基于单片机的挖掘机设计-毕业论文

中文摘要 I 摘摘要要 单片机是一种集成电路芯片， 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口 和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电 路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而 完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪 80 年代，由当 时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。 工程机械大多数都是逻辑控制比较多，比如挖掘机的前进、后退、转弯、 主臂升降、前臂升降等运动。如果在某一时间段内重复同样的一系列动作，操 作人员会比较容易感到枯燥乏味， 且劳动强度较大。 能否通过人的一系列动作 后使得机器有一个记忆功能， 将重复动作自动完成任务呢？所以就研究出单片 机， 用单片机进行逻辑控制将每个动作记忆下来， 进行下次动作的时候将自动 按时间、顺序执行。 本系统是以挖掘机模型为控制对象， 模型有 4 个电机分别控制左轮、 右轮、 主臂、前臂。此次课程设计我们做了 8 个手动按键来进行前进、后退、转弯、 主臂升降以及前臂升降等一系列完整动作， 还设计了一个按键进行手动和自动 的转换，并且安装无线传输设备，使得挖掘机的控制范围增大。 关键词关键词：单片机，挖掘机，手动自动转换，无线传输 英文摘要 II Abstract SCM is a kind of integrated circuit chips, is to use very large scale integrated circuit technology with data processing ability of the central processor CPU RAM , read-only memoryROM, A varietyof I/O mouth and interruptsystem, timer/counter function (may include display driver circuit, pulse width modulation circuit, analog multiplexer and A/D converter circuit) integration to A piece of silicon consisting of A small and perfect microcomputer system, widely used in industrial control field. Since the 1980 s, by the time of the four, 8-bit microcontroller, development to the present 300 m high speed single chip microcomputer. Engineering machinery is mostly logic control is more, such as excavator forward, backward, turn, such as the main arm and forearm lifting movement. If within a certain period of time to repeat a series of action, the operator easy to feel boring, and the intensity of labor is larger. Can make the machine after a series of actions by people with a memory function, the repetitive movements will be automatically completed? Using single chip microcomputer logic control can be set down every action memory, the next time will automatically in accordance with the time and order. This system is based on model of excavator control object, the model has four motor respectively control the left and right wheel, main arm, forearm. The curriculum design we made eight manual buttons to move forward, backward, turn, the boom lift and forearm movements, and a series of complete action, also designed a button for manual and automatic conversion, and install wireless transmission equipment, makes the control range of excavator. KeyWords:Singlechipmicrocomputer;Excavator;Manualautomatic conversion; Wireless transmission. 