机电技术与产业发展途径初探讨毕业论文.doc

机电技术与产业发展途径探机电技术与产业发展途径探 摘 要 作为机电系的一名学生 将来工作学习都会以机电为主 所以必须掌握好各种机电 的专业知识 我会本着认真的态度对待专业课的学习 提高自己的专业素养 接下来我 将介绍一下我对电动机发展史的认识 近几十年来 随着电力电子技术 微电子技术及 现代控制理论的发展 中 小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广 泛的的应用 特别是乡镇企业及家用电器的迅速 更需要大量的中小功率电动机 由于 这种电动机的发展及广泛的应用 它的使用 保养和维护工作也越来越重要 本文主要 介绍了电动机技术发展及现状 工作原理 电动机的运行维护 电动机在我国的经济建 设中担当着重要的角色 随着我国加入 WTO 后 我国电动机行业所面临的国际社会的 巨大竞争压力和挑战日益加剧 从节约能源 保护环境出发 高效率电动机是目前国际 发展的趋势 这样看来 推广中国的高效率电动机是非常有必要的 但是在日常使用过 程中如何去维护好 其影响可见一斑 本文着重从电动机的技术发展及现状 工作原理 运行维护进行了初略的探讨和分析 希望能给正在或即将从事电动机工作的人士一些帮 助 关键字 机电一体化 电动机 机械技术 微电子技术 目目 录录 摘 要 1 第第 1 1 章章 我国机电一体化面临的形势以及对策我国机电一体化面临的形势以及对策 3 3 1 1 机电一体化技术发展历程及其趋势 3 1 2 典型的机电一体化产品的主要作用 5 1 3 我国发展 机电一体化 面临的形势和任务 7 1 4 机电一体化技术的发展前景 8 1 5 我国发展 机电一体化 的在对策 10 第第 2 2 章章电动机的发展及工作原理电动机的发展及工作原理 12 12 2 1 电动机技术发展及现状 12 2 2 电动机工作原理 14 2 3 电动机的运行维护 14 第第 3 3 章章 单片机应用系统的设计过程单片机应用系统的设计过程 18 18 3 1 单片机技术发展历程及现状 18 3 2 单片机应用系统 19 3 3 系统设计基本要求 20 3 4 单片机应用系统的设计过程 21 3 5 硬件系统设计过程 22 3 6 89C51 基本硬件系统的设计 23 3 7 汇编语言程序设计过程 25 谢辞谢辞 参考文献参考文献 第 1 章 我国发展机电一体化面临的形式以及对策 1 1 机电一体化技术发展历程及其趋势 自电子技术一问世 电子技术与机械技术的结合就开始了 只是出现了半导体集成电 路 尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后 机电一体化 技术之后有了 明显进展 引起了人们的广泛注意 机电一体化 这个词是日本安川电机公司在上世纪 60 年代末作商业注册时最先创 用的 当时及 70 年代 人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合 国内早期将 机电一体化技术 与 机械电子学 并用 近年来 机电一体化 更流行使用 80 年代 信息技术崭露头角 微处理机的性能提高 为更高级的机电一体化产品 所采用 典型的机电一体化产品如数控机床 工业机器人和汽车的电子控制系统等 微 机作为关键技术引入了飞行器系统后 使机械 电子系统在高度控制 排气控制 振动 控制和保险气袋等方面获得广泛应用 关于 机电一体化 这个名词的起源 说法很多 早在 1971 年 日本 机械设计 杂 志副刊就提出了 Electronics 这一名词 它是融合机械技术 电子技术 信息技术等多 种技术为一体的新兴的技术 采用机电一体化技术设计和制造出的产品 称之为机电一 体化产品 从系统科学的观点来看 机电一体化产品又可称之为机电一体化系统 它是集机械 元件和电子元件于一体的复合系统 信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库 连洗衣机和其他消费品也用上了 数据库驱动系统 这样 对机电一体化的系统设计方法的探索 成型和系统集成以及并 行工程设计和控制的实施日显重要 此外 光学也进入了机电一体化 产生了 光机电 一体化 的新领域 进入 90 年代 通信技术进入了机电一体化 机器可像机器人系统那样遥控和虚拟 现实多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及 有些机电一体 化机械可两用 有的在性能上更是多用途的 尤其是微传感器和执行器技术的发展 和 半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合 开创了以精 密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支 微机电一体化 虽然微加工方法尚未成 熟 但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分 之后 机电一体化随着自动化技术的 发展而日益发展 稳步进入了 21 世纪 1 光机电一体化 一般的机电一体化系统是由传感系统 能源系统 信息处理 系统 机械结构等部件组成的 因此 引进光学技术 实现光学技术的先天优点是能有效地 改进机电一体化系统的传感系统 能源 动力 系统和信息处理系统 光机电一体化是机电 产品发展的重要趋势 2 自律分配系统化 柔性化 未来的机电一体化产品 控制和执行系统有足够的 冗余度 有较强的 柔性 能较好地应付突发事件 被设计成 自律分配系统 在 自律分配系统中 各个子系统是相互独立工作的 子系统为总系统服务 同时具有本身 的 自律性 可根据不同的环境条件作出不同反应 其特点是子系统可产生本身的信息 并附加所给信息 在总的前提下 具体 行动 是可以改变的 这样 既明显地增加了系 