1981_室內(nèi)數(shù)控云臺(tái)設(shè)計(jì)

1981_室內(nèi)數(shù)控云臺(tái)設(shè)計(jì),室內(nèi),數(shù)控,設(shè)計(jì) 湛江海洋大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）書設(shè)計(jì)題目： 室內(nèi)數(shù)控云臺(tái)設(shè)計(jì) （中英文）： The design for the Numerical control sputnik indoors專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： xx xxxxxxxxxxxxxx 學(xué)生姓名： xxxxxxxxxxxx 指導(dǎo)教師： xxxxxx 職稱： 副教授 xxxxxx 職稱： 講 師 2008 年 6 月 10 日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求）設(shè)計(jì)一種數(shù)控云臺(tái)，該設(shè)備主要應(yīng)用于室內(nèi)，采用吊裝式，全天候都能進(jìn)行監(jiān)控，并且要求設(shè)計(jì)其控制部分，編出設(shè)計(jì)程序，使之實(shí)現(xiàn)數(shù)控化。具體要求如下：1. Z 方向行程范圍 0 －355 ，X 方向行程范圍－45 －＋45?? ??2. Z 方向最小速度 1r/s，最大速度 2r/s；X 方向最小速度 0.5 /s，最大速度90 /s?3. 兩個(gè)方向的速度從最靜止提高到最大速度的時(shí)間為 0.2s4. 設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度為每天 24 小時(shí)，每年工作 360 天，工作 20 年5. 控制部分要實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的鏡頭的變焦、聚焦和行程控制等功能6. 云臺(tái)外形要美觀，而且有利于攝像機(jī)的隱蔽，在工作期間不易于被人發(fā)現(xiàn)圖紙內(nèi)容及張數(shù)要求完成的圖紙內(nèi)容及要求1. 系統(tǒng)裝配圖 A1――――――――――――――――――――――― 1 張；2. 關(guān)鍵部件零件圖 A3――――――――――――――――――――― 2 張；3. 數(shù)字控制原理圖 A1――――――――――――――――――――― 1 張；4. 關(guān)鍵部件零件圖 A4――――――――――――――――――――― 1 張其它要提交的設(shè)計(jì)資料1. 設(shè)計(jì)說明（論文）書一份，不少于 1.8 萬字；2. 說明（論文）書要求有方案論證分析，必要的理論計(jì)算，部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，及選用說明，電氣控制電路，設(shè)計(jì)分析，計(jì)算說明；3. 包括一個(gè)有圖紙和設(shè)計(jì)說明（論文）書內(nèi)容的軟盤。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃起訖日期 工作內(nèi)容 備注3.25~4.134.16~4.244.25~5.55.6~5.135.14~5.205.21~6.46.5~6.10查設(shè)計(jì)資料，方案分析；總體方案設(shè)計(jì)；傳動(dòng)和總體結(jié)構(gòu)計(jì)算；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；數(shù)字控制原理圖設(shè)計(jì)及實(shí)體設(shè)計(jì)；編寫設(shè)計(jì)程序和撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書；畢業(yè)答辯。參考文獻(xiàn)1、鄭緹、唐可洪主編。 《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 ，北京，機(jī)械工業(yè)出版社。2002 年2、楊磊、李峰主編。 《閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社。1999 年3、何立民編著， 《單片機(jī)高級(jí)教程－應(yīng)用與設(shè)計(jì)》 ，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2001.64、耿長(zhǎng)清主編， 《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》 ，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002.75、周開勤主編。 《機(jī)械零件手冊(cè)》第四版，北京，高等教育出版社。1998 年6、濮良貴、紀(jì)名剛主編。 《機(jī)械設(shè)計(jì)》第六版，北京，高等教育出版社。2000 年7、李朝青編著， 《PC 機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù) 》 ，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2000.128、孫桓、陳作模主編。 《機(jī)械原理》第五版，北京，高等教育出版社。2000 年9、關(guān)振彪編。 《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 ，湛江，湛江海洋大學(xué)。2002 年10、劉鴻文主編。 《材料力學(xué)》第三版，北京，高等教育出版社。2000 年11、王煥庭、李茅、徐善國(guó)主編。 《機(jī)械工程材料》第四版，大連理工出版社。2000目錄摘要…………………………………………………………………………………………………1前言…………………………………………………………………………………………………2第一章 緒論……………………………………………………………………………………….3第二章 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)…………………………………………………………….4第一節(jié) 數(shù)控云臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)..……………………………………………….………...4第二節(jié) 可行性論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析..………………………………………………...4第三章 云臺(tái)總體方案的設(shè)計(jì)…………………...………………………………………………...4第一節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的提出………...………………………………………………...4第二節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的論述………...………………………………………………...5第四章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)…………………...……………………………………………………...6第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用…...…………………………………………………….…...6第二節(jié) 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………….....8第三節(jié) 軸的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………...13第四節(jié) 軸承的設(shè)計(jì)…………………………………………...………………………15第五章 控制部分的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………16第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)要求………………………………………………….16第二節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案…………………………………………………………….17第三節(jié) 軟件設(shè)計(jì)……………………………………………………………………….21第六章 總 結(jié)……………….