单片机控制数字液压阀的系统设计毕业论文.doc

北京工商大学毕业论文（设计）单片机控制数字液压阀的系统设计毕业论文目录第一章绪论1 1.1目的和意义 -1 1.2 国内外发展现状 - 31.3 毕业设计的内容 -5第二章 机械部分设计 -2.1 液压阀的选择 -67 2.2 步进电机的选择 -72.3 压力传感器的选择 -2.4 改造图及说明 -第三章 控制系统硬件设计 -910133.1 89C51单片机的介绍 -3.1.1 引脚简要说明 -14143.1.2 P3口的第二功能 -3.2 步进电机工作原理的介绍 -15153.3 硬件部分设计 -3.3.1 单片机电路 -3.3.2 反馈电路 -3.3.3 电路图 -第四章 控制系统软件部分设计 -4.1 环形脉冲分配 -4.2 步进电机的频率设定 -4.3 89C51单片机源程序 -第五章 实验 -5.1 实际实验 -5.2实验步骤 -5.3 实际误差 -5.4 实验图片 -参考文献 -附录 -161616171920212125252630303233第一章 绪论1.1 目的和意义液压阀的发展应从技术与市场相结合来看，它分成三个层次和三种发展方向。首先是以技术占领市场制高点，高端市场需要高层次、高水平的技术。目前，通用的是CAN总线，这种机电液总线一体化的技术将占领未来5年以上的技术制高点。各大跨国液压公司已经或正在发展基于这一技术基础上的液压阀系列产品，并用于液压泵的变量控制以及系统的各种阀控回路上。这方面的发展以工程机械液压产品领先，如已用于摊铺机的液压控制上， 这方面的跨国企业有Sauer-Danfoss的PLUS1系列产品；Rexroth也在致力于发展这方面的产品与技术。这些跨国企业在这方面已经走在前列。第二个层面是技术与市场相结合。这是目前国际市场上一种流行的理念，即不仅仅是提供产品而是提供给用户所需的解决方案或整体销售理念。目前这种理念更发展为液压销售商提供给用户的是增值服务，而不只是传统的产品本身。第三个层面是市场因素占主导，液压阀的发展在于集成度的提高，以及大批量、低成本的生产模式。在这方面值得注意的是螺纹插装阀，它作为液压元件五种连接方式之一，正以更快的速度增加市场占有量。今后的趋势是螺纹插装阀在挤压板式阀的市场空间。尽管板式阀在今后几年中仍然是市场的主体，但已不占有绝对优势。今后插装阀会逐步取代板式阀成为阀类的主体。这是因为螺纹插装阀不只是一种结构形式的变化，而它还给液压阀的发展带来了原来意想不到的推动力。螺纹插装阀最初是由于工程机械需要液压阀减轻重量而产生，同时这种阀还具有重量轻、成本低、易开发、集成度高、易组合、知识专有性强、系统变化适应性强等优势。因此它不仅为液压阀的发展带来更大的可塑性，也给系统的形成带来更多的专有性。近年来有些国外液压系统专利正是应用螺纹插装阀而获得的。今后二通插装阀与螺纹插装阀可分割阀的整个流量范围，即二通插装阀用于300500 l/min以上，螺纹插装阀用于300500 l/min以下的系统领域。同时应该看到液压正向4248MPa 领域发展，要能达到这一压力领域，阀的连接形式只有插装式。液压数字阀是未来与比例阀、伺服阀相辅相争的一个全新的新阀种。它具有价格更低、更易与计算机相接、放大驱动装置更简单，而且体积更小的特点。典型的应用在Sauer-Danfoss的PVG比例多路阀上已经可见，EATONVICHERS的二通插装流量阀专利产品也可见到。上海豪高机电科技有限公司在2006年开发出了用于31.5MPa下的高速开关数字阀，空载频响在0.2ms以下，31.5MPa下频响在2ms以下，达到了目前的最好水平，之所以达到这一水平主要原因是材料的突破。我国的液压工业经过不到五十年发展，已跨入世界前列。液压工业应抓住改革开放大发展的机遇，企业家与技术人员要更新产品和理念，从为用户增值的理念体现出市场竞争意识，站在市场的高峰和前列。多路阀得到广泛应用：阀在组合成液压系统时，有一个共同特点，就是必须给它们设计安装阀板。安装阀板的配合孔精度要求很高，在单件小批量非数控加工的条件下，很容易产生不合格品。那么有没有一种不需要加工阀板，又能任意组合的能形成特定控制功能的阀组呢？这就是多路阀。多路阀有手柄凸轮、拉杆、遥控软轴、旋转手柄等控制方式。其中手柄控制使用最为广泛，即可以控制动作又可以作为应急备用。如在高空作业车中，当作业臂举升到一定高度而控制电器发生故障时，为了保证人身安全，必须把作业臂降下来，这时只需要扳动换向手柄即可。