统的适应能力 柔性 又不因某一子系统的故障而影响整个系统 3 全息系统化 智能化 今后的机电一体化产品 全息 特征越来越明显 智能化 水平越来越高 这主要收益于模糊技术 信息技术 尤其是软件及芯片技术 的发展 除 此之外 其系统的层次结构 也变简单的 从上到下 的形势而为复杂的 有较多冗余度 的双向联系 4 生物一软件 化 仿生物系统化 今后的机电一体化装置对信息的依赖性很 大 并且往往在结构上是处于 静态 时不稳定 但在动态 工作 时却是稳定的 这有点 类似于活的生物 当控制系统 大脑 停止工作时 生物便 死亡 而当控制系统 大脑 工 作时 生物就很有活力 仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一 体化产品提供新型机体 但如何使这些新型机体具有活的 生命 还有待于深入研究 这 一研究领域称为 生物 软件 或 生物 系统 而生物的特点是硬件 肌体 软 件 大脑 一体 不可分割 看来 机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋 但有一 段漫长的道路要走 5 微型机电化 微型化 目前 利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术 在实 验室中已制造出亚微米级的机械元件 当将这一成果用于实际产品时 就没有必要区分 机械部分和控制器了 届时机械和电子完全可以 融合 机体 执行机构 传感器 CPU 等可集成在一起 体积很小 并组成一种自律元件 这种微型机械学是机电一体化 的重要发展方向 1 2 典型的机电一体化产品的主要应用领域 机电一体化产品分系统 整机 和基础元 部件两大类 典型的机电一体化系统有 数控机床 机器人 汽车电子化产品 智能化仪器仪表 电子排版印刷系统 CAD CAM 系统等 典型的机电一体化元 部件有 电力电子器件及装置 可编程序 控制器 模糊控制器 微型电机 传感器 专用集成电路 伺服机构等 这些典型的机 电一体化产品的技术现状 发展趋势 市场前景分析从略 1 2 1 数控机床 数控机床及相应的数控技术经过 40 年的发展 在结构 功能 操作和控制精度上都 有迅速提高 具体表现在 总线式 模块化 紧凑型的结构 即采用多 CPU 多主总线的体 系结构 开放性设计 即硬件体系结构和功能模块具有层次性 兼容性 符合接口标准 能最大限度地提高用户的使用效益 WOP 技术和智能化 系统能提供面向车间的编程技术和实现二 三维加工过程的 动态仿真 并引入在线诊断 模糊控制等智能机制 大容量存储器的应用和软件的模块化设计 不仅丰富了数控功能 同时也加强了 CNC 系统的控制功能 能实现多过程 多通道控制 即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多 台和多种机床的能力 并将刀具破损检测 物料搬运 机械手等控制都集成到系统中去 系统的多级网络功能 加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力 以单板 单片机作 为控制机 加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置 1 2 2 计算机集成制造系统 CIMS CIMS 的实现不是现有各分散系统的简单组合 而是全局动态最优综合 它打破原有 部门之间的界线 以制造为基干来控制 物流 和 信息流 实现从经营决策 产品开 发 生产准备 生产实验到生产经营管理的有机结合 企业集成度的提高可以使各种生 产要素之间的配置得到更好的优化 各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥 1 2 3 柔性制造系统 FMS 柔性制造系统是计算机化的制造系统 主要由计算机 数控机床 机器人 料盘 自动搬运小车和自动化仓库等组成 它可以随机地 实时地 按量地按照装配部门的要 求 生产其能力范围内的任何工件 特别适于多品种 中小批量 设计更改频繁的离散零 件的批量生产 1 2 4 工业机器人 第 1 代机器人亦称示教再现机器人 它们只能根据示教进行重复运动 对工作环境和 作业对象的变化缺乏适应性和灵活性 第 2 代机器人带有各种先进的传感元件 能获取作 业环境和操作对象的简单信息 通过计算机处理 分析 做出一定的判断 对动作进行反馈 控制 表现出低级智能 已开始走向实用化 第 3 代机器人即智能机器人 具有多种感知功能 可 进行复杂的逻辑思维 判断和决策 在作业环境中独立行动 与第 5 代计算机关系密切 1 3 我国发展 机电一体化 面临的形势和任务 机电一体化工作主要包括两个层次 一是用微电子技术改造传统产业 其目的是节能 节材 提高工效 提高产品质量 把传统工业的技术进步提高一步 二是开发自动化 数字化 智能化机电产品 促进产品的更新换代 1 3 1 我国 机电一体化 工作面临的形势 1 我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广 有难度 2 我国用机电一体化技术加速产品更新换代 提高市场占有率的呼声高 有压力 3 我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低 耗能 耗水 耗材高 污染 扰民产品的责任重 有意义 在我国工业系统中 能耗 耗水大户 对环境污染严重的 企业还占相当大的比重 近年来我国的工业结构 产品结构虽然几经调整 但由于多种 原因 成效一直不够明显 这里面固然有上级领导部门的政出多门问题 有企业的 故 土难离 死守故业 问题 但不可否认也有优化不出理想的产业 优选不出中意的产品 问题 上佳的答案早就摆在了这些企业的面前 这就是发展机电一体化 开发和生产有 关的机电一体化产品 机电一体化产品功能强 性能好 