小型飛機(jī)水平尾翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)含4張CAD圖.zip

小型飛機(jī)水平尾翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)含4張CAD圖.zip,小型,飛機(jī),水平尾翼,系統(tǒng),設(shè)計(jì),CAD 小型飛機(jī)水平尾翼系統(tǒng)設(shè)計(jì) THE DESIGN OF SMALL AIRCRAFT HORIZONTAL TAIL SYSTEM 摘 要 本文所講述的小型飛機(jī)水平尾翼系統(tǒng)是控制小型飛機(jī)飛行和保障飛機(jī)安全的重要組成部分。主要設(shè)計(jì)工作包括以下幾方面： 1．確定總體設(shè)計(jì)方案，調(diào)研國(guó)內(nèi)外飛機(jī)水平尾翼系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，來(lái)設(shè)計(jì)方案。 2．完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要包括軸的計(jì)算、齒輪的計(jì)算、電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算。 3．完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)及程序選擇等。 本設(shè)計(jì)充分考慮了空氣受力、氣動(dòng)效率、推進(jìn)力、操縱性能與控制能力等方面因素的影響，最終完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：飛機(jī)尾翼系統(tǒng)、控制、效率； Abstract The small aircraft horizontal tail system described in this paper is an important part of controlling small aircraft flight and ensuring aircraft safety. The main design work includes the following aspects: 1. Determine the overall design plan, investigate the development status of aircraft horizontal tail system at home and abroad, and design according to design requirements. 2. The design of the mechanical structure is completed, including the calculation of the shaft, the calculation of the gear, the selection and calculation of the motor. 3. Complete the design of the control system, including control system hardware circuit design, microcontroller and program selection. The design fully considers the influence of air force, aerodynamic efficiency, propulsion, handling performance and control ability, and finally completes the graduation design. Keywords: aircraft tail system, control, efficiency;  目 錄 第1章 緒論 1 1.1 課題研究的目的和意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究狀況 1 1.3 課題任務(wù) 1 1.4 本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容和要求 1 1.4.1 主要研究?jī)?nèi)容 1 1.4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求 1 第2章 系統(tǒng)總體方案 4 2.1 系統(tǒng)的工作要求 4 2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成和控制原理 6 第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.1 軸的計(jì)算 10 3.2 齒輪計(jì)算 11 3.3 步進(jìn)電機(jī)的選型和計(jì)算 14 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)先容 14 3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 15 3.3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 15 3.3.4 步進(jìn)電機(jī)的控制 16 3.3.5 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的注意點(diǎn) 18 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 4.1 小型飛機(jī)水平尾翼控制系統(tǒng)的組成 19 4.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 19 4.3 MCS-51單片機(jī)引腳描述和片外總線結(jié)構(gòu) 19 4.4 MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展 24 4.4.1程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 24 4.4.