电动执行机构限位部分的改良设计说明书

济南大学毕业设计- 1 -目录目录 .11 前言 .31.1 选题背景 .31.2 选题意义 .41.3 设计内容和目的 .42 电动执行机构机械部分的设计 .52.1 电机型号的确定 .52.1.1 折算到电机轴上的转矩为 .52.1.2 电动机的计算功率为 .62.2 一级蜗轮蜗杆减速装置的设计 .62.2.1 选择蜗杆传动类型 .62.2.2 选择蜗轮蜗杆材料 .62.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 .62.2.4 蜗杆与蜗轮的主要参数和几何尺寸 .72.2.5 校核齿根弯曲疲劳强度 .82.2.6 验算效率 .92.2.7 对蜗杆轴校核 .92.2.8 轴承的选择及校核计算 .112.3 二级蜗轮蜗杆减速装置的设计 .122.3.1 选择蜗杆传动类型以及蜗轮蜗杆材料 .122.3.2 蜗杆与蜗轮的主要参数和几何尺寸 .132.4 一级圆柱齿轮减速器参数计算 .132.4.1 选择精度等级、材料及齿数 .132.4.2 按齿面接触强度设计 .132.4.3 计算 .142.4.4 按齿根弯曲强度设计 .142.4.5 几何尺寸计算 .153 电动执行机构控制部分设计 .163.1 电动执行机构限位部分的改良设计 .163.1.1 普通电动执行机构机械限位的介绍 .163.1.2 电动执行机构电子限位部分的改良设计 .173.2 单片机硬件电路的设计 .183.2.1 驱动电路的设计 .183.2.2 时钟电路的设计 .193.2.3 复位电路的设计 .193.2.4 外部存储器的设计 .203.2.5 USB 接口电路的设计 .203.2.6 霍尔传感器电路的设计 .21济南大学毕业设计- 2 -3.2.7 各种保护电路的设计 .223.3 单片机程序设计 .233.3.1 程序流程图设计 .233.3.2 电子限位程序设计 .254 结 论 .27参 考 文 献 .28济南大学毕业设计- 3 -1 前言1.1 选题背景我国电动执行器的研制开发起步比较晚，是从苏联有触点的电动执行机构进行仿制开始的，从 60 年代末、70 年代初开始，逐步发展了 DDZ- II 和 DDZ- III 系列产品。80 年代以来，随着机电一体化技术的发展，电动执行器的发展也十分迅速，市场上逐渐形成了无触点的 DKJ 型角行程和 DKZ 型直行程两大类产品，这是我国生产的唯一的、最早的电动执行器，其特点是产品结构简单、经济实用等，由于这些优点而被早期的国营大型企业使用。随着现代工控计算机管理的发展，我国的仪器仪表行业的整体综合技术水平也得到了普遍上升，所以在仪器仪表产品中开始普遍采用微电子技术和计算机技术，从而实现了多数产品的智能化。现在，DKJ、 DKZ 系列与以前相比有了实质性的改进，这主要体现在一下两方面：（1）生产出的智能电子型、户外型、隔爆型等改进产品直接受计算机的控制；（2）电路控制部分被封装在一个小型塑料盒中，即形成了便于维护的即插即用型的模块。所以，很大程度上提高了普通 DKJ 型和 DKZ 型的可靠性、负载能力、精度、信号品质系数等，与此同时也降低了对环境条件的要求 1。自 1929 年 LIMITORQUE 公司制造出世界上第一台电动执行机构以来，国际上的电动执行器的技术水平也得到了迅猛发展。从 20 世纪 80 年代起，国外陆续推出了符合各种现场总线标准的智能型电动执行机构，这些新产品在工业现场都取得了非常好的应用效果 2。随着高新科技的迅猛发展，国外目前已经开发出新一代智能化电动执行机构产品，在这些产品中电子计算机技术、微机控制技术已经在阀门设计中得到广泛应用，他们的优点是功能强大、简单可靠、技术先进。国际著名的电动执行机构公司，英国的 ROTORK（罗托克）生产的 ITQ 系列智能化电动执行机构，不仅拥有智能控制、智能通信、支持多种现场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使其可以在任何环境中被使用，防水防爆，调试以及故障排除简单，终身可靠 3。另一家国际著名公司德国 Hartmann&Braun 公司的新一代智能型电动执行器 MOE700 实现了电子一体化，变频变速定位监控等功能。