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1、1 1 导言 1.1主题来源 读书看报是现今老年人的主要娱乐方式之一。 而 40 岁以后随着人眼的晶状体 逐渐纤维硬化，睫状肌逐渐麻痹，使人眼无法有效调节眼球的形状（轴向变化）， 只能通过调节眼睛与所视物体的距离，看近处的物体时必须移远才能看清楚，这 时的眼睛状态就称为老花眼。 而随着年龄增加， 老花的度数也会随着增加。 例如， 45 岁时老花是 150 度，到了 50 岁，不管老人是否佩戴老花镜，老花的度数都会 增加到 200 度。此时老年人看书看报等难免就会出现阅读上的困难。为看清楚微 小的物体或物体的细节，就需要把物体移近眼睛，因为这样可以增大视角，使在 视网膜上形成一个较大的实像。但当

2、物体离眼的距离太近时，反而无法看清楚。 换句话说话，要明察秋毫，不但应使物体对眼睛有足够大的张角，而且还应取合 适的距离。显然对眼睛来说，这两个要求是相互制约的，若在眼睛前面配置一个 凸透镜便能解决这一问题。此时老年人通常会佩戴老花镜，或者使用放大镜来帮 助自己看清物体。如果可以用机械设备控制放大镜的位置，就可以解放老年人的 双手， 以一种更方便的方式控制放大镜的位移， 让老年人能充分享受阅读的乐趣。 1.2方便阅读架的研究目的 人口老龄化问题是当今世界各国都要而临的一个严峻挑战。 人口老龄化的发 展，导致老年人口过多，影响人口年龄结构，给养老事业造成巨大压力。对于我 国，这点尤为突出，一是我

3、国老年人口的绝对数量很大，1996 年我国 65 岁以上 的老年人口已达 0.86 亿，同年 60 岁以上的老人已达 1.30 亿；二是我国人口老 龄化的发展速度快，一般西方国家从人口成年型国家进入老年型国家要经过 50-80 年，而我国大约用不了 20 年。 1 目前高龄老年人阅读是他们了解社会的一种主要渠道， 但是高龄老人阅读确 实存在不小的困难，高龄老人的眼睛已经严重老花，他们阅读时不仅需要带上高 深的老花镜，还要手拿放大镜，这样才能勉强阅读，这种阅读方式不仅劳累，还 要随着阅读的部位的不同手持放大镜不断改变位置，增加了不少的阅读负担。本 设计拟设计一种老年人阅读时使用的放大镜搁置的摆放

4、支架， 它不仅可以按照老 人阅读的速度自动调整纵向（y）/横向（x）的位置，实现类似我们利用电脑阅 2 读时的自动滚屏操作， 还可以按照手动控制的方式来实现手动控制改变放大镜的 位置，以实现阅读不同的区域。 1.3方便阅读架的课题规划 本课题基于机械设计及其自动化、力学、材料学、工业设计等相关专业学科 的知识体系的前提下完成设备的发明和制做。机电结合可使机械系统简化，性能 更完善。机电结合可获得更高的精度。 2应用机械专业的相关知识完成产品的总 体设计，应用力学，材料学的相关知识完成对产品的受力、寿命，成本等方面的 检测， 在工业设计的知识体系下应用美学与外观设计等知识对产品的外观进行美 化，

5、使产品更人性化，更安全。应用各种传动机构实现产品的预期设计功能，主 要运用步进电机带动丝杠，同步齿形带，等简单的机械结构实现对放大镜移动的 控制。 1.4方便阅读架的意义及市场前景 1.该阅读书架将传统书架与放大镜，单片机控制系统集成在一起，实现自动 化方式从而解放双手，极大提升了老年人阅读体验。 2.该阅读书架结构简单轻便，携带方便，成本低廉，易于生产制造，适合推 广，是一款经济实用型产品。 3.该阅读书架固定板与移动板之间的距离可以调节， 以适应不同书脊厚度的 放置， 提高了书籍的放置平整度，书架的倾斜角度还可以根据不同的阅读习惯进 行调节，从而达到良好的阅读效果。 4.结构较为轻便，加工