质量高 成本低 且具有柔性 可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整 改革 而无须改换设 备 这是解决机电产品多品种 少批量生产的重要出路 同时 可为传统的机械工业注 入新鲜血液 带来新的活力 把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来 实现文明生产 另外 从市场需求的角度看 由于我国研制 开发机电一体化产品的历史不长 差 距较大 许多产品的品种 数量 档次 质量都不能满足需求 每年进口量都比较大 因此亟需发展 1 3 2 我国 机电一体化 工作的任务 我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话 一句话是广泛深入地用机电一体 化技术改造传统产业 另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品 促进机电产品的更 新换代 总的目的是促进机电一体产业的形成 为我国产业结构和产品结构调整作贡献 总之 机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力 又是开启我国 机电行业产品结构 产业结构调整大门的钥匙 1 4 机电一体化技术的发展前景 纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向 机电一体化将朝着以下 几个方向发展 1 4 1 智能化 智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一 也是 21 世纪机电一体化的 发展方向 近几年 处理器速度的提高和微机的高性能化 传感器系统的集成化与智能 化为嵌入智能控制算法创造了条件 有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展 智能机电一体化产品可以模拟人类智能 具有某种程度的判断推理 逻辑思维和自主决 策能力 从而取代制造工程中人的部分脑力劳动 1 4 2 系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构 系统可以灵活组态 进行任意的剪裁和组合 同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理 表现特征之二是通信功能大大加强 一般除 R S232 等常用通信方式外 实现远程及多系统 通信联网需要的局部网络正逐渐被采用 未来的机电一体化更加注重产品与人的关系 如何赋予机电一体化产品以人的智能 情感 人性显得越来越重要 机电一体化产品还 可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体 使其向着生物系统化方向发展 1 4 3 微型化 微型机电一体化系统高度融合了微机械技术 微电子技术和软件技术 是机电一体 化的一个新的发展方向 国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过 1cm 3 并正向微 米 纳米级方向发展 由于微机电一体化系统具有体积小 耗能小 运动灵活等特点 可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作 故在生物医学 航空航天 信息 技术 工农业乃至国防等领域 都有广阔的应用前景 目前 利用半导体器件制造过程中 的蚀刻技术 在实验室中已制造出亚微米级的机械元件 1 4 4 模块化 模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势 是一项重要而艰巨的工程 由于机电 一体化产品种类和生产厂家繁多 研制和开发具有标准机械接口 电气接口 动力接口 信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事 它需要制订一系列标准 以便各 部件 单元的匹配和接口 机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品 同时也可以不断扩大生产规模 1 4 5 网络化 网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响 使其朝着网络化方向发展 机电一 体化产品的种类很多 面向网络的方式也不同 由于网络的普及 基于网络的各种远程控 制和监视技术方兴未艾 而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品 1 4 6 绿色化 工业的发达使人们物质丰富 生活舒适的同时也使资源减少 生态环境受到严重污 染 于是绿色产品应运而生 绿色化是时代的趋势 其目标是使产品从设计 制造 包装 运输 使用到报废处理的整个生命周期中 对生态环境无危害或危害极小 资源利用率极 高 机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境 报废时能回收利用 绿 色制造业是现代制造业的可持续发展模式 1 5 我国发展 机电一体化 的对策 1 5 1 加强统筹安排 协调发展计划 目前 我国从事 机电一体化 研究开发及生产的单位很多 各自都有一套自己的发 展策略 各单位的计划由于受各自立足点 着眼点的限制 难免只考虑局部利益 各主 管部门的有关计划和规划 也有统一考虑不足 统筹安排不够的问题 同时缺少综观全 局的有权威性的发展计划和战略规划 因此 建议各主管部门责成有关单位在进行深入 调查研究 科学分析的基础上 制定出统管全局的 机电一体化 研究 开发 生产计划 和规划 避免开发上重复 生产上撞车 1 5 2 强化行业管理 发挥 协会 作用 目前 我国 机电一体化 