吉林工程技术师范学院毕业论文 1 第一章第一章绪绪 论论 由于我们生活的世界变得越来越现代化， 越来越科技化， 在现代的测控系 统当中，PC 机就具有强大的数据数据处理能力以及良好的用户界面，它由主 机、键盘、显示器组成。还有一种类型的计算机，大多数人并不是很熟悉它， 这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器） 。顾名思义， 这种计算机的最小系统只用了一片集成电路， 而单片机也因为具有将强的现场 干扰能力及良好的性价比广受人们青睐，因此，PC 机为上位机实施用户控制 和以单片机为下位机进行实时数据采集的分布式智能化控制系统无疑具有很 好的应用前景。它在整个装置中，犹如人类的大脑，如果它除了毛病，那么整 个装置就瘫痪了。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度 取代着传统电子线路构成的经典系统， 蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的 领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 此次课程设计是运用单片机 STC12C5410AD 来对挖掘机进行编程，使其 能够手动进行一整套完整的挖土动作。 挖掘机内部共有 4 个电机， 分别控制左 轮、右轮、主臂和前臂，因此，我们需要 2 个 L298N 驱动板来驱动电机转动， 并且需要一个稳压电源来给驱动板的控制电源端供电。 因为我们要进行手动操 作，所以我们需要 8 个按键分别对应 8 个状态：前进、后退、左转、右转、主 臂升/降、前臂升/降。 第二章 电路板的焊接 2 第二章第二章 电路板的焊接电路板的焊接 2.1 焊接操作要领焊接操作要领 2.1.1 焊前准备焊前准备 1、物料：含直接用料和辅料，留意焊接元件是否有极性要求元件脚是否 氧化、油污等。焊接是，对焊接温度，时间是否有特别要求。 2、工/器具：视焊接元件而定，应有锡线座、元件盒、焊枪、焊台、镊子、 剪钳等。如有防静电要求，应注意采用防静电工/器具，同时操作员应戴好防 静电手腕带。 2.1.2 实施焊接实施焊接 准备好焊锡和烙铁，烙铁要保持洁净。 具体操作如下： 1、加热焊件 2、熔化焊锡，当焊件加热到能熔化焊料的温度后，将锡至于焊点，焊锡 开始熔化并润湿焊点。 3、在焊点加入适当的焊锡后，一开锡线。 4、当焊锡完全湿润焊点后，以大概 45的角度移开烙铁。 以上过程对一般焊点在大约 23 秒完成，应注意在焊锡尚未完全凝固以 为不要晃动接元件，以免造成虚焊。 2.1.3 焊接后的处理焊接后的处理 当焊接结束后，应检查有无漏焊、错焊、短路、虚焊等现象，清理 PCB 板上的残留如：锡渣、锡碎、元件脚等。 对焊点的基本要求： 1、焊点应具有良好的导电性。 2、焊点应具有一定的强度。 3、焊接点应具有一定的强度。 4、焊接点的表面应具有良好的光泽。 5、焊点不应有毛刺及间隙。 吉林工程技术师范学院毕业论文 3 6、焊接点表面要清洁。 2.1.4 名词解释名词解释 1、虚焊：是指焊锡与被焊金属没有形成金属合金，只是简单的依附在被 焊接的金属表面上。 2、假焊：是指焊点内部没有真正焊接在一起，也就是焊接物与焊锡被氧 化 层或焊剂的未挥发物及污物隔离。 3、是指应焊接点被漏掉，为进行焊接。 2.2 元器件识别元器件识别 1、色环电阻及其参数识别 色环颜色代表的数字：黑 0、棕 1、红 2、橙 3、黄 4、绿 5、蓝 6、紫 7、 灰 8、白 9。 色环颜色代表的倍率：黑*1、棕*10、红*100、橙*1K、黄*10K、绿*100K、 蓝*1M、紫*10M、灰*100M、白*1000M、金*0.1、银*0.01。 色环颜色代表的误差等级：金 5%、银 10%、棕 1%、红 2%、绿 0.5%、 蓝 0.25%、紫 0.1%、灰 0.05%、无色 20%。 2、二极管、发光二极管、数码管的作用、识别及注意事项 作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导 通电阻很小；而在反向电压的作用下，导通电阻很大或者会达到无穷大。 识别方法：小功率二极管的 N 极，也就是负极，在二极管外表的多数采 用一种色全标出来，也有些二极管用二极管的专用符号来表示二极管的 P 极， 也就是正极或 N 极，也有采用符号“P” 、 “N”来确定二极管极性的。发光二 极管的正负极可以通过引脚长短来识别，引脚长的为正极，引脚短的为负极。 3、三极管 塑料封装三极管的识别：NPN、PNP； 三极：基极（B） 、集电极（C） 、发射极（E） ； 面对三极管的平面，从左到右依次为 E、B、C。 4、电容 电解电容：可以通过引脚长短来识别正负极，引脚长的为正，引脚短的为 第二章 电路板的焊接 4 负。使用电解电容的时候要特别注意正负极不要接反。 非极性电容 电容标称值：电解电容的容值一般比较大，表示为 Xuf/yV，其中 x 为电 容容值，y 为电容耐压；通常在容量小于 10000pF 的时候，用 pF 做单位，而 且用简标，如：1000pF 标为 102,10000pF 标为 103。 2.3 焊接调试焊接调试 1、按照焊接要领完成焊接 其中器件焊接顺序以先焊接好的元件不影响后面元件的焊接为原则， 一般 闲焊接体积较小的电阻电容等器件， 后焊接体积较大的元件， 接插件最后焊接。 焊接完成后要仔细检查，看是否有虚焊、漏焊、短路现象。 2、用万用表电阻档测量电源输入端，看是否有短路现象。如有，应在加 电前排除。 2.4 电路板的焊接方法电路板的焊接方法 许多的先进设备中，硬件电路板是主要的组成部分之一，而焊接，就是制 造电子产品的重要环节之一， 如果没有相应的工艺质量保证， 任何一个设计精 良的电子产品都难以达到设计要求。