6、简单方便、成本低。 2课题设计任务书 2.1课题名称 助老型全自动“方便阅读架”机械、控制结构的设计与制作 2.2设计要求 2.2.1设计要求 方便阅读架是为老年人设计制造的一款设备， 设计过程中应该着重考虑老年 人对于机器使用的学习及接受能力，机器的操作及其使用，应该尽量简洁明了， 方便学习使用。 3 2.2.2设计要求 要求方便阅读架，在完成 X,Y,Z 坐标，三个方向的运动时，要保证运动过程 的准确性，使整台设备结构紧凑，机体占地空间小，成本低廉，让老年人获得更 好的阅读体验。 2.2.3设计要求 要求方便阅读架具有良好的协调性，重要的部分可以进行方便调整，如手动 对焦部分可以方便的进行

7、调节，满足阅读需要。 3 工作原理与制作过程 3.1概述 方便阅读架的结构主要采用基本的轴类件、杆件、丝杆、同步带、皮带轮、 板材等组成，采用 51 单片机控制步进电机这一动力机构，传动机构主要采取皮 带传动、步进电机带动丝杠传动等，结构紧凑、简便，原材料完全可以选用于市 面上普通的现有材料，成本低廉，原材料广泛。 3.2工作原理 3.2.1产品整体过程 简易方便阅读架整体尺寸为长 500mm，宽 400mm，高 500mm。该装置主要由 同步带运动机构，丝杆步进电机运动机构等构成。丝杆步进电机运动机构主要是 由步进电机提供动力，通过弹性联轴器将步进电机与传动丝杆联结，通过一个开 环控制系统对

8、步进电机伺服系统进行控制，在此系统中，步进电机受驱动线路控 制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通 过齿轮和丝杠带动工作台移动。 4 图 1 总示意图 进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是 由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自 锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受 到步进电机性能的限制并推送至所需位置等待安装。同步带运动机构，利用 35 步进电机带动皮带轮如图 1 所示产品总示意图。 3.2.2产品运动原理介绍 运动过程如下： 1、将所读书，报放在书架上，并使用夹子将

9、书报固定好，并调整好阅读角 度，接上直流电源。 2、启动单片机开关，使用红外遥控器上设置的 8 个按键，可以灵活控制两 个电机的启动，停止，正转，反转，从而可以灵活变换放大镜的位置，使放 大镜可以随时运动到老人阅读时候所需要的位置。 上述过程简易方便，操作简单明了。经过详细计算，运动迅速准确。且结构 简单，非标准件方便加工生产，大量节省制作成本。 3.3助老型全自动“方便阅读架”各个零部件及其功能介绍 3.3.1框架材料的参数及分析 图 2 框架结构示意图 5 整体的框架是使用 PP 板制成，PP 板材具有质轻、厚度均匀、表面光滑 平整、耐热性好、机械强度高、优良的化学稳定性和电绝缘性、无毒等

10、特征。PP 板广泛应用于化工容器、机械、电子、电器、食品包装、医药、装潢和水处理等 领域。PP 板实用温度可达 100 度。 框架结构如图所示，主框架长 480mm，宽 350mm，厚 0.8mm，在主框架左侧 有一个长 20mm，宽 270mm，的长槽，下方有八个直径为 3mm 的通孔，用于和下方 抬高板联接。主框架下侧是抬高板，其作用是给主框架后侧步进电机的安装留足 空间，避免因空间不足，造成电机安装困难。此外抬高板与主框架之间，使用四 个长 25mm，宽 22mm，的合页进行联接。所以主框架和抬高板之间可以进行旋转 活动，从而方便老人读书时，变换阅读视角，从而获得更好的阅读体验。主框架

11、右侧有一长 40mm，宽 350mm，厚 0.8mm 的小板用于固定夹书板。小板上开有一个 长 20mm，宽 270mm，的长槽，其与主框架的右侧的长槽的作用是为了给同步齿形 带沿 Y 方向上下运动留出空间。 图 3 框架组装示意图 小板于主框架使用两个铁制连接条，于板后使用螺钉进行连接。主框架，连 接板，抬高板，连接图如图所示。 3.3.2夹书板的参数及分析 夹书板的尺寸为长 207mm，宽 270mm，厚 0.8mm，安装在主框架的右侧，其 与右侧小板之间安装有弹簧， 使用时可将书籍的书脊放置于夹书板与主框架的间 隙处，在弹簧的作用下将书加紧。由于夹书板和主框架之间的间隙可调，所以可 6

