《汽車后懸架彈簧熱卷成型研究》12000字

第1章緒論1.1課題背景及研究的目的與意義在機(jī)械工業(yè)中，如果不能用單片機(jī)控制機(jī)床，工作和研究將非常困難。在機(jī)械工業(yè)中，越來越多地使用單片機(jī)控制系統(tǒng)，這種自動控制大大提高了機(jī)械及自動化行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率?？刂葡到y(tǒng)的迅速發(fā)展給老機(jī)械行業(yè)帶來了重大變化。現(xiàn)代電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了許多先進(jìn)的電子產(chǎn)品，特別是電子產(chǎn)品，由于帶芯片的微型計(jì)算機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，在某些應(yīng)用中，一個(gè)簡單的芯片微型計(jì)算機(jī)將承擔(dān)一些無法完成的任務(wù)。單片機(jī)是一種高性能、低成本、高集成度、低體積的控制芯片，由于其可靠性高、控制功能強(qiáng)、電壓低等優(yōu)點(diǎn)在人們生活中得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)是用于工業(yè)彈簧成型機(jī)構(gòu)與單片機(jī)控制的綜合系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外的研究及發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1機(jī)電一體化應(yīng)用現(xiàn)狀機(jī)電一體化最重要的技術(shù)包括機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器和接口技術(shù)，現(xiàn)代自動化生產(chǎn)系統(tǒng)幾乎都是機(jī)電一體化設(shè)備。上世紀(jì)80年代初，我國開始研究機(jī)電技術(shù)。面對全球經(jīng)濟(jì)市場競爭，我國機(jī)電技術(shù)正面臨困境。其次，加快機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)代化，提高市場占有率的壓力很大。最后，低技術(shù)機(jī)電產(chǎn)品的附加值交換對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。我國在機(jī)電一體化領(lǐng)域發(fā)展的歷史太多短暫，和發(fā)達(dá)國家差距較大，許多產(chǎn)品很難滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，每年需進(jìn)口大量的國外產(chǎn)品。面對如此艱巨的形勢，我國機(jī)電一體化工作應(yīng)該從以下兩方面入手，一方面，需將微電子技術(shù)引入傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，這樣不僅能提高傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)水平，而且能解決目前資源能源短缺境況；另一方面，從機(jī)電一體化產(chǎn)品的更新?lián)Q代入手大力發(fā)展其相關(guān)支持技術(shù)如自動化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及智能化技術(shù)等。1.2.2單片機(jī)應(yīng)用的研究現(xiàn)狀近年來單片機(jī)應(yīng)用及其廣泛。張林（2021）設(shè)計(jì)的垃圾桶裝載智能語音控制模塊,通過該模塊在兩米范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對垃圾桶的移動、開蓋、隨叫隨到、自動充電、自動打掃功能。智能垃圾桶還搭載了實(shí)現(xiàn)揮揮手就能開蓋功能和垃圾桶在行動時(shí)躲避障礙所需的紅外感應(yīng)模塊。除了這些基礎(chǔ)功能,還應(yīng)該擁有一些打掃衛(wèi)生的裝置,比如消毒劑噴撒、垃圾清理功能[9]。崔瑾娟（2020）用AT89S51D單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)了常見的交通燈控制系統(tǒng),結(jié)合信號燈控制電路、計(jì)時(shí)顯示電路、時(shí)間控制電路和緊急處置電路等硬件,并以Keil編程軟件、Proteus仿真軟件配合搭建單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真,可實(shí)現(xiàn)交通信號燈的基本轉(zhuǎn)化控制和時(shí)間計(jì)時(shí),調(diào)整綠燈通行時(shí)間和紅燈停止時(shí)間長短,實(shí)現(xiàn)夜間信號燈轉(zhuǎn)變以及緊急情況下交通信號處置等,從而實(shí)現(xiàn)交通信號燈的智能化控制和現(xiàn)場實(shí)時(shí)的靈活控制,提高城市路口車輛通行能力和改善道路車輛擁堵現(xiàn)象[10]。姚春鵬（2020）設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的人體感應(yīng)燈，利用人體感應(yīng)熱電模塊采集人體信號,結(jié)合聲音檢測模塊、光照強(qiáng)度檢模塊、煙霧檢測模塊對夜用照明LED燈進(jìn)行控制,當(dāng)它被激活時(shí)，人們會亮起，如果沒有人移動，他們會使用低功耗模式。依據(jù)無人時(shí)間調(diào)節(jié)電燈亮度以節(jié)約電能,同時(shí)還具有應(yīng)急照明功能,如有火災(zāi)發(fā)生,根據(jù)煙霧檢測模塊數(shù)據(jù)反饋,將進(jìn)入電燈的高功率工作狀態(tài),照亮逃生通道,減少逃離時(shí)間,保證人們的安全[11]。1.2.3工業(yè)彈簧熱卷成型的研究現(xiàn)狀在工業(yè)系統(tǒng)中，彈簧占據(jù)了很重要的地位，使用量大，種類繁多，因此彈簧的生產(chǎn)已經(jīng)由以前的手工制作，逐漸走向自動化。