成人高等教育研究生院（函授站）：年级专业：李晓光导师：起止时间：2.1整体分析2.2程序图3.1键盘及显示模块3. 1.1 模块的工作原理3.1.2 芯片CH452的介绍是错误的！未定义书签。3.1.2.1特点3.1.2.2显示驱动原理3.2MCU控制单元模块电路3.< @2.1控制原理3.2.2光电耦合电路3.2.3芯片参数3.3串口通讯模块3.3.通讯协议3.3.2串行通讯电路4.1步进电机模块4.< @1.1步进电机工作原理4.2.2步进电机步距角和工作节拍4.3.3步进电机频率特性4.2AC电机正向和反转控制原理4.3 交流电机星三角启动4.4 电气元件介绍 10 附录：单片机控制系统电路原理图设计 12 附录：电气控制原理图 213 机电一体化综合课程设计要求：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。设计思想是精确稳定地控制电机和工作台。位置信号和按键信息通过传输线传输到单片机和键盘接口芯片。数据处理完毕后，将关键信息串行传输到单片机。设备控制。

关键词：键盘操作，数码管显示，单片机控制。前言 机电一体化是机械技术与电子技术的学科，是众多技术学科相互渗透、结合的产物。它是一门正在发展和逐步完善的新兴边缘学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能组成、生产方式和管理体制发生了巨大变化，使工业生产从“机械电气化”进入以“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，是一种利用单板或单片机对机床运动轨迹进行数控化，对机床辅助功能动作进行程序控制的自动化加工设备。使用微机数控机床进行加工的最大优点是可以有效提高中小批量零件的加工生产率，保证加工质量。另外，由于微机价格低廉、体积小、性能可靠、使用灵活，微机数控机床的一次性投资远低于全功能数控机床，方便普通工人使用。掌握操作和维护。所以，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。本设计采用的步进电机是一种将数字信号直接转换为角位移或直线位移的驱动元件，具有启停快的特点。其驱动速度与指令脉冲严格同步，重复定位精度高，可实现正反转及平滑调速。它的运行速度和步距不受电源电压波动和负载的影响，因此广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。

设计数控机床系统，与真正的数控机床相去甚远。经讨论，提出设计一种两坐标步进电机驱动运动台控制系统和交流电机启停电气控制系统。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，如有设计上的不足，请指正。总体方案设计2.1 总体分析本设计实现为一、二坐标步进电机驱动运动台控制系统的设计。本设计采用单片机控制系统。单片机包括键盘和显示控制、与PC的串行通信、电机输入、输入和输出信号控制。电机输入信号包括报警监控，位于机床边缘。这可以通过接近开关来实现。2.2方案框图以单片机为控制核心，一方面控制机床的运动方向和位移，另一方面控制机床的运动方向和位移。另一方面，在LED上显示键盘对应的位移信息，实现与PC的通讯和报警处理。

三相交流单片机键盘8LED显示屏串口通讯光电隔离光电隔离电源接口电源接口步进电机X步进电机Y行程开关台继电器控制图2.1整体方案设计图单元模块设计3.@ >1键盘及显示模块3.1.1模块工作原理本单元模块电路的功能是通过单片机编程在8个LED上显示当前按键信息， CH452芯片用于控制数码管。驱动并扫描键盘。图3.1是一个八位LED电路。同时，如果每条选择线都处于选通状态，则 8 位 LED 将显示相同的字符。如果每个LED能同时显示本地位置对应的字符，则必须是动态显示的，即在某一时刻，某一位的位选择线开启，其他位选择线开启离开。代码。同时，8 位 LED 的频闪灯其中一个显示字符，另一个熄灭。下一刻选通下一位选择线，在段码线上输出要显示的段码。同时，只有门控位显示相应的字符，而其他位关闭。这样，两个字符就可以分开显示了。这些字符出现在不同的时间。同时，只显示一个字符，其他字符关闭。由于人眼的视觉效果，只要显示间隔短，就会造成同时点亮的现象。图3.1 显示单元模块电路图3.1.2 芯片CH452 简介 CH452 是数码管显示驱动和键盘控制芯片。CH452内置振荡电路，可动态驱动8位数码管或64位LED，具有BCD解码、段寻址等功能；还可以进行64键扫描；CH452 通过 4 线串口或 2 线串口与 MCU 交换数据 可以向单片机提供上电复位信号。CH452内置振荡电路，可动态驱动8位数码管或64位LED，具有BCD解码、段寻址等功能；还可以进行64键扫描；CH452 通过 4 线串口或 2 线串口与 MCU 交换数据 可以向单片机提供上电复位信号。CH452内置振荡电路，可动态驱动8位数码管或64位LED，具有BCD解码、段寻址等功能；还可以进行64键扫描；CH452 通过 4 线串口或 2 线串口与 MCU 交换数据 可以向单片机提供上电复位信号。