12、以适应不同厚度书籍的安放。 3.3.3 抬书版的参数及分析 由于主框架在老人阅读时是处于倾斜状态，为了保证书籍能平稳的安放在， 主框架上安装两块抬书版， 对书籍进行支撑。 抬书板的尺寸为长 120mm， 宽 25mm， 厚 0.8mm，使用角铁与主框架进行连接。抬书版安装位置如下图所示： 图 4 支书板安装示意图 9 3.3.4定位导向板 定位导向板位于框架两侧，是由两块长 30mm，宽 270mm，长的 PP 板，使 用 AB 胶水，与框架粘接成一个三面导轨。AB 胶水是双组份环氧树脂 ab 胶胶粘 剂，具有高透明性能，粘接物固化后完美无痕，无需加热，可常温固化，环保无 毒；高粘接强度、韧性

13、好、耐油、耐水等众多优点；固化物具有良好的绝缘、抗 压、收缩率低等电气及物理特性。广泛应用于各种高档陶瓷、玻璃、金属数码科 技等产品的制造与修复。其有高粘接强度、韧性好、耐油、耐水、耐酸碱、防潮、 防尘性能等众多优点。可耐高低温，耐湿热和大气老化；粘牢后固化物具有良好 的绝缘、抗压、收缩率低等电气及物理特性。 该导轨作用是对同步齿形带 Y 方向运动，起到一定程度的限位作用。具体 结构如图所示： 7 图 5 导轨安装俯视图 3.3.5丝杠固定螺母 丝杠固定螺母，不仅要实现自身沿 Y 方向的的运动，而且要带动整个同步 齿形带沿 Y 方向运动，整体结构如下图所示，该零件采用 3D 打印技术制作。3D

14、 打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金 属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。由于该零件结 构较为复杂，为非标准件，且体积较小，用 3D 打印技术制作，可节约大量成本， 并缩短生产周期，且可以满足所需要的负载要求。在零件上下表面各开有一个六 方孔，用于放置螺母。侧面开有一个直径为 6mm 的孔，用于放置联结前方皮带 轮的横轴。 图 6 丝杠螺母示意图 3.3.6轴承座 该轴承座固定在板后，与轴承相配合，可起到支承丝杠的作用。该零件尺寸 较小，同丝杠螺母一样，采用 3D 打印技术制作，使用螺钉固定在板后。 8 图 7 轴承座示意图 3.3.7

15、同步齿形带 在机械设备传动中， 有许多部位都需要大跨距传动大多采用皮带传动或链条 传动，这两种传动方式都存在缺陷，后来人们发明了同步带，同步带不但具有皮 带传动适应高速无噪声的优点，还具有链条传动比准确的特点。14 同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的 轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿 与轮的齿槽相啮合来传递动力。 传输用同步带传动具有准确的传动比，无滑差， 可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达 1:10。 允许线速度可达 50M/S， 传递功率从几瓦到百千瓦。 传动效率高， 一般可达 98%， 结

16、构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作 环境较为恶劣的场所下正常工作。2 同步带具有以下优点5： （1）传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比； （2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低； （3）传动效率高，可达 0.98，节能效果明显； （4）维护保养方便，不需润滑，维护费用低； （5）速比范围大，一般可达 10，线速度可达 50m/s，具有较大的功率传递范围， 可达几瓦到几百千瓦； （6）可用于长距离传动，中心距可达 10m 以上。 9 （7）相对于 V 型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小； 主板两侧导槽中心距为 450mm,考虑到制造误差和实际尺

17、寸，皮带松紧程度等因 素，本设计采用的同步带型号为 380XL，具体参数见图： 图 8 同步齿形带参数图 2 3.3.8 步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。 在非超载的情况下， 电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度 一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的 目的； 同时可以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。它能按照控制脉冲的要求

18、，能迅速完成启动，正转，反转，加速，减 速，制动。15 步进电机驱动系统广泛应用在工业上的应用。 它们主要用于低成本的开环高 性能。然而，作为动态系统的更新越来越快，他们的运动更精确，作为一个开环 系统， 准确可靠显得更加的重要。 16步进电动机驱动系统主要是由步进电动机驱 动器和步进电动机构成。步进电动机驱动系统的性能，不但要取决于步进电动机 启动器的好坏，也取决于步进电动机的自身性能。步进电动机是一种将电脉冲转 化为角位移的执行元件。 当步进电动机驱动器接收到一个来自控制器的脉冲信号 时， 它就驱动步进电动机按照设定的方向转动一个固定的步矩角，它的旋转是通 过固定的步矩角一步一步转动来运行

