畢業(yè)設(shè)計(jì)自動(dòng)晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、自動(dòng)晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 智能自動(dòng)晾衣架能夠?qū)崿F(xiàn)晾衣架的自動(dòng)升降，衣服超重的自動(dòng)檢測(cè)及系統(tǒng)故障保護(hù)等功能。與傳統(tǒng)的手動(dòng)晾衣架相比，自動(dòng)晾衣架具有升降更省力，升降速度更快等優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的日臻完善，自動(dòng)晾衣架將成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51作為自動(dòng)晾衣架的檢測(cè)及控制核心，采用電阻應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)超重檢測(cè)，通過(guò)手動(dòng)按鍵控制晾衣架的升降，通過(guò)發(fā)光二極管顯示晾衣架的工作狀態(tài)，同時(shí)具有超重聲光報(bào)警作用，該系統(tǒng)還增加了直流電機(jī)的的過(guò)流保護(hù)功能以及電氣隔離功能。軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，編制了各個(gè)模塊的流程圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晾衣架升降控制，狀態(tài)顯示

2、等功能。本設(shè)計(jì)具有靈活方便、適用范圍廣的特點(diǎn)，基本能夠滿(mǎn)足實(shí)踐需求。  AUTOMATIC CLOTHES HANGER CONTROL SYSTEM DESIGN ABSTRACT Intelligent automatic clothes hanger which is able to realize automatic lift the clothes hanger, automatic detection clothes are overweight or not, systems

3、 fault protection function of the clothes hanger. Compared with the traditional manual clothes hanger, it has lifting more easily and more faster. As technology is being perfected, automatic air clothes tree will be the market leading products. This design use the single-chip microcomputer AT89C51

4、as automatic clothes hanger detection and control core .using resistance strain gauge realize overweight detection, through manual buttons to control clothes hanger up or down. through the leds to display the clothes hanger working condition.At the same time,it has the overweight sound-light alarm c

5、ircuit. this system also increased dc motor of the over-current protection function.software part adopts modular design thought, compiled the flowchart of each module. realized to dc motor positive & reverse control and state display functions.This design is agile and convenient, widely use .Basicly

6、 can satisfy the practice demands. KEY WORDS clothes hanger single-chip microcomputer lift control alarm I 自動(dòng)晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 1 緒論 1 1.1 自動(dòng)晾衣架介紹 1 1.2 晾衣架的歷史及現(xiàn)狀 1 1.3 晾衣架行業(yè)的發(fā)展及未來(lái) 2 2 整體電路設(shè)計(jì) 4 2.1 自動(dòng)晾衣架整體框圖 4 2.2 系統(tǒng)的主要部件方案論證與比較 4 2.2.1 處理器的

7、選擇與論證 5 2.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與論證 5 2.2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇與論證 5 2.2.4 穩(wěn)壓電源方案選擇與論證 6 2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 6 3 基本元器件介紹及各部分電路設(shè)計(jì) 8 3.1 直流電機(jī)的運(yùn)行原理 8 3.1.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 8 3.1.2 直流電機(jī)的基本工作原理 8 3.1.3 直流電機(jī)的額定值 10 3.2 單片機(jī)原理 11 3.2.1 單片機(jī)原理概述 11 3.2.2 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 11 3.2.3 AT89C51簡(jiǎn)介 13 3.3 其它主要器件介紹 17 3.3.1 NE55

8、5介紹 17 3.3.2 集成運(yùn)放LM358介紹 19 3.3.3 繼電器的介紹 20 3.3.4 光耦介紹 22 3.3.5 串行下載口介紹 23 3.4 各部分電路設(shè)計(jì) 25 3.4.1 電源電路 25 3.4.2 時(shí)鐘電路 27 3.4.3 復(fù)位電路 28 3.4.4 按鍵電路 29 3.4.5 超重檢測(cè)電路 29 3.4.6 狀態(tài)指示電路 30 3.4.7 聲光報(bào)警電路 31 3.4.8 過(guò)流保護(hù)電路 32 3.4.9 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路 33 3.4.10 串口電路 34 4 系統(tǒng)的軟件各部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 36 4.1

9、 超重檢測(cè)部分 36 4.2 上升部分 36 4.3 下降部分 37 4.4 過(guò)流中斷部分 38 5 設(shè)計(jì)總結(jié) 39 致 謝 40 參考文獻(xiàn) 41 附 錄 42 自動(dòng)晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 自動(dòng)晾衣架介紹 目前晾衣架分手動(dòng)、自動(dòng)兩種。手動(dòng)較為普及。自動(dòng)之所以未能普及推廣，這是由于整個(gè)行業(yè)技術(shù)上的不成熟以及售后服務(wù)的局限——畢竟是鑲在天花板上，不像小家電一樣容易搬移去維修保養(yǎng)。因而目前，還是手動(dòng)為市場(chǎng)的主導(dǎo)。但自動(dòng)晾衣架有著手動(dòng)晾衣架不可比擬的優(yōu)勢(shì)如升降更省力，升降速度更快等。隨著技術(shù)的日臻完善，自動(dòng)晾衣架將成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。 自動(dòng)