多路阀有纯电控、气控、电液控等多种换向方式。常规的板式安装阀几乎不能做到既带手柄又带电、气液联合控制方式。而移动液压设备住往又有这个要求，即在电器自动控制方式失效时必须做到能够手动控制，便于将作业功能恢复后对设备进行检修。多路阀进油联、控制联、出油联能够有机地组合在一起，只进行简单的拆分就可以凑成联数不同的换向阀组来分别控制多个执行机构，如油缸、液压、马达等。多路阀本身并不需要用户自己加工阀板，这样多路阀在使用过程中，对用户就没有过高的工艺要求，基本杜绝了常见液压系统泄漏的通病。再加上多路阀结构紧凑，所以在工程机械、专用车辆等各种移动设备上使用相当广泛。由于多路阀是三位六通的，控制联可以做成串联功能的，几个阀组之间只需一根油管就可以组成一个过桥油路，使用起来非常方便，对防止设备联动，提高设备的使用安全性是相当必要的。另外多路阀也可以在工作油口上加装液压锁、过载阀、卸荷阀等。多路阀还可以做成比例阀型、负载敏感型、LS反馈型等多种特殊功能的类型。节能是持续的挑战：液压控制阀的工作总是伴随着压力损失，即能量损失。在一定意义上，液压阀的功能是以能量损失为代价而获得的。从节能的角度看，采用泵控的液压系统应比阀控的系统好。但从总体的工况、性能、多重负载以及成本等各个方面综合考虑，阀控的液压系统还是处于主导的位置。因此，一方面在设计系统的时候，应尽可能地考虑节能措施，如采用变量泵、负载传感控制或三通型调速等。另一方面采用高性能、高质量、高可靠及低成本的液压阀就是一种节能措施。如阀体的铸造流道经优化设计，精密铸造，表面光洁、流畅，这样的阀体必定外形紧凑、重量轻，且通流能力强，故可减少液流流经阀体内部通道时产生的不必要的流阻损失。如果同样功能的控制阀，其中某种阀的抗污染能力强，工作可靠性好，则其可避免高额的过滤成本，更可降低因故障而造成停产损失等风险，这也可以说是具有很好的节能效应。一种液压阀只能实现一种功能，这样容易使系统阀块体积过大。产品和产品之间的兼容性不好也很容易造成液压系统不稳定，由此引发一系列的发热、泄漏等非节能问题。所以液压阀的集成化发展方向应该在节能方面是可行的，这样可以减少泄漏，提高产品间的兼容性，一种阀可以实现3种甚至4种功能，这样对节能是有帮助的，也提高了应用的便捷性。此外各个公司的加工手段、加工工艺的好坏，先进与否也很大程度上影响到阀的性能和节能问题。数字化控制渐成趋势：在更小的空间实现更多功能组件的设置,以满足应用中的特殊要求，是目前液压产品设计中突出的问题。比例技术与电子技术的结合可以解决这类问题，是未来液压应用领域的发展方向。由于有永久存储功能，数字管理保证了系统设置的可重复性，数字组件测试保证了所有功能参数设置的可重复性，新的控制技术提高了比例阀的静态和动态特性。1.2 国内外发展现状经过长期不懈的研究开发，Atos公司在新型数字化电液技术上取得了长足的发展，并不断在不同的领域成功应用。相关的产品信息包括形成具有高动态响应的比例插装阀；形成具有P/Q组合比例控制功能的阀、插件、变量泵及伺服执行器；形成具有便捷的参数设置和强大诊断功能可实现远程操作的阀件；形成具有比例控制的防爆阀及不锈钢阀；可在高强度振动和冲击等苛刻工况下，“粗犷”地操作运行；数字技术的应用简化了控制系统的接线，同时提高了系统的使用效率。 Atos新型数字电液技术可为任何电液轴提供位移、速度或力的闭环控制方案。通过一个带有内置位移传感器的伺服缸，一个带有闭环功能数字控制器的比例阀，连接到电源和阀体本身的电子传感器反馈，并连接到机器设备的现场总线网络中，是实现高精度可控制轴运动的最佳解决方案。目前，Atos数字电液技术主要应用于注塑机行业的压力/流量控制，吹塑机的壁厚控制。液压轴向同步控制主要应用在CNC折弯机的折弯阶段，陶瓷压机取料功能，大型工业提升器的平台控制，还可应用于航天工业的高精度仿真模拟试验设备、娱乐及训练系统。与常规的伺服阀相比，派克汉尼汾公司开发的采用VCD（音圈驱动）技术的DFplus系列比例阀的动、静态特性完全能满足液压伺服系统的要求，而其结构上避免了“喷嘴”等对污染极其敏感的因素。因此，该系列阀对油液清洁度的要求都大大低于传统的伺服阀，仅与一般的比例阀相当，故其工作可靠性好，使用成本大大降低。顺便提及的DFplus是派克汉尼汾公司为更好地适应现代控制技术而开发的新型液压元件。此外，派克公司同时开发了一系列配套的数字式电子控制器，能直接与计算机或程序控制器连接，用以作为主机控制系统与液压系统之间信息传递和处理的桥梁，为主机的总体控制提供了极为方便、准确和有效的工具。