……………………………………………………………………31第七章 外文翻譯…………………………………………………………………………………32第八章 參考資料………………………………..………………………………………………..44第九章 附錄……………………………………..………………………………………………..45摘要：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中的前端設(shè)備——數(shù)控云臺(tái)，此設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)控云臺(tái)的工作環(huán)境、機(jī)械指標(biāo)、設(shè)計(jì)參數(shù)和主要技術(shù)要求，采用室內(nèi)智能球型云臺(tái)。球型外殼能減少灰塵及各種干擾，日常維護(hù)方便，可達(dá)到隱蔽監(jiān)視的目的，云臺(tái)在水平方向可連續(xù) 350 無級(jí)變速掃描，并設(shè)有設(shè)置攝像點(diǎn)的功能。本設(shè)計(jì)介紹了數(shù)控云臺(tái)的傳動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單的介紹。關(guān)鍵詞：閉路電視系統(tǒng) 數(shù)控云臺(tái) 步進(jìn)電機(jī)ABSTRACT：This graduation project is to design a numerical control (NC) sputnik of the closed-circuit video tape system.The project based on the workung cinditions、the mechanical guideline、the design parameter and the primary technical repuirements.The intellectual spherical sputnik for indoor was applied to the project.The spherical husk can reduce dust and all kinds of disturb,it is easy to maintain,it can spy in hidden place.In horizon,it can successively scan a round in stepless timing,and have the function of Preset Positions.The project introduce druvung principle construction features and the function of NC sputnik.It simply introduce repeating motor.KEYWORDS: Closed-circuit videotape system, Numerical control sputnik, stepping motor 前 言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于電話通信，對(duì)信息傳輸?shù)囊?，不但要求聽到?duì)方的聲音，更希望看到對(duì)方的形象，而且還要看到對(duì)方活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)。黑白圖像早己不能滿足人們的要求，人們希望看到的是對(duì)方的彩色圖像。監(jiān)控電視主要是對(duì)機(jī)要部門、商場(chǎng)、貨場(chǎng)、生產(chǎn)等部門的監(jiān)視、控制和報(bào)警。最簡(jiǎn)單地監(jiān)控系統(tǒng)是由一架攝像機(jī)和一臺(tái)監(jiān)視器，中間饋線連接而組成。一般的監(jiān)控系統(tǒng)都是比較復(fù)雜的。它可以完成的功能也是比較多的。目前，圖像通信與監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸普及到了文化教育、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸管理、醫(yī)療衛(wèi)生、水下作業(yè)、鐵路現(xiàn)場(chǎng)、公安系統(tǒng)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。由于圖像通信與監(jiān)控系統(tǒng)，具有形象直觀．安全可靠，效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，它在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中，特別在通信現(xiàn)代化，管理現(xiàn)代化中無疑將會(huì)日益發(fā)揮重要作用。第一章 緒論云臺(tái)是承載攝象機(jī)進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。云臺(tái)內(nèi)裝兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)一個(gè)負(fù)責(zé)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)負(fù)責(zé)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。水平轉(zhuǎn)動(dòng)的角度一般350。 ，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)則有土 45。 ，土 35。 、土 75。等等。水平及垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小可通過限位開關(guān)進(jìn)行調(diào)整。云臺(tái)的分類大致分為室內(nèi)用云臺(tái)及室外用云臺(tái)。室內(nèi)用云臺(tái)承重小，沒有防雨裝置。室外用云臺(tái)承重大，有防雨裝置。有些高檔的室外云臺(tái)除有防雨裝置外，還有防凍加溫裝置。為適應(yīng)安裝不同的攝象機(jī)及防護(hù)罩，云臺(tái)的承重應(yīng)是不同的。因而應(yīng)根據(jù)選用的攝象機(jī)及防護(hù)罩的總重量來選用合適承重的云臺(tái)。室內(nèi)云臺(tái)的承重量較小，云臺(tái)的體積和自重也較小。室外用云臺(tái)因?yàn)榭隙ㄒ谒纳厦姘惭b帶有防護(hù)罩( 往往還是全天候防護(hù)罩) 的攝象機(jī)，所以承重量都較大。它的體積和自重也較大。目前出廠的室內(nèi)云臺(tái)承重量大約 1.5KG—7KG 左右。室外用云臺(tái)承重量大約 7KG—50KG 左右。還有些云臺(tái)是微型云臺(tái)，比如與攝象機(jī)一起安裝在半球型防護(hù)罩內(nèi)或全天候防護(hù)罩內(nèi)的云臺(tái)。一般的云臺(tái)均屬于有線控制的數(shù)控云臺(tái)。云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過在控制室操作控制器，將控制電壓通過多芯電纜直接加到云臺(tái)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)上，或者通過通信電纜控制遠(yuǎn)端的解碼器，再又解碼器經(jīng)局部多芯電纜將電壓加到云臺(tái)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。還有的云臺(tái)內(nèi)裝繼電器等控制電路，這樣的云臺(tái)往往有六個(gè)控制輸入端。一個(gè)是電源的公共端，另四個(gè)是上、下、左、右端。還有一個(gè)則是自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)端。當(dāng)電源的一端接在公共端后，電源另一端接在“自動(dòng)”端后，云臺(tái)將帶動(dòng)攝象機(jī)頭按一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行上、下、左、右的自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。在電源供電電壓方面，目前常見的有交流 24V 和 220v 兩種。