在该领域拥有世界先进水平的公司还有美国的 JORDAN 和 LIMITORQUE 公司等 4。JORDAN 公司的智能型电动执行器的动作频率是 20004000/h，频率非常之高，相比国内的电动执行器的动作频率都在 2000/h 以下，一般动作频率达到 1200/h 就已经算是很高的了 5。归结起来，国际上智能电动执行机构具有以下特点：（1）智能控制和智能通信。利用微机技术和现场通信技术，智能电动执行机构能够实现双向通信、在线自动标定、PID 调剂以及自动校正和自动诊断等多种控制技术要求的功能，能有效提高控制水平。 （2）机电一体化性能。新型智能化电动执行机构将伺服放大济南大学毕业设计- 4 -器和执行机构合为一体，同时驱动电路使用功能强大的集成模块，不仅结构简单，而且控制性能更好。 （3）更为先进的控制策略。先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，能够实现准确定位，提高控制精度。例如：Nucom 电动执行机构利用先进的电制动技术，其控制精度可以达到 1/250，而国产的 DKJ 和 DKZ 型电动执行器的控制精度一般为 2.5/100。电动执行机构作为电动阀门的动力装置，是工业自动化仪表中的执行单元。它接受来自工控机、计算机、调节器等仪表系统的控制信号，自动完成调节过程，直接影响着阀门的使用性能。因此，电动执行机构的性能直接影响整个系统的安全性、经济性、可靠性，甚至关系到系统的正常运行。1.2 选题意义随着能源化工、钢铁和建筑等现代化工业高速发展以及与其有密切联系的水、气、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门也将扮演着很重要的角色。从而对电动执行机构的功能和使用要求也会相应的提高，迫切需要新一代的智能化产品来替代目前正在使用的产品，因此研制开发性能先进、功能完善的电动执行机构，尤其是能够实现对远距离控制、现场操作、集中控制功能的电动执行机构，用来满足国内和国外广大用户生产使用的要求，也对形成我国自己的产品具有十分重要的现实意义。1.3 设计内容和目的电动执行机构在工业控制现场具有广泛的应用，国内外也纷纷对电动执行机构进行改进设计。本次设计要求改进角行程电动执行机构机械限位部分，即将机械限位改为电子限位。根据查阅国内外电动执行机构的现状，发现越来越多的工厂希望在控制系统得到阀门、龙头以及驱动器当下位置的反馈信号。因为传感器的工作速度和可靠性的优势明显：全固态，因此无磨损或误差修改；快速输出开关状态；磁滞和重复性可以比机械设备更多的进行电子定义；无焊接或输出端腐蚀；很少或者根本不受堵塞或湿度影响；无触点抖动，使得维护和调试更加简单，快捷。预期研究结果：（1）保证阀门开度不会超过它的极限位置；（2）保证力矩输出不会超出设定上限 3000N；（3）实现电动机的过温保护；（4）增设了报警电路，当阀门开度超过指定范围或者扭矩过大时，进行报警警告。济南大学毕业设计- 5 -2 电动执行机构机械部分的设计本章节主要介绍了电动执行机构内部机械传动部分零件的计算与选型，传动部分的结构示意如图 2.1 所示。图 2.1 机械传动部分示意图2.1 电机型号的确定执行机构输出轴扭矩 、一级蜗轮蜗杆采用 4 头蜗杆，减速比为mNTL3010，蜗杆传动效率为 0.76（1 个） ， 滚子轴承的传动效率 0.98（4 个） ，弹性联轴器传动效率 0.99(3 个) ，二级蜗轮蜗杆减速比为 31，蜗杆传动效率为 0.73（1 个） ，齿轮传动效率 0.9（2 个） ，一级圆柱齿轮的传动比为 3，所以总传动率为 0.6。2.1.1 折算到电机轴上的转矩为)(12.6.0310 mNiTL 总总 （2.1）式中： ， 分别为电机输出轴扭矩和执行机构输出轴扭矩， ；0TL 执行机构总传动比；总i济南大学毕业设计- 6 -执行机构总的传动效率。总2.1.2 电动机的计算功率为)(4.2950KWnTpr（2.2）查手册 7，选择 Y100L2-4 型三相异步电动机，该电机额定功率为 ，)(30p额定转速为 。min)/(1430rn2.2 一级蜗轮蜗杆减速装置的设计2.2.1 选择蜗杆传动类型根据 GB/T 10085-1988 的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI） 。