目前液压阀的发展程度可归结为产品功能与规格基本齐全，可满足工程的总体需求。但随着材料技术的发展，电子计算机技术的发展，以及先进加工技术的发展，呈现出液压阀发展的多元性及深入性。由材料技术与电控技术的发展，加上计算机技术的需要，催生出液压高速开关阀即液压数字阀。它目前已崭露头角，但应用仍不为注目，然而它将是伺服阀与比例阀的更新换代产品。随着计算机网络技术的发展，催生出以微处理器与软件技术结合的具体总线传输控制的液压阀系列化产品。目前这种阀的名称还停留在各跨国公司的命名上。建议称为总线控制型液压阀（或简称线控或网控液压阀）。这种系列产品目前在液压阀的技术发展中是最高端技术的产品。另外，由于先进加工技术如数控机床的推广，催生出液压螺纹插装阀的发展与应用，它使液压阀的制造与应用都产生深刻的影响和变化。在今后几年，螺纹插装阀的市场占有量将由现在的5%10%增至25%30%，二通插装阀的市场占有量将由现在的15%20%增至20%25%，而叠加式、板式、管式等阀种的市场占有量将有可能下降。 目前，国内的企业正从设备等硬件设施与管理等软件设施各方面追赶世界先进水平，并取得了明显的成绩，他们的产品在2006年的PTC ASIA展览会上大家有目共睹。总的来说，国产阀优势在价格，差距在质量。但这只是从表面上看，我国液压工业与国外相比在液压阀方面的差距，在中低端市场上既不在于技术也不在于质量，而在于管理。说到底，真正的差距是理念上的及资金体制与机制方面的，实质上并不是技术上的，包括高端市场。1.3 毕业设计的内容本次毕业设计，我采用实验法，选择在KEILC51单片机实验台上，进行模拟实验，以确定实际中所需要的参数，再使用这些参数完成相关的设计计算，最终确定设计方案。主要是对于数字液压阀这个新领域的一个探索，这是一个机电一体化的产品，体现了机械产品一个未来的走势。这次毕业设计的主要内容有：1. 液压阀改造（步进电机与液压阀的连接）；2. 单板机控制步进电机；3. 压力传感器反馈。第二章 数字液压阀结构设计机械部分设计，其中一个主要的部分就是对于普通液压阀的改造，使其成为一个数字液压阀，可以用计算机进行远程控制。而这其中就包括了三个重要部分：传动部分、控制部分、反馈部分。在传动部分中，本次毕业设计采用了步进电机来带动液压阀的转动。步进电机可以运用单片机的输出功能,通过编程实现输出3个信号分别给步进电机的三相A、B、C,并通过输出时信号的循环次序,来设定步进电机的转动方向及输出信号的频率以便设定步进电机的转动频率。这是非常容易实现的一个控制方式，简单方便。而且，在我的设计中，步进电机轴将与液压阀的轴同轴连接，这样可以得到一个稳定的传动比，也就是1：1的传动比，易于设计和计算。虽然用齿轮传递动力可以得到不错的扭矩，但是精确度不能保证，对于空间的占用也远远大于直接连接的方式，与本次设计思想不符，所以本次毕业设计还是采用步进电机轴将与液压阀的轴同轴连接的方式的理念进行设计。对于控制部分，本次毕业设计将使用89C51单片机进行控制。89C51单片机是一个使用很普遍的芯片，它的40个引脚的功能，也基本上可以满足我这次设计的需要，是一个很好用的芯片。在本次毕业设计中，89C51单片机将作为一个控制芯片，对其编辑程序，便可以让它对步进电机进行一定的控制，不如控制转速、转动方向等。由于89C51输出的信号比较弱，所以必要的时候会连接一个放大芯片，以放大信号，这样可以更好的对步进电机进行控制。最后是反馈部分，对于一个闭环系统，反馈部分是很重要的一个部分。本次毕业设计，基于执行元件是液压阀，所以我设计了压力传感器作为一个反馈系统，它的作用是测量液压阀系统内部的压力，以反馈给89C51单片机，让89C51单片机可以通过反馈的结果进行进一步的控制。由于压力传感器反馈的信号是一个电信号，所以还需要把电信号转化为数字信号，这就需要一个A/D转换芯片在压力传感器与89C51之间进行工作。以上就是这次毕业设计中，对于机械部分的一些构思，基于以上构思，我将进行进一步设计，以达到预期的目标和这次毕业设计中应达到的要求。2.1 液压阀的选择本次毕业设计将选用YG13H型高灵敏度先导式减压阀，下面是这个型号的减压阀的介绍：本系列减压阀属于先导活塞式减压阀。由主阀和导阀两部分组成。主阀主要由阀座、主阀盘、活塞、弹簧等零件组成。导阀主要由阀座、阀瓣、膜片、弹簧、调节弹簧等零件组成。