图3.工作原理图3.1.2.1 特点1、显示驱动可选数码管段和对应非解码模式或BCD解码模式的数据位. 通过闪烁独立控制每个数码管的数字，可选择两种闪烁速度。2、键盘控制支持按键唤醒，在低功耗状态下可以通过部分按键唤醒CH452。3、外部接口为同款芯片，可选高速4线串口或经济型2线串口。线串行接口：支持多芯片级联，主频0～2MHz，兼容CH451芯片。线串行接口：时钟速度从 500Hz 到 2 线 I2C 总线兼容，节省引脚。内置上电复位，可为单片机提供高电平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LED采用动态扫描驱动，顺序为DIG0到DIG7，其中一个引脚拉电流，其他引脚不灌电流. CH452内部有电流驱动级，可以直接驱动0.5寸到1寸共阴极数码管，段驱动管脚SEG6~SEG0分别对应数码管段G~A段，段驱动管脚SEG7对应数码管小数点，字驱动引脚DIG7~DIG0分别接8个数码管阴极；CH452还可以接88个矩阵发光二极管LED阵列或64个独立发光管或64级光束；

CH452内部有一个8位数据寄存器，用于保存8个字的数据，对应CH452驱动的8个数码管或8组，每组8个发光二极管。CH452支持数据寄存器中字数据的左移、右移、左循环、右循环，并支持每个数码管的独立闪烁控制。在字数据左右移动或左右循环移动的过程中，闪烁控制属性不会随数据移动。CH452支持任意段寻址，可用于独立控制64个LED中的任何一个或数码管中的特定段（如小数点）。段寻址顺序与键盘寻址一致，寻址从00H到3FH。当“段地址设置为 1” 命令用于设置某个地址段为1，该地址对应的LED或数码管段会亮。此操作不会影响任何其他 LED 或数码管的其他段。CH452支持64级光束。对于解码，使用 64 个 LED 或 64 级 LED 来表示 65 种状态。加载一个新的 LED 值后，如果地址小于指定的 LED 值，则 LED 点亮，如果大于或等于指定的 LED 值，则 LED 熄灭。3.1.2.2 键盘扫描原理 CH452键盘扫描功能支持88矩阵64键键盘。键盘扫描时，DIG7~DIG0 引脚用于列扫描输出，SEG7~SEG0 引脚内部有下拉电阻用于行扫描输入。当键盘扫描功能开启时，

CH452 在显示驱动程序扫描期间定期插入键盘扫描。键盘扫描时，DIG7~DIG0引脚从DIG0到DIG7依次输出高电平，其余7个引脚输出低电平；SEG7~SEG0 引脚输出被禁止。例如按下DIG3和SEG4键时，当DIG3输出高电平时，SEG4检测到高电平；为了防止由于按键抖动或外部干扰导致的代码错误，CH452 进行两次扫描，只有当两次键盘扫描结果相同时，才会确认该按键有效。如果 CH452 检测到有效按键，则记录按键代码，并通过 4 线串口的 DOUT 引脚或 2 线串口的 INT#引脚产生低电平有效键盘中断（INTM 时输出）是 1)。低电平脉冲中断，参考5.第5节和5. 第 6 节）。CH452提供的键码为7，即状态码（按键按下为1，松开按键为0）。例如电机实验工作台，按下DIG3和SEG4键，键码为或63H，松开按键后，按下按键，码通常为或23H（可以为其他值，但必须小于40H），其中DIG3栏对应的扫描码为011B，对应的SEG4行扫描码为100B，单片机可以随时读取键码，但一般在CH452检测到有效键并产生键盘中断时，读取键码。此时此时，键码位 6 始终为 1。另外，如果您需要知道何时释放键，单片机可以通过查询周期性地读取键码，直到键码位 6 为 0。