到了90年代，中國便有了相對專業(yè)的彈簧機(jī)械設(shè)備。在接下的時(shí)間里，市場不斷擴(kuò)大，許多專業(yè)彈簧設(shè)備公司遠(yuǎn)渡重洋，來到中國。主流的春季生產(chǎn)市場由臺灣東北泉機(jī)械（EN僑鼎）和阿里斯托爾（KHM）瓜分。東北的EN502萬能機(jī)，能夠舒適高效地生產(chǎn)各種專用彈簧模具和異型彈性元件。目前國外有很多專業(yè)的彈簧生產(chǎn)廠家，專門生產(chǎn)光學(xué)宏器件，用作彈簧的拉伸和壓縮，如MEC瓦菲奧斯（現(xiàn)為ori&MEC），但在中國，大批量的生產(chǎn)仍然是空白。雖然彈簧行業(yè)是貫穿整個(gè)制造業(yè)的一個(gè)小行業(yè)，但其作用不可低估，提高彈簧的品種和質(zhì)量是提高機(jī)械設(shè)備和主機(jī)性能的關(guān)鍵。因此，彈簧行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。熱成形彈簧鋼的熱處理是通過熱機(jī)械處理將鋼加熱到加工溫度，然后趁熱成形。目前我國在（9~25）mm規(guī)格上的成型機(jī)僅有CNC2軸熱卷彈簧機(jī)，最大速度每分鐘17件。與發(fā)達(dá)國家相比差距比較大。工業(yè)彈簧成型使用控制系統(tǒng)來有助于提高彈簧生產(chǎn)效率，增強(qiáng)加工安全。將機(jī)械生產(chǎn)和自動化控制結(jié)合起來也更加符合生產(chǎn)要求。1.3本文主要研究內(nèi)容本課題主要研究工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在閱讀文獻(xiàn)了解背景以及學(xué)習(xí)了單片機(jī)的相關(guān)知識和特性后，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。（1）瀏覽閱讀文獻(xiàn)，綜述國內(nèi)外對單片機(jī)及其應(yīng)用的研究，熟悉單片機(jī)原理的基本知識，發(fā)展現(xiàn)狀，掌握控制系統(tǒng)的運(yùn)行特性，了解單片機(jī)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢所在和劣勢所在。（2）完善設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行實(shí)物模擬。（3）運(yùn)用SolidWorks設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)模型。（4）設(shè)計(jì)電路原理圖，構(gòu)建單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過電控系統(tǒng)將機(jī)構(gòu)和單片機(jī)結(jié)合起來。（5）利用C++編寫單片機(jī)控制程序，通過編寫相應(yīng)的程序，對設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行明確控制，從而完成設(shè)計(jì)要求，完善控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（6）對機(jī)構(gòu)模型和控制系統(tǒng)進(jìn)行整體評估并分析，完善工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)，總結(jié)結(jié)論。

第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與要求2.1工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分。（1)機(jī)構(gòu)部分：通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈簧的熱卷端口固定、旋轉(zhuǎn)、壓邊、收尾等流程。（2）控制部分：控制工業(yè)彈簧熱卷成型加工全過程的自動化，包括啟動、暫停，停止以及具體的設(shè)置功能。2.2單片機(jī)交通控制系統(tǒng)的功能要求。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，整個(gè)系統(tǒng)主要由各部件驅(qū)動模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊等組成。通過驅(qū)動模塊和電源模塊控制伺服電機(jī)的啟動和停止來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，伺服電機(jī)的工作流程為正轉(zhuǎn)，停止，反轉(zhuǎn)。鍵盤模塊可以設(shè)置伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)圈數(shù)和停止時(shí)間，方便應(yīng)對不同型號的彈簧成型。LCD顯示模塊對伺服電機(jī)的工作流程計(jì)數(shù)（即對當(dāng)天的彈簧生產(chǎn)數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。）2.2.1鍵盤模塊功能本系統(tǒng)的按鍵控制并不復(fù)雜，且I/O口足夠，可直接采用獨(dú)立式。按鍵可以控制電機(jī)的啟動和停止及設(shè)置電機(jī)的工作流程?！霸O(shè)置”按鍵可以將系統(tǒng)切換到設(shè)置模式；“加1”、“減1”、“加10”、“減10”分別設(shè)置四個(gè)按鍵，可以設(shè)置電機(jī)正轉(zhuǎn)圈數(shù)，停止時(shí)間，反轉(zhuǎn)圈數(shù)；“啟動/停止”按鍵控制電機(jī)的啟動與停止。使得整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛，從而節(jié)省成本。2.2.2顯示模塊功能顯示模塊采用LCD1602顯示屏，顯示伺服電機(jī)工作流程的具體參數(shù)，包括正反轉(zhuǎn)圈數(shù)和停止時(shí)間。