渐开线蜗杆传动相比于阿基米德蜗杆传动和法向直廓蜗杆传动，其效率和承载能力有了明显提高，但是由于蜗杆本身以及与其相配的蜗轮的加工有一定难度，使其价格较高。2.2.2 选择蜗轮蜗杆材料蜗杆用 45 号钢、淬火、硬度 4555HRC，涡轮用铸造铝铁青铜（ ZCuAl10Fe3） ，它的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于传动速度不高的场合。2.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计322)(HEZTKa（2.3）式中： 一级蜗轮上的扭矩， ；2TmNK载荷系数；材料的弹性系数， ；EZ2/1MPa蜗杆传动的接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数，简称接触系数；蜗轮齿面的许用接触应力， 。HPa（1）确定作用在一级蜗轮上的扭矩 2T济南大学毕业设计- 7 -按传动效率 减速比为 10，则6.0)(23.10/436.15.915.9232 mNnpT （2.4）（2）确定载荷系数 K因为工作载荷较稳定，故取齿向载荷分布系数 ；由表 11-56选取使用系1K数 ；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 。则15.AK 05.205.1A（2.5）（3）确定弹性影响系数 ZE因选用的是铸造铝铁青铜和钢蜗杆相配，故 。)(621MPaZE（4）确定接触系数 先假定蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值 ，查图 6得 11-18 。35.01d9.2Z（5）确定许用接触应力 H查表 11-76蜗轮的基本需用接触应力 。)(268MPaH应力循环次数为72 108.6)1530(104660 hLnjN（2.6）式中：j蜗轮每转一转，每个轮齿啮合的次数；工作寿命。hL寿命系数 60.178.60HNK（2.7）则 )(8.12. MPaHNH（2.8）（6）计算中心距)(26.98).160(321.)(3322 mZTKaHE （2.9）查表取标准 ，因传动比为 10，故从表 11-26中取模数 ，蜗杆)(10m 4济南大学毕业设计- 8 -分度圆直径 。这时 ，从图 11-186查出接触系数 ，因为)(401md4.01ad 6.2Z，所以以上计算结果可用。Z2.2.4 蜗杆与蜗轮的主要参数和几何尺寸（1）蜗杆轴向齿距 )(56.124.3mmPa（2.10）直径系数 01dq（2.11）齿顶圆直径 )(482402*11 mmhddaaa （2.12）齿根圆直 （2.13）)(30)425.1(40)*(21mchdaf 蜗杆轴向齿厚 )(28.614.35.1mmSa （2.14）分度圆导程角 。8.21（2）蜗轮蜗轮齿数 ；变位系数 ；验算传动比 传动比没有误差。402Z5.010i蜗轮分度圆直径 )(160422 mZmd（2.15）蜗轮节圆直径 )(5.1602d（2.16）蜗轮喉圆直径 (2.17)(8422 mhaa蜗轮齿根圆直径 (2.18).15.160dff 蜗轮咽喉母圆半径 (2.19)(622rag济南大学毕业设计- 9 -图 2.2 蜗轮蜗杆尺寸示意图2.2.5 校核齿根弯曲疲劳强度53.122FFaFYmdTK（2.20）式中： 蜗轮上的扭矩， ；2TN蜗杆，蜗轮的分度圆直径，mm；1d，齿形系数；2FaY螺旋角系数。计算当量齿数 5.428.1cos0332Z（2.21）根据 ，从图 11-196查的齿形系数 。5.047.312Z 6.2FaY螺旋角系数 92.0148.01（2.22）从表 11-86查的由铸造铝铁青铜的基本许用弯曲应力 。)(9MPaF寿命系数 49.0178.6NK（2.23）许用弯曲应力 ）（ Pa.9.40FNF济南大学毕业设计- 10 -（2.23）)(28.349.0152416032.5 FF MPa （2.25）弯曲强度是满足的。2.2.6 验算效率 )tan()98.05.(（2.26）已知 ； ； 与相对滑动速度 有关：31.farctnvsv)/(38.01.co10645os106 smds （2.27）从表 11-186查的 ；代入式中得 ，大于原估计值，.f 4376.