在科研开发，设计试制、技术革新的过程 中制作一块两块电路板， 不可能并且也没有必要采用自动化设备， 只需要进行 手工装焊即可完成。在大批量的生产中，从元件的筛选，再到电路板的装配焊 接，都是由系动化机械来完成的，例如整形机、自动测试机、印制板清洗机、 元件清洗机等， 这些由计算机控制的生产设备， 在现代化大规模电子产品中发 挥了重要的作用，有利于工艺条件和装焊操作的一致性，提高产品的质量。 2.4.1 焊接的分类焊接的分类 焊接技术在电子工业中的应用非常广泛， 在电子产品制造过程中， 几乎各 种焊接方法都要用到，但是使用最普遍、最有代表性的是焊锡方法。焊锡是焊 接的一种， 它是将焊件和熔点比焊件低的焊料共同加热到焊锡温度， 在焊件不 熔化的情况下， 焊料熔化并浸润焊接面， 依靠二者原子的扩散形成焊件的连接。 吉林工程技术师范学院毕业论文 5 主要特征有一下三点： 1、焊料熔点低于焊件； 2、焊接时将焊料与焊件共同加热到焊锡温度，焊料熔化而焊件不熔化； 3、焊接的形成依靠熔化状态的焊料浸润焊接面，由毛细作用使焊料进入 焊件的间隙，形成一个合金层，从而实现焊件的结合。 除了含有大量的铬、 铝等元素的一些合金材料不宜采用锡焊焊接外， 其他 金属材料大都可以采用锡焊焊接。焊锡方法简单，只需要使用简单的工具（如 电烙铁）即可完成焊接、焊点整修、元器件拆换、重新焊接等工艺过程。此外， 焊锡还具有成本低、 易实现自动化等优点， 在电子工程技术里， 它是使用最早、 最广、占比重最大的焊接方法。 2.4.2 焊锡必须具备的条件焊锡必须具备的条件 焊接的物理基础是“浸润” ，浸润也叫“润湿” 。要解释浸润，先从荷叶上 的水珠说起： 荷叶表面有一层不透水的蜡质物质， 水的表面张力使它保持柱状， 在荷叶上滚动而不能摊开，这种状态叫做不能浸润；反之，假如液体在与固体 的接触面上摊开，充分铺展接触，就叫做浸润。焊锡的过程，就是通过加热， 让铅锡焊料在焊接面上熔化、滚动、浸润，使铅锡院子渗透到铜母材（导线、 焊盘）的表面内，并在两者的接触面上形成 Cu6-Sn5 的脆性合金层。 在焊接过程中，焊料和母材接触所形成的夹角叫做浸润角，如图 2-1 中（a） 图所示，焊料与母材没有浸润，不能形成良好的焊点； （b）图中焊料与母材浸 润，能够形成良好的焊点。仔细观察焊点的浸润角，就能判断焊点的质量。 图 2-1 浸润与浸润角 显然， 如果焊接面上有阻隔浸润的污垢或氧化层， 不能生成两种金属材料 的合金层，或者温度不够高使焊料没有充分溶化，都不能使焊料浸润。进行锡 焊，必须具备的条件有以下几点： 1、焊件必须具有良好的可焊性 第二章 电路板的焊接 6 所谓可焊性是指在适当温度下， 被焊金属材料与焊锡能形成料号结合的合 金的性能。不是所有的金属都具有好的可焊性，有些金属如铬、钼、钨等的可 焊性就非常差；有些金属的可焊性又比较好，如紫铜、黄铜等。在焊接时，由 于高温使金属表面产生氧化膜，影响材料的可焊性。为了提高可焊性，可以采 用表面镀锡、镀银等措施来防止材料表面的氧化。 2、焊件表面必须保持清洁 为了使焊锡和焊件达到良好的结合， 焊接表面一定要保持清洁。 即使是可 焊性良好的焊件， 由于储存或被污染， 都可能在焊件表面产生对浸润有害的氧 化膜和油污。在焊接前务必把污膜清除干净，否则无法保证焊接质量。金属表 面轻度的氧化层可以通过焊剂作用来清楚， 氧化程度严重的金属表面， 则应采 用机械或化学方法清楚，例如进行酸洗或刮除。 3、要使用合适的助焊剂 助焊剂的作用是清除焊接表面的氧化膜。 不同的焊接工艺， 应该选择不同 的助焊剂，如镍铬合金、不锈钢、铝等材料，没有专用的特殊焊机是很难实施 锡焊的。在焊接印制电路板等精密电子产品时，为使焊接可靠稳定，通常采用 以松香为主的助焊剂。一般是用酒精将松香溶解成松香水使用。 4、焊件要加热到合当的温度 焊接时，热能的作用是熔化焊锡的加热焊接对象，使锡、铅等原子获得足 够的能量渗透到被焊金属表面的晶格中而形成合金。 焊接温度过低， 对焊料原 子渗透不利，无法形成合金，极易形成虚焊；焊接温度过高，会使焊料处于非 共晶状态，加速焊剂分解和挥发速度，使焊料品质下降，严重时还会导致印制 电路板上的焊盘脱落。 需要强调的是， 不但焊锡要加热到熔化， 而且应该同时将焊件加热到能够 熔化焊锡的温度。 5、合适的焊接时间 焊接时间是指在焊接全过程中， 进行物理和化学变化所需要的时间。 它包 括被焊金属达到焊接温度的时间、 焊锡的熔化时间、 助焊剂发挥作用及生成金 属合金的时间几个部分。当焊接温度确定后，就应根据被焊件的形状、性质、 特点等来确定合适的焊接时间。焊接时间过长，易损坏元器件或者焊接部位； 过短，则达不到焊接要求。一般，每个焊点焊接一次的时间最长不超过 5s。 吉林工程技术师范学院毕业论文 7 2.4.3 手工烙铁焊接的基本技能手工烙铁焊接的基本技能 使用电烙铁进行授予共焊接， 掌握起来并不困难， 但是又有一定的技术要 领。 长期从事电子产品生产的人们是从四个方面提高焊接的质量： 材料、 工具、 方法、操作者。 其中最主要的当然还是人的技能。 没有经过相当时间的焊接实践和用心体 验、领会，就不能掌握焊接的技术要领；即使是从事焊接工作较长时间的技术 工人， 也不能保证每个焊点的质量完全一致。 只有充分了解焊接原理再加上用 心实践，次啊有可能在较短的时间内学会焊接的基本技能。 第三章 硬件电路的设计 8 第三章第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计 此次课程设计需要我们用单片机使挖掘机的玩具模型手动完成一整套挖 掘动作，即，需要 8 个按键分别对应挖掘机的 8 个状态。还需要一个按键作为 手动自动转换。挖掘机的设计主要分为硬件和软件两个部分。