此外還會顯示工作流程計(jì)數(shù)，即電機(jī)正轉(zhuǎn)，停止，反轉(zhuǎn)一次，顯示加1,用于統(tǒng)計(jì)當(dāng)天彈簧生產(chǎn)數(shù)量。使整個(gè)系統(tǒng)流程更加清晰，節(jié)省人力成本。2.3工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成和原理工業(yè)生產(chǎn)流水線上一環(huán)扣一環(huán)，有條不紊。正是通過單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種井然有序。本系統(tǒng)采用熱卷彈簧機(jī)，STC89C52單片機(jī),LCD1602顯示屏，海德H3N-TD伺服控制器，海德60-1330伺服電機(jī)海德180-27010伺服電機(jī)及外圍按鍵等部件，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)，帶有報(bào)警器。設(shè)計(jì)通過LCD1602顯示屏顯示，能通過按鍵進(jìn)行具體設(shè)置。本系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，使用方便，能適應(yīng)多種不同的生產(chǎn)要求。本系統(tǒng)通過單片機(jī)發(fā)送脈沖信號控制伺服電機(jī)驅(qū)動器，從而控制伺服電機(jī)，基本上可以控制工業(yè)彈簧熱卷成型的工作流程。加入顯示模塊使得工作流程更加清晰。鍵盤設(shè)置模塊對系統(tǒng)的工作流程作出調(diào)整，由報(bào)警器，霍爾傳感器組成的反饋系統(tǒng)能進(jìn)行緊急報(bào)警，以達(dá)到危險(xiǎn)情況下及時(shí)預(yù)警，實(shí)時(shí)控制的目的。單片機(jī)單片機(jī)反饋系統(tǒng)LCD顯示模塊復(fù)位電路最小系統(tǒng)外圍接口按鍵控制驅(qū)動模塊單片機(jī)圖2-1系統(tǒng)的總體框圖因此本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，設(shè)置了鍵盤、按鍵輸入及系統(tǒng)反饋模塊、輸出模塊和驅(qū)動模塊。系統(tǒng)的總體框圖如上圖所示。第3章系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)3.1工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)圖2-2機(jī)構(gòu)模型（整體）圖2-1示機(jī)構(gòu)由一個(gè)滑臺，一個(gè)主軸組成，兩個(gè)電機(jī)和一組齒輪組成。通過電機(jī)控制滑臺進(jìn)給運(yùn)動，帶動整個(gè)主軸進(jìn)給運(yùn)動，同時(shí)另一個(gè)電機(jī)控制主軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)主軸的徑向移動和轉(zhuǎn)動的同時(shí)進(jìn)行。圖2-3機(jī)構(gòu)模型圖2-2所示為機(jī)構(gòu)加工工業(yè)彈簧的部分，工業(yè)彈簧通過固定裝置固定在主軸上，實(shí)現(xiàn)端口固定，同時(shí)四周設(shè)置導(dǎo)向輪，通過導(dǎo)向輪來實(shí)現(xiàn)彈簧的壓邊、收尾等動作。3.2工業(yè)彈簧熱卷成型控制系統(tǒng)電控部分設(shè)計(jì)3.2.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的具體功能，構(gòu)建了一個(gè)由STC89C52單片機(jī)、伺服驅(qū)動模塊、LCD顯示模塊、按鍵單元和外圍電路組成的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，構(gòu)建半開環(huán)電路控制系統(tǒng)，用于處理電信號和自動控制，同時(shí)還可以監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)動情況。系統(tǒng)硬件由單片機(jī)、LCD顯示模塊、伺服驅(qū)動模塊、按鍵單元、霍爾傳感器等組成。其具體的電路圖如圖3-1所示。其中P0接LCD顯示屏，P1用于控制鍵盤電路，P2,P3控制伺服電機(jī)驅(qū)動器，XTAL1和XTAL2接入晶振時(shí)鐘電路，REST引腳接上復(fù)位電路。3.2.2單片機(jī)系統(tǒng)隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，單片機(jī)也得到了迅速的發(fā)展。自從1975年第一臺單片微機(jī)TMS1000在美國德克薩斯儀器公司問世以來，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)獨(dú)特領(lǐng)域，特別是在工業(yè)控制領(lǐng)域，我們經(jīng)常面臨著物理量的時(shí)間和控制問題，在智能設(shè)備中單片機(jī)也起著非常重要的作用。從最開始8位單片機(jī)投入使用，單片機(jī)的發(fā)展分為以下幾個(gè)階段：第一階段（1976－1978）：單片機(jī)的探索。Inte推出的Mcs-48是對工業(yè)控制領(lǐng)域的一次探索。Motorola、zillog等公司參與了這一探索，并取得了良好的效果。這就是SCM的誕生，單片機(jī)一詞就是從SCM誕生的。第二階段（1978－1982）：單片機(jī)的完善。以Intel的Mcs-48單片機(jī)為基礎(chǔ)，介紹了一系列具有代表性的MCU，并從以下幾個(gè)方面介紹了一種典型的通用總線結(jié)構(gòu)MCU。（1）完美的外部總線。MCS-51確定了8位MCU總線的經(jīng)典配置，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線和具有多機(jī)通信功能的串行通信接口。（2）CUP周圍功能單元的集中管理模式。（3）反映工業(yè)控制特點(diǎn)的地址空間和位運(yùn)算。（4）通過增加許多強(qiáng)調(diào)控制功能的命令，教育系統(tǒng)趨于豐富和完善。