较热 而按目前的行业划分方法和管理体制 政出多门 是难哆的 因此 我国有必要明确一个 机电一体化 行业的统管机构 根据目前国家政 治体制改革和经济体制改革的精神 以及机电一体化行业特点 我们建议 尽快加强北 京机电一体化协会的建设 赋予其行业管理职能 协会 要进一步扩大领导机构 理 事会的代表层面和复盖面 要加强办公室 秘书处的建设 要通过其精明干练的办事机 构 经济实体 组织 行业 发展计划 战略规划的拟制 指导行业布点布局的调整 进 行发展突破口的选择 抓好重点工程的试点和有关项目的发标 招标工作 1 5 3 优化发展环境 增大支持力度 优化发展环境指通过宣传群众 造成一种社会上下 企业内外都重视 支持 机电一 体化 发展的氛围 如尽快为外商到我国投资发展 机电一体化 产业提供方便 尽可能 为兴办开发 生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯 尽力为开发 生产机电一体 化产品调配好资源要素等 增大支持力度 在技术政策上 要严格限制耗电 耗水 耗材高的传统产品的发展 对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰 大力提倡用机电一体化技术对传统产 业进行改造 对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造 对有关技术开发 应用项目 优先立项 优先支持 对在技术开发 应用中做出贡献的单位领导 科技人员进行表彰 奖励等 1 5 4 突出发展重点 兼顾 两个层次 机电一体化产业复盖面非常广 而我们的财力 人力和物力是有限的 因此我们在 抓机电一体化产业发展时不能面面俱到 平铺直叙 而应分清主次 大胆取舍 有所为 有所不为 要注意抓两个层次上的工作 第一个层次是 面上 的工作 即用电子信息技 术对传统产业进行改造 在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子 计算机 装置 使 机 械 和 电子 技术在浅层次上结合 第二个层次是 提高 工作 即在新产品设计之初 就 把 机械 与 电子 统一起来进行考虑 使 机械 与 电子 密不可分 深度结合 生产出 来的新产品起码正做到机电一体化 第二章 电动机的发展及工作原理 2 1 电动机技术发展及现状 电机是利用电磁感应原理工作的机械 随着生产的发展而发展的 反过来 电机的 发展又促进了社会生产力的不断提高 从 19 世纪末期起 电动机就逐渐代替蒸汽机作 为拖动生产机械的原动机 一个多世纪以来 虽然电机的基本结构变化不大 但是电机 的类型增加了许多 在运行性能 经济指标等方面也都有了很大的改进和提高 而且随 着自动控制系统和计算机技术的发展 在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类 的控制电机 控制电机具有高可靠性 好精确度 快速响应的特点 已成为电机学科的一 个独立分支 它应用广泛 种类繁多 性能各异 分类方法也很多 电机常用的分类方法主要有 两种 一种是按功能用途分 可分为发电机 电动机 压器和控制电机四大类 电动 机的功能是将电能转换成机械能 它可以作为拖动各种生产机械的动力 是国民经济各 部门应用最多的动力机械 也是最主要的用电设备 各种电动机消耗的电能占全国总发 电量的 60 70 另一种分类方法是按照电机的结构或转速分类 可分为变压器和旋转 电机 根据电源电流的不同旋转电机又分为直流电机和交流电机两大类 交流电机又分为 同步电机和异步电机 在现代化工业生产过程中 为了实现各种生产工艺过程 需要各种各样的生产机械 拖动各种生产机械运转 可以采用气动 液压传动和电力拖动 由于电力拖动具有控制 简单 调节性能好 耗损小 经济 能实现远距离控制和自动控制等一系列优点 因此大多 数生产机械都采用电力拖动 按照电动机的种类不同 电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统 两大类 纵观电力拖动的发展过程 交 直流两种拖动方式并存于各个生产领域 在交流电 出现以前 直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式 19 世纪末期 由于研制出了经 济实用的交流电动机 致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用 但随着生产技术 的发展 特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步 对电力拖动在起动 制动 正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的 更高的要求 由于 交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求 所以 20 世纪以来 在可逆 可调速与高精度的拖动技术领域中 相当时期内几乎都是采用直流电力拖动 而交流电 力拖动则主要用于恒转速系统 虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点 但是由于它具有电刷与换向器 又称整流子 使得他的故障率较高 电动机的使用环境也受到了限制 如不能在有 易爆气体及尘埃多的场合使用 其电压等级 额定转速 单机容量的发展也受到了限 制 所以 在 20 世纪 60 年代以后 随着电力电子技术的发展 半导体交流技术的交流 技术的交流调速系统得以实现 尤其是 70 年代以来 大规模集成电路和计算机控制技 术的发展 为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件 诸如交流电动机的串级调速 各种类型的变频调速 无换向器电动机调速等 