10、晾衣架是大約10年前出現(xiàn)的一種晾曬衣服的用具。這種產(chǎn)品剛出來(lái)時(shí)晾桿是用不銹鋼圓管做的，款式單一，只是作為一種方便晾曬衣服的工具，但隨著時(shí)間的推移，生產(chǎn)晾衣架的廠(chǎng)家越來(lái)越多，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越大，廠(chǎng)家各出奇謀，晾衣架的款式越來(lái)越多，越來(lái)越漂亮，晾衣架如今已不僅僅是一種晾曬的工具了，更演變成一種裝飾品，成為陽(yáng)臺(tái)一道風(fēng)景線(xiàn)。晾衣架的各種配件也層出不窮，每一件配件都可以作為裝飾品，點(diǎn)綴現(xiàn)代家庭的陽(yáng)臺(tái)。 1.2 晾衣架的歷史及現(xiàn)狀 自動(dòng)晾衣架是一中國(guó)特色的產(chǎn)品，上世紀(jì)八十年代末發(fā)源于中國(guó)，至今大約20年歷史，是一新興行業(yè)。 晾衣架是我國(guó)較早出現(xiàn)的一種家具，周朝開(kāi)始實(shí)行禮制，貴族階層對(duì)衣冠十分重視，為了適

11、應(yīng)這種需要，較早就出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)用來(lái)懸掛衣物的架子。各個(gè)朝代的衣架形式各有不同，名稱(chēng)也有所不同。春秋時(shí)期，橫架的木桿，用以?huà)煲略弧拌臁?，又叫“木施”。在宋代，衣架的使用較前代更為普遍，并且有形象的資料，河南禹縣宋墓壁畫(huà)梳妝圖中的衣架，它由兩根立柱支撐一根橫桿，橫桿兩頭長(zhǎng)出立柱，兩頭微向上翹，并做成花朵狀。下部用兩橫木墩以穩(wěn)定立柱，在上橫桿下部的兩柱之間，另加一根橫桿，以起加固作用。明代衣架整體造型仍保持著傳統(tǒng)模式，但用材、制作、裝飾很精致。衣架下端以?xún)蓧K墩子木作支撐，里外兩面浮雕回紋，前后兩個(gè)鏤雕卷草花抵夾。上部和下部分用木插與立柱和座墩連接，由于底下的橫格木具有一定的寬度，故可以擺放鞋履等物。晾

12、衣架從選材、設(shè)計(jì)、雕刻制作，在明代的時(shí)期都達(dá)到了很高的藝術(shù)水平。明清衣架造型典雅，裝飾精美，雕刻細(xì)致。明清官員頭戴烏紗紅纓帽，身著前后綴有補(bǔ)子的馬蹄袖長(zhǎng)袍，故清代衣架高大，立柱上設(shè)有橫桿，二端出挑，雕有文飾回紋，墩上有立柱，前后兩個(gè)鏤雕卷草花抵夾。上部和下部分用木插與立柱和座墩連接，兩墩安裝用小塊木料連接。清朝實(shí)行“易服”政策，推行穿滿(mǎn)人服裝，滿(mǎn)人體魄剽悍而高大，所穿的服裝體積大，份量重。有錢(qián)、有地位人的衣服，是由繡鳳的綾羅綢緞組成。因此，造就清代衣架的繁華、端莊、巨大，是這一個(gè)時(shí)期的特征，也是區(qū)別其他時(shí)代的不同之處。清代衣架又俗稱(chēng)“朝服架”，主要掛置男用官服所用，因此，所有的衣架主梁都如同二

13、條仰首的雙龍，傲氣地橫臥在那里，象征著官運(yùn)享通，其余的如“福”、“祿”、“壽”及各種裝飾性花飾，則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)他們的價(jià)值觀念。可以看到，早期的封建社會(huì)，做工精細(xì)、用料講究的晾衣架只是上層權(quán)貴階層的奢侈家庭用品，而普通的老百姓是享受不到的，他們只能就地取材，竹竿或木棍做晾桿，再加上一個(gè)自制的支架，就成了“平民晾衣架”，而且這個(gè)晾衣的傳統(tǒng)竟然沿用了幾千年，直到現(xiàn)在中國(guó)不少的農(nóng)村地區(qū)仍在使用這種最樸實(shí)、最簡(jiǎn)單的晾衣方式。 古時(shí)的衣架到了現(xiàn)代社會(huì)又有了新的演變和發(fā)展，隨著人類(lèi)文明和科技的進(jìn)步，現(xiàn)代的制作工藝及新型合金材料運(yùn)用的相結(jié)合，產(chǎn)生了現(xiàn)代的晾衣架，晾衣架也日益發(fā)展成為現(xiàn)代家居生活的必備品