通过调节调节弹簧压力设定出口压力、利用膜片传感出口压力变化，通过导阀启闭驱动活塞调节主阀节流部位过流面积的大小，实现减压稳压功能。本系列产品在普通减压阀基础上做了以下改进，加大了活塞面积，改变了节流结构，改变了密封形式，改进了导阀结构和调节弹簧形式，从而从以下几方面提高了产品的性能：1、提高了对出口压力变化的传感效能，提高了灵敏度，大大降低了因上游压力变化，流量变化等因素引起的压力偏差。2、改善了流线分布，降低了噪声。3、改进了密封面结构，延长了密封面寿命。本产品主要用于液压管路，适用于进口压力变化大，流量变化大的液压管路。我选择这款液压阀有以下几个理由：首先，它本身可以用于液压油路，而且它的性能可以适应大流量（本次毕业设计，液压阀必须可以承受30MPa的压力）；其次，他可以适应大流量的变化（030MPa的压力变化）；它的灵敏度比较高，比较适合改造成数字液压阀；最后，它的结构比较好，可以较为容易的进行改造工作。2.2 步进电机的选择步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 一、步进电机常识 常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 二、计算在选用步进电机之前，我必须做一个计算，需要得到一个数值，以确定选用的步进电机必须提供多大的扭矩才能带动我选用的液压阀转动起来！根据我选用的YG13H型高灵敏度先导式减压阀，它的先导阀心的开口直径为2mm，本次毕业设计所要求的液压阀的最大压力为30MPa，这样我们就能算出，所需要步进电机的扭矩，计算如下：F = P * A =30 * 3.14 * 1 * 1 = 94.2N(液压系统的阻力)P扭 = F * S =94.2 * 0.006 =0.57N/m（电动机必须提供的扭矩）根据上面的计算，电动机的扭矩必须大于0.57N/m才能把液压阀带动起来，所以根据需要我选用混合式步进电机BS86HB65-04三、混合式步进电机BS86HB65-04下面列出了本次毕业设计用到的混合式步进电机的一些典型参数： 产品名称：BS86HB65-04步距精度：5%温升：80 Max环境温度：-20+50 （图2.1）绝缘电阻：100M Min 500VDC耐压：500V AC 1minute径向跳动：最大0.06mm（450g负载）轴向跳动：最大0.08mm（450g负载）电气规格（Specifications）：型号步距角电机长度保持转矩相电阻相电感转子惯量电机重量ModelStep Angle（）LengthL(mm)Holding Torque(N.m)Resistance()Inductance(mH)Rotor inertia(g.cm2)Weight(Kg)BS86HB65-041.8510.721.650.92750.65(表2.2)2.3 压力传感器的选择压力传感器，我选择了高温压力传感器TQ-550系列离子束溅射薄膜压力传感器。它应用了先进的离子束溅射和离子束刻蚀工艺，将应变电桥直接制作在金属测压膜片上。由于不用传统的胶粘工艺,显著改善了应变式传感器的长期稳定性及抗蠕变特性，使产品使用的温度范围大为扩展。由于没有活动部件,抗振动和抗冲的能力很强，可用于恶劣的环境。技术参数：量 程: 030MPa 工作电压: 5 DC精 度: 0.1、0.250.5%FS输 出: 1.51.8mv/v环境温度: 40125介质温度:40400（） 温度可选输出阻抗: 30.5K绝缘电阻: 1000M允许过载: 120%FS响应时间:1（ms）响应频率:10KHZ温度对零点影响: 0.01%FS/温度对灵敏度影响:0.02%FS/突出特点：1、高温、高压；2、高精度、高稳定性精度优于0.1%/年；3、抗振动、冲击、耐腐蚀，全不锈钢结构；4、体积小、重量轻、直接过程安装。 我选择这款压力传感器的原因是，高温压力传感器TQ-550它有很适合的量程030MPa（与本次毕业设计的要求相符）；其次，它可以使用于液压环境，可以耐高温、高压；然后，它的响应时间很短、响应频率较快，可以说是很精密，很适合数字控制；最后，它体积较小，尺寸很合适我选定的液压阀。这就是我选用它的原因，这次毕业设计中，它起到的作用是测定压力值并把信号反馈给控制系统，即压力传感器实时测定液压阀内部系统的压力值，并把这个压力值通过电信号的形式反馈给控制系统。2.4 改造图及说明改造图：（图2.3）如图2.3所示：1.