使得交流电力拖动逐步具备了调速范围 宽 稳态精度高 动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能 在调速性能 方面完全可与直流电力拖动媲美 除此之外 由于交流电力拖动具有调速性能优良 维 修费用低等优点 因此它今后将广泛应用于各个工业电气自动化领域中 并逐步取代直 流电力拖动而成为电力拖动的主流 经历了 100 多年的技术发展 电动机自身的理论基本成熟 随着电工技术的发展 对电能的转换 控制以及高效使用的要求越来越高 电磁材料的性能不断提高 电工电 子技术的广泛应用 为电动机的发展注入了新的活力 未来电动机将会沿着单位功率体积更小 机电能量转换效率更高 控制更灵活的方 向继续发展 一批 巨无霸 电机 一批 光怪陆奇 电机将同时展现在世人眼前 2 2 电动机工作原理 目前较常用的主要是交流电动机 它可分为两种 1 三相异步电动机 2 单相交 流电动机 第一种多用在工业上 而第二种多用在民用电器上 下面以三相异步电动机 为例介绍其基本工作原理 起来 形成一个笼型的闭合绕组 定子三相绕组可接成星形 也可以接成三角形 综上分析可知 三相异步电动机转动的基本工作原理是 1 三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场 2 转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流 3 转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用 从而形成电磁转距 驱使电动机 转子转动 2 3 电动机的运行维护 2 3 1 电动机启动前的准备 为了保证电动机正常安全地启动 一般启动前应作好下述准备 1 检查电源是否有电 电压是否正常 若电源电压过高或过低 都不宜启动 2 启动器是否正常 如零部件有无损坏 使用是否灵活 触头接触是否良好 接 线是否正确 牢固等 3 熔丝规格大小是否合适 安装是否牢固 有无熔断或损伤 4 电动机接线板上接头有无松动或氧化 5 检查传动装置 如皮带轻紧是否合适 连接是否牢固 联轴器的螺丝 销子是 否紧固等 6 传动电动机转子和负载机械的转轴 看其转动是否灵活 7 检查电动机及启动电器外壳是否接地 接地线有无断路 接地螺丝是否松动 脱落等 8 搬开电动机周围的杂物并清除机座表面灰尘 油垢等 9 检查负载机械是否妥善地作好了启动准备 10 对正常运行中的绕线式电动机 应经常观察电动机滑环有无偏心摆动现象 观察滑环的火花是否发生异常现象 滑环上碳刷是否要更换 2 3 2 启动时应注意的问题 1 接通电源后 如果电动机不转 应立即切断电源 绝不能迟疑等待 更不能带 电检查电动机发故障 否则将会烧毁电动机和发生危险 2 启动时应注意观察电动机 传动装置 负载机械的工作情况 以及线路上的电 流表和电压表的指示 若有异常现象 应立即断电检查 待故障排除后 载行启动 3 利用手动补偿器或手动星三角启动器启动电动机时 特别要注意操作顺序 一 定要先将手柄推到启动位置 待电动机转速稳定后再拉到运转位置 防止误操作造成设 备和人身事故 4 同一线路上的电动机不应同时启动 一般应由大到小逐台启动以免多太电动机 同时启动 线路上电流太大 电压降低过多 造成电动机启动困难引起线路故障或使开 关设备跳闸 5 启动时 若电动机的旋转方向反了 应立即切断电源 将三相电源线中的任意 两相互换一下位置 即可改变电动机转向 2 3 3 电动机运行中的监视 电动机在运行时 值班工作人员可以通过仪表和感觉器官监视其运行情况 以便及 早发现问题 减少或避免故障的发生 1 监视电动机的温度 电动机正常运行时会发热 使电动机温度升高 但不应超出允许的限度 如果电动 机负载过大 使用环境温度过高 通风不畅或运行中发生故障 就会使其温度超出允许 限度 导致绕组过热烧毁 因此电动机温度的高低是反映电动机运行的主要标志 在运 行中经常检查 判断电动机是否过热 可以用以下方法 凭手的感觉 如果以手接触外壳 没有烫手的感觉 说明电动机温度正常 如果 手放上去烫得马上缩回来 说明电动机已经过热 在电动机外壳上滴 2 3 滴水 如果只冒热气没有声音 则说明电动机没有过热 如果水滴急剧汽化同时伴有 咝咝 声 说明电动机已经过热 判别电动机是否过热的准确方法还是用温度计测量 发现电动机过热应该立即停车检查 等查明原因 排除故障后再行使用 2 监视电动机的电流 一般容量较大的电动机应装设电流表 随时对其电流进行监视 若电流大小或三相 电流不平衡超过了允许值 应立即停车检查 容量较小的电动机一般不装电流表 但也 经常用钳形表测量 3 监视电动机的电压 电动机的电源上最好装设一只电压表和转换开关 以便对其三相电源 压进行监视 电 动机的电源电压过高 过低或三相电压不平衡 特别是三相电源缺相 都会带来不良后 果 如发现这种情况应立即停车 待查明原因 排除故障后再使用 4 注意电动机的振动 响声和气味 电动机正常运行时 应平稳 轻快 无异常气味和响声 若发生剧烈振动 噪音和 焦臭气味 应停车进行检查修理 5 注意传动装置的检查 电动机运行时要随时注意查看皮带轮或联轴器有无松动 传动皮带是否有过紧 过 松的现象等 如果有 应停车上紧或进行调整 6 注意轴承的工作情况 电动机运行中应注意轴承声响和发热情况 若轴承声音不正常或过热 应检查润滑 情况是否良好和有无磨损 7 注意交流电动机的滑环或直流电动机的换向器火花 电动机运行中 电刷与换向器或滑环之间难免出现火花 如果所发生的火花大于某 一规定限度 尤其是出现放电性的红色电弧火花时 将产生破坏作用 必须及时加以纠 正 2 3 4 电动机的定期检查和保养 为了保证电动机正常工作 除了按操作规程正确使用 运行过程中注意监视和维护外还 应进行定期检查和保养 间隔时间可根据电动机的类型 使用环境决定 