毕业设计（论文）-新型晾衣架机电系统设计.doc

毕业设计新型晾衣架机电系统设计102012239韩波机械工程系学生姓名： 学号： 机械电子工程系 部： 李 烨专 业： 指导教师： 二一四年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日新型晾衣架机电系统设计摘 要：本次设计的晾衣架是在对市场上现有的各类型晾衣架进行研究分析的基础上，通过查阅资料，综合运用所学知识设计出的一款气动新型晾衣架。晾衣架类型为伸缩式，主体为贴壁式交叉杆件伸缩机构，执行元件为晾衣架下端的两个双作用气缸，控制系统以80C51单片机为控制核心。需要晾晒衣物时气缸推动晾衣架向外伸出，不使用时气缸拉动晾衣架使之紧贴墙壁。在设计过程中，运用Pro/e完成晾衣架的实体建模及运动分析，用Keil进行控制程序的编译，再用Proteus软件对单片机控制系统进行模拟仿真以完成此次设计。关键词：晾衣架；气动；机电系统；单片机Design of new type of dryer of mechatronics systemAbstract：The design of the dryer is existing in the market based on the analysis of each type of dryer was studied,by looking at data,Integrated use of knowledge in the design of a new pneumatic dryer,For the telescopic airer type,Subject to stick wall cross bar telescopic mechanism,Actuators for drying rack bottom two double-acting cylinder,The control system with the 80C51 single chip processor as the core.Need air basks in clothings cylinder push protruding from the dryer,When not in use cylinder pull clothes-horse make it close to the wall.In the design process,Using Pro/e complete clothes-horse entity modeling and motion analysis,Control program using Keil compiler,Then use Proteus simulation software of single-chip microcomputer control system to complete the design.Keywords:clothes-horse;pneumatic;mechatronics;single chip microcomputer目 录1 前言12 晾衣架主体设计42.1晾衣架结构设计42.2 晾衣架尺寸设计及强度校核42.2.1 各杆件强度校核53 气动技术与气缸控制回路设计63.1气动技术63.1.1气动技术简介63.1.2 气动技术应用63.1.3 气动技术的发展前景73.2气动回路设计73.2.1 气动回路中各元件简介83.2.2 气缸的选择94 控制系统设计114.1单片机原理114.1.1 单片机原理概述114.1.2 单片机的应用系统114.1.3 80C51简介134.2 其他主要器件介绍174.2.1 继电器介绍174.2.2 串行下载口介绍194.3 各部分电路设计214.3.1 电源电路214.3.2 时钟电路224.3.3按键电路224.3.4 控制电磁阀工作电路234.4 系统软件设计与实现24结 论25参考文献26致 谢27附 录28311 前言 衣架是由一个名叫艾伯特帕克豪斯的工人发明的。当时他是美国密执安州的一家金属丝及小手工制品公司制作灯罩的铁匠，一天他生气地发现工厂衣帽间的挂衣钩已被全部占用，他气冲冲的拿出一段铅丝，弯成大衣肩部的形状并在上面加了钩子。这个发明被他老板据为己有并取得专利，这便是衣架的起源。 衣架是我国较早出现的一种家具，周朝开始实行礼制，贵族阶层对衣冠十分重视，为了适应这种需要，较早就出现了专门用来悬挂衣物的架子。各个朝代的衣架形式各有不同，名称也有所不同。春秋时期，横架的木杆，用以挂衣曰“桁”，又叫“木施”。在宋代，衣架的使用较前代更为普遍，并且有形象的资料，河南禹县宋墓壁画梳妆图中的衣架，它由两根立柱支撑一根横杆，横杆两头长出立柱，两头微向上翘，并做成花朵状。下部用两横木墩以稳定立柱，在上横杆下部的两柱之间，另加一根横枨，以起加固作用。明代衣架整体造型仍保持着传统模式，但用材、制作、装饰尤精。衣架下端以两块墩子木作足，里外两面浮雕回纹，墩上植立柱，前后两个镂雕卷草花站牙抵夹。站牙上部和下部分用榫与立柱和座墩连接，两墩安装用小块木料攒接的棂格，由于棂格具有一定的宽度，故可以摆放鞋履等物。各个横材与立柱结合部的下侧，都有透雕拐子回纹花牙承托。衣架从选材、设计、雕刻制作，在明代都达到了很高的艺术水平。明清衣架造型典雅，装饰精美，雕刻细致，漆色光亮。明清官员头戴乌纱红缨帽，身着前后缀有补子的盘领马蹄袖长袍，故清代衣架高大，站牙立柱上设有横杆，二端出挑，雕有纹饰，衣袍搭在横杆上，谓龙门架。清朝实行“易服”政策，推行穿满人服装，满人体魄剽悍而高大，所穿的服装体积大，份量重。有钱、有地位人的衣服，是由堆花绣凤的绫罗绸缎组成，因此，造就清代衣架的繁华、端庄、巨大，是这一个时期的特征，也是区别其他时代的不同之处。