14、。特別最近幾年，中國(guó)的房地產(chǎn)迎來(lái)了前所未有的高速發(fā)展局面，緊隨其后的建材家居業(yè)，自然也水漲船高。晾衣架做為建材類(lèi)五金產(chǎn)品，隨著人民生活水平的提高，也成為了家庭裝修中消費(fèi)者必須考慮購(gòu)買(mǎi)的家居用品。目前，晾衣架產(chǎn)品的市場(chǎng)消費(fèi)觀念正在發(fā)生變化，人們晾曬衣服和生活用品的習(xí)慣從最早的原始的固定晾桿，到手拉升降衣架，再到自動(dòng)晾衣架和最新的數(shù)碼遙控晾衣架，短短的20年時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。從消費(fèi)需求看，人們的消費(fèi)觀念也開(kāi)始向品牌化、高檔化、簡(jiǎn)易化的理性方向邁進(jìn)。體驗(yàn)試營(yíng)銷(xiāo)手段正悄然進(jìn)入晾衣架市場(chǎng)。消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的需求，也從簡(jiǎn)單的使用需求，上升到對(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)、功能、色彩、服務(wù)等多方面的整合需

15、求。從產(chǎn)品技術(shù)看，現(xiàn)代晾衣架晾桿的材質(zhì)和表面工藝處理也在不斷地提高，材質(zhì)用料上也從鐵質(zhì)到不銹鋼，再發(fā)展到鋁合金及目前采用的最新航空材料——鋁鈦合金，不斷地推進(jìn)發(fā)展。 1.3 晾衣架行業(yè)的發(fā)展及未來(lái) 晾衣架，發(fā)展到今天，已經(jīng)不僅僅是一個(gè)晾衣服的工具。除了實(shí)用性很強(qiáng)外，更是一個(gè)頗具裝飾性的產(chǎn)品。它是陽(yáng)臺(tái)一道主要的風(fēng)景線(xiàn)。除了要買(mǎi)來(lái)晾衣服，消費(fèi)者也許更注重心理上的需求和滿(mǎn)足。 目前晾衣架的“功能”已經(jīng)普遍得到消費(fèi)者的認(rèn)可，已經(jīng)形成一個(gè)“行業(yè)”?；貧w產(chǎn)品本身——走質(zhì)量、特色路線(xiàn)：不斷改良、創(chuàng)新，引領(lǐng)行業(yè)重新重視質(zhì)量。實(shí)用的產(chǎn)品，質(zhì)量才是永恒的。只有質(zhì)量被大眾接收，行業(yè)才可持續(xù)健康

16、發(fā)展。換言之，只要功能、質(zhì)量普遍被認(rèn)可，晾衣架將會(huì)成為居民生活一個(gè)必需品。而競(jìng)爭(zhēng)激烈的未來(lái)，特色將是吸引顧客的重要要素！ 　　　　 2 整體電路設(shè)計(jì) 2.1 自動(dòng)晾衣架整體框圖 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)自動(dòng)晾衣架的控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)晾衣架的自動(dòng)升降，衣服重量的自動(dòng)檢測(cè)及系統(tǒng)的故障保護(hù)功能。設(shè)計(jì)衣物的搭載總重量不超過(guò)30kg，晾衣架的升降速度為0.4m/s。電機(jī)的額定功率為120W。 該設(shè)計(jì)電路的方框圖如圖2-1。該電路的輸入有超重信號(hào)輸入電路、手動(dòng)按鍵電路、過(guò)流檢測(cè)輸入電路；電路的控制核心是AT89C51單片機(jī)；輸出部分有聲光報(bào)警電路、狀態(tài)顯示電路、電機(jī)控制電路。 狀態(tài)顯示 聲光報(bào)警器

17、 過(guò)流檢測(cè) 電機(jī)控制 超重傳感器 AT89C51 手動(dòng)按鍵 圖2-1 整機(jī)原理方框圖 電路工作原理:當(dāng)系統(tǒng)上電后，電源指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)晾曬衣服時(shí)，超重傳感器檢測(cè)衣物是否超過(guò)電機(jī)所能承載的質(zhì)量，當(dāng)超過(guò)時(shí)聲光報(bào)警器就會(huì)報(bào)警，同時(shí)電機(jī)控制電路使電機(jī)不工作；當(dāng)上升按鍵被按下，上升指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)電機(jī)控制電路使電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)下降上升按鍵被按下，下降指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)電機(jī)控制電路使電機(jī)反轉(zhuǎn)；如果發(fā)生故障使電機(jī)處于過(guò)流工作時(shí)，過(guò)流檢測(cè)就會(huì)輸出信號(hào)使聲光報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)使電機(jī)不工作。 2.2 系統(tǒng)的主要部件方案論證與比較