主要检查和保养项 目如下 1 及时清除电动机机座外部的灰尘 油泥 如使用环境灰尘较多 最好每天清扫一 次 2 经常检查接线板螺丝是否松动或烧伤 3 定期测量电动机的绝缘电阻 若使用环境比较潮湿更应经常测量 4 定期用煤油清洗轴承并更换新油 一般半年更换一次 换油时不应上满 一般 占油腔的 1 2 1 3 否则 容易发热或甩出 油要从一面加人 可以把没有清洗干净的杂质 从另一面挤出来 5 定期检查启动设备 看触头和接线有无烧伤 氧化 接触是否良好等 6 绝缘情况的检查 绝缘材料的绝缘能力因干燥程度不同而异 所以保持电动机绕 组的干燥是非常重要的 电动机工作环境潮湿 工作间有腐蚀性气体等因素的存在 都会破 坏电动机的绝缘 最常见的是绕组接地故障即绝缘损坏 使带电部分与机壳等不应带电的金 属部分相碰 发生这种故障 不仅影响电动机正常工作 还会危及人身安全 所以电动机在 使用中 应经常检查绝缘电阻 还要注意查看电动机机壳接地是否可靠 7 除了按上述几项内容对电动机定期维护外 运行一年后要大修一次 大修的目的 在于 对电动机进行一次彻底 全面的检查 维护 增补电动机缺少 磨损的元件 彻底清 除电动机内外的灰尘 污物 检查绝缘情况 清洗轴承并检查其磨损情况 第三章单片机应用系统的设计过程 3 1 单片机技术发展历程及现状 单片机是一种集成电路芯片 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 计时器等功能 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计算机系统 单片机也被称为微控制器 Microcontroller Unit 常用英文字母的缩写 MCU 表 示单片机 它最早是被用在工业控制领域 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展 而来 最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中 使计算机系统 更小 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中 它不是完成某一个逻辑 功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 相当于一个微型的计算机 和 计算机相比 单片机只缺少了 I O 设备 单片机内部也用和电脑功能类似的模块 比如 CPU 内存 并行总线 还有和硬盘作用相同的存储器件 不同的是它的这些部件性能 都相对家用电脑弱很多 不过价钱也是低的 一般不超过 10 元用它来做一些控制电器 一类不是很复杂的工作足矣了 在硬件特性方面 单片机有如下四个特点 一 单片机集成度高 单片机包括 CPU 4KB 容量的 ROM 8031 无 128 B 容量的 RAM 2 个 16 位定时 计数器 4 个 8 位并行口 全双工串口行口 二 系统结构简单 使用方便 实现模块化 三 可靠 性高 可工作到 10 6 10 7 小时无故障 四 处理功能强 速度快 1971 年 Intel 公司的霍夫研制成功世界上第一块 4 位微处理器芯片 Intel 4004 标志着第一代微处理器问世 微处理器和微机时代从此开始 单片机也于 20 世纪 70 年 代末应运而生 经历了 SCM MCU SoC 三大阶段 1 SCM 即单片微型计算机 Single Chip Microcomputer 阶段 主要是寻求最佳 的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构 创新模式 获得成功 奠定了 SCM 与通用计 算机完全不同的发展道路 在开创嵌入式系统独立发展道路上 Intel 公司功不可没 2 MCU 即微控制器 Micro Controller Unit 阶段 主要的技术发展方向是 不 断扩展满足嵌入式应用时 对象系统要求的各种外围电路与接口电路 突显其对象的智 能化控制能力 它所涉及的领域都与对象系统相关 因此 发展 MCU 的重任不可避免地 落在电气 电子技术厂家 从这一角度来看 Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因 素 在发展 MCU 方面 最著名的厂家当数 Philips 公司 3 嵌入式系统阶段 单片机是嵌入式系统的独立发展之路 向 MCU 阶段发展的重要 因素 就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决 因此 专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势 随着微电子技术 IC 设计 EDA 工具的发展 基于 SoC 的单片机应用系统 设计会有较大的发展 因此 对单片机的理解可以从单片微型计算机 单片微控制器延 伸到单片应用系统 3 2 单片机应用系统 作为一个典型的单片机应用系统 除了主机部分外 还包括以下几部分 1 系统的前向通道 即输入部分 一般包括数字量 开关量 模拟信号量 A D 的输入 2 系统的后向通道 即输出部分 一般包括数字量 开关量 模拟量信号 D A 的 输出 3 人机对话通道 即人机交互部分 一般包括键盘 显示器 打印机 看门狗 监 视 电路等 图 1 1 所示为单片机应用系统的组成 图 1 1 3 3 系统设计的基本要求 3 3 1 可靠性要高 应用系统在满足使用功能的前提下 应该具有较高的可靠性 特别是有些系统处于 无人值守 不间断工作的环境中 必须保证系统安全可靠 在设计中要从电路设计 软 件程序等方面加以考虑 看门狗监视电路就是其中的一种 因为单片机系统完成的任务 是系统前端信号的采集和控制输出 一旦系统出现故障 整个生产过程将会混乱和失控 从而产生严重的后果 所以 