因此不用重算。2.2.7 对蜗杆轴校核（1）计算蜗杆和蜗轮的转矩)(69.14302.59.11 mNnPT（2.28）)(23.1/4.05.93232p（2.29）（2）计算圆周力、径向力、轴向力)(59.04.61KNdTFt （2.30）)(32.2a（2.31）)(48.0tan.1tnKNFar （2.32）（3）对蜗杆轴受力分析受力分析如图所 2.3 示济南大学毕业设计- 11 -图 2.3 一级蜗杆轴的受力分析1）取垂直平面计算对 A 点取矩)(7035.)8.1.70(2 KNFFtNH（2.33）从而可得 。 )(35.01KNH2）取水平面进行计算)(28.59210631 mKNdFMa（2.34）对 A 点取矩08.17).08.17(2rNVFa（2.35）求得 ， 。)(92.0KNFNV)(6.31KFV3）画弯矩图和扭矩图并分析危险面)(7.14032.56798.422 mNMVH （2.36）济南大学毕业设计- 12 -，C 点处为危险面。)(315.84mNT4）校核轴的强度)()2(4) 122WTMTWca（2.37）式中： 轴的计算应力， ；ca mNM轴所受的弯矩， ；T轴所受的扭矩， 。)(2538.19901.)5.846(74 1322 MPaPaca （2.38）所以满足强度要求。2.2.8 轴承的选择及校核计算（1）轴承的选择采用角接触球轴承，根据轴直径为 20，选择角接触球轴承的型号为 7004C，主要参数为： ； ； ；基本额定静载荷)(20md)(42D)(12mB；基本额定动载荷 ；极限转速为 14000（r/min） 。)(8.60KNC5.0KNCr（2）轴承寿命的校核1）已知 )(48.0Fr)(32.1Fa75.48.0r（2.39）查表 4.6-37查的 7004C 型号轴承的 ；根据 ，查表 13-5 得.eeFra， 。40.X.1Y轴承受力分析如图 2.4 所示。济南大学毕业设计- 13 -FrFaeFr1Fd1 Fd2Fr2图 2.4 轴承的受力分析2） )(382.14.6921 KNYFrd（2.40）)(0.30dae（2.41）因为 ，所以轴承 1 被压紧轴承 2 放松，所以有 12daeF)(01.KNFdae（2.42）可得 。)(382.12KNda3） = 1arFYXP )(364.1802.41869.340（2.43）)(.22 KNar（2.44）因为 P1P2，所以只需对轴承 1 进行校核。)(480230hLh（2.45）)(15286)364.81(206)(6010 hpCfnth （2.46）所以可得 ，即轴承满足寿命要求。hL2.3 二级蜗轮蜗杆减速装置的设计由于二级蜗轮蜗杆减速装置的设计与一级蜗轮蜗杆减速装置的设计过程相似，济南大学毕业设计- 14 -所以在本章节里只列出该装置的相关参数，具体计算过程以及相关校核请参考 2.2节。2.3.1 选择蜗杆传动类型以及蜗轮蜗杆材料同样的选用渐开线蜗杆传动。蜗杆用 45 号钢、淬火、硬度 4555HRC，涡轮用铸铝铁青铜（ZCuAl10Fe3） 。它的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于传动速度不高的场合。2.3.2 蜗杆与蜗轮的主要参数和几何尺寸根据计算并查表取标准 ，因传动比为 31，故从表 11-2 中取模数)(125ma，蜗杆分度圆直径 。3.6m403d（1）蜗杆轴向齿距 ；直径系数 ；齿顶圆直径 ；齿根圆直782.19aP1q)(6.753mda径 ；分度圆导程角 ；蜗杆轴向齿厚 。)(25.473df 7.5 891S（2）蜗轮蜗轮齿数 ；变位系数 ；验算传动比 传动比没有误差；蜗314Z68.03i轮分度圆直径 ； 蜗轮节圆直径 ；蜗轮喉圆直径)(.95md )(174md；蜗轮齿根圆直径 ；蜗轮咽喉母圆半径)(.2074da.4f。