第三階段（1982－1990）：8位單片機(jī)的改進(jìn)和發(fā)展以及16位單片機(jī)的引入也是單片機(jī)的發(fā)展階段。Intel的MCS-96單片機(jī)包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和程序執(zhí)行，監(jiān)控這些單片機(jī)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用體現(xiàn)了單片機(jī)的特點(diǎn)。第四階段（1990－）：微控制器的總體發(fā)展階段。在微控制器的開發(fā)階段，在單片機(jī)在不同領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用中，逐漸出現(xiàn)了具有速度快、地址范圍寬、計(jì)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)的8位/16位/32位單片機(jī)和小型廉價(jià)微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)是一種包含了集成了處理器CPU、RAM數(shù)據(jù)存儲器、ROM程序存儲器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)，時(shí)鐘組件與I/O電路等多個(gè)部件的集成電路芯片的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)具有片數(shù)少、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，易于使用。它廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)中，在控制領(lǐng)域，人們越來越重視計(jì)算機(jī)控制的低成本、低容量、可靠性和靈活性。將單片機(jī)引入到各種儀器儀表中，提高了測試的自動化程度和準(zhǔn)確性，提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，簡化了設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備的可靠性。單片機(jī)的引腳介紹單片機(jī)主要特點(diǎn)：（1）有優(yōu)異的性能價(jià)格比。（2）單片機(jī)集成度高、體積小、可靠性高，將實(shí)現(xiàn)功能所需部件集成在一塊小型芯片中，芯片之間使用總線連接，降低了成本，提高了單片機(jī)的可靠性和完整性。同時(shí)，在惡劣的磁場環(huán)境下可以通過比較方便的方式屏蔽外部磁場，可靠性的提高也可以采取硬化工藝的形式。（3）強(qiáng)大的控制功能。為滿足工業(yè)控制的要求，通用單片機(jī)指令系統(tǒng)具有豐富的傳輸指令，IO端口邏輯運(yùn)算和位處理功能。單片機(jī)系統(tǒng)的邏輯控制功能和運(yùn)行速度均高于同等級微機(jī)。（4）功耗低，電壓低，方便生產(chǎn)和使用。（5）為了減小體積和簡化結(jié)構(gòu)，在外部總線上增加了I2C（集成電路接口）和SPI（串行外圍接口）。（6）單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)和配置具有典型性和規(guī)范性，易于創(chuàng)建通用的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)的具體引腳以及相應(yīng)功能如下：VCC：STC89C52電源正輸入，連接到＋5V。GND：電源地端。XTAL1：反相放大器輸入單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘。XTAL2：系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出一般設(shè)計(jì)為只要石英振蕩晶體系統(tǒng)連接XTAL1號和XTAL2號就可以工作，另外，為了系增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免噪聲干擾，通?？梢栽谠趦蓚€(gè)引腳和地面之間可以加一個(gè)小電容，。RESET：STC89C52的重置引腳，在高電平時(shí)工作。當(dāng)該引腳置于高電平達(dá)到或者超過2個(gè)機(jī)械周期時(shí)，單片機(jī)便可以完成復(fù)位動作。將內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容置為已知，然后讀取存儲地址0000H里的程序并開始執(zhí)行該程序。EA/Vpp：是訪問外部程序代碼，在低電平時(shí)起作用。換而言之，如果此引腳連接到低電平，則系統(tǒng)連接到外部電源。由于8031和8032沒有程序存儲器，執(zhí)行程序（存儲在外部EPROM中）的程序代碼，從而使EA引腳必須連接到較低的電平。在內(nèi)部程序空間中，此引腳必須連接到高電平。如果程序代碼寫入8751內(nèi)部EPROM，該引腳可用于輸入21V高壓（VPP）的燒錄電壓。ALE/PROG：ALE是地址鎖存啟用信號。單片機(jī)可以根據(jù)這個(gè)信號觸發(fā)外部8位外部鎖存器，將端口0的地址總線（A0到A7）放入鎖存器中。由于輸出頻率約為系統(tǒng)運(yùn)行頻率的16倍，因此可以根據(jù)其他外圍芯片的時(shí)間來控制輸入。此外，當(dāng)燒錄程序代碼時(shí)，該引腳被認(rèn)為是程序的特殊功能，從而能夠被使用。PSEN：程序存儲啟用。當(dāng)8051配置為讀取外部代碼模式時(shí)發(fā)送此消息可以獲得程序代碼，該引腳通常連接到EPROM的OE引腳。STC89C52可以使用PSEN和RD引腳來使用外部RAM或啟用EPROM，并結(jié)合數(shù)據(jù)存儲和程序內(nèi)存來使用64K的定址范圍。PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一個(gè)開放的雙向I/O端口，總寬度為8位。