下表为DIG7～DIG0和SEG7～SEG0之间88位矩阵的顺序寻址，不仅是按键寻址，还有数码管段位、发光管的LED阵列和光列寻址. 由于键码为 7 位，所以按键时第 6 位始终为 1，所以按键时，CH452 提供的实际键码为表中键地址加 40H，即密钥代码应在 40H 和 7FH 之间。表3.1 CH452按键寻址3.2单片机控制单元模块电路3.2.1控制原理本设计以单片机为核心设计。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，是控制系统中最关键的部件。本系统选用与MCS-51系列完全兼容的单片机，??可构成真正单片机最小的应用系统，减小系统体积，提高系统可靠性，并降低系统成本。输出的矩形脉冲信号直接控制步进电机的正反转。两台电机需要4路控制信号，预留一根信号线。工作台上行程开关的检测信号通过光电隔离装置送至单片机，可实现单片机与电机工作电路的隔离，起到抗干扰和保护作用，还有三个备用。

图3.2 单片机控制单元模块电路3.2.2 光电耦合电路 电机的输入信号经光电耦合器后送到单片机处理。高电平会对单片机造成严重干扰。单片机产生的控制信号不能直接连接步进电机，需要强弱电隔离。在实际应用中，强弱电隔离一般采用电子开关方式或光电隔离方式。这里我们采用光电隔离的方式，如图3.3。光电耦合器件集成了发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光电晶体管），通过光实现耦合，形成电光和光电转换器件。图3.3 光电耦合电路3.2.3 芯片参数 这次使用的单片机是美国ATMEL公司生产的COMS 8位单片机，如图3.5的基本外围电路图所示。参数如下：8k Flash、256字节RAM、32个16位定时器/计数器、6向量二级中断结构、全双通信口、省电模式。图3.4 基本外围电路图 内部逻辑框图 图3.

P1为准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。P2为准双向I/O口，与地址总线复用（高8位），可驱动4个LS型TTL负载。P3准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。另外，P3口还有第二个功能，如表3.2所示： 表3.2 P3口第二个功能3.3 串口通讯模块串口通讯有很多种， RS232、目前常用的是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电平和TTL电平转换已得到广泛应用，效果良好。3.3.1 RS232 通讯协议（1） RS-232C 标准简介 在串行通讯接口标准中，RS-232C 是最常用的串行通讯接口。RS-232C标准全称是EIA-RS-232C标准，明确规定了串行通信连接电缆的机械、电气特性、信号功能和传输过程，适用于0-20kb范围内的数据传输速率/秒。2） RS-232C 中的针脚定义和电气特性定义了 20 条信号线，使用 25 型连接器 DB25 实现。后来为了简化串口线的连接，连接器DB9的类型，DB9的引脚分布和信号说明分别如图3.6和表3.3所示。RS-232C 是最常用的串行通讯接口。RS-232C标准全称是EIA-RS-232C标准，明确规定了串行通信连接电缆的机械、电气特性、信号功能和传输过程，适用于0-20kb范围内的数据传输速率/秒。2） RS-232C 中的针脚定义和电气特性定义了 20 条信号线，使用 25 型连接器 DB25 实现。后来为了简化串口线的连接，连接器DB9的类型，DB9的引脚分布和信号说明分别如图3.6和表3.3所示。RS-232C 是最常用的串行通讯接口。RS-232C标准全称是EIA-RS-232C标准，明确规定了串行通信连接电缆的机械、电气特性、信号功能和传输过程，适用于0-20kb范围内的数据传输速率/秒。2） RS-232C 中的针脚定义和电气特性定义了 20 条信号线，使用 25 型连接器 DB25 实现。后来为了简化串口线的连接，连接器DB9的类型，DB9的引脚分布和信号说明分别如图3.6和表3.3所示。串行通信连接电缆的信号功能和传输过程，适用于0-20kb/s范围内的数据传输速率。2） RS-232C 中的针脚定义和电气特性定义了 20 条信号线，使用 25 型连接器 DB25 实现。后来为了简化串口线的连接，连接器DB9的类型，DB9的引脚分布和信号说明分别如图3.6和表3.3所示。串行通信连接电缆的信号功能和传输过程，适用于0-20kb/s范围内的数据传输速率。2） RS-232C 中的针脚定义和电气特性定义了 20 条信号线，使用 25 型连接器 DB25 实现。后来为了简化串口线的连接，连接器DB9的类型，DB9的引脚分布和信号说明分别如图3.6和表3.3所示。