对可靠性的考虑应该贯穿于单片机应用系统设计的整个过 程 3 3 2 能够适应现场工作环境 单片机应用系统要尽量做到低功耗 小体积 软件程序固化在单片机内的程序存储 器中 软件固化要在专门的编程器或下载设备中完成 3 3 3 操作和维护要方便 为了推广系统的广泛使用 在总体设计时应考虑系统的操作和维护要方便 尽量降 低对操作人员的计算机专业知识的要求 3 3 4 性价比要高 为了提高该系统的市场竞争力 在提高系统各项功能指标的同时 可综合考虑硬件 软件的组成以及在满足技术要求的前提下采用软件固化实现部分硬件功能或者采用硬件 来实现某些软件的功能的方法来优化系统设计降低系统资金成本 3 4 单片机应用系统的设计过程 3 4 1 总体方案的设计 应用系统总体方案的设计是非常重要的环节 总体方案的优劣直接影响后续工作的 进行 首先 应根据市场需求进行分析 提出本项目的任务 其次 应熟悉和了解控制 对象 确定合理 可行的技术指标 在次 在方案和技术指标基本确定的前提下 确定 系统功能的具体实现方式 最后 在以上论证 分析的基础上 确定总体方案 拟定出 出设计任务书 3 4 2 硬件系统设计 硬件系统设计的过程包括功能定义 原理设计图设计 PCB 印制电路板 设计 制版和组装以及硬件调试五部分 3 4 3 软件系统设计 软件系统设计的任务是根据总体方案提出的要求和具体的硬件电路 设计出实现应 用系统功能要求的控制程序 在目前的单片机开发环境中 可以进行软件模拟仿真 对于一些和硬件关系不大的 程序段 可以在软件模拟仿真中 如再犯 Keil 调试环境中 进行调试 3 4 4 系统仿真调试 在单片机应用系统的硬件电路和软件程序的设计 制作和编写完成后 可以进行系 统的模拟仿真调试工作 系统的仿真调试要在集成开发环境中完成 应用系统整个系统的测试工作包括功能测评 系统的优化和可靠性测试三部分 3 4 5 系统运行维护 应用系统在仿真调试环境中调试成功后 确定设计的硬件和软件基本正确 将程序 代码固化到单片机的程序存储器中 脱离仿真器的开发环境 独立运行应用系统 备注 设计过程列出的这 5 个部分不是孤立的 而是相互关联 相互依靠 互相制约的 图 1 2 所示为设计过程的流程图 图 1 2 3 5 硬件系统设计过程 3 5 1 功能定义 为实现应用系统中硬件部分的功能 要确定系统的 CPU 存储器 I O 及相关的传 感器 继电器 显示器 键盘等外围补给舰和电路 然后设计出系统的电路图 一般情 况下 需要单片机应用系统的硬件设计人员根据电路原理图画出印制电路版图 交给制 版厂制作印制电路板 制作完成后 进行元器件的焊接和组装 并进行硬件电路的测试 3 5 2 原理设计图设计 PCB 印制电路板 设计 原理图和 PCB 板 印制电路板 的设计是单片机应用系统硬件设计人员要完成的 工作 有专门的 EDA 工具软件 Protel 就是其中的一种 在 PCB 板图设计完成后 交 付生产厂家 3 5 3 制版和组装 在 PCB 板图设计完成后 交付生产厂家 在 PCB 板和元器件齐套时 焊接组装 3 5 4 硬件调试五部分 利用电子仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器 频率计 万用表等 还可以 编写一些测试程序 进行硬件测试 确保硬件部分功能正常 这样 在应用系统整机调 试时 才可以减少硬件故障造成的问题 提高调试效率 3 6 89C51 基本硬件系统的设计 3 6 1 89C51 单片机的工作方式 1 复位方式 使 CPU 及系统的各个部位都处于确定的初始状态 并从初始状态开始工作 这种 工作方式称之为复位方式 图 2 1 为复位电路图 图 2 1 2 程序方式 3 节电方式 3 6 2 89C51 单片机的时钟电路 时钟信号产生的基础是振荡脉冲产生电路 电路产生一个固定频率的振荡脉冲信号 有两种产生方法 1 利用片内振荡电路的时钟电路 2 引入外部脉冲信号的时钟电路 图 2 2 为片内振荡器的时钟电路图 图 2 2 3 6 3 89C51 外部扩展电路 图 2 3 3 7 汇编语言程序设计过程 3 7 1 汇编语言 用指令的助记符 符号地址 标号等符号书写程序的编程语言称为汇编语言 用汇 编语言编写的程序称为汇编语言源程序 由于计算机只能识别和执行二进制的机器指令 因此需要把源程序翻译成机器语言的程序 目标程序 这个过程称为汇编 完成汇编 任务的程序称为汇编程序 3 7 2 设计步骤 计算机在完成某一项任务时 除了要根据具体要求配置必需的硬件电路以外 重要 的是要按照任务的要求和硬件环境进行程序的设计 程序是指令德有序集合 程序的设 计有面向过程的设计方法和面向对象的设计方法两大类 用汇编语言进行程序设计是面 向过程设计的典型方法 也是计算机程序设计的最基本的能力 用汇编语言进行程序设计一般分为以下五个步骤 1 分析任务 首先 根据任务的要求 进行全面的分析 以便对任务有一个整体的概念 通过分 析 明确要求 本项任务要解决的问题是什么 工作过程是怎样的 现有过程是怎样的 现有的条件有哪些 对运行结果的要求 包括运算结果的精度和运算速度 其次 根据 任务的需求 还要考虑系统的可靠性 时间进度的安排和成本等 最后 在分析任务的 基础上提出硬件的电路和软件的设计方案 2 确定方案和算法 在对任务的分析和对硬件电路了解的基础上开始软件的设计 找出问题的规律性 归纳出数学模型 找出最适宜的算法 3 画出程序流程图 程序流程图是使用一些图形 符号和带方向的线段等 把程序设计的过程 解决问 题的先后顺序直观地描述出来的一种方法 流程图有多种 如逻辑流程图 算法流程图 程序流程图等 它们一般由起始框和 终止框 执行框 判断框 指向线四部分组成 4 编写程序 根据流程图中描述的各部分的功能 编写出具体的程序 然后 按照流程图中个部 分之间的关系整理出全部程序 在编写程序之前 要合理地确定存储器中存储空间的分配及各种单元的安排 