挖掘机内部有 4 个电机，分别对应了挖掘机的左轮、右轮、主臂和前臂。电机需要驱动电路使 其转动，所以需要 2 块驱动电路板，每个电路板对应 2 个电机，每个电机对应 两个动作。 3.1 单片机系统单片机系统 3.1.1 STC12C5410AD 系列单片机系列单片机简介简介 STC12C5410AD 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的 单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼 容传统 8051， 但速度快 8-12 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路， 4 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。 1、增强型：8051，CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 的 8051； 2、工作电压：5.5-3.5V（5V 单片机）/3.8-2.2V（3V 单片机） ； 3、工作频率范围：0-35MHz，相当于普通 8051 的 0-420MHz； 4、用户应用程序空间：1K/2K/4K/6K/8K/10K/12K 字节； 5、片上集成 512 字节 RAM； 6、通用 I/O 口（27/23/15） ，复位后为：准双向口/弱上拉；可设置成四种 模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高祖，开漏；每个 I/O 口驱 动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不得超过 55mA； 7、ISP（在系统中可编程）/IAP（在应用中可编程） ，无需专用编程器， 无需专用仿真器， 可通过串口 （P3.0/P3.1） 直接下载用户陈旭， 数秒即可完成。 8、EEPROM 功能； 9、看门狗； 吉林工程技术师范学院毕业论文 9 10、内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体，12M 以下时，可省外 部复位电路） ； 11、时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器。用户在下载用户 程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部 R/C 振荡器频率为 5.2MHz-6.8MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但 因为制造误差和温度，应认为是 4MHz-8MHz； 12、共 6 个 16 位定时器/计数器，两个专用 16 位定时器 T0 和 T1，再加 上 PCA 模块可再实现 4 个 16 位定时器； 13、5140 有 4 路 PWM/PCA，也可用来当 4 路 D/A 使用，也可用来再实 现 4 个定时器，也可用来再实现 4 个外部中断； 14、外部中断 2 路，下降沿中断或低电平触发中断； 15、A/D 转换，10 位精度 ADC，共 8 路； 16、通用全双工异步串行口，由于 STC12 系列是高速 8051，也可以再用 订婚四起软件实现多串口； 17、SPI 同步通信口：主模式/从模式； 18、工作温度范围：0-75/-40-+85； 3.1.2 引脚图引脚图及其各引脚的功能及其各引脚的功能 图 3-1 STC12C5410AD 单片机引脚图 1：P2.2，标准 I/O 口； 第三章 硬件电路的设计 10 2：P2.3，标准 I/O 口； 3：RST，复位脚； 4：P3.0/RxD，标准 I/O 口，串口数据接收端； 5：P3.1/TxD，标准 I/O 口，串口数据发送端； 6：XTAL2，内部时钟电路反相放大器的输入端，接外部晶振的另一端。 当直接使用外部时钟源，此引脚可悬空； 7：XTAL1，内部时钟电路反相放大器的输入端，接外部晶振的一端。当 直接使用外部时钟源，此引脚是外部时钟的输入端； 8：P3.2/INT0，标准 I/O 口，外部中断 0； 9：P3.3/INT1，标准 I/O 口，外部中断 1； 10：P3.4/T0，标准 I/O 口，定时器/计数器 0 的外部输入； 11：P3.5/T1/PWM1/PCA3，标准 I/O 口，定时器/计数器 1 的外部输入， 脉宽调制输出 1，可编程阵列输出 1； 12： P2.4/PWM3/PCA3， 标准 I/O 口， 脉宽调制输出 3， 可编程阵列输出 3； 13：P2.5，标准 I/O 口； 14：GND，电源负极，接地； 15：P2.6，标准 I/O 口； 16：P2.7，标准 I/O 口； 17： P3.7/PWM0/PCA0， 标准 I/O 口， 脉宽调制输出 0， 可编程阵列输出 0； 18：P1.0/ADC0，标准 I/O 口，ADC 输入通道-0； 19：P1.1/ADC1，标准 I/O 口，ADC 输入通道-1； 20：P1.2/ADC2，标准 I/O 口，ADC 输入通道-2； 21：P1.3/ADC3，标准 I/O 口，ADC 输入通道-3； 22：P1.4/ADC4，标准 I/O 口，ADC 输入通道-4； 23：P1.5/ADC5，标准 I/O 口，ADC 输入通道-5； 24：P1.6/ADC6，标准 I/O 口，ADC 输入通道-6； 25：P1.7/ADC7，标准 I/O 口，ADC 输入通道-7； 26： P2.0/PWM2/PCA2， 标准 I/O 口， 脉宽调制输出 2， 可编程阵列输出 2； 27：P2.1，标准 I/O 口； 28：VCC，电源正极。 