云臺(tái)的耗電功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，還有直流 6V 供電的室內(nèi)用小型云臺(tái)，可在其內(nèi)部安裝電池，并用紅外遙控器進(jìn)行遙控。目前大多數(shù)云臺(tái)仍采用有線遙控方式。云臺(tái)的安裝位置距控制中心較近，且數(shù)量不多時(shí)，一般采用從控制臺(tái)直接輸出控制信號(hào)進(jìn)行控制。而當(dāng)云臺(tái)的安裝位置距離控制中心較遠(yuǎn)且數(shù)量較多時(shí)，往往采用總線方式傳送編碼的控制信號(hào)并通過終端解碼解出控制信號(hào)再去控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。第二章 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)第一節(jié) 數(shù)控云臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)云臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)：（1） 控制軸：兩旋轉(zhuǎn)軸，點(diǎn)位控制，水平 Z 軸，垂直 X 軸;（2） 行程：Z 軸，0 —350 ；X 軸，－45 —45 ;????（3） 速度：Z 軸 350 /s—700 /s,X 軸 15 /s－90 /s（4） 供電：AC220V 或 DC12V（5） 負(fù)載：3kg（6） 脈沖當(dāng)量：0.5 度/脈沖第二節(jié) 可行性論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析智能高速球云臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)：（1）普通云臺(tái)的監(jiān)視范圍有限，在云臺(tái)的正下方存在死點(diǎn)，而智能高速球云臺(tái)在水平方向上可以連續(xù) 360 度無級(jí)變速掃描，不存在任何死點(diǎn)。（2）普通云臺(tái)多為勻速云臺(tái)，只能以 10RAD/S 左右的固定速度進(jìn)行掃描，無法應(yīng)付突發(fā)事件的發(fā)生。而智能高速球云臺(tái)可以在 0.5 度—125RAD/S 的可變速搜索目標(biāo)。（3）普通云臺(tái)過于暴露，往往給被監(jiān)視者以反感，且使人輕而易舉得發(fā)現(xiàn)當(dāng)前攝象機(jī)的位置；而智能高速球云臺(tái)采用的是球型液態(tài)金屬鍍膜單反防護(hù)罩，使人根本看不到里面的攝象機(jī)，它既隱藏了攝象機(jī)，又具有極好的裝飾效果，特別適合銀行、機(jī)場(chǎng)、商店、廣場(chǎng)等隱蔽性的監(jiān)視和跟蹤。（4）普通云臺(tái)通常沒有預(yù)置攝象點(diǎn)的功能，而智能高速球云臺(tái)則可以有預(yù)置攝象點(diǎn)。綜上所述，球型云臺(tái)比普通云臺(tái)更有使用價(jià)值！第三章 云臺(tái)總體方案的設(shè)計(jì)第一節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的提出初步確定水平軸和垂直軸分別使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動(dòng)源，并利用齒輪減速機(jī)構(gòu)，以細(xì)分步進(jìn)電機(jī)的步距角。垂直轉(zhuǎn)動(dòng)軸與齒輪的連接是用一對(duì)背靠背的角接觸球軸承，水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸是用滑動(dòng)軸承與支架連接。分別用水平支架和垂直支架支承攝象機(jī)。外部采用吊裝支承，外型仿效球型云臺(tái)的設(shè)計(jì)。第二節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的論述步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。其特點(diǎn)是輸入一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的開關(guān)是晶體管，開關(guān)信號(hào)由數(shù)字集成電路或微機(jī)產(chǎn)生。通過前面的介紹可以看到，步進(jìn)電機(jī)是一種把開關(guān)激勵(lì)的變化變換成為梢確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與能夠?qū)崿F(xiàn)類似功能的其他部件相比，使用步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)有下面幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1) 通常不需要反饋就能對(duì)位置或速度進(jìn)行控制。(2) 位置誤差不會(huì)積累。(3) 與數(shù)字設(shè)備兼容。步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應(yīng)式或變磁阻式)電機(jī)、混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等四種主要型式。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和經(jīng)久耐用，所以是目前應(yīng)用最普及的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)按變磁阻原理工作，于是有的國(guó)家又稱之為變磁阻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是；力矩—慣性比高；步進(jìn)頻率高，頻率響應(yīng)快；不通電時(shí)轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)；能雙向旋轉(zhuǎn)；有適量阻尼；正常電機(jī)無失步區(qū)。缺點(diǎn)是：不通電時(shí)無定位力矩；每步有振蕩和過沖。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：功耗較小，在斷電時(shí)仍有定位轉(zhuǎn)矩，但是步距角大，需供給正負(fù)脈沖電源，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低?；旌鲜诫姍C(jī)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩大，步距角小，運(yùn)行頻率高，功耗低及有自鎖功能，但需有正負(fù)電脈沖供電，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。比較以上各種電機(jī)，決定選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)攝象機(jī)的動(dòng)力源。攝象機(jī)的脈沖當(dāng)量等于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角除以傳動(dòng)比，為使攝象機(jī)達(dá)到較小的脈沖當(dāng)量，利用齒輪減速機(jī)構(gòu)，細(xì)分步距角以達(dá)到目的，同時(shí)降低驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩。垂直軸上的一對(duì)軸承主要用于承受軸向力；水平軸采用滑動(dòng)軸承，可以減小徑向空間尺寸。整個(gè)云臺(tái)采用吊裝球型設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)如下：（1） 最大限度地減少灰塵和外來的干擾，使云臺(tái)壽命大大延長(zhǎng)，也使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。（2） 球型防護(hù)罩采用內(nèi)側(cè)單面鍍膜工藝，有利于隱蔽監(jiān)視。（3） 防護(hù)罩表面進(jìn)行防靜電處理，可以防止灰塵吸附，日常維護(hù)簡(jiǎn)單（4） 防護(hù)罩降低了云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。