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 25 4.4.3 地址鎖存器 27 4.5 8155可編程并行I/O擴(kuò)展接口 28 4.5.1 8155芯片介紹 28 4.5.2 8051單片機(jī)和8155的接口 30 4.6 由8155構(gòu)成的鍵盤(pán)、顯示器接口電路 31 4.7 光電旋轉(zhuǎn)編碼器 31 4.8 程序設(shè)計(jì) 32 4.8.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù) 32 4.8.2 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明 34 第5章 設(shè)計(jì)總結(jié) 36 致 謝 37 參考文獻(xiàn) 37 40 第1章 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 從本世紀(jì)初飛機(jī)發(fā)明以來(lái)，人們的生活發(fā)生了很大的變化，飛機(jī)給我們帶了來(lái)無(wú)與倫比的快節(jié)奏和高效率。 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，飛機(jī)的種類(lèi)、性能和用途也隨之不斷發(fā)展。飛機(jī)在做為一種交通工具的同時(shí)，人們也希望它能成為生活?yuàn)蕵?lè)的一份子?，F(xiàn)在人們已經(jīng)著手設(shè)計(jì)一種適合人們娛樂(lè)的小型飛機(jī)，豐富人們的業(yè)余生活，減輕人們?cè)诂F(xiàn)代社會(huì)中的壓力。所以我們現(xiàn)在嘗試設(shè)計(jì)適合該小型飛機(jī)的水平尾翼控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是設(shè)計(jì)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)或者電液伺服系統(tǒng)來(lái)代替機(jī)械式控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)起飛、降落、左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)水平尾翼的控制。該設(shè)計(jì)能減輕飛機(jī)操作人員的體力消耗，并且能比較精確的控制飛機(jī)尾翼的運(yùn)動(dòng)，使人們對(duì)飛機(jī)的操控變得準(zhǔn)確簡(jiǎn)單。 飛行控制系統(tǒng)在現(xiàn)代的飛機(jī)中的主要作用，總結(jié)看來(lái)有兩點(diǎn)：①最終使飛機(jī)能夠自動(dòng)控制；②提高飛機(jī)的性能。 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究狀況 21世紀(jì)初，美國(guó)萊特兄弟使全球飛機(jī)發(fā)展實(shí)現(xiàn)歷史性跨越。當(dāng)時(shí)大部分覺(jué)得，飛機(jī)靠自身動(dòng)力飛行純粹是無(wú)稽之談，但萊特兄弟卻不以為然。1900年到1902年間，在1000多次嘗試后，他們?cè)?903年創(chuàng)造了全球第一架靠自身動(dòng)力飛行的載人飛機(jī)，將其命名為“飛行者”1號(hào)。最終，試飛告捷。同一年，萊特兄弟還建立了“萊特飛機(jī)公司”。這也標(biāo)志著人類(lèi)在飛機(jī)領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。 一定程度上來(lái)說(shuō)，飛機(jī)的出現(xiàn)改變了人類(lèi)20世紀(jì)的歷史。在飛機(jī)出現(xiàn)不久，便被應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，范圍包括：運(yùn)輸、偵察等任務(wù)。 飛機(jī)還廣泛用于民用領(lǐng)域，已成為今天世界至關(guān)重要的交通工具。飛機(jī)出現(xiàn)后，航空運(yùn)輸業(yè)也取得重大進(jìn)展。物資運(yùn)輸更加簡(jiǎn)便，人們不再對(duì)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有資源過(guò)分依賴(lài)。很多不宜長(zhǎng)久運(yùn)輸?shù)纳蠛秃茈y時(shí)間保存的各種食品，也能夠通過(guò)飛機(jī)而跨越國(guó)界，使世界各地的人們共同享用。 100年的發(fā)展后，相比于最初萊特兄弟制造的飛機(jī)，今天的飛機(jī)在形狀、作用等出現(xiàn)顯著變化。它運(yùn)用了多種諸如機(jī)械、動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)等多科技領(lǐng)域多方面的技術(shù)，使飛行速度超過(guò)了音速，從而使飛機(jī)很多方面的性能得到了改善。 而用于娛樂(lè)的小型飛機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)正處于起步階段，國(guó)內(nèi)外的研究人員在此種飛機(jī)的設(shè)計(jì)上也還是處在不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程中。當(dāng)然，研究的成果也是比較明顯的。例如，在小型飛機(jī)操控性能的研究上，已經(jīng)使其變得比一般飛機(jī)的操控更加簡(jiǎn)單和方便，大眾對(duì)操作過(guò)程的掌握上也更加容易。這為小型飛機(jī)用于娛樂(lè)提供了較好的條件。當(dāng)然，研究的過(guò)程中還存在很多的不足，如：如何使飛機(jī)在較低的飛行速度和高度下保證有足夠高的靈敏度和安全性；在遇到特殊情況下非專(zhuān)業(yè)飛行員在操作失誤時(shí)，如何控制飛機(jī)的飛行等等。這些還等著我們?nèi)パ芯?，去完善? 1.3 課題任務(wù) 本課題要研制出針對(duì)飛機(jī)尾翼動(dòng)作的自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括手柄，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器。 