吉林工程技术师范学院毕业论文 11 STC12C5410AD 单片机中包含中央处理器、程序存储器（Flash） 、数据存 储器（RAM） 、EEPROM、定时/计数器、I/O 接口、UART 接口和中断系统、 SPI 接口、高速 A/D 转换模块、PWM（或捕捉/比较单元）以及硬件看门狗、 电源监控、片内 RC 振荡器等模块。可以说 STC12C5410AD 单片机几乎包含 了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统（SOC） ， 可以很容易地构成典型的测控系统。 3.2 驱动电路驱动电路 3.2.1 驱动电路驱动电路 驱动电路是主电路与控制电路之间的接口， 使电力电子器件工作在较理想 的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安 全性都有重要的意义。 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设中或通过驱 动电路实现。电路图如图 3-2 所示。 驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求， 转 换为加在电力电子器件控制端和公共端之间， 可以使其开通或关断的信号。 对 半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号， 又要提供关断控制信号。 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节， 一般采用光隔 离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器；磁隔离的元件通常是脉冲变压器。 图 3-2 驱动电路图 第三章 硬件电路的设计 12 3.2.2 L298N 的的基本基本介绍介绍 本次课设采用的驱动电路是 L298N，如图 3-3 所示。L298N 是 SGS 公司 生产的直流电机驱动集成电路，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N。 内部包含 4 通道逻辑驱动电路， 可以方便地驱动两个直流电机或一个两相步进 电机。工作电压为 46V，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输 出电压；输出电流可达 2.5A，最大可以达到 4A，可驱动电感性负载；可以直 接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N 可接受 标准 TTL 逻辑电平信号 VSS， 9 脚 VSS 可接 4.57V 的电压。 4 脚 VS 接电源 电压，VS 电压范 VIH 为2.546V2。1 脚和 15 管脚下的发射极分别单独 引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电动机， 此时 OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机。57、10、12 脚接 输入控制电平，控制电机正反转；ENA，ENB 脚接控制使能端，控制电机的 停转3。为了获取更大的输出电流，L298N 采取输入输出并联的连接方式， 即 IN1 与 IN4（5 脚和 12 脚） 、IN2 与 IN3（脚和 10 脚） 、OUT1 与 OUT4（2 脚和 14 脚） 、OUT2 与 OUT3（3 脚和 13 脚）分别连接在一起。 图 3-3 L298N 实物图及其引脚分布 3.2.3 电路优化部分电路优化部分 1、光耦隔离器件 在实际应用当中，由于存在弱点到强电的连接，L298N 的四个输入 IN1IN4 都必须采用光耦隔离器或者其他有效隔离方式。 在这里我们选取光耦 吉林工程技术师范学院毕业论文 13 产品 TLP521-4，如图 3-4 所示。 图 3-4 光耦隔离器件 光耦隔离器件主要构件时发光器件和光敏器件，发光器件一般都是 IRLED，而光接受器件有光敏二极管、光敏三极管、达林顿管、光集成电路等 类型，在高频开关电源中，对光耦的相应速度要求很高，延迟时间在 500ns 以内。用于模拟信号或直流信号传输时，应采用线性光耦以减小失真，而传输 数字开关信号时，对其线性度的要求不太严格。 通过光进行开关作用， 光电耦合器就是将发光二极管和光电三极管密封在 一块，发光二极管通电点亮以后，照到光电三极管的基极上，基极收到信号就 导致集电极到发射极之间形成通路， 发光二极管熄灭之后， 光电三极管上集电 极到发射极的通路阻断了，二极管到三极管之间没有电器连接，所以很安全， 万一三极管端出现问题也不会殃及二极管端，这就是隔离的作用。 光耦隔离就是曹勇光耦合器进行隔离。 发光二极管把输入的电信号转换为 光信号传给光敏管转换为电信号输出， 由于没有直接的电气连接， 这样既耦合 传输了信号，又有隔离作用。只要光耦合器质量好，电路参数设计合理，一般 故障少见。如果系统中出现异常，使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所 能承受的电压，就会使之被击穿损坏。 重要参数： （1）隔离电容：一般要求小于 1pF； （2）直流电流传输比 CTR： 一般为 20%300%， 越接近常数则线性越好， 其大小反映光耦的传输能力； 第三章 硬件电路的设计 14 （3）输入输出间的绝缘电压（110KV）和绝缘电阻（10111012） ； （4）饱和压降：一般小于 0.4V； （5）相应速度：一般用 tPHL和 tPLH表示。 