第四章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)的選用主要考慮三個(gè)問題：（1）步距角 要滿足系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求；b?（2）滿足最大靜轉(zhuǎn)矩的要求；（3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)頻率、工作運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號(hào)相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)矩頻特性和工作矩頻特性。一、 垂直 X 軸步進(jìn)電機(jī)的選擇設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求：行程-45 ——45 ，最大速度 90 /s。???（1）本設(shè)計(jì)選用美國(guó) TATAL 彩色 DSP 攝像機(jī) TTC-853。其主要技術(shù)參數(shù)：電源 24VAC/12VDC 攝像元件 1/3”CCD影像像素 NTSC 768（H） 494（V ）?PAL 752（H） 582（V ）視頻輸出 1VP.P/75 ohms BNC工作溫度 -10 C TO 50 C 重量 540g??外型尺寸 30（W） 59（H ） 106（L）?（2）計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩M =M +M +M垂 直 慣 性 重 力 摩 擦其中：M 為垂直方向上的轉(zhuǎn)矩； M 為慣性轉(zhuǎn)矩； M 為重力方向上的轉(zhuǎn)矩 垂 直 慣 性 重 力；M 為摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩摩 擦步進(jìn)電機(jī)的速度控制，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或者換相的周期。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，對(duì)于點(diǎn)——位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定的要求。對(duì)于云臺(tái)在點(diǎn)——位控制過程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速—恒速—減速--（低恒速）--停止過程并要求加減速過程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)中，近似認(rèn)為地認(rèn)為升速規(guī)律按直線規(guī)律升速（實(shí)際上按指數(shù)規(guī)律升速） ，設(shè)定從靜止升到 90 /s 用 0.2s。?M =J慣 性 ??角加速度 =（ - ）/ =（ /2-0）0.2=7.85 rad/s1?0t??考慮支架等附件的重量，取 m=700g, L=110mm, H=80mm攝像機(jī)及其框架在垂直轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=m(L +H )/12=0.7 (0.11 +0.08 )/12=10.79 10 kg.m2?2?4?2所以 M =J =10.79 10 7.85=0.0085N.m慣 性 ??4?本設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)動(dòng)中心定于重心附近，即重心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可忽略不計(jì)，即 M ≈0 N.m重 力M 難以計(jì)算，可將 M 乘以一個(gè)修正系數(shù)后，得到 M ，取修正系數(shù)為 1.3摩 擦 慣 性 垂 直則 M =1.3 M =1.3 0.0085=0.011N.m垂 直 ?慣 性將負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到步進(jìn)電機(jī)的主軸上：M = M /i=0.011/3=0.0037 N.m'垂 直 垂 直根據(jù) M ≤（0.3-0.5）M Lmax其中： M ：折算到電機(jī)軸上的力矩；M ：最大靜轉(zhuǎn)矩ax即： M ≥M /0.3=0.0037/0.3=0.0123 N.mmaxL（3）步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率取脈沖當(dāng)量 為： =0.5 /脈沖L?L?最高運(yùn)行速度： n =90 /smax所以 f = n / =90/0.5=180 HzaxL因此，從步進(jìn)電機(jī)步距角考慮，在 X 方向上選用 36BF003 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)二、 水平 Z 軸步進(jìn)電機(jī)的選擇 設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求： 行程： 0 -355 ； 最高速度： 2 r/s?（1） 、計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩M =M +M水 平 慣 性 摩 擦其中： M 為水平方向上的轉(zhuǎn)矩水 平M 為慣性轉(zhuǎn)矩；慣 性M 為摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩摩 擦同前述道理，設(shè)定攝像機(jī)從靜止升到最高速用 0.2sM =J慣 性 ??角加速度 =（ - ）/ =（4 -0）/0.2=20 rad/s1?0t??將水平移動(dòng)部分看成為矩形實(shí)體，其中 m=2.5kg，L=100mm，H=100mm即水平移動(dòng)的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=m(L +H )/12=2.5 （0.1 +0.1 ）/12=0.00417kg.m2?2 2所以 M =J =0.00417 20 =0.2617 N .m慣 性 ???M 難以計(jì)算，可將 M 乘以一個(gè)修正系數(shù)后，得到 M ，由于采用的是摩 擦 慣 性 水 平滾動(dòng)軸承，摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)軸承，所以選修正為 1.1M =1.1 M =1.1 0.2619=0.288 N .m水 平 ?慣 性折算到電機(jī)軸上 M = M / i =0.288/3.75=0.0768 N .m'水 平 水 平M ≤（0.3-0.5）MLmax所以 M ≥M / 0.4 = 0.0768 / 0.4 = 0.192 N .maxL（3）步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率取脈沖當(dāng)量 為： =0.5 /脈沖L?L?最高運(yùn)行速度： n =720 /smax所以 f = n / =720 / 0.5=1440 HzaxL綜上計(jì)算，并考慮步進(jìn)電機(jī)的步距角，選用 45BF006 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。第二節(jié) 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、 垂直 X 軸減速齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初步擬定已知條件： i= 3， n =15r/min，m=1mm,工作壽命為 20 年（每天工作 24max2小時(shí)，一年工作 360 天）以下計(jì)算過程選自《機(jī)械設(shè)計(jì)》：選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)1） 、按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)2） 、考慮該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面，由表 10-1 選大、小齒輪材料為 45 號(hào)鋼，經(jīng)?；幚?，齒面硬度為 162-217HBS3） 、選取精度等級(jí)：選 7 度等級(jí)（GB10095-88 ）4）選小齒輪齒數(shù) z =18 ,大齒輪齒數(shù) z = z i=3 16=54.所以大、小齒輪分度圓直121?