P0.0表示位0，P1.1表示位1，其他三個(gè)I/O端口（P1、P2、P3）是內(nèi)部提升電路，不具備開放的雙向作用。如果將P0用作IO，則可以推動8個(gè)LS的TTL負(fù)載。如果EA引腳置于低電平（即具有外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），則P0以復(fù)用模式提供地址總線（A0-A7）和數(shù)據(jù)總線（D0-D7）。從端口0發(fā)送的地址引腳被A0~A7阻塞，然后與從端口8發(fā)送的A8~A15結(jié)合，形成一個(gè)完整的16位地址總線，最后定制到64K的外部存儲器空間PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是一個(gè)具有內(nèi)部提升電路的雙向轉(zhuǎn)換器，該電路有一個(gè)輸出緩沖器，可以驅(qū)動四個(gè)負(fù)載。類似的，如果端口1的輸出變?yōu)楦唠娖?，則輸入來自該端口的數(shù)據(jù)。在8052和8032中，P1.0可用作定時(shí)器2外部脈沖的輸入引腳，P1.1可具有英式EX功能，并可用作外部中斷輸入的觸發(fā)引腳。PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是一個(gè)帶有內(nèi)置提升電路的雙向電路。每個(gè)引腳可驅(qū)動四個(gè)負(fù)載。如果端口2的輸出設(shè)置為高電平，則該端口可以用作輸入端口。除了用作通用語言I/O端口（當(dāng)STC89C52擴(kuò)展以連接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，當(dāng)提供高字節(jié)地址總線A8至A15時(shí)），P2當(dāng)前不能用作I/O端口。PORT3（P3.0～P3.7）：端口3具有內(nèi)部升降回路的雙向功能。同時(shí)，許多工具還具有其他特殊功能，這包括串行通信、外部中斷控制、時(shí)間和計(jì)數(shù)控制以及外部數(shù)據(jù)存儲的讀取或讀寫控制。其引腳分配如下：P3.0：RXD，串行通信輸入。P3.1：TXD，串行通信輸出。P3.2：INT0，外部中斷0輸入。P3.3：INT1，外部中斷1輸入。P3.4：T0，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器0輸入。P3.5：T1，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器1輸入。P3.6：WR：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)單片機(jī)保持改引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間時(shí)，振蕩器便可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。ALE/PROG：地址鎖存允許信號輸出端，高電平時(shí)有效。引腳用于在閃存編程期間輸入編程脈沖。通常Ale以恒定的頻率周期發(fā)出正脈沖。因此，它可以用作外部輸出或時(shí)間脈沖。但是，請注意，當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)時(shí)，ALE脈沖失敗。要禁用整個(gè)輸出，可以在SFR8eh方向上設(shè)置0。Ale執(zhí)行MOVX操作，Ale使用MOVC命令。引腳稍微上拉。如果微處理器執(zhí)行所有禁止?fàn)顟B(tài)，則此設(shè)置無效。PSEN：來自外部程序存儲器的頻帶信號。在記錄外部程序存儲器期間，PSEN每個(gè)機(jī)械周期兩次。然而，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩個(gè)有效PSEN信號不顯示。EA/VPP：如果EA保持在低電平，無論有沒有內(nèi)部存儲器，都將使用外部存儲器。在加密模式1中，EA通過內(nèi)部鎖定復(fù)位。如果EA保持高電平，則從片內(nèi)程序存儲器中讀取指令。在FLASH編程時(shí)，該引腳也可以產(chǎn)生一個(gè)12V的編程電源。單片機(jī)引腳圖如下：圖3-2單片機(jī)引腳圖單片機(jī)最小系統(tǒng)并行IO端口也是單片機(jī)芯片的主要內(nèi)容之一。STC89C51有四個(gè)8位并行IO端口，分別記錄為P0，P1，P2和P3。TC89C51有四個(gè)8位并行IO端口，分別記為為P0、P1、P2和P3。每個(gè)端口包含一個(gè)鎖存器、輸出控制器和輸入緩沖區(qū)。實(shí)際上，它們被分類為字節(jié)尋址和位尋址的特殊寄存器。訪問片外存儲器時(shí)，端口P0發(fā)送低8位地址和數(shù)據(jù)，端口P2發(fā)送高8位地址。端口的每一位都可用作系統(tǒng)的雙向IO端口，無需原始內(nèi)存。單片機(jī)的4個(gè)I/O口都是8位雙向口，這些的結(jié)構(gòu)和特性基本相同的，但不同端口都有各自的功能。產(chǎn)生STC89C51時(shí)鐘信號有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘模式，另一種是外部時(shí)鐘模式。只要晶體（晶體振蕩器）連接到XTAL1和XTALMCU的兩個(gè)引腳上，MCU就有一個(gè)自激振蕩。圖中電容器C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和振動機(jī)器。電容值為5-30pf，典型值為30PF。晶體振蕩器的頻率范圍是1.2到12兆赫，典型的是12兆赫和11.0592兆赫。如果向STC89C51微控制器的RST引腳輸入高電平并且保持兩個(gè)機(jī)械周期，則在微控制器內(nèi)執(zhí)行復(fù)位操作（如果引腳始終保持高值，則微控制器處于循環(huán)復(fù)位模式）。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和復(fù)位鍵。