本设计采用芯片实现单片机与上位机之间的电平转换，且芯片本身对电流有一定的抽吸作用，因此广泛应用于串行通信中。3.3.2 串行通信电路 RS-232C接口电路包括RS-232C接口电平转换部分和RS-232C总线连接部分。RS-232C标准逻辑电平与TTL电平的转换由一个芯片实现，单片机的TXD和RXD分别接R1out端。2 串行通信电路 RS-232C接口电路包括RS-232C接口电平转换部分和RS-232C总线连接部分。RS-232C标准逻辑电平与TTL电平的转换由一个芯片实现，单片机的TXD和RXD分别接R1out端。2 串行通信电路 RS-232C接口电路包括RS-232C接口电平转换部分和RS-232C总线连接部分。RS-232C标准逻辑电平与TTL电平的转换由一个芯片实现，单片机的TXD和RXD分别接R1out端。

RS-232C总线连接采用最简单的三线连接方式，即连接、RXD和GND 图3.7RS-232C接口电路电机及电气控制电路设计4.1步进电机模块步进电动机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的电动机。运行需要特殊的驱动电源，驱动电源的输出由外部脉冲信号控制。每个脉冲信号都可以使步进电机转动一个固定的角??度，称为步距角。脉冲数决定总转角，脉冲频率决定电机的转速，通过改变绕组的通电顺序可以改变电机的旋转方向。在数字控制系统中，它既可以用作驱动电机，也可以用作伺服电机。广泛应用于工业过程控制，特别是智能仪表和需要精确定位的场合。图4.1 三相无功步进电机工作原理4.1.1 步进电机工作原理 步进电机是机电一体化的关键部件之一，广泛应用于精密定位、同步、行程控制等场合。一、步进电机有三线式、五线式和六线式三种，但它们的控制方式是一样的，都必须用脉冲电流驱动。描述如下： 相位励磁方式：每一瞬间只导通一个线圈。功耗小，精度好，但扭矩小，振动大。每发送一个励磁信号，步进电机就可以采用8相励磁方式进行控制。激励顺序如图所示。

如果励磁信号反向传输电机实验工作台，则步进电机反转。相位励磁方式：每一个瞬间，两个线圈同时导通。由于其扭矩大，振动小，目前使用最多的励磁方式，每个励磁信号可以行程1.8度。如果采用两相励磁方式控制步进电机的正转，励磁时序如图所示。如果励磁信号反向传输，则步进电机反转。C、1-2相和2相交替导通。由于分辨率提高，运行平稳，每个激励信号可以传播0.9度，因此也被广泛使用。如果采用一相励磁方式控制步进电机的正转，励磁顺序如图所示。如果励磁信号反向传输，则步进电机反转。励磁顺序：3、步进电机的负载转矩与转速成反比。速度越快，负载转矩越小。当速度达到极限时，步进电机停止运行。所以每一步之后，程序都要延迟一段时间。下面是国产20BY-0步进电机，采用+5V直流电源，步距角18度。电机线圈由A、B、C、D四相组成，驱动方式为两相励磁方式。图4.2 步进电机原理图4.1 线圈上电时序 相序从0 开始使电机同速反转。