徑分別為 d =m z =18 1=18mm, d =m z =54 1=54mm?21、 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核校核公式為： = ≤[ ] M PaF?bmYKSat?Fm≥（ ） mmdSazT][12??3/1計(jì)算載荷系數(shù) K ： K = K K K K （其中 K 為使用系數(shù)；K 為動(dòng)載系數(shù)；AV??AVK 為齒間載荷分配系數(shù)；K 為齒向載荷分布系數(shù)）??由表 10-2 查得 K =1.00；A因?yàn)?n =0.25 r/s， 所以 v =2 n d/2=2 0.25 18/2=14.13mm/smaxmax?ax??而且屬于 7 級(jí)精度，由圖 10-8 查的 K =1.02；V因?yàn)? F = 2T /d = 2 0.078/18 10 =8.7N，t1?3?所以 K F /b = 1.00 8.7/0.5 18=0.97 N/mm ( 齒寬系數(shù) =0.5 )At ?d由表 10-3 可查的 K = K =1.0?HF由表 10-4 可查的 K =1.26, 由圖 10-13 可查的 K =1.2? ?F所以 K = K K K K =1.00 1.02 1.0 1.2 = 1.224AV??計(jì)算齒形系數(shù) Y 及應(yīng)力校正系數(shù) Y ：FaSa由表 10-5 可查的 Y =2.91 ； Y =1.5311Y =2.32+ （54-50）=2.3442Fa60532.8.??Y =1.70+ （54-50）=1.712S7.所以 = = =4.25 MPa1F?bmKat 331010.928.4.???= = =3.83MPa2St 7..7.而 [ ] = MPaFEN計(jì)算應(yīng)力系數(shù) N =60n jL =60 15 3 1 (24 360 20)=0.47 101h???9N = N /3=0.47 10 /3=0.16 10299由圖 10-18 可查的彎曲疲勞壽命系數(shù) K 為：FNK =0.88； K = 0.891FN2按硬度中間值 189.5HBS，由圖 10-20b 可查的 = =310MPa1E?2F取安全系數(shù) S=1，所以 [ ] = =272.8 MPa?1F308.?[ ] = =275.9 MPa2F9.0取 中最大值，即 =4.25 MPa； 取[ ] 中最小值，即[ ] =272.8 MPaF?F?F很明顯 ≤[ ] ，滿足要求m≥（ ） ≥ =0.29 mm，滿足要求FaYdSzKT][12??3/1 8.275319165.0.24??2、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核=2.5Z ≤[ ] MPaH?Eubdt1??H?d ≥2.32× mm13 2)][(HEdZKT??大、小齒輪都是鍛鋼，由表 10-6 可查的材料的彈性影響系數(shù)為 Z =188.9EMPa載荷系數(shù) K = K K K K =1.00 1.02 1.0 1.26=1.2852AV???所以 =2.5×188.9× =0.12 MPaH?310180.7256.3???計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力： [ ] =?HsNlim由于工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N =0.47 10 ，N =0.16 101?92?9所以由圖 10-19，可得 K =0.915； K =0.92 （不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕）N由硬度中間值 189.5HBS，圖 10-21c 可得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1limH?=380 MPa2limH?取安全系數(shù) S=1，則[ ] = =347.7 MPa?1H38095.?[ ] = =349.6 MPa2.0取最小值即 [ ] =347.7 MPa，很明顯 =0.12 MPa≤[ ] =347.7 MPa，安全HH??Hd ≥2.32× ≥2.32× =4.62mm13 21)][(EdZuKT???? 3 2)7.34918(5.07281??因?yàn)?d =20mm，所以也滿足要求因?yàn)榇怪?X 軸的運(yùn)動(dòng)范圍是 ，所以該減速機(jī)構(gòu)中大齒輪定為齒扇結(jié)構(gòu)，角度為?45120 ?二、 水平 Z 軸減速齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初步擬定已知條件： i= 3.75， n =2r/min，m=1mm,工作壽命為 20 年（每天工作 24max2小時(shí)，一年工作 360 天）1、選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)1） 、按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)2） 、考慮該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面，由表 10-1 選大、小齒輪材料為 45 號(hào)鋼，經(jīng)?；幚?，齒面硬度為 162-217HBS3） 、選取精度等級(jí)：選 7 度等級(jí)（GB10095-88 ）4）選小齒輪齒數(shù) z =20 ,大齒輪齒數(shù) z = z i=3.75 20=75.所以大、小齒輪分度121?圓直徑分別為 d =m z =20 1=20mm, d =m z =75 1=75mm?22、 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核校核公式為： = ≤[ ] M PaF?bmYKSat?Fm≥（ ） mmdSazT][12??3/1參照垂直 X 軸的計(jì)算方法，得載荷系數(shù) K=1.224計(jì)算齒形系數(shù) Y 及應(yīng)力校正系數(shù) Y ：FaSa由表 10-5 可查的 Y =2.8 ； Y =1.5511Y =2.23 ； Y =1.7752Fa2SaF =2T /d=2×0.196/20×10 =19.6Nt13?所以 = = =10.4MPa?bmKSaFt 3310105.86.94.???= = =9.5 MPa2FYt 7.2.2.同理可得： [ ] =272.8 MPa 取 中最大值即 =10.4MPaFF?F很明顯 =10.4MPa≤[ ] =272.8 MPa 故安全?m≥（ ） ≥（ ） =0.3 mm FaYdSzKT][12??3/1 8.275105.96.24??3/滿足要求3、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核=2.5Z ≤[ ] MPaH?Eubdt1??H?d ≥2.32× mm13 21)][(HEdZKT??同上 =2.5Z =2.5×188.9×H?EubFt1?? 75.31102106.985.3?????=0.19 MPa由上計(jì)算得 [ ] =347.7 MPa， 顯然 =0.19 MPa≤[ ] =347.7 MPaHH??Hd ≥2.32× ≥2.3213 21)][(EdZuKT??? 3 2)7.34918(5.5.01968???≥1.32mm綜上所述，該齒輪機(jī)構(gòu)滿足要求三、 各齒輪參數(shù) 1、 垂直 X 軸齒輪參數(shù)分度圓直徑： d =m z =18 1=18mm 1?d =m z =54 1=54mm2齒頂高： h = h = h m=1×1=1mm1a2?a齒根高： h = h =( h + c )m=(1+0.25) ×1=1.25mmff齒全高： h = h = h + h =1.25+1=2.25mm121af齒距： p= = mmm?齒厚： s= /2=0. 5 mm齒槽寬： e= /2=0. 5 mm頂隙： c= c m=0.25×1=0. 25mm?標(biāo)準(zhǔn)中心距： a=m(z + z )/2=1×(18+54)/2=36mm122、 水平 Z 軸齒輪參數(shù) 分度圓直徑： d =m z =20 1=20mm 3?d =m z =75 1=75mm 4齒頂高： h = h = h m=1×1=1mm3a4?a齒根高： h = h =( h + c )m=(1+0.25) ×1=1. 25mmff齒全高： h = h = h + h =1.25+1=2. 25mm343af齒距： p= = mmm?齒厚： s= /2=0. 5 mm齒槽寬： e= /2=0. 