优点： （1）占空比任意可调； （2）隔离耐压高； （3）抗干扰能力强，目前带静电屏蔽的光耦很容易买到，若羌点之间的 隔离性能很好，另外，光耦属电流型器件，对电压型噪声能有效的抑制。 （4） 传输信号范围从 DC 到数 MHz， 其中线性光耦尤其适用于信号反馈。 缺点： （1）在全桥拓扑中，开关器件为 4 个，需 3-4 个光耦，而每一光耦都需 独立电源供电，增加了电路的复杂性，成本增加，可靠性降低； （2）因光耦传输延迟较大，为保证开关器件开通与管段的精确性，必须 使各路的结构参数一致，使各路的延迟一致，而这往往难以做得很好； （3）光耦的开关速度较慢，对驱动脉冲的前后沿产生较大延时时，影响 控制精度。 2、续流电路 由续流二极管构成“H”桥，作为 L298N 的辅助电路来实现随直流电机 的控制。在这里面，二极管并没有什么特殊的地方，只不过是起到了续流的作 用而已。 在实际使用当中，使用二极管要注意其允许最大电流和对打耐压两个参 数。根据情况不同选取不同参数的元器件。 3.2.3 L298N 的特点的特点 1、具有信号指示；2、转速可调；3、抗干扰能力强；4、具有过电压和过 电流保护；5、可单独控制两台直流电机；6、可单独控制一台步进电机；7、 PWM 脉宽平滑调速；8、可实现正反转；9、采用光电隔离。 驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求， 转 换为加在电力电子器件控制端和公共端之间， 可以使其开通或关断的信号。 对 半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号， 吉林工程技术师范学院毕业论文 15 又要提供关断控制信号。 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节， 一般采用光隔 离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器；磁隔离的元件通常是脉冲变压器。如 图 3-5 所示为 L298N 驱动电路板。 图 3-5 L298N 驱动电路板 3.3 稳压电源稳压电源 3.3.1 什么是稳压电源什么是稳压电源 能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。如图 3-6 所示。包括 交流稳压电源和直流稳压电源两大类。交流稳压电源 又称交流稳压器。随着 电子技术的发展，特别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电 子设备都要求稳定的交流电源供电， 电网直接供电已不能满足需要， 稳压电源 的出现解决了这一问题。 图 3-6 稳压模块电路板 第三章 硬件电路的设计 16 随着社会飞速前进， 用电设备与日俱增。 但电力输配设施的老化和发展滞 后， 以及设计不良和供电不足等原因造成末端用户电压的过低， 而线头用户则 经常电压偏高。 对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备， 犹 如没有上保险。 不稳定的电压会给设备造成致命伤害或误动作， 影响生产， 造成交货期延 误、质量不稳定等多方面损失。同时加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁 配件，使业主面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备，浪费资源；严重者 甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。 稳压器除了最基本的稳定电压功能以外， 还应具有过压保护 （超过输出电 压的+10%） 、欠压保护（低于输出电压的-10%） 、缺相保护、短路过载保护最 基本的保护功能。电路图如图 3-7 所示。 图 3-7 稳压模块 3.3.2 稳压电源的种类稳压电源的种类 常用的稳压电源有：1、铁磁谐振式交流稳压器，由饱和扼流圈与相应的 电容器组成，具有恒压伏安特性；2、磁放大器式交流稳压器，将磁放大器和 自耦变压器串联而成， 利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压； 3、 吉林工程技术师范学院毕业论文 17 滑动式交流稳压器，通过改变变压器滑动接点位置稳定输出电压；4、感应式 交流稳压器，靠改变变压器次、初级电压的相位差，使输出交流电压稳定。5、 晶闸管交流稳压器，用晶闸管作功率调整元件。稳定度高、反应快且无噪声。 但对通信设备和电子设备造成干扰。20 世纪 80 年代以后，又出现 3 种新型交 流稳压电源：补偿式交流稳压器。数控式和步进式交流稳压器。净化式交流稳 压器。具有良好隔离作用，可消除来自电网的尖峰干扰。 3.3.3 稳压电源的工作原理稳压电源的工作原理 稳压器电路由 l2V 电源电路、电压检测控制电路、过电压保护组成， l2V 电源电路由调压变压器 T 的 W4、W5 绕组和整流二极管 VDl-VD4、滤波电容 器 Cl、C2 组成。电压检测控制电路由电阻器 R-R7、电位器 RPl、Rm、稳压 二极管 VS、电容器 C3、C4 和运算放大器集成电路 IC(Nl-N3)组成。过电压保 护电路由 IC 内部的 N3、晶体管 V3、电阻器 Rl2 和继电器 K 组成。自动调压 电路由电阻器 R8-Rll、 晶体管 Vl、 V2、 直流电动机 M、 滑动触头和 T 的 Wl-W3 绕组组成。将交流稳压器的输大端与市电相接后，在 T 的 W4、W5 绕组上产 生了感应电压。该电压经 VDl-VD4 整流及 Cl、C2 滤波后，为 IC 和 Vl、V2 等提供 士 l2V 不稳定工作电压。+l2V 电压还有其他作用。