在最簡單的設(shè)置中，電源的自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的充電電容來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的崛起時(shí)間不超過1ms，就能夠?qū)崿F(xiàn)自動上電復(fù)位化，如果時(shí)鐘頻率為6mhz、C22UF、R1K，有時(shí)需要按手動復(fù)位鍵。此設(shè)計(jì)用于手動復(fù)位鍵。手動復(fù)位有兩種方式：電平模式和脈沖模式。RST端子通過電阻與電源相連，實(shí)現(xiàn)電平復(fù)位。系統(tǒng)圖如圖3-2所示圖3-2單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.2.3顯示系統(tǒng)LCD1602顯示屏LCD1602是一個(gè)工業(yè)字符液晶顯示器，它能利用液晶顯示器的物理特性，通過電壓控制顯示區(qū)域。當(dāng)外部有施加電壓時(shí)，便可以工作，顯示圖形。1602液晶是專門用來顯示字母和數(shù)字符號等。LCD1602引腳介紹第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL調(diào)整對比度的端口，當(dāng)電源連接到正極時(shí)對比度最弱，當(dāng)電源接地時(shí)對比度高。對比度太高時(shí)，就會產(chǎn)生鬼影，影響顯示效果，此時(shí)通常使用一個(gè)10K電位器調(diào)對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW是一種可以讀取電平的信號線。如果RS和RW同時(shí)處于低電平，它們可以寫入命令或顯示地址。RW高電平時(shí)可以讀取忙信號并在RS低電平時(shí)寫入數(shù)據(jù)。6腳：E端為使能端，液晶模塊會在E端由高電平跳變成低電平時(shí)執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。其與單片機(jī)的連接如下圖所示圖3-3LCD1602接線圖3.2.4伺服電機(jī)驅(qū)動電路伺服電機(jī)伺服電機(jī)（servomotor）是控制伺服系統(tǒng)機(jī)械部分運(yùn)行的發(fā)動機(jī)。微特電機(jī)與普通電機(jī)沒有本質(zhì)區(qū)別，其主要作用是完成控制信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，注重高精度和快速響應(yīng)。微特電機(jī)分為驅(qū)動微電機(jī)和控制電機(jī)，驅(qū)動微電機(jī)在電力拖動系統(tǒng)中作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用，伺服電機(jī)即為驅(qū)動微電機(jī)，可以精確地控制速度和位置精度，通過將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩信號和速度信號來控制控制具體動作。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速由輸入信號控制，并可以調(diào)節(jié)和反應(yīng)，可以將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成發(fā)動機(jī)軸角位移和角速度作為輸出。伺服電機(jī)一般為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。在工業(yè)生產(chǎn)中，交流伺服電機(jī)相對更加常見，它的主要特點(diǎn)是在信號電壓為零時(shí)停止，輸出電壓為零時(shí)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大而減小。本次設(shè)計(jì)所選伺服電機(jī)為海德60-1330伺服電機(jī)海德180-27010伺服電機(jī)，具體參數(shù)如下圖：圖3-4海德60系伺服電機(jī)參數(shù)圖3-5海德180系伺服電機(jī)參數(shù)伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運(yùn)動控制的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工中心等自動化設(shè)備中，用于控制交流永磁同步發(fā)動機(jī)的伺服驅(qū)動器已成為中國和國外的研究熱點(diǎn)。目前，基于矢量控制的電流、速度和位置閉環(huán)控制算法廣泛應(yīng)用于交流伺服發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)中，在所有伺服控制中占有重要地位。速度閉環(huán)設(shè)計(jì)的正確與否對速度控制的性能有著重要的影響，特別是在伺服控制系統(tǒng)中。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測量精度對提高轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能至關(guān)重要。為了在測量精度和系統(tǒng)成本之間保持平衡，必須對電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，增量式光電編碼器作為一種高速傳感器，通常被采用。通常使用M/t速度測量。M/t測速具有一定的精度，測量范圍廣，但也有其固有的缺陷，即兩個(gè)控制系統(tǒng)的定時(shí)開關(guān)難以嚴(yán)格同步，速度變化大，速度精度無法保證。因此，在以往的速度環(huán)的構(gòu)建中，很難實(shí)現(xiàn)同步，很難提高伺服發(fā)動機(jī)的速度跟蹤和控制[101]。本次設(shè)計(jì)選擇的伺服驅(qū)動器為海德H3N-TD伺服控制器，處于位置控制模式。其接線方法如下圖所示：圖3-6位置控制模式下標(biāo)準(zhǔn)接線3.2.4鍵盤輸入電路單片機(jī)有獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤有兩種：獨(dú)立鍵盤的每個(gè)IO口連接一個(gè)鍵，按鍵的另一端連接電源或接地（一般接地），獨(dú)立鍵盤的接法程序簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定；矩陣鍵盤連接更復(fù)雜，但使用較少的IO口。