18、 題目要求設(shè)計(jì)一自動(dòng)晾衣架，根據(jù)要求需采用一只電機(jī)來(lái)控制晾衣架的升降。采用傳感器衣物是否超重，當(dāng)過(guò)載或發(fā)生故障時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警器實(shí)現(xiàn)報(bào)警,另外還需用到鍵盤(pán)及顯示，下面對(duì)主要部件的選擇加以論證。 2.2.1 處理器的選擇與論證 方案一：采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)列陣）作為系統(tǒng)的處理器。由于FPGA將所有器件集成在一塊芯片上，所以外圍電路較少，控制板的體積小，穩(wěn)定性高，擴(kuò)展性能好；而且FPGA采用并行的輸入輸出方式，系統(tǒng)處理速度快，再加上FPGA有方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境和豐富的開(kāi)發(fā)工具等資源可利用，易于調(diào)試；但是FPGA的成本偏高，而且由于本設(shè)計(jì)對(duì)輸出處理的速度要求不高，所以FPGA高速處理的優(yōu)勢(shì)

19、得不到充分體現(xiàn)。 方案二：采用單片機(jī)AT89C51作為系統(tǒng)的處理器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)熟練和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 基于以上分析，采用單片機(jī)AT89C51作為系統(tǒng)的處理器。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與論證 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。因此，步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力，但步進(jìn)

20、電機(jī)成本比較高且如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振。 方案二：采用直流電機(jī)作為執(zhí)行元件。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。直流電機(jī)成本低且的電路簡(jiǎn)單。 基于以上分析，采用直流電機(jī)作為系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置。 2.2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇與論證 方案一：采用與直流電機(jī)相匹配的成品驅(qū)動(dòng)裝置。采用該方法實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，節(jié)省制作和調(diào)試的時(shí)間，但成本很高。 方案二：采用繼電器來(lái)控制直流電機(jī)。采用該方法實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電路連接比較簡(jiǎn)單，工作相對(duì)也

21、比較可靠，成本低廉，技術(shù)成熟。此外，為提高電路的抗干擾能力，驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)接口可通過(guò)光耦元件連接。 基于以上分析，考慮到要驅(qū)動(dòng)的電機(jī)瞬時(shí)電流較大以及電路的復(fù)雜程度，采用方案二實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2.2.4 穩(wěn)壓電源方案選擇與論證 方案一：采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，圖2-2中VI是整流濾波電路的輸出電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大電路，VREF為基準(zhǔn)電壓，它由穩(wěn)壓管DZ與限流電阻R串聯(lián)所構(gòu)成的簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路獲得，R1與R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，是用來(lái)反映輸出電壓變化的取樣環(huán)節(jié)。 圖2-2 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 這種穩(wěn)壓電路的主回路是起調(diào)整作用的 T與負(fù)載串聯(lián)，故稱(chēng)為串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。輸出電壓的變化

22、量由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣經(jīng)放大電路（A）放大后去控制調(diào)整管T的c-e極間的電壓降，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓VO的目的。但該電路復(fù)雜，使用不方便。 方案二：采用集成三端穩(wěn)壓器 圖2-3 集成三端穩(wěn)壓器 如圖所示，集成三端穩(wěn)壓器是一個(gè)集成芯片，它有一個(gè)電壓輸入端Vin，一個(gè)電壓輸出端Vout和一個(gè)接地端GND，其基準(zhǔn)電壓由芯片內(nèi)部電路決定，是一個(gè)固定的值。集成三端穩(wěn)壓器的外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用比較方便。 基于以上分析，我們采用方案二做為電源方案。 2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過(guò)仔細(xì)地分析和論證，選定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： 電源：采用三端穩(wěn)壓器組成穩(wěn)壓電源： 處理器：采用單片機(jī)AT

23、89C51組成控制系統(tǒng)； 電機(jī)：采用直流電機(jī)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：采用繼電器來(lái)控制直流電機(jī)； 超重檢測(cè)：電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器； 報(bào)警模塊：采用聲光報(bào)警器； 鍵盤(pán)：獨(dú)立式鍵盤(pán)接口查詢(xún)方式； 顯示：采用發(fā)光二極管。 3 基本元器件介紹及各部分電路設(shè)計(jì) 3.1 直流電機(jī)的運(yùn)行原理 3.1.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖3-1 直流電機(jī)的物理模型圖 其中，固定部分有磁鐵，這里稱(chēng)為主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。(其中2個(gè)小圓圈是為了方便的表示該位置上的導(dǎo)體電勢(shì)或電流的方向而設(shè)置的) 上圖表示一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，從模型上可以看到，直流

24、電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由兩根導(dǎo)體連成的電樞線(xiàn)圈，線(xiàn)圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱(chēng)為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱(chēng)為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線(xiàn)圈通過(guò)換向片和電刷與外電路接通。 3.1.2