具體要求如下： 1） 要求系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件； 2） 由單片機(jī)或可編程控制器組成控制系統(tǒng)； 3） 尾翼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能有沖擊振動(dòng)現(xiàn)象； 4） 尾翼可穩(wěn)定在任意位置； 5） 尾翼傾角應(yīng)能實(shí)時(shí)顯示； 6） 尾翼傾角誤差 1.4 本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容和要求 1.4.1 主要研究?jī)?nèi)容 對(duì)于這些任務(wù)，查詢(xún)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)記錄，廣泛調(diào)研后，主要的研究?jī)?nèi)容如下： 1.制定總體方案 設(shè)計(jì)部分有：驅(qū)動(dòng)、機(jī)械、信號(hào)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)及其它部分設(shè)計(jì)。 2.設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu) 主要包括操縱機(jī)構(gòu)、尾翼齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等。 3.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 其中包括單片機(jī)及擴(kuò)展芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 4.總結(jié) 其中包括設(shè)計(jì)小結(jié)、體會(huì)等。 1.4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求 （1）要求： 實(shí)現(xiàn)對(duì)尾翼轉(zhuǎn)角的控制。 （2）參數(shù)： ①最大轉(zhuǎn)角：（左右尾翼） ②運(yùn)動(dòng)形式：左右尾翼分開(kāi)運(yùn)動(dòng) ③驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī) ④尺 寸：340x380x645 ⑤實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制操縱 （3）工作任務(wù)： ①設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)：CAD繪圖，A0×3 ②設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)：CAD繪圖，A0×1（電氣原理圖） ③系統(tǒng)軟件：100句以上 ④說(shuō)明書(shū)：20000字 ⑤外文翻譯：5000漢字 ⑥查閱有關(guān)資料：15篇以上 （4） 工作計(jì)劃 1、第1周~第4周： （1）調(diào)研，收集有關(guān)資料； （2）整理和篩選有關(guān)資料； （3）消化理解設(shè)計(jì)中涉及到的知識(shí)； （4）翻譯5000字； （5）開(kāi)題報(bào)告。 2、第5周~第16周： （1）第五周~十周：完成草圖； ①：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（完成機(jī)械系統(tǒng)裝配圖1張，CAD繪圖，AO圖紙）； ②：電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)：a:硬件設(shè)計(jì)（電氣原理圖一張，AO圖紙） b:軟件編程 （2）第11周~第13周：完成CAD繪圖和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； （3）第1四周~第15周：出圖、打印說(shuō)明書(shū)、準(zhǔn)備答辯。 第2章 系統(tǒng)總體方案 2.1 系統(tǒng)的工作要求 飛機(jī)的種類(lèi)、形狀和用途千差萬(wàn)別，但任何一架飛機(jī)都有六個(gè)基本特征： 1．提供足夠的升力； 2．具有較高的氣動(dòng)效率（升阻比）； 3．產(chǎn)生足夠的推進(jìn)力； 4．具有良好的穩(wěn)定特征； 5．具有滿意的操縱與控制能力； 6．具有滿意的全機(jī)受力受熱特性。 飛機(jī)是否穩(wěn)定必須按三個(gè)相互垂直的軸來(lái)考慮，這三個(gè)軸都通過(guò)飛機(jī)重心。 縱軸指的是從機(jī)頭到機(jī)身的軸；橫軸指的是與縱軸垂直并經(jīng)過(guò)重心的軸；通過(guò)重心直上直下的軸叫主軸。機(jī)繞水平軸的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為俯仰運(yùn)動(dòng)（即頭部和弓形）;圍繞主軸的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為偏航運(yùn)動(dòng);圍繞垂直軸的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為翻滾運(yùn)動(dòng)。有些圍繞飛機(jī)的問(wèn)題也由此出現(xiàn)，如：如何保證控制橫向、縱向和方向穩(wěn)定。 俯仰穩(wěn)定是縱向穩(wěn)定的別名，來(lái)衡量飛機(jī)圍繞橫軸的穩(wěn)定性。干擾縱向穩(wěn)定的一個(gè)重要原因是迎角變化。飛機(jī)穩(wěn)定飛行時(shí)，如有一個(gè)小的外力影響，如忽然的一陣風(fēng)，增大或減小迎角，飛機(jī)便會(huì)抬頭或低頭，圍繞橫軸上下?lián)u動(dòng)。外力失效后，飛行員依靠飛機(jī)氣動(dòng)面產(chǎn)生的一個(gè)力矩而不操縱飛機(jī)，使它回到先前的平衡狀態(tài)，這架飛機(jī)便是縱向穩(wěn)定的。若飛機(jī)不能自動(dòng)回到平衡狀態(tài)，就稱(chēng)為縱向不穩(wěn)定。 干擾飛機(jī)的縱向穩(wěn)定的原因很多，水平尾翼和重心位置是主要因素。進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，計(jì)算和明確重心位置是首要工作，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置，油箱位置和大型載荷位置都要統(tǒng)籌考慮。水平尾翼是確保飛機(jī)縱向穩(wěn)定的基本要求。