经 Rl-R3 分压、VS 稳压后，分别为 Nl-N3 的反相输入端提供基准电压;为过电压保护电路申的 K 和 V3 提供工作电源;经 R4、RP2、R6 分压后，为 Nl 和 N2 的正相输入端提供 检测电压;经 R7、RPl、R5 分压后，为 N3 的正相输入端提供检测电压。 Nl-N3 将正相输大端的检测电压与反相输大端的基准电压进行比较， 用产 生的误差电压去控制自动调压电路。 当市电电压正常时，Nl 和 N2 的输出端电压为 OV，Vl 和 V2 均处于截止 状态，电动机 M 不工作。当市电电压偏低时，Nl 和 N2 输出低电平，使 V2 导通，Vl 截止，M 逆时针旋转，通过滑壁臂驱动滑动触头移动，与 T 相应的 电压抽头接触 (T 的 Wl、W2 绕组共设置了 21 个电压抽头，每一档的电压调 节范围为 5V)， 通过 T 的 W2 绕组来提升输出电压。 当输出交流电压升至 220V 时，V2 截止，M 停转。当市电电压偏高时，Nl 和 N2 均输出高电平，使 Vl 导通，V2 截止，M 顺时针旋转，通过滑臂驱动滑动触头移动，与 T 相应的电 压抽头接触，通过 T 的 Wl 绕组来降低输出电压。当输出交流电压降至 220V 第三章 硬件电路的设计 18 时，Vl 截止，M 停转。当市电电压偏高超过 260V 时，N3 因正相输入端电压 高于反相输入端电压而输出低电平，使 V3 截止， ，K 释放，其常闭触头接通 交流电压的输出回路。 当市电电压为 160-260V 时， N3 因正相输入端电压低于 反相输入端电压而输出高电平，使 V3 导通，K 吸合，其常闭触头断开，从而 保证负载（用电器）不会因过电压而损坏。 3.3.4 稳压模块的特点稳压模块的特点 优点 1、功耗小，效率高。在开关稳压电源电路中，晶体管 V 在激励信号的激 励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快， 频率一般为 50kHz 左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近 1000kHz。这使得开关晶体管 V 的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高， 其效率可达到 80%。 2、体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没 有采用笨重的工频变压器。由于调整管 V 上的耗散功率大幅度降低后，又省 去了较大的散热片。 由于这两方面原因， 所以开关稳压电源的体积小， 重量轻。 3、稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调 节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电 网电压变化较大时， 它仍能够保证有较稳定的输出电压。 所以开关电源的稳压 范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制 型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方 法也较多， 设计人员可以根据实际应用的要求， 灵活地选用各种类型的开关稳 压电源。 4、滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压 电源的工作频率目前基本上是工作在 50kHz，是线性稳压电源的 1000 倍，这 使整流后的滤波效率几乎也提高了 1000 倍。 就是采用半波整流后加电容滤波， 效率也提高了 500b 倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤 波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的 1/500-1/1000。 吉林工程技术师范学院毕业论文 19 5、电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型， 有单端式和双端式等等， 设计者可以发挥各种类型电路的特长， 设计出能满足 不同应用场合的开关稳压电源。 缺点 开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。 开关稳压电源中， 功率 调整开关晶体管 V 工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的 其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰， 这些干扰如果不采取一定的措施进行抑 制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振 荡器没有工频变压器的隔离， 这些干扰就会串入工频电网， 使附近的其他电子 仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。 3.4 独立按键独立按键 3.4.1 键盘输入应注意的问题键盘输入应注意的问题 1、键盘的任务： （1）判别是否有键按下？若有，进入下一步工作。 （2）识别哪一个键被按下，并求出相应的键值。 （3）根据键值，找到相应键值的处理程序入口。 2、键盘输入的特点 常见键盘： 触摸式键盘、 薄膜键盘和按键式键盘， 最常用的是按键式键盘。 按键实质上就是一个开关。如图 3-8（a）所示，按键开关的两端分别连接在行 线和列线上，通过键盘开关机械触点的断开、闭合，其行线电压输出波形如图 3-8（b）所示。 