先导阀芯 2.阀体 3.主阀芯 4.端盖5.步进电机 6.轴套 7.压力传感器局部图：(图2.4)如图2.4所示1.步进电机 2.轴套 3.阀体如图2.3，此图为YG13H型高灵敏度先导式减压阀改造成数字液压阀的机械部分的改造图。图中所示，编号2部分为阀体，编号5部分为步进电机，编号7部分为压力传感器，编号6部分为连轴器。YG13H型高灵敏度先导式减压阀是一个定差减压阀，它可以使液压系统中的某一支路的压力低于系统压力且保持压力恒定。压力油由阀的进口流入，经减压口减压后从出油口流出。当出口油压力低于先导阀的调定压力时，先导阀关闭，主阀心上下两腔压力相等；当出口油压力高于先导阀的调定压力时，先导阀心移动，先导阀打开，主阀心的油液便从外泄口流回油箱。根据这次毕业设计的需要，我的改造部分主要是在编号5、6、7所示部分。首先，编号6部分原是一个旋紧手柄，用于给液压阀调定一个固定的压力值，为了让其可以进行远程控制，我把旋紧手柄卸下，换上步进电机，并用轴套（图示编号6）连接步进电机的伸出轴与的伸出轴，让其可以联动，即当步进电机旋转时，液压阀的轴也随其一起旋转。这样，再用单片机控制步进电机的旋转，就可以达成液压阀的数字控制。其次，本设计中附加了隔板一个，为了可以让步进电机可以摆放在液压阀附近一个合适的位置上而设计，它的作用是支撑步进电机的重量，限制步进电机的位移，以防止其振动。隔板主要由两块钢板组成，一块与步进电机后部安装孔相连，另一块与阀体相连，在安装过程中，要保证与阀体相连的钢板与阀体中心轴的平行度公差和垂直度公差，还要保证于步进电机相连的钢板的平行度公差，这样才能保证步进电机与液压阀两轴之间的同轴度，从而保证正常的工作需要！最后，编号7部分为压力传感器。编号7部分原是一个螺栓，卸下螺栓，便可以拧上尺寸相同的压力传感器TQ-550，它可以测定液压阀系统内部压力油的压力，并以电信号的形式反馈给控制系统，即反馈作用。第三章 控制系统硬件设计本次毕业设计中，采用89C51单片机、驱动芯片，A/D转换器、压力传感器、步进电机和负载来构成一个整体的控制系统的硬件部分。首先对89C51单片机进行程序编辑（在软件部分进行讲述），使其根据需要，产生一定频率的A、B、C、D四相信号(根据实际需要,可扩充更多相信号)，这样就可以控制步进电机按照需要一需要的转速和转动方向进行动作。当采用单片机进行控制时,需要在单片机和步进电机之间设驱动电路，步进电机的驱动电流相对较大,需要驱动电路放大信号来提供步进电机的工作电流，这样才能使步进电机正常旋转。这样步进电机就可以驱动负载（数字液压阀），当丝杠开始动作（相当于旋紧手柄），系统的内部压力开始逐渐加大，此时压力传感器将不断测量负载（数字液压阀）的内部压力，并不断反馈给ADC0809这个A/D转换芯片，而ADC0809芯片也会将电信号转换成数字信号后，再次反馈给89C51单片机，这样周而复始，直到压力到达需要值，系统将停止工作。控制系统硬件部分由4大部分组成,即: 89C51单片机；驱动电路；反馈电路；步进电机。系统的总体框图如图3.1所示。8051单片机驱动电 路步进电 机负载压力传感器ADC0809输出信号放大驱动做功检测信号A/D输入信号（图3.1）3.1 89C51单片机的介绍3.1.1 引脚简要说明 hkU&74 YeWE1、主电源引脚Vcc和Vss &jpLKd(, 4Ri&EVcc（40脚）：主电源接5V Z7Wn c:Y Vss（20脚）：接地 sGEP): O$Jt=F 2、时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2 $qc6!uZL .IH4bz XTAL2（18脚）：接外部晶体振荡器的一端。片内是一个振荡电路反相放大器的输出端。 am_UR XTAL1（19脚）：接外部晶体振荡器的另一端。片内是一个振荡电路反相放大器的输入端。 PyNxZ D8PS_y Y3、控制信号RST/Vpd、ALE/(/PROG) 、/ PSEN和 (/EA)/Vpp (*f( 7 _aS!tH RST/Vpd（9脚）：复位端。高电平有效，宽度在24个时钟周期宽度以上， （图3.2）使单片机复位。该引脚有复用功能，Vpd为备用电源输入端，防止主电源掉电。 /jS#0j ALE/（/PROG）（30脚）：地址锁存信号端。访问片外存贮器时，ALE作低八位地址的锁存控制信号。平时不访问片外存贮器时，该端以六分之一的时钟振荡频率固定输出脉冲。