5 mm 頂隙： c= c m=0.25×1=0. 25mm?標(biāo)準(zhǔn)中心距： a=m(z + z )/2=1×(20+75)/2=47.5mm34（h ：齒頂高系數(shù)，c ：頂隙系數(shù)，其數(shù)值分別為：h =1，c =0.25）?a? ?a第三節(jié) 軸的設(shè)計(jì)一、 垂直 X 軸的設(shè)計(jì)因?yàn)?X 方向的軸同時(shí)承受轉(zhuǎn)矩和彎曲作用，所以按彎扭組合強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算（材料為 45 號(hào)鋼，經(jīng)退火、淬火和回火處理）強(qiáng)度條件為： =M /W= /W≤[ ] ca?2275.0TM?1??（其中 W 為抗彎截面系數(shù)，[ ]為許用彎曲應(yīng)力） 1??W = /32= 10 ×10 /32=0.098×10 m3d??3963所選攝像質(zhì)量為 m=540g，考慮其附加器件的質(zhì)量，設(shè)總量為 m =700g總即 F= m g=0.7×10=7N總在 B 處的彎矩 M 為：M=FL=7×0.02=0.14N.m所選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T =0.078 N.m，折算到 X 軸上，T= T i =0.078×3=0.234 N.m1 1因此 = /W= /0.098×10 =2.51MPaca?2275.0?2234.07514.0??6?查表可得 45 號(hào)鋼的彎曲許用應(yīng)力為[ ]=100 MPa??很明顯 =2.51MPa≤[ ]=100 MPa，滿足強(qiáng)度要求ca1?垂直 X 軸左右兩邊各一條，而且作成階梯軸，均用螺釘和齒扇、攝像機(jī)連接在一起，起定位和傳遞轉(zhuǎn)矩作用。二，水平 Z 軸的設(shè)計(jì)由于水平 Z 軸有上下兩根，上軸只承受軸向拉力作用，故只須滿足抗拉強(qiáng)度要求，即 ≤[ ] （其中 為正應(yīng)力；N 為軸向力； A 為軸的橫截面積）AN/??b?設(shè)上軸承受質(zhì)量為 3kg 的器件，即 N=mg=3×10=30N由《材料力學(xué)》P33 可查的 45 號(hào)鋼的抗彎強(qiáng)度極限為[ ]=598 MPab?因此 598≥30/A 得有效面積為 A≥30/598=0.25mm 2現(xiàn)從總體結(jié)構(gòu)上考慮，上軸軸徑最小處為 16mm，內(nèi)開一個(gè) 10mm 的內(nèi)孔，用以?通視頻線、電源線等線路，其有效面積為：S= （D -d ）/4=3.14 ×(16 -10 )/4=122.46mm ≥0.25mm ， 顯然滿足要求?2222對(duì)于 Z 方向下軸，除承受軸向拉伸外，還有承受扭矩作用，應(yīng)分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。設(shè)下軸承受質(zhì)量為 2.5kg 的器件，所以 N=mg=2.5×10=25N有效面積 A≥25/598=0.04 mm ，從整體結(jié)構(gòu)考慮，下軸軸徑最小處為 10mm，內(nèi)2留一個(gè) 8mm 的孔，則有效面積為 S= （D -d ）/4=3.14×（10 -8 ）/4=28.26mm ,??222滿足要求對(duì)于扭矩作用，其強(qiáng)度條件為： = / ≤[ ]max?TtW?（ 為軸承受的最大轉(zhuǎn)矩， 為抗扭截面系數(shù)，[ ]為許用剪切應(yīng)力）maxTt因?yàn)?T =0.196N.m，所以折算到軸上的扭矩為 = T ×i==0.196×3.75=0.735 電 max電N.m= （1- ）= [1-（ ） ]=0.12×10 mtW163D?4?16093???1846?3所以 = / =0.735/0.12×10 =6.15 MPamax?Tt 6?查表可得 45 號(hào)鋼的許用剪切應(yīng)力為[ ]=60 MPa ， 很明顯 ≤[ ]，滿足強(qiáng)度要求?max?第四節(jié) 軸承的設(shè)計(jì)一、垂直 X 軸軸承的選用為使徑向尺寸較小和安裝方便，選用滑動(dòng)軸承，軸瓦材料為聚四氟乙烯（PTFE） ，該材料能抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿，具有一定的自潤(rùn)滑性，可以在無潤(rùn)滑條件下工作，在高溫條件下具有一定的潤(rùn)滑能力，具有包容異物的能力（嵌入性好） ，不易擦傷配偶表面，減磨性及耐磨性都比較好。初選軸徑為 d=10mm，軸瓦寬度 B=10mm，攝像機(jī)及支架的重量約為 0.7kg，即軸承所承受的徑向力 2F=mg=0.7×10=7N，即 F=3.5N1、 驗(yàn)算軸承平均壓力 pp=F/(d B) ≤[p] MPa （[p]為軸瓦材料的許用應(yīng)力）?查表 12-3，可得[p]=3 MPa則 p=F/(d B)=3.5/（10×10 ×10×10 ）=0.035 MPa≤[p] =3 MPa3?3?2、 驗(yàn)算軸承的 pv 值軸承的發(fā)熱量與其單位面積上的摩擦功耗 fpv 成正比（f 是摩擦系數(shù)） ，限制 pv 值就是限制軸承的溫升pv=Fn/(19100B) ≤[pv] MPa m/s ?其中：v 為軸頸的圓周速度，即滑動(dòng)速度（m/s）[pv]為軸瓦材料的 pv 許用值（MPa m/s）因?yàn)?n =15r/min，查表 12-3 可得，[pv]=0.04 MPa m/smax ?pv=Fn/(19100B)=3.5×15/19100×10=0.00027 MPa m/s≤[pv]=0.04 MPa m/s?3、驗(yàn)算軸承的滑動(dòng)速度 VV= ≤[V] m/s （[V] 為許用滑動(dòng)速度）)106/(?d?查表 12-3，可得[V]=1.3m/sV=3.14×10×15/60×1000=0.00785m/s≤[V]=1.3m/s 綜上計(jì)算所得，可知該滑動(dòng)軸承滿足要求二、水平 Z 軸軸承的選用根據(jù)水平 Z 軸下軸的軸徑和工作要求，選用一對(duì)型號(hào)為 36203 的角接觸球軸承（背靠背放置） 。軸承與軸承套、軸都采用間隙配合，軸承內(nèi)圈用軸肩定位，上加墊圈和螺母夾緊。已知條件：軸承軸向載荷 A=25N，徑向載荷 R=1N，軸承轉(zhuǎn)速 n=120r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無沖擊，設(shè)計(jì)壽命為 20 年（每天工作 24 小時(shí)，一年工作 360 天）1、 求比值A(chǔ)/R=25/1=25根據(jù)表 13-5，角接觸球軸承的最大 e 值為 1.14，即 A/R＞e2、 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 PP=f (XR+YA)P按照表 13-6，f =1.0—1.2，取 f =1.2P按照表 13-5，X=0.44查表可知該軸承的額定靜載荷 C =5.38KN，所以 A/ C =25/5380=0.004600由表 10-5 可得 Y=1.90則 P=1.2×（0.44×1+1.9×25）=57.53N則所需的基本額定動(dòng)載荷 C 為C=P（ ） =57.53× =618.76N （取 ）6'10hnL?/136102342??3??查表得該軸承的額定動(dòng)載荷為 C =8.38KN很明顯 C=618.76N ≤C =8.38KN，滿足要求0使用壽命：L =10 （C/P ） /（60n）=10 ×（8380/57.53） /60×120=4.29×10 hh6?638設(shè)計(jì)使用壽命：L=24×360× 20=1.296×10 h 滿足要求第五章 控制部分的設(shè)計(jì)第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)要求云臺(tái)控制器是用來通過串行通信口接收由 PC 機(jī)(或單片機(jī))或視頻切換器發(fā)送來的控制命令控制云臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向，照明燈開關(guān)，攝像頭焦距、光圈、變倍，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)監(jiān)視目的的設(shè)備。