25、 直流電機(jī)的基本工作原理 1.直流電動(dòng)機(jī)工作原理 由下圖可知，當(dāng)將外部直流電源加于電刷A(正極)和B(負(fù)極)上，則線(xiàn)圈abcd中流過(guò)電流，在導(dǎo)體ab中，電流由a指向b，在導(dǎo)體cd中，電流由c指向d。導(dǎo)體ab和cd分別處于N、S極磁場(chǎng)中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導(dǎo)體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個(gè)轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時(shí)針?lè)较?。這樣，電樞就順著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 圖3-2 直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖 如圖3-2(a)所示。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下，如圖3-2(b)所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c

26、，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線(xiàn)圈中流過(guò)的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。 實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上不是由一個(gè)線(xiàn)圈構(gòu)成而是均勻地嵌放許多線(xiàn)圈，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線(xiàn)圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。 2.

27、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。按勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可以分為以下4類(lèi)。 （1）他勵(lì)直流電機(jī) 勵(lì)磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒(méi)有電的聯(lián)系，如圖3-3(a)所示。永磁直流電機(jī)也屬于他勵(lì)直流電機(jī)，因其勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞電流無(wú)關(guān)。圖3-3中電流正方向是以電動(dòng)機(jī)為例設(shè)定的。 （2）并勵(lì)直流電機(jī) 勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如圖3-3(b)所示。勵(lì)磁電壓等于電樞繞組端電壓。 以上兩類(lèi)電機(jī)的勵(lì)磁電流只有電機(jī)額定電流的1%～5%，所以勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線(xiàn)細(xì)而匝數(shù)多。 （3）串勵(lì)直流電機(jī) 勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖3-3(c)所示。勵(lì)磁電流等于電樞電流，所以勵(lì)磁繞組的

28、導(dǎo)線(xiàn)粗而匝數(shù)較少。 （4）復(fù)勵(lì)直流電機(jī) 每個(gè)主磁極上套有兩套勵(lì)磁磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，稱(chēng)為并勵(lì)繞組。一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，稱(chēng)為串勵(lì)繞組，如圖3-3(d)所示。兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相同時(shí)稱(chēng)為積復(fù)勵(lì)，兩個(gè)磁勢(shì)方向相反時(shí)稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)，通常采用積復(fù)勵(lì)方式。 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式不同，運(yùn)行特性和適用場(chǎng)合也不同。 圖3-3 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 3.1.3 直流電機(jī)的額定值 電機(jī)制造廠(chǎng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺(tái)電機(jī)的主要性能指標(biāo)稱(chēng)為電機(jī)的額定值。額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上或產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上。直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)： 1.額定功率 額定功率是

29、指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。 2.額定電壓 額定電壓是電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓，單位為V(伏特)。 3.額定電流 額定電流是電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電樞繞組允許流過(guò)的最大電流，單位為A(安培)。 4.額定轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min(轉(zhuǎn)/分)。 額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，又稱(chēng)為銘牌數(shù)據(jù)。還有一些額定值，例如額定轉(zhuǎn)矩TN、額定效率hN等，不一定標(biāo)在銘牌上，可查產(chǎn)品況明書(shū)或由銘牌上的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。 直流電機(jī)

30、運(yùn)行時(shí)，如果各個(gè)物理量均為額定值，就稱(chēng)電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，亦稱(chēng)為滿(mǎn)載運(yùn)行。在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電樞電流小于額定電流，稱(chēng)為欠載運(yùn)行；電機(jī)的電樞電流大于額定電流，稱(chēng)為過(guò)載運(yùn)行。欠載運(yùn)行，電機(jī)利用不充分，效率低；過(guò)載運(yùn)行，易引起電機(jī)過(guò)熱損壞。 3.2 單片機(jī)原理 3.2.1 單片機(jī)原理概述 單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。圖3-4中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所

31、以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 圖3-4 典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 3.2.2 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要與外界交換信息。人們需要通過(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)芯片與其它CPU比較，功能雖然要強(qiáng)得多，但由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展，以適應(yīng)不同的工作情況。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖3-5所示。 圖3-5 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款

32、最小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，如開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出控制、時(shí)序控制等。對(duì)于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來(lái)說(shuō),最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個(gè)芯片；對(duì)與片內(nèi)沒(méi)有ROM/EPROM芯片來(lái)說(shuō)，其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)配備EPROM或EEPROM作為程序存儲(chǔ)器使用。下圖就是一個(gè)AT89C51的一個(gè)典型最小應(yīng)用系統(tǒng)。 圖3-6 AT89C51最小應(yīng)用系統(tǒng) 3.2.3 AT89C51簡(jiǎn)介 AT89C51含EP

33、ROM電可編閃速存儲(chǔ)器。有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng)，防止EPROM中的程序被非法復(fù)制。不用紫外線(xiàn)擦除，提高了編程效率。程序存儲(chǔ)器EPROM容量可達(dá)20K字節(jié)。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。其可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 制造工藝為HMOS的51系列單片機(jī)都采用