图 3-8（b）所示的 t1和 t3分别为键的闭合和断开过程中的抖动期（呈现 一串负脉冲） ，抖动时间长短与开关的机械特性有关，一般为 510ms，t2为 稳定的闭合期，其时间由按键动作确定，一般为十分之几秒到几秒，t0、t4为 断开期。 第三章 硬件电路的设计 20 图 3-8 键盘开关及其行线波形 3、按键的识别 键的闭合与否，行线输出电压上就是呈现高电平或低电平。高电平，表示 键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平的高低状态的检测，可确认按 键按下以及按键释放与否。 为了确保对一次按键动作只确认一次按键有效， 必 须消除抖动期 t1 和 t3 的影响。 4、如何消除按键的抖动 按键去抖动的方法有两种： 一种软件延时，本思想是：在检测到有键按下时，该键所对应的行线为低 电平，执行一段延时 10ms 的子程序后，确认该行线电平是否仍为低电平，如 果仍为低电平，则确认该行确实有键按下。当按键松开时，行线的低电平变为 高电平，执行一段延时 10ms 的子程序后，检测该行线为高电平，说明按键确 实已经松开。采取本措施，可消除两个抖动期 t1和 t3的影响。 另一种是采用专用的键盘/显示器接口芯片，这类芯片中都有自动去抖动 的硬件电路。 3.4.2 键盘的工作原理键盘的工作原理 键盘可分为两类：非编码键盘和编码键盘。 非编码键盘是利用按键直接与单片机相连接而成， 这种键盘通常使用在按 键数量较少的场合。使用这种键盘，系统功能通常比较简单，需要处理的任务 较少，但是可以降低成本、简化电路设计。按键的信息通过软件来获取。 常见的为两种结构： 独立式键盘和矩阵式键盘。 此次课设用到了 8 个独立 按键，每个按键分别对应挖掘机 8 个状态。还有一个自锁按键，用来作为手动 吉林工程技术师范学院毕业论文 21 自动转换按键，如图 3-9 所示。 图 3-9 独立式键盘 独立式键盘特点是： 一键一线， 各键相互独立， 每个键各接一条 I/O 口线， 通过检测 I/O 输入线的电平状态，可容易地判断哪个按键被按下，如图 3-10 所示。 图 3-10 独立式键盘接口电路 对于图 3-11 所示的键盘，图中的上拉电阻保证按键释放时，输入检测线 上有稳定的高电平。 当某一按键按下时， 对应的检测线就变成了低电平， 与其他按键相连的检 测线仍为高电平，只需读入 I/O 输入线的状态，判别哪一条 I/O 输入线为低电 平，很容易识别哪个键被按下。 第三章 硬件电路的设计 22 优点：电路简单，各条检测线独立，识别按下按键的软件编写简单。 缺点： 适用于键盘按键数目较少的场合， 不适用于键盘按键数目较多的场 合，因为将占用较多的 I/O 口线。 3.5 无线传输设备无线传输设备 本系统不仅设置了手动装置， 还安装了无线传输功能。 在进行手动按键的 时候，挖掘机的活动范围不仅窄小，而且线路复杂；安装了无线设备之后，使 得挖掘机的活动范围变大，更好控制，深得操作人员的喜爱。 3.5.1 JZ863 概述概述 JZ863 微功率无线数传模块，如图 3-11 所示，是一种短距离无线数据产 品，它体积小，功耗低，稳定性及可靠性极高，能方便为用户提供双向的数据 信号传输、检测和控制。适合水电气三表、智能卡、门禁考勤、无线排队、楼 宇控制、货场物流、防盗报警、智能仪器仪表、无功补偿、智能教学设备、体 质监测智能设备、测量设备、汽车黑匣子、自动控制、家具智能化等领域的数 据控制和数据抄录。根据用户需要可以做成 USB 接口供电，方便笔记本或 PC 机用户解决电源问题。 图 3-11 JZ863 无线模块 此次设计中，将会用到两块 JZ863 模块，一块用于发送数据，一块用于接 吉林工程技术师范学院毕业论文 23 收数据。 3.5.2 JZ863 功能特点功能特点 1、微发射功率：最大（100mW）的发射功率，高接收灵敏度-110dbm， 小体积 44mm27mm8mm； 2、ISM 频段工作频率，无需申请频点； 3、 高抗干扰能力和低误码率： 基于 FSK 的调制方式， 采用高效通信协议， 在信道误码率为 10-2 时，可得到实际误码率 10-510-6； 4、传输距离远：在视距情况下，天线高度2 米，可靠传输距离500m ； 5、多信道，多速率：JZ863 模型块标准配置提供 8 个信道，满足用户多 种通信组合方式的需要。JZ863 型模块可提供 1200bps、2400bps、4800bps、 9600bps、19200bps 等多种通信波特率，并且无线传输速率与接口波特率成正 比，以满足客户设备对多种波特率的需要； 6、智能数据控制：利用 RS232，RS485 口可直接进行无线传输，其他如 空中收/发转换，网络连接，控制等操作，模块能够自动完成； 7、看门狗实时监控：看门狗监控内部功能，改变了传统产品的组织结构， 提高了产品的可靠性； 8、天线的配置：可根据用户的现场使用不同的天线，已达到最佳的效果。 3.5.3 JZ863 接口的定义接口的定义 JZ863 有多种接口形式，各接脚定义如下表 3-1 所示。 表 3-1 JZ863 接口定义表 管脚模块管脚定义说明终端管脚定义备注 1VCC+50.5V+5VTTL 的 3V 用户需选配 2GND电源、终端地DGND/AGND 3RXD/RS-232串行数据接收端TXD/RS-232 4TXD/RS-232串行数据发送端RXD/RS-232 5SLE休眠控制输入端高电平休眠，低电平唤醒 3.5.4 JZ863 与与 MAX232 本次设计所用的 JZ863 接口为 RS232，由于电脑串口电平是-10V+10V， 第三章 硬件电路的设计 24 而一般的单片机应用系统的信号电压时 TTL 电平 0+5V，MAX232 就是用来 进行电平转换的，如图 3-12 所示。该器件包含 2 个驱动、2 个