本控制系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)如下：1）上位機(jī)(單片機(jī)或 PC 機(jī)) 實(shí)現(xiàn)多機(jī)集中控制，云臺(tái)控制器通過與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)、鏡頭等控制；2）采用 RS-485 通信接口，可以滿足遠(yuǎn)距離控制的需要；串行通訊口采用電源隔離供電，并且與主機(jī)之間采用了光電隔離技術(shù)； 3）云臺(tái)動(dòng)作：產(chǎn)生上、下、左、右、自動(dòng) 5 種控制動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)勻速、變速控制；4）云臺(tái)攝像頭控制：實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的變倍、焦距、光圈的大、小控制；5）選用硬件 WDT 實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行監(jiān)視；6）其他功能：燈光控制、防盜、狀態(tài)顯示、急停等。第二節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案5.2.1 總體方案的確定按照功能要求，確定系統(tǒng)方案如圖 5-1 所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)由微處理器圖 5-1 控制器功能框圖模塊、串行通信模塊、時(shí)鐘模塊、程序存儲(chǔ)器和 I/O 擴(kuò)展模塊以及鏡頭、云臺(tái)等控制模塊組成。在方案設(shè)計(jì)中，結(jié)合程序容量與通信內(nèi)容，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔至上的原則，并行擴(kuò)展一片 EPROM（16K）以及一片 8155。這里，微處理器選用 INTEL 公司的8031，所有串、并行接口時(shí)序均通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)。5.2.2 系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的選用5.2.2.1 微處理器（選用 INTEL 公司的 8031CPU）在方案中已確定使用 MCS-51 系列單片機(jī) 8031。由 INTEL 公司生產(chǎn)的此型號(hào)單片機(jī)是一種低功率、高性能的 8 位 CMOS 微處理器芯片。片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器（ROM）及 128B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（EPROM ） ，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51 指令集與引腳分布相兼容。它的特點(diǎn)歸納如下：? MCS-51 系列中最典型的產(chǎn)品；? 寬工件電壓范圍：Vcc=2.7 ~ 5.5V;微處理器RS-485 串行通信接口程序存儲(chǔ)器I/O 擴(kuò)展與復(fù)位電路攝像鏡頭控制云臺(tái)控制? 全靜態(tài)工作方式：0 ~ 24MHz;? 256×8 位內(nèi)部 RAM；? 32 條編程 I/O 口線；? 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；? 5 個(gè)中斷源；? 可編程串行中斷；? 低功耗的閑置與掉電模式。5.2.2.2 可編程 RAM/IO 擴(kuò)展接口（8155）8155 芯片內(nèi)包含有 256 字節(jié) RAM，2 個(gè) 8 位和 1 個(gè) 6 位的可編程并行 I/O 口，1 個(gè) 14 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。8155 可直接與 MCS-51 單片機(jī)聯(lián)接，不需要增加任何硬件邏輯。由于 8031 單片機(jī)外接一片 8155 后，就擴(kuò)展了數(shù)據(jù) RAM、I/O 端口和定時(shí)/計(jì)數(shù)器，因而是 MCS-51 單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。在 8155 的控制邏輯部件中，設(shè)置有一個(gè)控制命令寄存器和一個(gè)狀態(tài)寄存器。8155 的工作方式由 CPU 寫入控制命令寄存器中的控制字來確定。控制命令寄存器只能寫入不能讀出，8 位控制命令寄存器的低 4 位用來設(shè)置 A 口、B 口和 C 口的工作方式。第 4、5 位用來確定 A 口、B 口以選通輸入輸出方式工作時(shí)是否允許中斷請(qǐng)求。第 6、7 位用來設(shè)置定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的操作。8155 的 A 口、B 口可工作于基本 I/O 方式或先通方式，C 口可作為輸入輸出口線，也可作為 A 口、B 口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)線。其工作情況與 8255方式 0、方式 1 時(shí)大致相同，控制信號(hào)的含義也基本一樣。另外，在 8155 中還設(shè)有一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志寄存器，用來存放 A 口和 B 口的狀態(tài)標(biāo)志。狀態(tài)標(biāo)志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU 只能讀出，不能寫入。在 8155 中還設(shè)有一個(gè) 14 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可用來定時(shí)或?qū)ν獠渴录?jì)數(shù)，CPU可通過程序選擇計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和計(jì)數(shù)方式。計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和計(jì)數(shù)方式由輸入給計(jì)數(shù)寄存器的計(jì)數(shù)控制字來確定。5.2.3 看門狗電路（MAX813L ）MAX813L 為 51 系列的專用電源的監(jiān)控電路，該電路具有上電復(fù)位和電源電壓監(jiān)控功能。當(dāng)電源電壓降到一定值時(shí)，將會(huì)觸發(fā) PFI 端，使 PFO 輸出低電平，單片機(jī)接收中斷后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，以保證在恢復(fù)電源后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。在程序初始化時(shí)應(yīng)注意對(duì) PCON 寄存器（我們?cè)谶M(jìn)入掉電保護(hù)時(shí)，可對(duì) PCON 進(jìn)行編程，以備上電復(fù)位時(shí)使用）進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定是初始復(fù)位（進(jìn)行必要的初始化） ，還是上電復(fù)位（斷電后恢復(fù)狀態(tài)） ，如果是上電復(fù)位應(yīng)進(jìn)行必須的現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)以保障設(shè)備的正常運(yùn)行。MAX813L 的 RST 輸出是高電位復(fù)位輸出，他的看門狗控制時(shí)間為固定值，即 1.6 秒。應(yīng)在 1.6 秒的時(shí)間內(nèi)，對(duì)看門狗進(jìn)行刷新一次，否則就會(huì)引起看門狗的誤動(dòng)作。MAX813L專用看門狗電路是一種功耗很低的電源監(jiān)視器件，它的主要功能有 3 個(gè)：（1）復(fù)位；（2）電源電壓監(jiān)視；（3）看門狗定時(shí)器。其特性如下： （1）加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度 （2）獨(dú)立的看門狗輸出，看門狗輸入為 1.6s；（3）1.25V 門限值檢測(cè)器，用于電源故障報(bào)警、電池低電壓或+5V 以外的電源監(jiān)控內(nèi)未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖剑唬?）