水平尾翼和機(jī)翼類(lèi)似，也會(huì)造成額外升力，但其主要功能是使穩(wěn)定并使飛機(jī)縱向力矩平衡，故又叫做水平安定面。由于離重心較遠(yuǎn)，水平尾翼總體面積不大，所造成的升力很小，但產(chǎn)生的力矩很大。 水平尾翼對(duì)飛機(jī)縱向穩(wěn)定的作用原理如下：首先假定飛機(jī)處于水平平衡飛行狀態(tài)，一股風(fēng)從下吹向機(jī)頭，把機(jī)頭抬了起來(lái)。此刻，機(jī)翼迎角變大，與此同時(shí)，尾翼的迎角也變大。一定的范圍中，迎角變大，升力也變大，所以尾翼會(huì)產(chǎn)生一個(gè)升力，方向向上。因?yàn)榇肆?huì)造成與抬起機(jī)頭力矩相反的力矩，按下機(jī)頭。飛機(jī)會(huì)很快回到之前的水平飛行狀態(tài)，盡管在此過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷短暫的上下?lián)u擺。 類(lèi)似地，若陣風(fēng)在上方吹向機(jī)頭，按下機(jī)頭，從而會(huì)減小機(jī)翼和尾翼的迎角。由于機(jī)翼的安裝角小，迎角減小的結(jié)果是它呈負(fù)迎角狀態(tài)，從而產(chǎn)生的氣動(dòng)力方向朝下，也就是負(fù)升力。在這里會(huì)產(chǎn)生抬頭力矩，抬高機(jī)頭，經(jīng)歷短時(shí)間的擺動(dòng)，飛機(jī)將回到先前的水平飛行狀態(tài)。 方向穩(wěn)定也叫做航向穩(wěn)定，也就是飛機(jī)圍繞垂直主軸的穩(wěn)定狀態(tài)。飛行時(shí)，飛機(jī)要維持原有航向，若存在一些影響使飛機(jī)離開(kāi)了原有航向，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏航角。具備穩(wěn)定方向性能的飛機(jī)可在干擾消失后，回到原有航向上飛行，不然，飛機(jī)的方向不穩(wěn)定。 橫向穩(wěn)定指圍繞縱軸的穩(wěn)定情況，又叫做滾動(dòng)穩(wěn)定。機(jī)翼的上反角、下反角和后掠角用于確保橫向穩(wěn)定。上反角是指飛機(jī)左右兩個(gè)翼面的翼梢較高，呈現(xiàn)V字形的角度。下反角正好相反，翼梢較低。上反角的作用是保持橫向穩(wěn)定，下反角卻會(huì)破壞側(cè)向穩(wěn)定。 飛機(jī)除了能作穩(wěn)定飛行，并能通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)保證穩(wěn)定飛行之外，控制性也要穩(wěn)定。若飛機(jī)不平穩(wěn)，盡管飛起不易，但還能飛起來(lái)，然而，若飛機(jī)不能操縱，就完全不能飛。有時(shí)，設(shè)計(jì)飛機(jī)故意讓它具有一定的不穩(wěn)定性，目的是提高它的機(jī)動(dòng)性，要保證這一點(diǎn)，對(duì)操縱系統(tǒng)的要求就更高了。由此可見(jiàn)，操縱對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)是何等重要了。 一架飛機(jī)的操作性好指的是飛行員只要用很小的力，就可以使飛機(jī)對(duì)舵面的偏轉(zhuǎn)迅速作出反應(yīng)，改變飛行狀態(tài)。但飛行的操作機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)操縱面并不是越靈敏越好。若太靈敏，飛行員便由于每時(shí)每刻要留心飛機(jī)的實(shí)時(shí)控制情況，從而飛行員無(wú)暇兼顧其它工作。 飛機(jī)操縱與飛機(jī)穩(wěn)定性也緊密聯(lián)系，具體要求卻總相互矛盾。穩(wěn)定性良好，操縱性可能靈敏度不夠；操縱性很好，穩(wěn)定性又不盡人意。因此，要具體情況具體分析，合理安排實(shí)際需要，協(xié)調(diào)使綜合性能與穩(wěn)定性均能滿足要求。通常，戰(zhàn)斗機(jī)的操縱性應(yīng)該很靈敏，穩(wěn)定性差一點(diǎn)問(wèn)題不大。而民航機(jī)強(qiáng)調(diào)的是安全，穩(wěn)定性要求應(yīng)該高一些，操縱特性可以稍差一點(diǎn)。 另外，操縱飛機(jī)還與機(jī)動(dòng)性聯(lián)系。機(jī)動(dòng)性，是說(shuō)飛機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)飛行時(shí)所表現(xiàn)的性能如：改變飛行速度、高度和方向。表現(xiàn)機(jī)動(dòng)性的指標(biāo)包括：轉(zhuǎn)彎半徑、加速性能、大迎角飛行能力、爬升率、盤(pán)旋角速度等。而對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)說(shuō)。機(jī)動(dòng)性高于對(duì)手是取勝的關(guān)鍵因素之一。飛機(jī)操縱的靈敏性，很大程度上決定了機(jī)動(dòng)性的情況。 由于駕駛該種小型飛機(jī)是面向廣大普通民眾的一種娛樂(lè)項(xiàng)目，因此它因該具有良好的操控性能和安全性能。因而，在對(duì)飛機(jī)方向的控制，也就是對(duì)飛機(jī)尾翼的控制因該簡(jiǎn)單方便，應(yīng)在駕駛桿和尾翼之間加設(shè)傳感器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這也是我們此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在駕駛桿的橫向和縱向各設(shè)有一個(gè)三角位移傳感器。在這兩個(gè)方向上，駕駛桿轉(zhuǎn)過(guò)的角度和位移將由傳感器收到，再把其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。我們所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為伺服步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在接受到來(lái)自于傳感器的信號(hào)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能控制尾翼做相應(yīng)的動(dòng)作。 