ALE端负载驱动能力为8个LSTTL门。该引脚有复用功能， 为片内程序存贮器编程（固化）的编程脉冲输入。 #Qdrp0 /PSEN（29脚）：片外程序存贮器读选通信号端。负载能力为8LSTTL门。 xdSKh0 (/EA)/Vpp（31脚）：/EA端接高电平时，CPU取指令从片内程序存贮器自动顺延至片外程序存贮器。 /EA端接低电平时，CPU仅从片外程序存贮器取指令。该引脚有复用功能，Vpp为片内程序存贮器编程时的编程电压。4、输入/输出引脚P0、P1、P2和P3口 dc!og_ P0.0P0.7（3932脚）：访问片外存贮器时作为低八位地址线和八位数据线（复用）。负载能力为8个LSTTL门。 4ruk9N9* P1.0P1.7（18脚）： 8位准双向I/O口。负载能力为3个LSTTL门。 Wr169E P2.0P2.7（2128脚）：访问片外存贮器时作为高八位地址线。 6(DM= P3.0P3.7（1017脚）：8位准双向I/O口。负载能力为3个LSTTL门。另外还有专门的第二功能。 6P( zlmW-x3.1.2 P3口的第二功能 P3.0（10脚）： RXD（串行口输入端） Lg- P3.1（11脚）： TXD（串行口输出端） ywZ&3_zc P3.2（12脚）： /INT0（外部中断0输入端） Bs|%BZ0U P3.3（13脚）： /INT1（外部中断1输入端） pIDP(a( P3.4（14脚）： T0（定时器/计数器0外部输入端） 5nP9ku P3.5（15脚）： T1（定时器/计数器1外部输入端） Q /R7gv P3.6（16脚）： /WR（片外数据存贮器写选通信号输出端） .VN3U3S P3.7（17脚）： /RD（片外数据存贮器读选通信号输出端） zDhdiP $nusL$ 6 3.2 步进电机工作原理的介绍步进电机工作原理：以三相反应式步进电机为例,其典型结构如图3.2所示。当A相控制绕组接通脉冲电流时,在磁拉力作用下使A相的定、转子对齐,相邻的B相和D相的定、转子小齿错开。若换成B相通电,则磁拉力使B相定、转子小齿对齐(转过),而与B相相邻的C相和A相的定、转子小齿又错开,即步进电机转过一个步距角。若按ABCA规律循环顺序通电,则步进电机按一定方向转动。若改变通电顺序为:ACBA,则电机反向转动。这种控制方式称为三相单三拍。若按ABBCCAAB或AABBBCCCAA顺序通电则称为三相双拍或三相单、双六拍。无论采用哪种控制方式,在一个通电循环内,步进电机的转角恒为一个齿距角。所以,可以通过改变步进电机通电循环次序来改变转动方向,可以通过改变通电频率来改变其角频率。运用单片机的输出功能,通过编程实现输出3个信号分别给步进电机的三相A、B、C,并通过输出时信号的循环次序,来设定步进电机的转动方向及输出信号的频率以便设定步进电机的转动频率。本次采用的是四相八拍步进电机，所以，通电方式为AABBBCCCDDDAA，反转则为ADADCDCBCBABA。（图3.3）3.3 硬件部分设计3.3.1 单片机电路本系统采用89C51单片机产生控制信号。单片机内部的RAM和ROM即可满足该项目的要求,在以后的实际运用中,如需扩展较多的外部RAM和ROM时,可加上数据缓冲器。步进电机控制信号通过89C51单片机的P1口的P1. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 3四个口输出的具有时序的方波,经ULN2803AP芯片(为方便输出,起非门的作用)作为步进电机的控制信号，并设置产生外部中断,达到灵活控制步进电机的目的。ULN2803AP芯片在整个电路中，起到一个驱动步进电机的作用，由于步进电机工作需要较大的功率，所以通常需要使用功率放大器来提供步进电机的工作电流,将89C51单片机送来的弱电信号变为强电信号,可以采用集成功放,也可以采用分立元件。本设计采用成本低、电路简单且可靠性高的直流固态继电器ULN2803AP芯片，主要技术参数:工作电压12150VDC,额定电流15 A,隔离电压1500 V,绝缘电压2000 V,控制电压332 V,开启电流5mA,通态压降(1. 3 V,通态电流(1mA,开关时间0. 1 ms,工作环境温度-3080)来同时实现隔离和放大的两大功能。通过上面的主要技术参数可以看出,直流固态继电器ULN2803AP芯片完全可以满足该设计对于放大的需要。