1rg2.4 一级圆柱齿轮减速器参数计算2.4.1 选择精度等级、材料及齿数选择小齿轮材料为 40Cr(调质)，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢(调质)，硬度为 240HBS；减速器一般选用 7 级精度（GB10095-88） ；选择 ，201z，传动比为 3；选取螺旋角，初选螺旋角602z 142.4.2 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即：2351 )(12. HEdtt zuTKd济南大学毕业设计- 15 -（2.47）查阅资料可得，载荷系数 ；材料的弹性影响系数系数 6.1tk )(202/1MPazE；小齿轮的接触疲劳强度 ，大齿轮的接触疲劳强)(50MpamH； 计算应力循环次数 ， ；选取接触疲)(53121MpamH6102.N62145.N劳寿命系数 ；取失效概率为 1，安全系数 s=1，计算可得接触.1,2HNK疲劳需用应力 ， 。)(5601pa)(4.5892paH2.4.3 计算（1）计算小齿轮分度圆直径 d1t，代入 中较小的值。H)(29)560(348.12632.1 mt （2.48）（2）计算齿宽 b 及齿宽与齿高之比齿宽 )(291dbt（2.49）模数 = tm34.1/cos/cos11zt（2.50）齿高 )(28.34.52. mhnt （2.51）./9/b（2.52）（3）查阅资料可得，使用系数 ，7 级精度，动载系数 ， 1Ak 15.vK，对于直齿轮 ，所以通过计算可得载荷系数 。1.HK4.FHK32（4）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径7.326.1/29331 ttkd（2.53）（5）计算模数 m59.12/4cos7.32/11zcsod（2.54）济南大学毕业设计- 16 -2.4.4 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 3215FsadnYzkTm（2.55）查资料可得，计算载荷系数 ；齿形系数 ， ；应09.K724.1284.力校正系数 ， ；小齿轮的弯曲疲劳强度 ，大568.1sa721sa )(5601MpaFE齿轮的弯曲疲劳极限 ；弯曲疲劳寿命系数， ，)(32MpFE 3.NK87.02FNK（1）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 ，4.1s)(324.1/56083.1 MpaskFENF （2.56）)(./7.22skFENF（2.57）（2）计算大、小齿轮的 并加以比较FsaY01286.3/568.1724.1Fsa（2.58）95./.2FsaY（2.59） 大齿轮的数值大。（3）设计计算 86.1095.2013.3 m（2.60）对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法向模数 大于齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数， ，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的2m分度圆直径 ，算出小齿轮齿数)(7.31d济南大学毕业设计- 17 -162/4cos7.32cos1 mdz（2.61）则大齿轮齿数 。482z2.4.5 几何尺寸计算（1）计算中心距)(3.1024cos/816cos2)(1 mmza）（2.62）圆整中心距离 。)(0（2）计算大、小齿轮的分度圆直径)(2.4536.1cos/26cos1 mmzd（2.63）)(89.cs/48cs2z（2.64）（3）计算齿轮宽度)(2.45.1mdb（2.65）圆整后取 ， 。)(452mb)(5013 电动执行机构控制部分设计设计的智能电动执行机构由数字控制部分和执行部分组成，其基本组成如图 3.1所示 8。控制部分采用了先进的集成电路，以 89C52RC+单片机为核心。我们可以预先设定阀门的灵敏度、零点和行程等整定参数，通过数字量的输入信号设定阀门位置。 济南大学毕业设计- 18 -驱动电路外扩 RAM和 EEPROMAD0AD7P1 数据线89C52RC+单片机P2 数据线 P0 数据线零/满位调整，位置反馈，控制信号电压/电流的检测键盘输入A/D 转换器图 3.1 控制器结构示意图电流、电压及温度、位置传感器将检测到的驱动电路的输出电流、电压以及步进电机温度、输出轴位置信号，经 A/D 转换后送入单片机。