34、40只引腳的雙列直插式封裝（DIP）方式，其引腳如圖3-7所示： 圖3-7 單片機(jī)的引腳排列 40只引腳按其功能來(lái)分，可分為如下3類(lèi)： （1） 電源及時(shí)鐘引腳：VCC，GND，XTAL1，XTAL2。 （2）控制引腳：/PSEN,ALE,/EA,RESTE(即RST)。 （3）I/O口引腳：P0口，P1口，P2口，P3口，為4個(gè)8位I/O口的外部引腳。 1.主要特性： 與MCS-51兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 全靜態(tài)工作：

35、0Hz-24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8位內(nèi)部RAM 32可編程I/O線(xiàn) 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2.管腳說(shuō)明： VCC：電源端，接+5V電源。 GND：接地端。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1

36、口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部

37、上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部

38、中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 ALE/PROG：ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)正常工作時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)的負(fù)跳沿用于單片機(jī)發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號(hào)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。如果想初步判

39、斷單片機(jī)芯片的好壞，可以用示波器查看ALE端是否有正脈沖信號(hào)輸出，如果有脈沖信號(hào)輸出，則單片機(jī)基本上是好的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。/PROG是本引腳的第二功能。在對(duì)片內(nèi)EPROM型單片機(jī)（例如8751）編程寫(xiě)入時(shí)，此引腳為編程脈沖輸入端。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的輸出允許控制端。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期時(shí)，此引腳輸出脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此腳與外部

40、程序存儲(chǔ)器的/OE端相連。/PSEN端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。如果要檢查一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)上電后，CPU能否正常到外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼，可以用示波器查/PSEN端有無(wú)脈沖輸出。 /EA/VPP：/EA功能為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端。當(dāng)/EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過(guò)0FFFH時(shí)，即超過(guò)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的4KB地址范圍時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng)/EA為低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。不論是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于8031，由于其無(wú)片內(nèi)ROM，故/EA 必須接低電平，這樣只選擇外部存儲(chǔ)器。/VPP為本引腳第二功能。在對(duì)EPROM型

41、單片機(jī)內(nèi)EPROM固化編程時(shí)，用于施加較高的編程電壓（例如+21V或+12V）。對(duì)于89C51，則加在/VPP引腳的編程電壓為+12V或+5V。 RST/Vpd：該引腳為復(fù)位信號(hào)輸入端，該信號(hào)高電平有效，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳輸入保持大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為≤0.5V低電平。Vpd為本引腳第二功能。即備電源的輸入端。當(dāng)電源Vcc發(fā)生故障時(shí)降到某一規(guī)定值的低電平時(shí)，將+5V電源直接接入RST端，為內(nèi)部的RAM提供備電源，可保護(hù)片內(nèi)RAM中信息不丟失，從而使單片機(jī)在復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。 XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振

42、蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部晶體振蕩器時(shí)，該引腳必須接地。 XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部晶體振蕩器時(shí)，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 3.I/O口引腳： （1）P0口（P0.0～P0.7）：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為8位地址總線(xiàn)（低8位）及8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)分時(shí)復(fù)用端口； （2）P1口（P1.0～P1.7）：8位準(zhǔn)雙向I/O口； （3）P2口（P2.0～P2.7）：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線(xiàn)（高8位）復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它作存儲(chǔ)器的高8位地址線(xiàn)； （4）P3口（P3.0

43、～P3.7）： 8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。 4.振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 5.芯片擦除： 整個(gè)EPROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C

44、51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 3.3 其它主要器件介紹 3.3.1 NE555介紹 NE555是在1971年由Signetics Corporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一非?？焖偾疑虡I(yè)化的Timer IC，在往后的40年來(lái)非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路，盡管近年來(lái)CMOS技術(shù)版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原規(guī)格的N

45、E555依然正常的在市場(chǎng)上供應(yīng)，盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其基本功能并沒(méi)變化，所以到目前都可直接的代用。 NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。 　 NE555的特點(diǎn)有： （1）只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 　　 （2）它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘

46、配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 （3）其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 （4） 它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。 NE555引腳功能如下： 　　　 圖3-8 NE555的引腳圖 引腳 1 (接地)：地線(xiàn)(或共同接地)，通常被連接到電路共同接地。 引腳 2 (觸發(fā)點(diǎn))：這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 引腳 3 (輸出)：當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右

47、的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。 引腳 4 (重置)：一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 引腳 5 (控制)：這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。 引腳 6 (重置鎖定)：重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 　 引腳 7 (放電)：這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)它為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)它為HIGH，對(duì)地為高阻抗。

48、 引腳 8 (VCC)：這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+18伏特(最大值)。 NE555參數(shù)功能特性： ?供應(yīng)電壓4.5-18V 　 　?供應(yīng)電流3-6mA 　 　 ?輸出電流225mA(max) 　 　 ?上升/下降時(shí)間100ns 　　 NE555的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器及無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。 3.3.2 集成運(yùn)放LM358介紹 集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，它的類(lèi)型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，圖3-9表示集成運(yùn)放的內(nèi)部