低電平有效的手動(dòng)復(fù)位輸入；（5）8 引腳 DIP 封裝程序正常運(yùn)行時(shí)，必須在小于 1.6s 的時(shí)間間隔內(nèi)向 WDI 輸入端發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時(shí)器；若超過 1.6s 該輸入端收不到脈沖信號(hào)，則內(nèi)部定時(shí)器溢出，8 號(hào)引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健閷?shí)現(xiàn)上述看門狗信號(hào)要求，在關(guān)鍵的延時(shí)子程序模塊的適當(dāng)?shù)胤郊尤肓恕拔构贰敝噶?，以免干擾程序正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)指令為：CLR P3.3NOPNOPSETB P3.35.2.4 可靠性設(shè)計(jì)5.2.4.1 容錯(cuò)設(shè)計(jì)的一般思想眾所周知，一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否正常工作是由很多因素決定的，其外因?yàn)楦黝惛蓴_，其內(nèi)因?yàn)樵撓到y(tǒng)本身的素質(zhì)。在本節(jié)中，將著重討論系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)的方法。共分為 2 個(gè)方面，一方面是系統(tǒng)是系統(tǒng)的自檢設(shè)計(jì)，另一方面是系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。為了使單片機(jī)系統(tǒng)故障能及時(shí)自行診斷出來，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路時(shí)，必須通盤考慮。診斷過程是“檢查-----思考-----判斷”的過程；因此一個(gè)系統(tǒng)的硬件容錯(cuò)能力在很大程度上是先天的，系統(tǒng)定型后，硬件容錯(cuò)的極限也就定下來了。例如在沒有任何附加檢測(cè)電路的系統(tǒng)中，CPU 本身就無從知道其各種外圍電路工作是否正常。5.2.4.2 系統(tǒng)的自診斷設(shè)計(jì)1. 硬件自診斷的常用方法自診斷又稱為“自檢” ，通過自檢功能了解系統(tǒng)的狀況。自檢一般有以下幾種方法：（1） 上電自檢系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)進(jìn)行，自檢中如果沒有發(fā)現(xiàn)問題，則轉(zhuǎn)入系統(tǒng)的正常運(yùn)行；如果發(fā)現(xiàn)問題，則及時(shí)報(bào)警，避免系統(tǒng)帶病運(yùn)行。（2） 定時(shí)自檢由系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)啟動(dòng)自檢功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行周期性在線檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的故障。（3） 鍵控自檢通過某一鍵盤操作啟動(dòng)一次自檢過程，以便操作者消除對(duì)系統(tǒng)的疑惑，或發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障。本解碼器主要運(yùn)用了上電自檢的自檢方法。5.2.4.3 自診斷的軟件實(shí)現(xiàn)由于沒有附加任何檢測(cè)電路，因此本解碼器只簡(jiǎn)單地進(jìn)行 CPU, ROM, RAM 的自檢。1． CPU 的診斷CPU 是微機(jī)系統(tǒng)的核心，如果 CPU 出了問題，可想而知，系統(tǒng)是肯定無法正常工作的。CPU 的診斷項(xiàng)目有：指令系統(tǒng)、片內(nèi) RAM、定時(shí)器中斷系統(tǒng)、 I/O 口等。由于沒有檢測(cè)電路，因此，本解碼器實(shí)際只進(jìn)行了前 4 項(xiàng)的診斷工作。2． ROM 的診斷一般情況下，EPROM 的工作應(yīng)該是穩(wěn)定正常的；但由于生產(chǎn)廠家不同，元件工藝的離散性，EPROM 使用一段時(shí)間后難免出錯(cuò)，從而使系統(tǒng)不能正常工作，而且由于 EPROM中的信息丟失、出錯(cuò)一般是零星發(fā)生的，更有必要主動(dòng)檢測(cè)。ROM 的自檢常采用“檢驗(yàn)和”的方法。5.2.4.4 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)在一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)中，干擾的因素有多種。干擾既可以從線路侵入系統(tǒng)，也可以以場(chǎng)形式從空間侵入系統(tǒng)。例如系統(tǒng)的接地不良、附近有電火花激發(fā)的電磁輻射、電網(wǎng)的污染等。任何一種干擾都有可能使系統(tǒng)工作失常，尤其是在比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，這種可能性就更大；因此一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)不能忽視這種干擾的存在，必須采取一定的抗干擾措施。從成本考慮，本解碼器從硬件、軟件 2 方面采取了以下一些抗干擾措施。1. 硬件抗干擾措施首先，加大電源的濾波電容。用音響界的話來說，這好比一個(gè)“水塘” ，這個(gè)“水塘”越大，系統(tǒng)抗干擾的能力也相應(yīng)越強(qiáng)了。其次，在關(guān)鍵元件中串入無感瓷片電容、云母電容或 CBB 電容，這在很大程度上削弱了高頻干擾。再者，對(duì)接地和地線的正確處理也十分關(guān)鍵，盡可能加粗地線。另外，采用金屬外殼也可使系統(tǒng)在一定程度上屏蔽掉一些雜散的場(chǎng)干擾。2. 軟件抗干擾措施一個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能除了可以從硬件上著手外，在軟件上也可大有作為。在本解碼器的軟件設(shè)計(jì)過程中主要采用了軟件陷阱技術(shù)，即：（1）在程序區(qū)的斷層（即不使用的區(qū)域） ，以 NOP 指令填空，以保證因干擾而造成彈飛的程序盡快步入正常的運(yùn)行軌道。（2）設(shè)置軟件陷阱。就是用一條引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址。為增強(qiáng)捕獲效果，在它前面還加了 2 條 NOP 指令；因此軟件陷阱實(shí)際由下列 3 條指令構(gòu)成：NOP NOPLJMP 0030H5.2.5 系統(tǒng)主要接口功能說明第三節(jié) 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序如下：0x0000 020030 LJMP START ;上電轉(zhuǎn)向主程序 ORG 0023H 0x0003 00 NOP 0x0004 00 NOP 0x0005 00 NOP 0x0006 00 NOP 0x0007 00 NOP 0x0008 00 NOP 系統(tǒng)主要端口 主 要 功 能 備 注P0.0~P0.7 數(shù)據(jù)總線P1.0~P1.5 解碼器地址設(shè)置P1.6 解碼器狀態(tài)指示燈 亮為正常P3.3~P3.7 報(bào)警端口P2.0~P2.5 系統(tǒng)擴(kuò)展的高 6 位地址 擴(kuò)展 16K EPROMP2.6 控制 8155 的 IO/M 口P2.7 8155 的片選信號(hào)P3.0~P3.2 P3.0、P3.1 分別為串行通信接收/ 發(fā)送端，P3.2 為 SN75176 使能端 P3.2 與 SN75176 通過光電隔離提高抗干擾能力P3.3 看門狗 MAX813L 輸入端 用光電隔離增強(qiáng)抗干擾能力8031RESET 微處理器復(fù)位端 限位開關(guān)輸入與看門狗輸入相或后送入復(fù)位端PA0 ~PA5 鏡頭控制PA6 電源開關(guān)控制PA7 燈光控制8155PB0~PB5 步進(jìn)電機(jī)上、下、左、右控制PB0: Z 軸 A 相PB1: Z 軸 B 相PB2: Z 軸 C 相PB3: X 軸 A 相PB4: X 軸 B 相PB5: X 軸 C 相0x0009 00 NOP 0x000A 00 NOP 0x000B 00 NOP 0x000C 00 NOP 0x000D 00 NOP 0x000E 0