19、的。 10 步进电动机不能直接接通直流或交流电源工作，必须使用步进电动机驱动 器。 脉冲信号发生器可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，这样可以进行准 确定位；同时步进电动机的速度和加速度可以通过控制脉冲频率来控制可，从而 达到调速的目的。 图 12 步进电机 3.3.9步进电机驱动器 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分 时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常 工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 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

20、转动一个固定的角度(称为 “步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个 数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控 制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。 驱动器上的信号接口有六个，PUL和 PUL为控制脉冲信号正端和负端； DIR和 DIR为方向信号正端和负端；EN和 ENA为使能信号的正端和负 端。电机接口有四个，A和 A接步进电机 A 相绕组的正负端；B和 B接 步进电机 B 相绕组的正负端。当 A、B 两相绕组调换时，可使电机方向反向。电 源接口两个，分别为 GND（负极），VCC（正极），采用直流电源供电，工作 电压

21、范围建议为 2050VDC。驱动器有红绿两个指示灯。其中绿灯为电源指示 灯，当驱动器上电后绿灯常亮；红灯为故障指示灯，当出现过温、过流故障时， 11 故障灯常亮。故障清除后，红灯灭。当驱动器出现故障时，只有重新上电和重新 使能才能清除故障。驱动器的外形尺寸为：11875.534mm，安装孔距为 112mmmm。既可以卧式和立式安装，安装时本设计采用立式安装，有利于驱动 器的散热。 步进电机驱动器接线采用共阳极接法，PUL（脉冲信号负端）接到单片机 上 P1.0 端口，DIR（方向信号负端）接到单片机 P1.1 端口，其正端接到单片 机 VCC 端口。由于单片机 VCC 电源为+5V，所以无需串

22、接电阻 R。 图 13 步进电机驱动器接线图 3.3.1051 单片机 单片机（Microcontrollers）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。 MCS-51 系列单片机是集中 CPU，它有如下特点： 1.可靠性高 因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于 PC 机。系统 软件(如

23、：程序指令，常数，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破坏。许多信号 的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。 2.控制功能强 具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O 口的逻辑操作指令，位 12 处理指令。 3.便于扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并 行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。 4.实用性好 体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。 3.3.11锂电池 整台设备使用锂电池供电，锂电池有体积小，容量大，电压稳定，可以循环 使用，安全性强，拥有减少污染，有利于可持续发展等优点。 以上为助老型全自动“方便阅读架”

24、的主要零件及部件。 3.3.12 放大镜 放大镜固定在皮带上，通过皮带的运动，带动放大镜左右运动。放大镜通 过支架固定在两皮带轮间的连杆上，因此皮带不会发生侧翻的现象，支架和连杆 之间安装有一个直线轴承，可以保证放大镜正常的左右运动。在放大镜左侧安装 了调焦丝杠，读者可以通过转动调焦旋钮，可以控制放大镜沿 Z 轴运动，达到 调焦的目的。 图 14 放大镜 4各部件设计及参数设定 4.1同步齿形带传动机构 同步齿形带传动机构包括 39 步进电机，同步带，皮带轮，连接杆，放大镜， 连接片，直线轴承，紧定螺钉，紧固螺母，螺栓等组成。 13 结构特点：由安装在左侧的 39 步进电机带动左侧皮带轮转动，

25、放大镜调整 结构通过螺栓固定在皮带上上方通过连接片将放大镜与连接杆上的直线轴承连 接固定，从而可以使皮带可以带动整个放大镜调整机构沿 X 方向平移。由于整个 放大镜调整装置是吊装在连接杆上的，从而皮带不会发生倾覆现象，可以正常平 稳运行。 图 15 同步齿形带传动机构示意图 4.2步进电机丝杠传动机构 步进电机丝杠机构包括 42 步进电机、弹性联轴器、丝杠螺母、轴承座、横 向连接轴、螺钉、十字螺钉、托板支架、紧定螺钉、紧固螺母等组成。 结构特点：由 42 步进电机提供动力带动丝杠转动，丝杠上的丝杠螺母通过 横向连接轴带动整个同步齿形带传动机构 Y 方向运动。 图 16 步进电机丝杠传动机构示意