3.3.2 反馈电路本次毕业设计，我选用的传感器为高温压力传感器TQ-550型。它的工作电压为5DC，输出电压为515DC，测量范围为030MPa。它的工作原理是从负载上测出瞬时的系统内部压力，并用电信号的形式传递给芯片ADC0809。这样，当输出电压为5DC时，测量出来的系统内部压力就是0MPa；当输出电压为15DC时，测量出来的系统内部压力就是30MPa。同样道理，我们就可以算出，当电压为515DC之间任意值时，系统内部的压力是多少了。之后把压力传感器的输出数据线接在芯片ADC0809的IN0接口上，这样芯片ADC0809就可以读取压力传感器输出的电信号了。而在本次毕业设计中，芯片ADC0809在反馈电路起到了一个A/D转换器的作用，即将压力传感器输出的电信号，转换为数字信号，再输出给89C51单片机，单片机再根据得到的信号，进行判断（比较压力是否已经超过程序设定的最大压力），在控制步进电机是否继续旋转，是则进行下一次循环，否则步进电机停止转动，控制停止。芯片ADC0809的IN0引脚用于接收外部来的电信号，而D0D7引脚则用来输出转换完成的数字信号，所以D0D7引脚与89C51单片机P00P07引脚相连。89C51单片机P00P07引脚根据介绍我们可以知道，它们的作用是访问片外存贮器时作为低八位地址线和八位数据线（复用）。负载能力为8个LSTTL门，同时可以做A/D转换的接收端用，这一作用也正是本次设计中所需要的。而ADC0809的CS、WR、RD、EOC引脚用于单片机89C51交换数据，使芯片ADC0809可以正常工作。最后芯片ADC0809 的CLK引脚需要于系统的CLK引脚相连，使其与单片机89C51的CLOCK保持一致。3.3.3 电路图如图3.4所示：图中包括的硬件有：89C51单片机、ULN2803AP放大芯片、步进电机、负载（数字液压阀）、压力传感器、A/D转换芯片ADC0809，以及复位电路所需要的一些元器件。其中89C51单片机31、40引脚接电源（+5V），P10P13引脚与放大芯片2、4、6、8引脚相连输出控制信号；P00P07与D0D7相连，CSP27、WRWR、RDRD、INT0EOC相连用于接受反馈信号。引脚9连接复位电路。芯片ULN2803AP的引脚1接电源（5V）、12接地。引脚3、5、7、9与步进电机的四个相位1、2、3、4相连。步进电机5、6引线接电源（12V），步进电机伸出轴与负载（数字液压阀）的轴相连。压力传感器通过螺纹旋紧在负载（数字液压阀）上，引脚1接电源（15V），引脚2与ADC0809芯片IN0引脚相连。ADC0809芯片，引脚A、B、C接地，而CLK引脚与系统的CLK相连以获得相同的系统时钟。这样控制系统硬件电路就连接完毕了。（图3.4）第四章 控制系统软件部分设计本次毕业设计中，采用的步进电机是四相步进电机，所以软件的控制将采用四相八拍的控制方式，这样可以很有效的提高精度，以适应数字液压阀的高精度的控制。本次毕业设计的实验平台是KeilC51单片机实验台，其中KeilC51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。所以，本次毕业设计的软件编程，我也将采用C语言进行编程，这样既简化了操作，也使我的程序的有了很大的可读性。本次软件编程的主要要达到的目的是：89C51单片机通过输出脉冲来控制步进电机的转速和旋转方向，然后接受压力传感器通过A/D转换的反馈信号，以控制系统是否继续动作。如图4.1所示：（图4.1）根据控制流程图图4.1，首先要编辑程序，然后要编译程序，看程序是否有错误。有则返回第一步修改程序，修改后继续编译，如果还有错误则再次返回其一步，直到0error为止。之后进行下一步通过放大电路，把脉冲传给步进电机，使步进电机转动，当步进电机转动起来以后，会带动数字液压阀的伸出轴一起转动，这样数字液压阀的系统压力就会升高。然后由压力传感器测量压力的变化，通过电信号的形式传递给ADC0809芯片，ADC0809芯片能把这种电信号转化成数字信号，然后反馈给89C51单片机。此时89C51单片机会判断，数字液压阀的系统内部压力是否已经超过预设压力值，如果没有，则控制步进电机继续转动，循环进行上一循环；如果已经达到预设压力值，则退出循环，系统不再动作。这样就完成了一次循环，达到了远程控制的目的，下面是实行这一控制的具体步骤。4.1 环形脉冲分配在单片机控制步进电机系统中,相应的控制信号由单片机来产生,根据需要调整步进电机的频率来控制转动速率，为了提高定位精度,四相步进电机采用八拍方式。