2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成和控制原理 完全系統(tǒng)的組成部分包括：操縱系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、尾翼齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)組成。 飛行員借助十字軸操縱手柄來(lái)操縱飛機(jī)，通過(guò)角度傳感器來(lái)檢測(cè)信號(hào)，并將信號(hào)傳給信號(hào)處理系統(tǒng)，再將信號(hào)傳遞給步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而帶動(dòng)水平尾翼軸來(lái)控制水平尾翼的動(dòng)作，水平尾翼軸上的傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給信號(hào)處理器，形成一個(gè)反饋控制，相對(duì)精確地對(duì)水平尾翼進(jìn)行控制。 1．操縱系統(tǒng) 十字操縱桿有四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，即前、后、左、右偏轉(zhuǎn)。尾翼的上下偏轉(zhuǎn)由操縱桿的前后運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；左右兩尾翼的一上一下偏轉(zhuǎn)由操縱桿的左右運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。而飛機(jī)平穩(wěn)飛行時(shí)，機(jī)翼和尾翼確?？諝鈩?dòng)力和飛機(jī)重力的力矩平衡。如果駕駛員把操縱桿向前推，傳感器接將收到信號(hào)并將信號(hào)傳給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)便使尾翼向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的空氣動(dòng)力和力矩破壞了先前的平衡狀態(tài)。氣流吹著尾翼，造成了一個(gè)力，方向向上，飛機(jī)中心后面是其作用面，進(jìn)而造成了一個(gè)力矩，抬起機(jī)尾。該力矩按下機(jī)頭，飛機(jī)從而降落。前推與后拉操縱桿與控制尾翼相似，將使飛機(jī)抬頭和升起。 駕駛員通過(guò)操縱桿左右偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的方向偏轉(zhuǎn)。假設(shè)向左推動(dòng)操縱桿，操縱桿的偏轉(zhuǎn)角度和位移傳給傳感器，并將作為輸入信號(hào)傳給步進(jìn)伺服電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，左尾翼在此作用后向上偏轉(zhuǎn)，迎角變小，空氣對(duì)左尾翼的作用下降，從而右尾翼向下偏轉(zhuǎn)，迎角變大，故空氣對(duì)右尾翼作用上升。由左右尾翼的壓力差相對(duì)縱軸產(chǎn)生的力矩使飛機(jī)往左偏，飛機(jī)向左轉(zhuǎn)。飛機(jī)向右偏轉(zhuǎn)與向左偏轉(zhuǎn)類(lèi)似，即通過(guò)操縱桿向右動(dòng)作與向左動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖2.1 操縱機(jī)構(gòu)示意圖 1. 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng) 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要由角度測(cè)量?jī)x等相關(guān)元器件組成，通過(guò)角度測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量。十字軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將使所對(duì)應(yīng)軸產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)角，再將此角信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。把電信號(hào)處理過(guò)后，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，由此帶動(dòng)齒輪對(duì)水平尾翼進(jìn)行控制。安裝角度測(cè)量?jī)x在水平尾翼的轉(zhuǎn)動(dòng)軸處從而便于檢測(cè)尾翼的轉(zhuǎn)角，把該信號(hào)返回且判斷角度是否符合所需要的精度，在飛機(jī)尾翼轉(zhuǎn)角不夠或過(guò)大時(shí)，檢測(cè)出其差值，并依照差值來(lái)作出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作來(lái)最終使轉(zhuǎn)角符合要求。此外，該過(guò)程中還要不斷地對(duì)水平尾翼的轉(zhuǎn)角、判斷、動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)，直到滿足要求為止。 2. 信號(hào)處理系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、地址鎖存器、存儲(chǔ)器、I/O口擴(kuò)展芯片、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。其主要任務(wù)是把在處理過(guò)后信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的信號(hào)輸出給步進(jìn)電機(jī)。 3. 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 功率放大器：分為前置放大和大功率驅(qū)動(dòng)兩方面，前者用來(lái)推動(dòng)大功率器件裝備，構(gòu)成器件大多為射極跟隨器、反相器等器件；后置放大都是大功率器件，是驅(qū)動(dòng)電路中最關(guān)鍵的部分。 脈沖頻率的實(shí)現(xiàn)：輸出一個(gè)控制字即等于發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖，脈沖與脈沖之間要存在時(shí)間間隔，也就是脈沖周期，它反映了步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)頻率，也就是速度。