由于本設(shè)計(jì)的必要性，我們選擇了獨(dú)立鍵盤的連接方式。獨(dú)立鍵盤的實(shí)現(xiàn)是使用IO端口電平級別來確定是否按下了鍵。常開按鈕一端接地，另一端接IO口，程序開始IO端口是放置在高電平時(shí)，平時(shí)沒有按鍵按下，IO端口保護(hù)高水平時(shí)。按下按鍵時(shí)，IO端口對地短路，迫使IO端口處于低位。按鍵釋放后，由單片機(jī)控制，開啟上拉電阻，IO口電平變高。我們需要做的是找出IO端口程序的水平狀態(tài)，從而得知是否有按鍵動作。 抖動時(shí)間一般由按鍵的機(jī)械特性決定，絕大部分按鍵的抖動時(shí)間都在10ms以內(nèi)，所以為了確保程序?qū)Π存I的閉合和斷開只響應(yīng)一次，就需要進(jìn)行按鍵消抖處理。當(dāng)按鍵狀態(tài)出現(xiàn)變化時(shí)，先等待狀態(tài)穩(wěn)定，然后再去響應(yīng)動作用單片機(jī)處理鍵盤時(shí)，消除鍵盤抖動是一相當(dāng)關(guān)鍵的過程。抖動時(shí)間一般由按鍵的機(jī)械特性決定，絕大部分按鍵的抖動時(shí)間都在10ms以內(nèi)，所以為了確保程序?qū)Π存I的閉合和斷開只響應(yīng)一次，就需要進(jìn)行按鍵消抖處理。當(dāng)按鍵狀態(tài)出現(xiàn)變化時(shí)，先等待狀態(tài)穩(wěn)定，然后再去響應(yīng)動作。按鍵消抖一般分為硬件消抖和軟件消抖:硬件消抖一般是在按鍵上并聯(lián)一個(gè)電容，利用電容的的充放電來抵消鍵盤抖動所產(chǎn)生的電壓變化，但會使電路變得更加復(fù)雜。軟件消抖即在監(jiān)測到鍵盤狀態(tài)變化時(shí)，等待一段時(shí)間，再次檢測鍵盤狀態(tài)變化，如果兩次變化相同，即可確認(rèn)鍵盤狀態(tài)確實(shí)發(fā)生了改變。相對而言，軟件消抖更加簡單和方便。鍵盤電路如下圖所示：圖3-7鍵盤電路3.2.4實(shí)物模擬根據(jù)上述設(shè)計(jì)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)物模擬?？刂坪诵囊廊皇褂肧TC89C51單片機(jī)：機(jī)構(gòu)部分通過絲桿螺母的組合代替原有設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得其能完成預(yù)期動作;電機(jī)部分，實(shí)物模擬過程中考慮到伺服電機(jī)花費(fèi)過于昂貴，從而采用步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器代替伺服驅(qū)動系統(tǒng);鍵盤采用獨(dú)立鍵盤，能完美實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。第4章系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)4.1程序主體設(shè)計(jì)流程全部控制部分實(shí)際上包括若干模塊：鍵盤設(shè)置處理程序，LCD顯示程序，延時(shí)消抖程序，狀態(tài)判斷及處理程序，伺服驅(qū)動程序等。整個(gè)軟件程序主要分為兩大部分：按鍵處理程序和鍵盤掃描程序。流程圖見附錄。4.1.1子程序模塊設(shè)計(jì)按鍵模塊的控制是調(diào)用中斷來實(shí)現(xiàn)控制，獨(dú)立按鍵是通過端口電平來判斷鍵盤是否被按下來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)動常開按鈕，一端接地，另一端連接IO端口。在程序剛開始時(shí)，IO港被放置在高電平。如果沒有按鍵，IO端口通常會受到很好的保護(hù)。如果有按鍵的時(shí)候，IO端口對地短路后打開，打開的IO端口將設(shè)置為低電平。MCU內(nèi)的上拉電阻將IO端口保持在高電平。我們需要做的是找出IO端口程序的水平狀態(tài)，就可以知道是否有按鍵動作。定時(shí)中斷是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一旦定時(shí)器開始，它將在原來的數(shù)值上加1計(jì)數(shù)。程序啟動時(shí)，在沒有進(jìn)行設(shè)置的情況下，Th0和TL0會默認(rèn)置0。若采用12MHZ晶振時(shí)，機(jī)器周期就是1us。記滿TH0和TL0需要216-1個(gè)數(shù)字，如果此時(shí)再來一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器便會溢出，從而向CPU申請中斷。因此，一次溢流總共需要65536us，約65．6ms。如果我們想定時(shí)50ms，我們需要先為TH0和TL0設(shè)定一個(gè)初始值。然后以這個(gè)初始值為基礎(chǔ)，記錄了50000個(gè)數(shù)字之后，定時(shí)器就溢出了。此時(shí)，中斷次數(shù)為1，即時(shí)間過去了50ms。如果我們在編寫程序時(shí)設(shè)定20個(gè)中斷為1，則此時(shí)時(shí)間剛好過去1s，從而能夠精確地控制定時(shí)時(shí)間。輸出數(shù)據(jù)并切換和處理各種狀態(tài)都是根據(jù)定時(shí)中斷來完成的。4.2KEILC51的應(yīng)用硬件與軟件的設(shè)計(jì)一般都要分別借助一些軟件，如我們MCS-51程序開發(fā)工具KEIL，通常用作電路設(shè)計(jì)與制版的AltiumDesigner，繪制圖形所用的AutoCAD等。KeilC51集成開發(fā)環(huán)境是基于80C51內(nèi)核的軟件開發(fā)平臺，與當(dāng)前市面上大部分集成開發(fā)環(huán)境一樣，也是用工程的方法來管理文件，在編譯時(shí)達(dá)到了較高的準(zhǔn)確率。