四相八拍环形脉冲控制字存放在数组step 中。四相步进电机的四相分别为,构成的八拍为。根据节拍的顺序实现正、反转。步进电机各相为低电平有效。P（1.0）P（1.1）P（1.2）P（1.3）16进制0111Ox0E0011Ox0C1011Ox0D1001Ox091101Ox0B1100Ox031110Ox070110Ox06 （表4.2）将此环形分配脉冲控制字存放在位于单片机内部RAM的数组step 中。unsigned char L_value8 = Ox0E,Ox0C,Ox0D,Ox09,Ox0B,Ox03,Ox07,Ox06;4.2 步进电机的频率设定步进电机的转速可以用频率来控制，步进电机的运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式，计算出步进电机的转速。 步进电机转速n = 频率Hz * 60 /( 360 / T) * x)其中：步进电机的转速单位是：转/分 、频率H单位是：赫兹 、x：是指细分倍数、T:固有步进角。根据本次毕业设计的实际情况，期望的步进电机转速n为30转/分、固有步进角T为1.8度、细分倍数x为2。把数据带入公式：30 = H * 60/（360 / 1.8）* 2）H = 200Hz所以设定步进电机的频率为200Hz。理论计算：步进电机达到最大压力所需要旋转的圈数：如之前所得，液压阀内部压力F=94.2N，当弹簧刚度K=1000N/m时；S = F / K = 0.0942m = 94.2mm步进电机单步位移为0.1mm, 所以半步位移Ss=0.05mm;所以步进电机要走942步，根据每200步一圈，步进电机要转至少4.71圈，才能达到需要的压力，这大约需要9.5秒。这样推算，时间比较合适，在可以控制的范围内。4.3 89C51单片机源程序#include /* 宏包含8051 头文件 */#include /* 宏A/D头文件 */#define STARTED xbyteOx7F00 /* 定义STARTED数值存储位置 */#define ADRESULT xbyteOx7f08 /* 定义ADRESULT数值存储位置 */unsigned char p1；unsigned char p0；unsigned char p3sbit ADBUSY = p33; /* A/D工作检测信号 */unsigned char L_value8=0x0E,0x0C,0x0D,0x09,0x0B,0x03,0x07,0x06; /* 步进电机环形脉冲控制字 */void Delay() /* 延迟程序 */ unsigned char i; /* 定义函数 */ for(i=0;i=100;i+); /* 延时循环 */ unsigned char AD0809(void) /* A/D函数 */ unsigned char result; /* 定义函数 */ STARTED = 0; /* 赋初值 */ while(ADBUSY = 1); /* 当A/D芯片ADBUSY 位=1 */ Delay(); /* 延迟程序 */ result =ADRESULT; /* 结果保存到ADRESULT的存储空间 */ return result; /* 返回结果 */ void main() /* 主函数 */ unsigned char m; /* 定义函数 */ unsigned char ADV; /* 定义函数 */ p1=0x0; /* 赋初值 */ while(1) ADV = AD0809(); /* 读取result */ Delay(); /* 延迟程序 */ unsigned char a = 0x0E; /* 为一可变量，可根据减压阀的压力设定改变此值 */ if (ADV = 0x0E) /* 符合条件，进入循环函数 */ for(m=0;m7;m+) p1= L_valuem; /* 步进电机步进 */ else brake; /* 不符合条件，结束循环函数 */ void interrupt (void) IT0 = 1 ; IT1 = 1 ; /* 设置INT0、INT1 为下降沿触发方式 */EX0 = 1 ; EX1 = 1 ; EA = 1 ; /* INT0、INT1 中断允许 */while (1) ;