26、图 滑动螺旋传动的设计计算：螺旋传动的结构主要是指螺杆，螺母的固定和支 14 承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。 6滑动螺 旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因 素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过 度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力 p，使 其小于材料的许用压力p。假设作用于螺杆的轴向力为 F（N），螺纹的承压面 积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为 A（mm 2），螺纹中 径为 d2（mm），螺纹工作高度为 H（mm），螺纹螺距为 P（mm），螺母

27、高度为 D （mm），螺纹工件圈数为 uH/P 。则螺纹工作面上的耐磨性条件为: 22 p hHd FP hud F A F p （1） 上式可作为校核计算用。为了导出设计计算式，令=H/d2， 则 H=d2， 代入式（543）引整理后可得: 2 ph FP d （2） 对于 30 度锯齿形螺纹，h=0.75P，则： 65 . 0 2 P F d （3） 螺母高度： 2dH （4） P为材料的许用压力，单位为 MPa，见表 1； 值一般取 1.23.5。（对于整体螺母，由于磨损后不能凋整间隙，为使受力分 布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取1.22.5 对于剖分螺母和兼作支 承的螺母，可取=

28、2.53.5 只有传动精度较高；载荷较大，要求寿命较长时，才 允许取=4。） 根据公式算得螺纹中径 d2 后，应按国家标准选取相应的公称直径 d 及 P 螺纹工作圈数不宜超过 10 圈。 螺杆螺母的材料滑动速度/ (m/min)许用压力 /MPa 钢青铜 低速1825 3.01118 15 612710 1512 淬火钢青铜6121013 钢铸铁 2.41318 61247 钢钢低速7.5 注：1、表中数值适用于=2.54 的情况。当2.5 时，p值可提高 20；若为剖分 螺母时则p值应降低 1520。 2、表中摩擦系数启动时取大值，运转中取小值。 资料来源: 濮良贵等. 机械设计 M（第八版

29、）. 高等教育出版社,2006.56 表 1滑动螺旋副材料的许用压力P 对于升降运动的丝杆，其轴向力等于大臂、小臂、手指各部分及负载重量的 总和约为 25N，即 F=25N，取=1.2，p=7MPa,则由式（3）求出 mmd38. 1 72 . 1 25 8 . 02 根据实物本身尺寸，以及市场实际情况选择直径为 M5，取中径为 4.5mm. mmdH4 . 55 . 42 . 12 查表取螺距 P=2mm,则工作圈数 UH/P=5.4/2=2.73。根据其 200mm 的行程及 运动和安装余量，设计其长度为 270mm。 4.3 动力及控制机构 4.3.1常见的步进电机控制方案 1、基于电子

30、电路的控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器 件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放 大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机 驱动系统。 此种控制电路设计简单， 功能强大， 可实现一般步进电机的细分任务。 这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动 电路。 此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低， 设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现 16 无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈

31、 和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而 只要控制策略正确电机不可能轻易失步。 该方案多通过一些大规模集成电路来控 制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需 重新设计，因此灵活性不高。 2、基于 PLC 的控制 PLC 也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC 作为新一代的工业 控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性 高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有 PLC、环 形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用 PLC 来产生控制脉冲。通过 PLC 编程输出一定数量的方波

32、脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给 量， 同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构 的进给速度。 环形脉冲分配器将 PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配 到相应的绕组。PLC 控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环 形分配器。采用软件环形分配器占用 PLC 资源较多，特别是步进电机绕组相数大 于 4 时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍 微复杂些，但可以节省 PLC 资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机 功率驱动电路将 PLC 输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进 电机。 采用

33、软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号， 并用 PLC 中的定时器来产生 速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于 PLC 的扫描周期一般为但由于 PLC 的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的 频率只能达到几百赫兹，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其扫描周期的影响， 步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到 扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。 3、基于单片机的控制 采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件 代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接 去控制步进电机各相驱

34、动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电 17 路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能， 采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控 制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实 现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。 本方案有以下优点： (1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免 了失步、振荡等对控制精度的影响； (2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多 相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性； (3)单片机的强大功能使显示电

35、路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的 组合，大大提高系统的交互性。 基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。 4.3.2步进电机驱动技术 步进电机作为执行元件.是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自 动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展.步进电机的需求量与日俱增. 在各个国民经济领域都有应用。 11步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工 作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别， 也是依靠气隙间的磁导变 化来产生电磁转矩。上世纪 80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿 态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用 步进电机驱