安裝運(yùn)行KEILC51，使用KEIL的開發(fā)工具進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)過程，與其他軟件開發(fā)項(xiàng)目的過程基本上相同：創(chuàng)建C語言或匯編語言的源程序。編譯或匯編源文件。糾正源文件中的錯誤。從編譯器和匯編器連接目標(biāo)文件。測試連接的應(yīng)用程序。4.3AltiumDesigner的應(yīng)用AltiumDesigner是由Altium（以前的Protel軟件開發(fā)公司）開發(fā)的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。它主要基于Windows操作系統(tǒng)，包括集成電路開發(fā)、電路仿真、PCB設(shè)計(jì)、繪圖和編輯，熟練使用該軟件可以顯著提高電路開發(fā)的質(zhì)量和效率。電子設(shè)計(jì)自動化EDA（ElectronicDesignAutomation）是一種用于電路開發(fā)原理圖、PCB制作、電路仿真和安裝的計(jì)算機(jī)輔助工具，隨著電子電路的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，電路的開發(fā)也越來越困難。電子線路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是必然的發(fā)展趨勢。越來越多的設(shè)計(jì)需要使用高速、功能強(qiáng)大的CAD軟件來支持電路圖的設(shè)計(jì)和打印，打印電路板和各種報(bào)表。其主要功能如下：⑴原理圖設(shè)計(jì)。⑵印刷電路板設(shè)計(jì)。⑶嵌入式開發(fā)。⑸3DPCB設(shè)計(jì)。⑹封裝庫設(shè)計(jì)。4.3AutoCAD的應(yīng)用AutoCAD（汽車、計(jì)算機(jī)、輔助、設(shè)計(jì)）是Autodesk為二維圖形開發(fā)的第一個(gè)CAD軟件。詳細(xì)的圖形、建筑文檔和基本的三維設(shè)計(jì)已經(jīng)成為世界上最流行的繪圖工具。AutoCAD的用戶界面廣受好評，它能通過交互式菜單或命令行使用執(zhí)行各種操作。它的多文件設(shè)計(jì)環(huán)境使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的使用者快速學(xué)會使用成為可能。在不斷實(shí)踐的過程中，為了更好地管理不同的應(yīng)用程序和開發(fā)能力，AutoCAD擁有廣泛的定制選項(xiàng)，滿足客戶的不同功能需求。除此之外，它可以在各種微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行，并支持多種操作系統(tǒng)。AutoCAD是Autodesk開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。它支持不知道如何繪制二維圖形和基本三維設(shè)計(jì)程序的用戶，并能自動繪制。因此它在全球廣泛使用，在土木建筑，裝飾裝潢，工業(yè)制圖，工程制圖，電子工業(yè)等領(lǐng)域更是必不可少。其主要功能如下：⑴具有完善的圖形繪制功能。⑵有強(qiáng)大的圖形編輯功能。⑶這可以通過多種方式重新開發(fā)或調(diào)整。⑷它具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)互換性，可以轉(zhuǎn)換多種圖形類型。⑸支持多種硬件設(shè)備。⑹支持多種操作平臺。⑺另外，在autocad2000之后，引入了AutoCAD設(shè)計(jì)中心（ADC）、多文檔設(shè)計(jì)環(huán)境（MDE）、Internet驅(qū)動程序、新的對象捕獲功能和擴(kuò)展的標(biāo)注功能，部分開放功能和部分加載功能都有很多強(qiáng)大的功能，對系統(tǒng)進(jìn)行了升級。第5章總結(jié)與展望單片機(jī)作為新時(shí)代科技發(fā)展的一大產(chǎn)物，對于社會各個(gè)方面的發(fā)展都有著重要的作用。想要提升單片機(jī)的應(yīng)用空間，就必須借助電子功能環(huán)境，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)技術(shù)上突破以及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。同時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)也應(yīng)該和各行各業(yè)緊密連續(xù)，才能夠好的發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大功能。本文主要完成了如下研究工作，并得到了相應(yīng)的結(jié)論：通過閱讀文獻(xiàn)了解單片機(jī)原理及其應(yīng)用，了解單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)特性以及研究現(xiàn)狀，歸納總結(jié)單片機(jī)應(yīng)用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的了解，學(xué)習(xí)了電路的部分知識，嘗試自主設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)了AltiumDesigner以及Solidworks的使用方法，學(xué)習(xí)焊接的基本知識，嘗試動手組裝實(shí)物，極大提高了動手能力。（4）對控制系統(tǒng)進(jìn)行整體組裝。利用KEILC51編程，并由AutoCAD畫出電路原理圖。最終設(shè)計(jì)能滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我覺得自己學(xué)到了不少東西。歸納起來，主要有以下幾點(diǎn)：（1）通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我把在學(xué)校學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐結(jié)合起來，充分利用從書本和課程中學(xué)到的知識，認(rèn)識到