49、電路組成原理框圖。圖中輸入級(jí)一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差分放大電路，利用它的對(duì)稱(chēng)性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其它方面性能，它的兩個(gè)輸入端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益，它可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成。輸出級(jí)一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為各級(jí)提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路、過(guò)載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 電壓發(fā)大級(jí) 差分輸入級(jí) 輸出級(jí) 偏置電路 + Vid -- Vo 圖3-9 集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理圖 本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)放型號(hào)為L(zhǎng)

50、M358集成運(yùn)放介紹，現(xiàn)重點(diǎn)介紹一下。如圖3-10所示，LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358 的封裝形式有塑封8引線(xiàn)雙列直插式和貼片式。 　 圖3-10 LM358引腳排序圖 特性: 　　 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 　　 直流電壓增益高(約100dB) 　　 單位增益頻帶寬(約1MHz) 　　 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)；雙電源(1.5

51、一15V) 　　 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 　　 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 　　 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 　 　 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V) 3.3.3 繼電器的介紹 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 　 當(dāng)輸入量(如電、磁、聲、光、熱等)達(dá)到規(guī)定值時(shí)，使被控制的輸出電路導(dǎo)通

52、或斷開(kāi)的電器。繼電器可分為電氣量(如電流、電壓、頻率、功率等)繼電器及非電氣量(如溫度、壓力、速度等)繼電器兩大類(lèi)。繼電器具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測(cè)量和通信等裝置中。 我們常用的是電磁繼電器，本設(shè)計(jì)也是采用的電磁繼電器，所以在這里將重點(diǎn)介紹電磁繼電器。 1. 電磁繼電器的工作原理和特性 圖3-11 電磁繼電器原理圖 電磁式繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵

53、的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線(xiàn)圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常閉觸點(diǎn)”。 2. 繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù) 額定工作電壓：是指繼電器正常工作時(shí)線(xiàn)圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號(hào)不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。 直流電阻：是指繼電器中線(xiàn)圈的直流電阻，可以通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量。 吸合電流：是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小

54、電流。在正常使用時(shí)，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對(duì)于線(xiàn)圈所加的工作電壓，一般不要超過(guò)額定工作電壓的1.5倍，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線(xiàn)圈燒毀。 釋放電流：是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。 觸點(diǎn)切換電壓和電流：是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過(guò)此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。 3.繼電器的選用 （1）先了解必要的條件： 　?、倏刂齐娐返碾娫措妷?，能提供的最大電流； 　　②被控制電路中的電壓和電流；

55、 　?、郾豢仉娐沸枰獛捉M、什么形式的觸點(diǎn)。選用繼電器時(shí)，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)?？刂齐娐窇?yīng)能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。 （2）查閱有關(guān)資料確定使用條件后，可查找相關(guān)資料，找出需要的繼電器的型號(hào)和規(guī)格號(hào)。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對(duì)是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。 （3）注意器具的容積。若是用于一般用電器，除考慮機(jī)箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。對(duì)于小型電器，如玩具、遙控裝置則應(yīng)選用超小型繼電器產(chǎn)品。 3.3.4 光耦介紹 光耦合器亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器,簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光電耦合器是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，如

56、圖3-12所示： 圖3-12 光電耦合器 它一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大，通常把發(fā)光器（紅外線(xiàn)發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，受光器接受光線(xiàn)之后就產(chǎn)生光電流從輸出端流出,從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電” 轉(zhuǎn)換。從而起到輸入和輸出隔離的作用。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。 由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦

57、合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 光耦合器的主要特點(diǎn)有：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離；輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)；它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開(kāi)關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小,因此分壓在光電耦合器的輸入端的干電壓較小,它所能提供的電流并不大,不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光

58、;由于光電耦合器的外殼是密封的,它不受外部光的影響;光電耦合器的隔離電阻很大（約 1012Ω）、隔離電容很小（約幾個(gè)pF），所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。線(xiàn)性光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成,當(dāng)發(fā)光二極管接通而發(fā)光,光敏三級(jí)管導(dǎo)通,光電耦合器是電流驅(qū)動(dòng)型,需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通,如果輸入信號(hào)太小,發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通,其輸出信號(hào)將失真。在開(kāi)關(guān)電源,尤其是數(shù)字開(kāi)關(guān)電源中,利用線(xiàn)性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路,通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比,達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。 光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有：發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集

59、電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外,在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間，下降時(shí)間，延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。其中電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù),通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí),它等于直流輸出電流IC與直流輸出電流IF百分比. 使用光電耦合器的注意事項(xiàng)有： （1） 在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。 （2）當(dāng)用光電耦合器來(lái)隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)位量信號(hào)、控制 量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒(méi)有任何電氣上的連接，否