36、动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电， 同时也是对 绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分 为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动 和细分驱动等。 单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。 该驱动方式 早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串 接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它 只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。 单电压串电阻驱动是在 单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻， 用以改善电路的时间常数以 提高电机的高频

37、特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也 18 带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行 频率要求不高的场合。 高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少， 在导通相的前沿用高电压供 电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采 用加大绕组电流的注入量以提高出力， 而不是通过改善电路的时间常数来使矩频 性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结 束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方 式目前在实际应用中还比较常见。 为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，

38、七十年代中期研制 出斩波电路， 该电路由于采用斩波技术， 使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动， 流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整 个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应 用恒流斩波技术实现了驱动控制 15。 为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电 压驱动的电路， 使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电 源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电 压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象， 从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐

39、渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给 绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需 要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。 细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是 只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。 细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切 除。比如：电流分成 n 个台阶，转子则需要 n 次才转过一个步距角，即 n 细分细 分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启 动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低

40、了步迸 电机在共振区工作的几率。 可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的 一个飞跃。 在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的 19 各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时 相应的两个磁极就分别形成 N-S 极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用 下， 转子将转动一定的角度， 使转子齿与定子齿对其， 从而使步进电机向前 “走” 一步。 转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间 上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组 通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片

41、机很容易实现对步 进电机的数字控制。 本设计采用 51 单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉 冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的脉冲， 分解出的脉冲经驱动电路功率放大 后驱动步进电机的转动。其动力提供主要来源于步进电机以及运用 51 单片机控 制电机的运行。步进电机驱动器必须与步进电机型号相匹配，否则，将会损坏步 进电机及驱动器。 4.3.3步进电机的选择 （1）电动机类型和结构的选择： 步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于他们的驱动方式。步进 电机是以步阶方式分段移动， 直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的控制 方式。 步进电机采用直接控制方式， 它的主要命令和

42、控制变量都是步阶位置。 直 流电机则是以电机电压为控制变量，以位置或速度为命令变量。直流电机需要反 馈控制系统，他会以间接方式控制电机位置。步进电机系统多半以“开环方式” 进行操作。 （2）螺杆的扭矩计算及步进电机的选用 螺杆的的扭矩为 T，负载为 F，导程为 P，为螺杆传递效率，它们之间存 在： 2 FP T （1） 首先计算水平伸缩丝杆的相关参数： 其中 F=100N,P=1.5mm,在 0.3-0.4 之间，取=0.4，则由式（1）求出 20 由以上计算结果可知丝杆所需扭矩均不大，所以选择 42 步进电机较为合适。 由相关手册查出适用的电动机型号：（如下表 2） 根据步进电机工作特性，静

43、力矩需要为负载转矩的 23 倍，将 T1和 T2进行 单位换算：T1=48Nmm=0.483kgcm，3T1=30.483kgcm=1.449kgcm 根据表 2 选取步进电机，升降丝杠选配 42BYGH202 型步进电机即可。 表 242 电动机型号 资料来源：王文斌等.机械手册K 北京：机械工业出版社，2004.8 9 电动机主要外形和电机接线图如图： 21 4.4 控制系统的设计 4.4.1控制系统的选择 控制系统主要用来控制电机的启停以及正反转，综合几种控制系统，最终 选择 51 单片机进行控制，该系统有如下优点： (1) 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程

44、 的 PID 回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现 生产过程的综合自动化。 (2) 使用方便， 编程简单， 采用简明的梯形图、 逻辑图或语句表等编程语言， 而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程 序，改变控制方案而不拆动硬件。 (3) 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各 种机型。18 程序烧录：hex 文件需要通过烧录软件，烧录进单片机中。 编辑程序如下： /* * - * 实 验 名: 红外线试验 * 实验说明: 数码管显示红外线发送过来的键值。 * 连接方式: 见连接图 * 注意: * */

45、 #include unsigned char bdata flag=0; sbit RunOrStop_flag_One=flag0; sbit RunOrStop_flag_Two=flag1; 22 sbit IRIN=P32; sbit Cp_Motor_One=P10;/接 IN1 控制转速 sbit Dir_Motor_One=P11;/接 IN2 控制方向（1-逆时针；0-顺时针） sbit Cp_Motor_Two=P12;/接 IN1 控制转速 sbit Dir_Motor_Two=P13;/接 IN2 控制方向（1-逆时针；0-顺时针） unsigned char IrVa

