串行通信模块123.3.1 RS232通信协议123.3.2 串行通信电路134 电机
2、与电气控制电路设计154.1 步进电机模块154.1.1 步进电机的工作原理154.2.2 步进电机的步距角与工作拍数174.3.3 步进电机的频率特性184.2 交流电机正反转控制原理204.3 交流电机的星三角形启动214.4 电气元件介绍215 致谢236 参考文献24附录：单片机控制系统电路原理图设计25附录:电气控制原理图126附录:电气控制原理图227机电一体化综合课程设计摘 要：本设计是完成步进电机驱动运动工作台控制系统的设计，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、显示电路等组成部分。设计的思路是精确稳定地对电机及工作台进行控制。 位置信号和按键信息通过传输线
3、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，数码管显示，单片机控制。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
4、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
5、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”设计出数控机床系统，离真正数控机床有很大差距。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
6、，显示电路，输入电路，控制电路，PC接口电路等。设计有不足，请指正。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 总体方案设计图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
7、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为八位LED电路。同一时刻，如各位选线处于选通，8位LED将显示相同字符。若要各位LED能同时显示与本位相应的字符，必须动态显示，即某一时刻，某一位的位选线处于选通，其他位选线处于关闭，同时，段码线上输出相应位要显示的段码。同时刻，8位LED中选通那一位显示出字符，另一位则熄灭。在下一时刻使下一位位选线处于选通，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，就可使两位分别显示将显示的字符。这些字符是不同
8、时刻出现的，在同一时刻，只有一位显示，其他熄灭，因人眼视觉作用，只要显示间隔短，就可造成同时亮的现象。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控制芯片。CH452内置振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、段位寻址等功能；还可进行64键扫描；CH452通过4线串行或2线串行与单片机交换数据可以对单片机提供上电复位信号。 图3.2 CH452工作原理图3.1.2.1 特点1、显示驱动l 内置电流驱动级，段电流不小于15mA，字电流不小于80mA。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64级光柱。l
9、 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译码支持自定义BCD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。2、键盘控制l 内置64键控制器，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。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
10、多个芯片级联，时钟速度从0 到2MHz，兼容CH451 芯片。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。3.1.2.2 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；CH452
11、 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
12、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。3.1.2.2 键盘扫描原理 CH452 的键盘扫描功能支持88 矩阵的64 键键盘。在键盘扫描期间，DIG7DIG0 引脚用于列扫描输出，SEG7SEG0 引脚都带有内部下拉电阻，用
13、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。 CH452 定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。在键盘扫描期间，DIG7DIG0 引脚按照DIG0至DIG7 的顺序依次输出高电平，其余7个引脚输出低电平；SEG7SEG0引脚的输出被禁止。例如连接DIG3与SEG4的键被按下，则当DIG3输出高电平时SEG4 检测到高电平；为了防止因为按键抖动或者外界干扰而产生误码，CH452实行两次扫描，只有当两次键盘扫描的结果相同时，按键才会被确认有效。如果CH452检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并通过4 线串行接口中
14、的DOUT引脚或者2 线串行接口中的INT#引脚产生低电平有效的键盘中断（当INTM为1 时输出低电平脉冲中断，参考5.5 节和5.6节中的说明）。 CH452 所提供的按键代码为7 位，位2位0 是列扫描码，位5位3 是行扫描码，位6 是状态码（键按下为1，键释放为0）。例如，连接DIG3 与SEG4 的键被按下，则按键代码是1100011B 或者63H，键被释放后，按键代码通常是0100011B或者23H（也可能是其它值，但是肯定小于40H），其中，对应DIG3的列扫描码为011B，对应SEG4的行扫描码为100B。单片机可以在任何时候读取按键代码，但一般在CH452检测到有效按键而产生键盘中断时读取按键代码，此时按键代码的位6总是1，另外，如果需要了解按键何时释放，单片机可以通过查询方式定期读取按键代码，直到按键代码的位6为0。下表是在DIG7DIG0 与SEG7SEG0之间88 矩阵的顺序编址，既是按键编址，也是数码管段位、发光管LED 阵列以及光柱的编址。由于按键代码是7位，键按下时位6总是1，所以当键按下时，CH452 所提供的实际按键代码是表中的按键编址加上40H，也就是说，此时的按键代码应该在40H到7FH之间。表3.1 CH452按键编址3.2 单片机控制单