產(chǎn)生脈沖周期的方式很簡(jiǎn)單，主要有兩種：運(yùn)用程序循環(huán)延時(shí)和運(yùn)用定時(shí)器中斷。程序循環(huán)延時(shí)占用計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)較為嚴(yán)重，而且在計(jì)算機(jī)驗(yàn)時(shí)階段將不能處理其他事務(wù)，此外，延時(shí)并不很精確，但實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)的硬件資源不會(huì)被占用，主要用在CPU較空閑的場(chǎng)合；定時(shí)器中斷可以精確定時(shí)，而且CPU運(yùn)行時(shí)間不會(huì)被占用，但有的時(shí)候系統(tǒng)另外擴(kuò)展定時(shí)器卻是需要的。 5．尾翼齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 尾翼部分的動(dòng)力主要由步進(jìn)電機(jī)來(lái)提供，通過(guò)一級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速，來(lái)帶動(dòng)尾翼軸使其旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)整個(gè)尾翼的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比為1：3，步進(jìn)電機(jī)的步距角將會(huì)被減小3倍再傳給尾翼軸。步進(jìn)電機(jī)的步距角是1.8 ，經(jīng)齒輪減速系統(tǒng)后減小為0.6 。所以此系統(tǒng)的精度相對(duì)而言是比較高的，并符合要求。 圖2.2 尾翼部分齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在前面的論述中可以了解到，操縱桿的前推和后拉運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾翼同時(shí)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)一定角度，操縱桿的左右動(dòng)作將使得左右尾翼在不同方向上進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)。要使這些功能能夠?qū)崿F(xiàn)，必須對(duì)相應(yīng)的元件進(jìn)行計(jì)算和校核。在飛機(jī)飛行的過(guò)程中，對(duì)飛機(jī)方向控制主要由尾翼實(shí)現(xiàn)，因而承受較大的力，現(xiàn)對(duì)尾翼上的軸和齒輪進(jìn)行校核。 3.1 軸的計(jì)算 飛機(jī)水平尾翼存在著可轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，此部分叫做襟翼。相應(yīng)地，小型飛機(jī)的襟翼也比較小。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，襟翼可以被等效為一個(gè)矩形，長(zhǎng)為300mm|寬為100mm。襟翼的邊緣是襟翼的轉(zhuǎn)軸所處位置。 襟翼存在著轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，即和水平面所夾角是±45°。另外與此同時(shí)，小型飛機(jī)的飛行速度不高，最高速度500km/h，約為138.89m/s。當(dāng)天氣狀況不理想時(shí)，出于安全考慮，此類(lèi)型的小型飛機(jī)就不飛行，反過(guò)來(lái)看，飛行時(shí)的天氣狀況也良好。 在計(jì)算過(guò)程中可以用極限情況來(lái)模擬計(jì)算，如果在極限情況下，飛機(jī)仍能安全飛行，那么飛機(jī)就是安全的?，F(xiàn)以飛機(jī)飛行的最高速度來(lái)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)假定襟翼與空氣相對(duì)速度之間的夾角為90°，而且把空氣視為粒子，其速度為正，空氣粒子在與襟翼撞擊之后的速度變?yōu)榱悖▽?shí)際上空氣的速度仍然為正）。空氣的密度ρ=1.29g/L 。襟翼轉(zhuǎn)軸主要受扭矩。現(xiàn)以沖量的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算襟翼的受力，(轉(zhuǎn)軸的材料為45鋼，取30MPa) 面積s=0.1x0.3=0.03 v=500km/h≈138.89m/s ∵ Ft=mv F=mv/t=ρVv/t=ρsvv=1.290.03x138.89x138.89=746.54 N 現(xiàn)假設(shè)力F作用于襟翼的離轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)的邊緣距離為d=0.07m，則 轉(zhuǎn)矩 M=F d=746.54x0.07=52.258 Nm 根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)軸的直徑d 由強(qiáng)度條件可知 則 故安裝軸最低軸承處的軸徑為ф20mm.。 同樣，襟翼前的傳動(dòng)軸的最小軸徑為ф20mm，在傳動(dòng)比大于1時(shí)軸徑更小。此次設(shè)計(jì)是按照傳動(dòng)比為1來(lái)設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸的，因而傳動(dòng)軸的最小軸徑為ф20mm。 3.2 齒輪計(jì)算 1）材料、熱處理方式、精度、齒數(shù)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選材40MnB，選擇表面淬火的熱處理方式，使齒面硬度在48~55HRC。尾翼齒輪傳動(dòng)載荷分布均勻性要求較高，選擇精度為8—8—7。選小齒輪齒數(shù)=20，= i=60 2）按齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 一般而言，彎曲強(qiáng)度決定閉式硬齒面齒輪的綜合承載能力，故而設(shè)計(jì)時(shí)先根據(jù)彎曲強(qiáng)度，再來(lái)校核接觸強(qiáng)度。 