46、lue4;/用来存放读取到的红外值 unsigned char Time; void IrInit(); void DelayMs(unsigned int ); / /初始化函数/ / voidIint_Parameter(void) TMOD=0 x01;/设置定时器模式 TL0=0 x8d;/设置定时初值 TH0=0 xFf;/设置定时初值 ET0=1;/允许定时器中断 TR0=1; EA=1;/开总中断 void main() IrInit(); Iint_Parameter(); while(1) ; 23 /* * * 函数名: DelayMs() * 函数功能: 延时 * 输入:

47、 x * 输出: 无 * */ void DelayMs(unsigned int x)/0.14ms 误差 0us unsigned char i; while(x-) for (i = 0; i0)/等待前面 9ms 的低电平过去 DelayMs(1); err-; if(IRIN=1)/如果正确等到 9ms 低电平 err=500; while(IRIN=1) err-; for(k=0;k4;k+)/共有 4 组数据 for(j=0;j0) /等待信号前面的 560us 低电平过去 DelayMs(1); err-; err=500; 26 while(IRIN=1)/0.14ms T

48、ime+; err-; if(Time30) EX0=1; return; IrValuek=1; /k 表示第几组数据 if(Time=8) /如果高电平出现大于 565us，那么是 1 IrValuek|=0 x80; Time=0; /用完时间要重新赋值 switch(IrValue2) case 0 x45:RunOrStop_flag_One=1;break; case 0 x44:RunOrStop_flag_One=0;break; case 0 x07:Dir_Motor_One=1;break; case 0 x16:Dir_Motor_One=0;break; 27 cas

49、e 0 x46:RunOrStop_flag_Two=1;break; case 0 x40:RunOrStop_flag_Two=0;break; case 0 x15:Dir_Motor_Two=1;break; case 0 x19:Dir_Motor_Two=0;break; default:break; return; / /*定时器 0 数据处理中断函数*/ / void T0_ISR(void) interrupt 1 TL0=0 x8d;/设置定时初值 TH0=0 xFf; if(RunOrStop_flag_One=1) Cp_Motor_One=!Cp_Motor_One;

50、 if(RunOrStop_flag_Two=1) Cp_Motor_Two=!Cp_Motor_Two; 5总结 目前市场上的阅读架，功能比较单一，大多只单单提供了固定书籍位置的功 能， 并不能满足高龄老年人阅读的需求，本设计要解决的问题主要是为老年人阅 28 读看报提供一个操作简单，方便实用的自动化机械产品，以帮助老年人在视力受 老花眼限制的状况下更好地阅读。 有了既定结构的放大镜阅读架能够免去老年人 手持放大镜的不便，可以让双手解放出来去做其它事情，还能避免佩戴眼镜的不 适。 阅读架可以通过调节按钮实现放大镜上下左右平移，同时能够保证移动速度 均匀，优化老年人的读书条件。整个控制过程使用

51、红外遥控实现，让使用者可以 通过按键选择放大镜的移动状态。让产品充分发挥机电一体化产品的特点，使其 运行简单可靠，结构简易轻便，满足老年人的读书看报需求。 5.1方便阅读架的特点及优势 1.该阅读书架将传统书架与放大镜，单片机控制系统集成在一起，实现自动 化方式从而解放双手，极大提升了老年人阅读体验。 2.该阅读书架结构简单轻便，携带方便，成本低廉，易于生产制造，适合推 广，是一款经济实用型产品。 3.该阅读书架固定板与移动板之间的距离可以调节， 以适应不同书脊厚度的 放置， 提高了书籍的放置平整度，书架的倾斜角度还可以根据不同的阅读习惯进 行调节，从而达到良好的阅读效果。 4.结构轻便，加工

52、简单方便、成本低。 5.2方便阅读架的不足及未来发展 本设计提出了一份灵活的、简单便捷的方便阅读架。本的目的是设计一个方 便老年人读书的阅读架。 通过红外遥控灵活控制放大镜的位置， 方便老年人阅读。 稳定的机械结构可以有效保证运动的可靠性与精确性。此外，通过单片机控制及 红外控制等可以实现随开随停。 未来需要改进的部分包括增加传感器和控制部分， 通过传感器的信号采集与 控制系统的相互配合，实现自动识别书籍位置，并通过机械结构完成运动，实现 其自动化和智能化。由于每个人的阅读速度都不一样，建议设计调速系统，使得 步进电机速度可以灵活调节， 可以满足不同人的阅读需求。 在今后的改进过程中， 还应注