通过驱动电路，控制步进电机正/反转，并实现步进电机的调速以及阀的位置的控制。3.1 电动执行机构限位部分的改良设计3.1.1 普通电动执行机构机械限位的介绍普通电动执行机构的机械限位机构由行程开关限位机构构成，它的功能是作为电气极限位置限位，当角行程电动执行机构输出轴处于 0或 90的位置为极限位置 9。执行机构输出轴到了其中一个极限位置时，行程开关发生动作。即常闭触头变为常开触头，从而切断电动机的供电电源，起到保护作用。行程开关限位机构由凸轮组件和行程开关两大部分构成，其动作过程是在输出轴后端安装一只凸轮组件，凸轮组件与主轴同步旋转，当凸轮组件中某一只凸轮与行程开关组件某一只开关相碰时，行程开关从常闭状态变为常开状态 10。凸轮组件结构示意图如图 3.2 所示。济南大学毕业设计- 19 -1，2 齿轮轴 3，4 内齿轮凸轮图 3.2 凸轮组件结构示意图3.1.2 电动执行机构电子限位部分的改良设计普通的电动执行机构中位置传感器的选用通常为角位移型变阻器式传感器，这种位移传感器的工作原理是通过改变电位计元件的电刷位置，实现将位移转换为电阻 11。这种传感器实际上是由一个金属电阻丝或一个绕线电阻与一个电刷（或触头）组成的可变电阻。触头的移动即可实现位移量转换为电阻变化。如图 3.3 中的电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。图 3.3 角位移型变阻式传感器角位移型变阻式传感器的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响小；可以实现输出-输入之间任意函数关系；输出信号大，一般不需要放大。缺点是由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡；因为存在电刷与线圈或电阻之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨率较低；动态响应较差，适合于测量变化缓慢的量。而该智能型电动执行机构的位置传感器选用的是霍尔式角位移传感器 12。该位移传感器的测量原理是传感器的位置固定，在执行机构的输出轴上贴有若干对小磁钢，小磁钢越多，则精度及分辨率越高。为了判断转动方向，采用了两个相同的霍尔传感器 H1 和 H2。测量角度时，每当一个磁钢转过霍尔传感器时，引起磁场的变化，传感器便输出一个脉冲，计算脉冲的个数，即可确定旋转过的角度。该装置示意如图 3.4 所示。济南大学毕业设计- 20 -1，2霍尔传感器 3.小磁钢 4.转动圆盘图 3.4 霍尔式角位移传感器采用霍尔传感器来获得位置信号，霍尔式角位移传感器能够将输出轴的转过的角度准确的传递给单片机，由单片机进行分析计算，当转动角度超出设定的范围，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或全开 13。霍尔传感器的优点是具有无接触无磨损，分辨率高寿命长、抗干扰能力强等特点，同时测量位移、速度、转向等参数，通过微处理器处理，可进行任意确定工作区间、改变一定转速等设定。3.2 单片机硬件电路的设计3.2.1 驱动电路的设计控制器的输出（P3.0 ，P3.5）控制步进电机的正转、反转及停转，进而控制执行机构位置与给定值相等。单片机的输出通过逻辑互锁电路控制 2 个固态继电器（KSSR1，KSSR2）接通或断开以控制步进电机 2 个线圈通电或断电（电机的正转、反转或停转） 14。具体电路如图 3.5 所示。图 3.5 驱动电路逻辑互锁电路用于确保 2 个固态继电器不会同时接通，防止电机烧毁。其真值表如表 1 所示。从表中可以看出，通过逻辑互锁电路后，电机的 2 个线圈不会同时济南大学毕业设计- 21 -通电，电机出现正转、反转和停转 3 种状态。表 3.1 逻辑互锁电路真值表P3.0 P3.5 Kssr1 Kssr2 电机状态0 0 不导通 不导通 停止0 1 不导通 导通 反转1 0 导通 不导通 正转1 1 不导通 不导通 停止3.2.2 时钟电路的设计时钟电路的作用是为单片机工作时，提供所需要的时钟信号。