清代衣架又俗称“朝服架”，主要挂置男用官服所用，因此，所有的衣架主梁都如同二条仰首的双龙，傲气地横卧在那里，象征着官运亨通，其余的如“福”、“禄”、“寿”及各种装饰性花饰，则进一步强调他们的价值观念。古时的衣架到了现代又有了新的演变和发展，传统的款式和现代的实用功能相结合，产生了新的家居制品，别有一番韵味。晾衣架有多种形式，下面介绍几种常见的种类。一、阳台升降式是安装在阳台，通过手摇或电动的方式使晾杆降低，把衣服晾好后，再使晾杆升高的一种晾衣架。这种产品适宜在家庭和宿舍的阳台用。二、壁挂式壁挂式壁挂式晾衣架是装在墙壁上的，安装高度一般到人的胸部，设计合理的应可以打起和放下，平时放下时贴着墙壁，不占用空间，要晾衣服时才打起。这些晾衣架短的适于酒店、宿舍、医院病房、家庭的房间等等。长的适用于室外，如别墅或有院子的房屋。三、落地式落地式落地式晾衣架就是直接放在地上用的一种晾衣架，现时常见的有X型、蝴蝶型（又称翼型）、单杠双杠型几种。适用于房间、阳台和室外。四、拉伸式拉伸式拉伸型晾衣架也是装在墙壁上的，平时可推紧贴在墙壁上，使用时拉开来晾挂衣服。适用于房间、阳台和室外。不管晾衣架的种类有多少，但其主要功能还是用来晒衣服，大家在购买的时候应该以实用性为主。 本次设计完成了如下要求：（1）用Pro/e进行晾衣架主体三维建模及运动分析（2）设计控制气缸伸缩的电气控制原理图（3）单片机控制系统电路原理图设计（4）利用单片机编程实现气缸伸缩的控制（5）运用Proteus软件对单片机控制系统进行模拟仿真 此次设计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。2 晾衣架主体设计2.1晾衣架结构设计本次新型晾衣架的设计拟选用气压或者液压缸作为执行元件。经过网上查阅资料及市场调研分析，拉伸式晾衣架适合与液压或气压缸结合如图2.1。由于以气压作为动力相对于液压成本低许多，且液压传动容易弄脏衣物，而采用气压传动成本较低，且干净清洁，所以选择气缸作为晾衣架的执行元件。杆件材料选择5052-H112铝合金，其拉伸强度为175MPa，屈服强度为195MPa。图2.1 晾衣架三维视图2.2 晾衣架尺寸设计及强度校核 经过实际测量，本人衣服晾起后宽度在430mm左右，晾衣杆撑开后个杆件相互垂直，因此图2.1中绿色长杆两端孔中心距为：L1=430*cos45*2=608mm为适合晾晒其他衣物晾晒，取：L1=610mm去晾衣杆有效晾晒长度为：L2=2500mm2.2.1 各杆件强度校核如图2.2为晾衣架机构简图图2.2 晾衣架机构件图假设晾晒衣物的质量为100kg，且全部晾晒在晾衣架离墙壁最远的晾衣杆上，经过计算，靠墙壁的杆件受最大压力约为：F=5000N。图2.1中棕色杆件的横截面尺寸设计为300mm*150mm，此时横截面所受应力为：1=5000/(300*150)=0.1MPa所受应力远小于所选材料拉伸强度，所以符合设计要求。图2.1中绿色杆件的尺寸设计为300mm*100mm，横截面所受应力为：2=5000/(300*200)=0.08MPa所受应力远小于所选材料拉伸强度，符合设计要求。晾衣杆选择不锈钢管，设计外径为35mm，内径为30mm。3 气动技术与气缸控制回路设计3.1气动技术3.1.1气动技术简介气动技术，全称气压传动与控制技术，是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点，被广泛应用于轻工机械领域中，在食品包装及生产过程中也正在发挥越来越重要的作用。3.1.2 气动技术应用气动技术应用的最典型的代表是工业机器人。代替人类的手腕、手以及手指能正确并迅速的做抓取或放开等细微的动作。除了工业生产上的应用之外，在游乐场的过山车上的刹车装置，机械制作的动物表演以及人形报时钟的内部，均采用了气动技术，实现细小的动作。液压可以得到巨大的输出但灵敏度不够；另一方面要用电能来驱动物体，总需要用一些齿轮，同时不能忽视漏电所带来的危险。而与此相比，使用气动技术即安全又对周围环境无污染，即使在很小的空间里，也可以实现细小的动作。如果尺寸相同，其功率能超过电气。与此特性所带来的需求完全相一致的就是半导体产业。在生产线上，实现前进、停止、转动等细小简单的动作，在自动化设备中不可或缺。在其它方面，如制造硅晶片生产线上不可缺少的电阻液涂抹工序中使用的定量输出泵以及与此相配合的周边机器。 另外，虽然气动技术在各工业部门已经获得了广泛应用，但是，在许多应用之间还是存在着相当大差异的。就应用气动技术来说，最基本条件就是要有一台空气压缩机，对已有用于其它用途的空气压缩机的地方，应用气动技术就更方便些。特别是在-些非生产加T部门，如畜牧业、种植业或服装业，情况更是如此。在机器设备制造领域中，大多数场合都有空气压缩机，且气动技术已有应用，每个应用项目在本质上也有许多相似之处，因此，我们可以对机器设备制造中的气动技术应用情况进行归纳终结，并列成表格形式。3.1.3 气动技术的发展前景气动行业的发展也是趋向于保护环境、提高产品的性能、降低成本，同时由于性能的提高和成本的降低又助于节省能源从而利于环境保护，其关键在于提高气动行业的自动化水平，使其产品更加优越，所以气动行业的发展方向大致为： 1 .机电气一体化一体化一体化一体化 2.高压、小型化 3.高效、低成本 4.无油化 5.高寿命、高可靠性 6.集成化、复合型、多功能 7.高速化 随着气动产品越来越多地应用于生物工程、医药、原子能、微电子、机器人等各行业，相应地提出了许多新的要求，因此大力发展新材料、铸造技术、表面热处理、密封技术、计算机技术、传感技术等许多基础技术越来越受到人们的重视。