53、重于将本设计朝轻型化，简单化发展，选用更合适的材料和零件，使整体 结构更加轻巧。同时简化操作，使老年人可以很容易掌握设备的主要操作。今后 在设计过程中还应注意将产品的每一个细节需求点和每一个设计策略相结合， 把 他们的意识到的和他们下意识的情感需求放到首位 17。 在后期也可增加自动翻页 结构，更大程度上解放老年人的双手，将整个读书过程自动化，简易化，让老年 29 人获得更好的阅读体验。 参考文献 1 李日邦，王五一，谭见安，何洋，杨林生. 我国人口老龄化发展的阶段、趋势和区域差 异J.1999,(06),No 2,Vol 18. 2孙桓，陈作模，葛文杰，机械原理 M（第七版）.高等教育出版社

54、,1996.11. 3洪钟德. 简明机械设计手册 K 同济大学出版社,2002.5 5刘鸿文. 材料力学.M 高等教育出版社,2001.11 6濮良贵等. 机械设计 M（第八版）. 高等教育出版社,2006.5 7吴宗泽. 机械零件设计手册.K 机械工业出版社,2004.1 8朱家诚. 机械设计课程设计 M 合肥工业大学出版社,2005.7 9王文斌等.机械设计手册 K 北京:机械工业出版社,2004.8 10江洋，基于单片机步进电机速度控制的研究 M 湖北工业大学,2005.9 11张明，步进电机的基本原理.D天津工业大学计算机学院自动化 机械与电子 2007. 12赵延年,张奇鹏. 机电一

55、体化系统设计 M 北京:机械工业出版社,1996 13陈秀宁. 机械优化设计 M 杭州:浙江大学出版社,1991 14杨玉萍，曹清林，沈世德，同步齿形带的研究使用现状与发展，J16(1)，2003-01 15Heilongjiang Science and Technology Information.2013(24) 16A genetic algorithm based lookup table approach for optimal stepping sequence of open-loop stepper motor systemsMSuleiman BANIHANI , Khal

56、id AL-WIDYAN, Ahmad AL-JARRAH, Mohammad ABABNEH Mechatronics Engineering Department, The Hashemite University, Zarqa 13115, Jordan 17黄鹤.基于老年人电子读报器产品情感化设计D.中央美术学院，2013（5） 18何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社.1997.10 30 附录：开题报告 助老型全自动“方便阅读架”机械、控制结构的设计与制作 1. 论文题目1. 论文题目 助老型全自动“方便阅读架”机械，控制结构的设计与制作 2. 论文结构2. 论

57、文结构 2.1 总体结构的设想 论文的总体结构将做如下安排： 1.综述目前机电一体化发展和应用的现状，社会老龄化问题出来的各方面问题以及机电 一体化技术的应用与发展。 2.将服务老年人的任务和机械产品相结合，开发设计出一种能够帮助高龄老人，总结市 场上现有阅读书架的结构特征和特点，将其与机械结构巧妙结合，以实现预期的功能，对其 整体结构进行设计与优化。 3.对于助老型全自动“方便阅读架”结构特点以及工作原理进行研究及阐述。 4.对“方便阅读架”的结构和零部件进行设计、加工、装配。为该方便阅读架进行程序 的编写及调试，使其按预定的工作状态运行。 2.2 选题研究的目的、意义 人口老龄化问题是当今世界各国都要而临的一个严峻挑战。人口老龄化的发展导致老年 人口过多，影响人口年龄结构，结养老事业造成巨大压力。对于我国，这尤为突出，一是我 国老年人曰的绝对数量很大，1996 年我国 65 岁以上的老年人曰已达 0. 86 亿，同年 60 岁 以上的老人已达 1. 30 亿;二是我国人口老龄化的发展速度快，一般西方国家从人曰成年型 国家进入老年型国家要经过 50-80 年，而我国大约用不了 20 年。 1 目前高龄老年人阅读是他们了解社会的一种主要渠道， 但是高龄老人阅读确实存在不小 的困难，高龄老人的眼睛已经严重老花，他们阅读时不仅需要带上高