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路程序，为了保证实现同步工作方式，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 15。基于时钟信号的产生包括芯片内部方式和外部方式两种，本次设计采用内时钟方式。内时钟方式是指：利用芯片内部电路；在 XTALl，XTAL2 的引脚上外接定时元件来实现的，内部振荡器能产上自激振荡，利用仪器可以观察到 XTAL2 输出的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。晶体应在1.2MHVZ-12MHZ 之间任选一款，电容应在 20pf-60pf 之间选择，通常以 30pf 左右最为合适。电容 C1 和 C2 的大小对振荡频率有微小影响，能起到频率微调作用。具体电路组成如图 3.6 所示。图 3.6 时钟电路3.2.3 复位电路的设计复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机初始化为 0000H，使其从0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行时出错使系统处于锁死状态时，为使单片机能重新正常工作，也需按复位键以重新启动。RSET 引脚是复位的输入端。复位信号是有效的高电平，其有效持续时间持续 24 个震荡脉冲周期。具体电路组成如图 3.7 所示。济南大学毕业设计- 22 -图 3.7 复位电路3.2.4 外部存储器的设计为了保证用户编写的程序在系统掉电时不会丢失，本系统采用 2764 的EEPROM 存储器来存储用户编写的程序。电擦除可编程只读存储器 EEPROM 是近年来开始被广泛使用的一种只读存储器，它能在应用系统中进行在线改写，并能在掉电的情况下保存数据而不需保证电源，因而完全符合系统的设计要求。在本系统，用户设定的程序就存于 EEPROM 2764 中。2764 与单片机之间采用 I2C 总线通讯方式 16。本系统设计是利用 89C52RC+单片机的 P3. 4 和 P3. 5 来模拟 I2C 总线的数据传输格式和时序来实现单片机 89C52RC+与 EEPROM 2764 的数据传输。P3. 4 模拟串行时钟线，P3. 5 模拟串行数据线。 2764 的器件地址为 A0H, C4 为去藕电容。3.2.5 USB 接口电路的设计在该智能仪器和控制系统的设计中，我要用键盘来输入参数或对抄写的进程进行管理等。在一个单片机应用系统中，键盘和显示部分是系统中必不可少的输入输出设备，是控制系统与操作人员对话的窗口。因此键盘是实现人机对话的一种重要的输入方式。对于 USB 接口芯片，通常分为普通和 DMA（直接存储器存取）两种工作模式。相对于普通模式，DMA 数据传输模式传输速率更快，更适合于视频数字信号等高速、实时信号的传送。而本次设计中的 USB 仅选择普通工作模式即可，用于连接外接键盘。具体电路如图 3.8 所示。图 3.8 USB 接口电路济南大学毕业设计- 23 -3.2.6 霍尔传感器电路的设计（1）霍尔传感器的选择霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的是 CS3020，这种传感器是一个 3 端器，只要接上电源、地，即可工作，它的电源电压是 4.524V；灵敏度为 3.1250.125MV/V；零点漂移0.06%；精度等级是 C3 级，分度数 3000；工作温度范围是-55125 ；输出通常是集电极开路（OC ）门输出，工作电压范围C宽，使用非常方便。如图 3.9 所示，CS3020 的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是 Vcc，地，输出。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 17图 3.9 CS3020 外形图（2）霍尔传感器装置的安装此装置安装示意图是完全模拟电动机构中传感器的安装位置。铝块和传感器提前安装在一起，装好之后再一起固定在固定支架上。传感器通过两个螺母拧紧在铝块上。铝块则通过两个螺钉固定在支架上，并保证传感器与磁钢的接近距离为8mm，如图 3.10 所示。济南大学毕业设计- 24 -图 3.10 霍尔传感器安装示意图（3）信号传输电路和信号处