（1）与电子技术结合，大量使用传感器，气动元件智能化；（2）体积更小，重量更轻，功耗更低；（3）执行元件的定位精度提高刚度增加，活塞杆不回转，使用更方便；（4）更高的安全性和可靠性；（5）向高速、高频、高响应、高寿命方向发展；（6）各种异型截面缸筒和活塞杆的气缸甚多；（7）普遍使用无油润滑技术，满足某些特殊要求。3.2气动回路设计根据工作要求，电气原理图如图3.1所示，当晾衣架需要撑开时，两个电磁阀左端吸合，两气缸向右推动，当运动到右端行程开关处时，电磁阀复位，气缸停止运动，当晾衣架需要收缩时，电磁阀右端吸合，气缸想左运动，当气缸运动到左端行程开关处时电磁阀复位，气缸停止运动，晾衣架收缩完成。图3.1电气原理图3.2.1 气动回路中各元件简介（1）气缸气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件，气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类（见图）。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。本次设计所选用气缸为单作用往复直线运动气缸。（2）行程开关行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。（3）电磁阀电磁阀（Electromagnetic valve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。（4）空气压缩机空气压缩机是工业现代化的基础产品，常说的电气与自动化里就有全气动的含义；而空气压缩机就是提供气源动力是气动系统的核心设备机电引气源装置中的主体，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。3.2.2 气缸的选择（1）气缸行程范围根据几何关系，晾衣架处于工作位置时，靠墙壁的固定端和移动端距离为：L1=610*cos45=431.335mm取整数L1=431mm当其处于紧贴墙壁位置时两端，有三维实体建模测量得，两端距离为：L2=612mm所以所选气缸行程范围：LL2-L1=612-431=181mm根据市场上所售气缸的型号选择最大行程为200mm的气缸。（2）缸径选择有与气缸带动晾衣架运动时都为晾晒衣物，气缸负载较小，拟选用气缸缸径为：D=16mm拟选用气缸型号为：MAL-U16200其性能参数如表3.2所示表3.2 气缸性能参数根据表3.2，气缸能承受的最大外界压力为：F=3.14*16*16*0.9=723.456N完全符合要求，最终悬着气缸型号为MAL-U16200，如图3.2所示。图3.3 MAL-U16200气缸（3）气体压强确定气压由压力控制阀在使用时调节，设计中不做校核4 控制系统设计4.1单片机原理4.1.1 单片机原理概述单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图3-4中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。图4.1 典型单片机结构图4.1.2 单片机的应用系统单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应用系统的构成基本上如图4.2所示。图4.2 单片机的应用系统单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。下图就是一个AT89C51的一个典型最小应用系统。图4.3 AT89C51单片机最小应用系统 4.1.3 80C51简介 80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package），内有128个RAM单元及4K的ROM。 80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。其引脚如图4.4所示。图4.4 单片机的引脚排列 40只引脚按其功能来分，可分为如下3类：1）电源及时钟引脚：VCC，GND，XTAL1，XTAL2。2）控制引脚：/PSEN,ALE,/EA,RESTE(即RST)。3）I/O口引脚：P0口，P1口，P2口，P3口，为4个8位I/O口的外部引脚。（1）主要特性： 与MCS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路（2） 管脚说明： VCC：电源端，接+5V电源。 GND：接地端。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当 P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。ALE/PROG：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机正常工作时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号。当访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。如果想初步判断单片机芯片的好坏，可以用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号输出，如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PROG是本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机（例如8751）编程写入时，此引脚为编程脉冲输入端。 /PSEN：外部程序存储器的输出允许控制端。在由外部程序存储器取指期时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此脚与外部程序存储器的/OE端相连。/PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。如果要检查一个单片机应用系统上电后，CPU能否正常到外部程序存储器读取指令码，可以用示波器查/PSEN端有无脉冲输出。 /EA/VPP：/EA功能为内外程序存储器选择控制端。当/EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，即超过片内程序存储器的4KB地址范围时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当/EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。不论是否有内部程序存储器。对于8031，由于其无片内ROM，故/EA必须接低电平，这样只选择外部存储器。/VPP为本引脚第二功能。在对EPROM型单片机内EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压（例如+21V或+12V）。对于89C51，则加在/VPP引脚的编程电压为+12V或+5V。 RST/Vpd：该引脚为复位信号输入端，该信号高电平有效，当单片机运行时，在此引脚输入保持大于两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。单片机正常工作时，此引脚应为0.5V低电平。Vpd为本引脚第二功能。即备电源的输入端。当电源Vcc发生故障时降到某一规定值的低电平时，将+5V电源直接接入RST端，为内部的RAM提供备电源，可保护片内RAM中信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部晶体振荡器时，该引脚必须接地。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部晶体振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。（3）I/O口引脚：1 P0口（P0.0P0.7）：双向8位三态I/O口，此口为8位地址总线（低8位）及8位数据总线分时复用端口；2 P1口（P1.0P1.7）：8位准双向I/O口；3 P2口（P2.0P2.7）：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线；4 P3口（P3.0P3.7）：8位准双向I/O口，双功能复用口。（4）振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。（5）芯片擦除： 整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4.2 其他主要器件介绍4.2.1 继电器介绍继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电、磁、声、光、热等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。继电器可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。我们常用的是电磁继电器，本设计也是采用的电磁继电器，所以在这里将重点介绍电磁继电器。（1）电磁继电器的工作原理和特性图4.5电磁继电器原理图 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。（2）继电器主要产品技术参数额定工作电压：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。直流电阻：是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。吸合电流：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。释放电流：是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。触点切换电压和电流：是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。（3）继电器的选用 先了解必要的条件：控制电路的电源电压，能提供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。 注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。4.2.2 串行下载口介绍 RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。其引脚图如下：图4.6 RS232引脚图RS232（DB9）的引脚功能如下：（1）：DCD数据载波检测（2）：TXD发送数据（3）：RXD接收数据（4）：DTR数据终端准备好（5）：GND信号地（6）：DSR数据通信设备准备好（7）：RTS请求发送（8）：CTS清除发送（9）：RI振铃提示RS232采用负逻辑电平：逻辑1：-15-3V；逻辑0：+3+15V；由于TTL电平和RS232电平互不兼容，所以两者相对接时，必须进行电平转换。