由式 確定式中各項(xiàng)數(shù)值： 由于載荷相對(duì)平穩(wěn)，在使用系數(shù)K 表，查K =1，所以初選載荷系數(shù)K =2； 所選用的電機(jī)轉(zhuǎn)矩 =9.7N m=970N mm 由式 ，計(jì)算端面重合度=1.68 由式 =0.7 參考齒系數(shù)表，選擇=0.7 依照應(yīng)力修正系數(shù)圖及外齒形系數(shù)圖查得 =2.8 =1.56 =2.32 =1.7 由式= =8.63 查表得 Y=0.88，Y=0.89 選 S= 1.60 按齒面硬度均值51HRC,查表得==450MPa []===248MPa 同理， []==250 MPa ==0.0176 同理，==0.0161 所以，取前者設(shè)計(jì)齒輪。 設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)：把已確定的數(shù)代入公式，求得： = =1.31mm 修正： ==0.82m/s 查表得 則: K=KKKK =1.32 m=m=1.31mm 考慮到磨損，選用m=2mm的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 確定齒輪幾何參數(shù) d=m Z=220=40mm d=m Z=260=120mm a==80mm b==40×0.7=28mm 取=35，=30 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 從彈性系數(shù)表可得Z=189.8 依照節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)圖得到 從接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)表得到 依照接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)圖得到=0.92 由滲碳淬火鋼和表面碳化（火焰或感應(yīng)淬火）的圖，按齒面硬度均值51HRc，在MQ和ML線之間查出= 由最小安全系數(shù)參考值表查得.25 =746 =780 取前者作為強(qiáng)度條件。 將確定的各個(gè)數(shù)代入接觸強(qiáng)度校核公式，得 =350 M Pa＜ 所以滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度。 3.3 步進(jìn)電機(jī)的選型和計(jì)算 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)先容 脈沖電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)的別稱(chēng)，能把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)直線或旋轉(zhuǎn)增量運(yùn)動(dòng)，屬于伺服時(shí)機(jī)。 制造步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先依照組合電磁鐵理論設(shè)計(jì)，以電脈沖信號(hào)行使控制作用，轉(zhuǎn)化信號(hào)為相應(yīng)的直線或位移。脈沖通過(guò)專(zhuān)用電源轉(zhuǎn)到定子各相控制繞組，按一定次序在氣隙中產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相像。脈沖信號(hào)決定電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。 3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1）全數(shù)字化控制。利用數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行控制作用，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)步距，也就是輸入指令與輸出指令都是數(shù)字化的，也即數(shù)模轉(zhuǎn)換是不必要的，從而更便于連接計(jì)算機(jī)。 2）步距角存在較大誤差，但并不會(huì)積累誤差。盡管步進(jìn)電機(jī)的存在較大誤差的步距角，但其位移量卻由輸入脈沖數(shù)決定，因而當(dāng)不失步時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一周時(shí)累積的誤差為零，所以具有其精度較高。 3）控制系統(tǒng)容易，低成本。除卻功率放大電路，其余硬件電路均可用軟件來(lái)靈活控制，并且電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有滑環(huán)和電刷，便于維修。 4）方便調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制脈沖頻率的增大而增大，變化控制脈沖頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速便可被調(diào)節(jié)，范圍較大，此外啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、定位也很簡(jiǎn)便。 5）分辨率固定。分辨率無(wú)法改變，因?yàn)椴骄嘟腔蜻\(yùn)動(dòng)增量已固定，主要應(yīng)用領(lǐng)域是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，但不利于向數(shù)字控制高度方向發(fā)展。 6）分辨率低。這是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，由于輸入功率的一大部分轉(zhuǎn)變成熱能耗散，所以電機(jī)發(fā)熱發(fā)燙嚴(yán)重。 7）不適合大慣量負(fù)載。 8）低速時(shí)易發(fā)生搖晃，所以要加附加阻尼。 