4.2.2 步进电机步距角和工作节拍数 如果转子齿数为Nr Nr，步进电机运行k 节拍，转子可以转动一个节距位置。其实步进电机每拍一个步，所以步进电机步距角公式（4.2）其中：k是步进电机的节拍数，Nr是步进电机的节拍数例如：三相无功步进电机，工作方式分为三拍和六拍，三拍是指旋转一个螺距时换相三次；六拍是指换相六次。在三拍模式下，还有单三拍和双三拍的点。从公式（4.2)，可以看出，为了降低步进功率，也就是提高控制精度，步进电机处于一相。在一定情况下，应增加工作节拍数。4.3.3 步进电机的频率特性 对于无功步进电机，当其绕组通电的相序不同时，旋转方向步进电机与步进电机不同。准确度不同。步进电机对绕组的通电频率有一定的要求。如果上电频率过高，超过了步进电机的最大步进速度，就会造成失步。一般步进电机的通电频率，即启动频率为50步/秒到2000步/秒。步进电机的频率特性曲线是由步进电机的工作频率与其对应的转矩构成的曲线。步进电机的典型频率特性曲线如图2所示。步进电机的频率特性曲线与很多因素有关，这些因素包括步进电机转子的直径、转子的有效长度。转子铁芯、控制电路的电压、齿数、齿形、槽比、步进电机的内部磁路、绕线方式、定转子之间的气隙、齿数转动一个音高所需的节拍等。

在使用中，步进电机的频率特性会受到影响，用户可以确定的因素有：控制节拍、控制线电压、线时间常数等。下面分析这些因素对频率特性的影响的步进电机。（1)工作方式对频率特性的影响在步进电机的应用中，其工作方式以一个齿距所用的节拍数来表示。节拍数本质上就是电源电压换向所需的次数旋转一个齿距，值得指出的是，换向是指步进电机各相绕组的转换，电源电压是单极固定的。一般来说，无功电机的节拍数越多，转矩频率特性越好。因此，在设计中应该做出更多的选择。节拍控制方法。(2)线路时间常数对频率特性的影响。其中L为步进电机绕组电感；RL为绕组电阻；Rc为晶体管T的集电极电阻；D为续流二极管，为绕组放电提供回路； ，为消耗性负载，一般为几欧姆。此时线路时间常数Tj公式（4.3)其中：L单位为亨利, Rc, RL 单位为欧姆，Tj 单位为秒 图4.3 步进电机单线绕组切换回路 切换回路时间常数Tj与注入电机绕组的电流达到的时间有很大关系一个稳定的值，从而影响步进电机的工作频率。还有：Tj越小，电流越大，稳定时间越短，对应的电机工作频率越高；反之，Tj越大，电流稳定时间越长，电机工作频率越低。

可根据客观情况选择合适的外接电阻Rc，使步进电机振荡。步进电机处于正常工作频率状态。（3)开关回路电压对频率的影响开关回路加在绕组上是一个矩形脉冲电压，所以电流也是一个脉冲。在步进电机中，尽量加大启动电流来提高step 增加电机的转矩，即提高工作频率。由于步进电机是感性负载，进入绕组的电流脉冲呈指数增长，即电流脉冲i为： 公式（< @4.4) 其中：i为电流脉冲的瞬时值；为开关回路电压为u时电流的稳态值；

从图中可以看出，要改变三相交流电机的旋转方向，只需交换两相即可。图中各元件的功能如下表： 表4.2 元件功能列表4.3 交流电机星三角启动正常运行时，定子绕组接一个三角异步马达。启动时，为了保护电机，一般采用Y/buck方式限制启动电流。Y/降压启动原理如图1所示：启动过程中，电机定子绕成星形，即KMY闭合。此时电机各相的耐压为额定值，启动电流为三角形接法时启动电流的1/3。定时器在 KMY 关闭时开始计时，计时到时，KMY 断开，KM 关闭。电机绕组呈三角形接法，进入正常运行阶段。4.4 电器元件继电器简介继电器用于根据输入信号接通或断开小型控制电路，实现对自动控制电器的遥控和保护。接触器 接触器用于接通或断开电动机的主电路控制电器。可以实现远程控制。保险丝 保险丝是根据电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计的。具有一定的瞬态特性，用于电路短路保护和严重过载保护。行程开关行程开关是利用生产机械的一些运动部件的碰撞发出控制指令的主要电器。用于控制生产机械运动方向、速度和行程大小的装置。致谢 我要感谢我的导师周鲁光，同时也要感谢我班上的几位同学。正是在您的指导和帮助下，我的设计才能顺利完成。运动控制系统清华大学出版社2019年自动检测技术与器件化工出版社电子电路CAD实用教程。