RS232与TTL电平转换最常用的芯片是MAX232,它是一种把电脑的串行口RS232信号电平（-10V，+10V）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0V，+5V）的芯片，其引脚图如下：图4.7 MAX232引脚图 MAX232芯片是专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电。内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）4.3 各部分电路设计4.3.1 电源电路 本设计所用到的单片机是用直流+5V的电源供电，继电器、电磁阀是用24V直流电源供电，所以电源部分要能产生+5V和+24V的电压。 本设计利用LM7805芯片得到+24V和+5V的电压，在应用时要注意以下几点： （1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； （2）输出电流要满足负载的要求，当大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致热击穿； （3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。产生+24V的电压给继电器、光电耦合器和直流电机供电电路图如下：图4.8 电源电路4.3.2 时钟电路时钟电路用于产生80C51单片机工作时所必须的时钟控制信号，单片机各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此时钟电路是计算机的心脏，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。80C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端的为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接适应晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1和C2典型值通常为30pF左右，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。本设计采用30pF的电容。晶振的振荡频率通常在1.2MHz-12MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求也就高，对印制电路图的工艺要求也高，本设计采用12MHz的晶振。图4.9 时钟部分电路4.3.3按键电路 本设计需要设置六个按键，两个控制电磁阀的吸合，另外四个代表四个行程开关。由于用到的按键较少，所以可以用独立式键盘接口，独立式键盘接口就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。而独立式键盘又分为中断方式独立式键盘工作电路和查询方式的独立式键盘工作电路，本设计采用查询方式的独立式键盘工作电路，按键直接与80C51的I/O口线相连，通过读I/O线的高低电平状态，即可识别按下的键。电路图如下：图4.10 按键检测部分电路图4.3.4 控制电磁阀工作电路图4.11电磁阀动作电路图图中用四个电机代表两个电磁阀的四个线圈。当左端为高电平时，NPN三极管导通，继电器线圈导通，继电器控制开关吸合电机得电工作。4.4 系统软件设计与实现控制系统流程图如图4.12所示。图4.12 控制系统流程图结 论本设计是在对市场上已有晾衣架的进行调查分析的基础上，对晾衣架的创新设计。设计结合了机械、电子、电气、控制方面知识，是对大学四年所学知识的一次综合性应用。设计内容分为三部分：晾衣架结构设计、气动回路设计、以80C51单片为控制核心的机控制系统设计。设计中运用Pro/e软件进行晾衣架的三维建模进运动分析，用Proteus软件对控制系统进行模拟仿真。以下是对这次毕业设计的总结：（1） 本次设计中我首先掌握了一些气压传动以及单片机控制系统的基本知识，例如单片机控制气缸伸缩的原理和气缸回路控制及工作原理。并懂得了机械技术与电气控制技术如何结合到一起协同工作。（2） 本次设计中，我认真学习了Pro/e软件，能够运用Pro/e软件完成一些机构的运动仿真及分析，还学习了proteus对电路控制部分进行模拟仿真，懂得了C语言的一些基本语言结构以及语法结构。（3） 通过这次毕业设计，我的专业素养有了进一步提高，对我以后走进工作也有很大帮助，是我应该感到欣慰的。 由于本人所学知识和经验有限，设计中还存在一些不足和需要改进的地方，例如对气源部分未做详细设计，希望各位老师谅解。参考文献1 张毅坤，梁莉，陈善久.单片微型计算机及应用.西安电子科技大学出版社.2013.2.2 杨友平.基于89C51实现智能晾衣架控制系统设计J.机械工程与自动化，2011（6）：126-28.3 孙恒，陈作模，葛文杰，等.机械原理M.第8版.北京：高等教育出版社，2006.4 左建民.液压与气压传动.第4版.机械工业出版社.2012（6）.5 魏银库，陈建国，张纯亮.单片机原理与开发技术M.西安：西北工业大学出版社，2007.6 郑洪生.气压传动及其控制M.北京：机械工业出版社，2004（10）.7 于骏一，邱青.机械制造基础.机械工业出版社，2004.8 花国超.互换性与技术测量基础M.北京：北京理工大学出版社，1995.9 吴振宇.气压传动与控制.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.10 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