60、則這種隔離是沒(méi)有意義的。 3.3.5 串行下載口介紹 RS232接口是1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠(chǎng)家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠(chǎng)家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口，現(xiàn)在都把RS232接口叫做DB9。其引腳圖如下： 圖3-13 RS232引腳圖 RS232（DB9）的引腳功能如下： 1 ：DCD 數(shù)據(jù)

61、載波檢測(cè) 　 2 ：TXD 發(fā)送數(shù)據(jù) 3 ：RXD 接收數(shù)據(jù) 4 ：DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 5 ：GND 信號(hào)地 　 6 ：DSR 數(shù)據(jù)通信設(shè)備準(zhǔn)備好 　 7 ：RTS 請(qǐng)求發(fā)送 　　 8 ：CTS 清除發(fā)送 　 9 ：RI 振鈴提示 RS232采用負(fù)邏輯電平： 邏輯1 ：-15~-3V； 　 邏輯0 ：+3~+15V； 由于TTL電平和RS232電平互不兼容，所以?xún)烧呦鄬?duì)接時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。RS232與TTL電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片是MAX232,它是一種把電腦的串行口RS232信號(hào)電平（-10V ，+10V）轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的TTL信號(hào)點(diǎn)平（0 V，+5V）

62、的芯片，其引腳圖如下： 圖3-14 MAX232引腳圖 MAX232芯片是專(zhuān)門(mén)為電腦的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5V單電源供電。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分： 第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)

63、通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）。 3.4 各部分電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件部分包括電源電路部分、時(shí)鐘電路部分、復(fù)位電路部分、按鍵電路部分、超重檢測(cè)電路部分、狀態(tài)指示電路部分、聲光報(bào)警電路部分、過(guò)流保護(hù)電路部分、控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路部分和串口電路部分，下面一一介紹 3.4.1 電源電路 本設(shè)計(jì)所用到的單片機(jī)、NE555模塊和運(yùn)算放大器是用直流+

64、5V的電源供電，繼電器、光電耦合器和直流電機(jī)是用直流+24V的電源供電，所以電源部分要能產(chǎn)生+5V和+24V的電壓。 本設(shè)計(jì)利用LM138和LM7805芯片得到+24V和+5V的電壓，由于它們分別為光電耦合器兩端供電，它們?cè)陔姎馍喜荒苡腥魏芜B接，因此我們必須對(duì)它們進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。但它們的應(yīng)用都要注意以下幾點(diǎn)： （1） 輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； （2） 輸出電流要滿(mǎn)足負(fù)載的要求，當(dāng)大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會(huì)導(dǎo)致熱擊穿； （3）輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。 產(chǎn)生+24V的電壓給繼電器、光電耦合器和直流電機(jī)供電電路圖如下：

65、 圖3-15 +24V電路部分 由于直流電機(jī)的額定功率為120W，額定電流為5A，我們?cè)谶x用變壓器時(shí)選用220V~33V，輸出電流能達(dá)到6A的變壓器。整流二極管選用的型號(hào)為P600A，它的最高反向峰值電壓(v)為50V，平均整流電流(A)為6A。在選用三端穩(wěn)壓器時(shí)我們選擇的三端穩(wěn)壓芯片是LM138，它是一個(gè)輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓芯片，輸出電流可以達(dá)到5A，這樣可以滿(mǎn)足負(fù)載的要求。它的輸出電壓公式為：Vo=Vref*（1+R33/R32）+Iadj*R33，其Vref為固定值1.25V，Iadj為50uA,由于Iadj非常小，我們?cè)谟?jì)算輸出電壓時(shí)常把其忽略。為提供+24V的電壓，我們?nèi)32

66、=275Ω，R33=5kΩ。電容C6、C7、C8、C9都為輸入端或輸出端的濾波電容，電容值大的電容可以有效濾除低頻噪聲，小的電容可以有效濾除高頻噪聲，它們組合應(yīng)用能有效的濾除交流噪聲使輸出電流更平穩(wěn)。 產(chǎn)生+5V的電壓給單片機(jī)、NE555模塊和運(yùn)算放大器供電電路圖如下： 圖3-16 +5V電路部分 在設(shè)計(jì)+5V的直流電源時(shí)，我們采用的變壓器型號(hào)為YE1313，它為220V~9V變壓器，輸出電流可以達(dá)到300mA，能夠滿(mǎn)足后續(xù)負(fù)載的要求。整流二極管選用的型號(hào)為IN4001，它的最高反向峰值電壓(v)為50V，平均整流電流(A)為1.0A。三端穩(wěn)壓器芯片的型號(hào)為L(zhǎng)M7805,同樣電容C10、C11、C12、C13都為輸入端或輸出端的濾波電容，它們組合應(yīng)用能有效的濾除交流噪聲。 3.4.2 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生AT89C51單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘控制信號(hào)，單片機(jī)各個(gè)功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路