编写 的 过程中 在指令的使用上 要尽量节省存储器数据存放单元 使程序缩短 使程序 执行速度最快 最以此为原则 5 调试程序 程序编写完毕 经过汇编过程 没有语法错误以后 要进行上机测试 这样才能检 查出程序是否有逻辑上的错误 是否满足系统功能的要求 3 7 3 汇编语言程序的调试 一 Keil C51 集成开发软件 1 Keil C51 集成开发软件是 Keil 公司针对 51 系列单片机开发的基于 32 位 Windows 环境的单片机集成开发平台 2 Keil C51 集成开发软件包括一个编辑软件 可以在线编辑用 C 语言或 51 系列 单片机汇编语言写成的源程序 3 Keil C51 包含高效的编译器 项目管理器和 MAKE 工具 集成了 C51 交叉编 译器 A51 宏汇编器 BL51 连接定位器等工具软件和 Windows 集成编译环境 4 Keil C51 包括单片机软件仿真器 Dscope51 可以采用软件模拟仿真和实时在线 仿真两种方式对目标系统进行开发 二 Keil C51 开发环境 Keil C51 是一个功能强大的 51 单片机集成开发平台 它主要由标题栏 菜单栏 工具栏 项目窗口 源程序编辑窗口和输出窗口几部分组成 三 Keil C51 开发调试过程 1 新建源程序文件 建立和保存一个汇编或 语言源程序文件 ASM 或 C 文件 2 新建项目文件 UV2 文件 选择器件 把源文件添加到项目中 3 编译 Build 项目 生成目标文件 HEX 文件 4 调试程序 Debug 5 固化程序 程序固化到 ROM 3 7 4 汇编语言程序的调试实例 一 总步骤 1 启动 Vision2 2 新建一个项目文件 并从器件库中选择一个器件 3 新建一个源文件并把它加入到项目中 4 增加并设置选择的器件的启动代码 针对目标硬件设置工具选项 5 编译项目并生成可编程的 HEX 文件 6 仿真调试 二 调试实例 1 将外部 RAM 从 8000H 开始的 20 个字节 都赋以同一数值 FFH 源程序如下 ADDR EQU 8000H ORG 0000H ALMP START ORG 0030H START MOV DPTR ADDR MOV R0 20 MOV A 0FFH LOOP MOVX DPTR A INC DPTR DJNZ R0 LOOP SJMP END 2 程序开发调试过程如下 新建源程序文件 主菜单的 File New 下 进行源程序的编写并保存文件 文件扩展名为 ASM 新建项目文件 进行参数选项和环境的设置 主菜单上 Project New Project 新建项目 保存的项目文件为扩展名为 Uv2 的文件 将源程序文件添加到该项目 Project 中 项目窗口 Project Window 中 鼠标右击选取 Source Group 1 选择 Add Files to Group Source Group 1 添加编辑好的 ASM 文件 编译链接程序 选择 Project Rebuild all target files 选项开始编译程序 编译成功 在下方输 出窗口中显示编译成功信息 调试程序 点击按钮 进入调试环境 打开主菜单中 View 下 Memory Window 下方 输出窗口中出现 Memory 窗口 在 Address 中输入 X 8000H 显示片外 RAM 从 8000H 起的存储单元的数据 初始值都为 0 3 8 89C51 的应用系统设计实例 例 设计一个实时时钟 以秒 分 时为单位计时 采用定时器与中断功能的综合应 用 解 实时时钟是以秒 分 时为单位计时 采用定时器与中断功能的综合应用 实现时钟计时的基本方法 时钟计时最小单位是秒 使用方式 1 工作 在主频为 11 0592 MHz 时 最长定时时间才为 71 11ms 定时器采用定时方式 定时时间 20ms 利用软件方法累计 50 次 得到 1 秒的计时 从分和时的计时通过累计和数值比较实现 即到 60 秒为 1 分钟 60 分钟为 1 小时 设计过程 计算计数初值 使用定时器 T0 以工作模式 1 进行 20ms 的定时 已知 fosc 11 0592MHz 则 计数初值 X 为 216 X 12 11 0592 106 20 10 3 s 解得 X 47104 B800H 因此 计数初值为 TH0 B8H TL0 00H 设计主程序 MAIN 主要功能 定时器 T0 的初始化 A 启动 T0 B 允许定时器 T0 中断 开中断 C 对工作单元初始化 对小时工作单元 30H 清零 分钟工作单元 31H 清零和秒工作 单元 32H 清零 D 然后反复调用显示子程序 等待 20ms 定时中断的到来 流程图如图 4 1 所示 图 4 1 设计中断服务程序 PIT0 主要功能 进行计时操作 A 判断计数溢出是否满 50 次 不满表明没到 1 秒 中断返回 B 满 50 次 已到 1 秒 程序继续 C 满 1 秒时将 32H 单元加 1 满 60 秒时将 31H 单元加 1 满 60 分将 30H 单元加 1 D 当计满 24 小时 30H 31H 32H 单元清 0 重新开始计数 程序清单源程序如下 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP PIT0 ORG 2000H MAIN MOV SP 60H MOV TMOD 01H MOV 20H 50 CLR A MOV 30H A MOV 31H A MOV 32H A SETB ET0 SETB EA MOV TL0 00H MOV TH0 0B8H SETB TR0 SJMP PIT0 PUSH PSW PUSH ACC MOV TL0 00H MOV TH0 0B8H DJNZ 20H RETUNT MOV 20H 50 MOV A 01H ADD A 32H DA A MOV 32H