3.3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 （1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù) 通過(guò)以上對(duì)所須轉(zhuǎn)距的計(jì)算，加上控制系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)精度的要求，選用86HB2A118—308型號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3-1。 表3-1 電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)： 相 數(shù) 2 相電阻 1.2Ω 步距角 1.8 分配方式 二相四拍 相電感 11.5mHV 最大靜轉(zhuǎn)距 9.7Nm 靜態(tài)相電流 4A 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2700g 外型尺寸 外 徑 80x80mm 長(zhǎng) 度 80mm 軸 徑 16mm 重 量 3.8kg 3.3.4 步進(jìn)電機(jī)的控制 圖3-2示意圖為步進(jìn)電機(jī)的控制，信號(hào)直線位移量s或角位移量θ隨電脈沖數(shù)的增大而增大，其線速度v或轉(zhuǎn)速n隨脈沖頻率f的增大而增大。分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制特性知，角位移量θ或直線位移量s、轉(zhuǎn)速n或線速度v在額定負(fù)載范圍內(nèi)不會(huì)隨著環(huán)境狀況、負(fù)載、電源電壓變化，故而在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中很適合作執(zhí)行元件，減少整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)價(jià)格。 用微電腦進(jìn)行數(shù)字控制時(shí)，不用進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，所以能把數(shù)字脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)變成角位移。使定子各繞組間沒(méi)有互感，且定、轉(zhuǎn)子使用凸極結(jié)構(gòu)，不考慮空間磁場(chǎng)諧波影響，能提高定位轉(zhuǎn)矩的幅值和定位精度，然后來(lái)考慮n的相關(guān)控制問(wèn)題?，F(xiàn)在，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率得到大幅提高，傳動(dòng)齒輪力矩等放大裝置可以考慮不使用，這樣，機(jī)床運(yùn)動(dòng)視為由功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。與此同時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，系統(tǒng)精度得到提高。 光電隔離電路屬于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一部分。從脈沖分配器輸出的信號(hào)將控制電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，該勵(lì)磁繞組也被放大。由于電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓高，電流也很大。如果輸出信號(hào)和電源直接連接。放大器會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電干擾。輕輕破壞計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行，然后破壞接口電路和計(jì)算機(jī)。因此，通常在接口電路功率放大器之間增加隔離電路，通常使用光耦合器。該組合物是發(fā)光裝置和光接收裝置，輸入端是連接到發(fā)光源的引線，輸出端是連接到光接收元件的引線。通常，發(fā)光二極管是發(fā)光器件，光電晶體管是光接收器件。輸入端接收輸入信號(hào)時(shí)，LED將打開(kāi)并發(fā)光。在光電晶體管曝光后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，輸出來(lái)自輸出端，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸，介質(zhì)很輕。輸入和輸出是分開(kāi)的。 單電壓電路是驅(qū)動(dòng)電路所用的。如圖3—2是基本電路示意圖，經(jīng)控制大功率開(kāi)關(guān)TDE的通、斷來(lái)控制繞組線圈，R為限流電阻。采用這種控制電路簡(jiǎn)單、方便，應(yīng)用廣泛。 圖3-3 步進(jìn)電機(jī)單電壓驅(qū)動(dòng)電路 3.3.5 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的注意點(diǎn) 1、用在低速場(chǎng)合，即：轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)/min，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，在此區(qū)間使電機(jī)運(yùn)行能夠用減速機(jī)，這樣電機(jī)便具備較高效率，噪音也不大。 2、最好不要用全步狀態(tài)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在全步狀態(tài)下振動(dòng)較大。 3、12V僅是標(biāo)稱(chēng)電壓為12V的電機(jī)。另外，驅(qū)動(dòng)電壓伏特不是其他電動(dòng)機(jī)的電壓值?？梢愿鶕?jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（推薦：57BYG DC 24V-36V，86BYG DC 50V，110BYG超過(guò)DC 80V），當(dāng)然除了12V恒壓驅(qū)動(dòng)外，12伏還可以使用其他驅(qū)動(dòng)電源，但應(yīng)考慮溫升。 4、使用具有大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載時(shí)，選擇大框架電機(jī)。 5、當(dāng)速度較高或有大慣量負(fù)載時(shí)，電機(jī)應(yīng)逐漸提速升頻，一般來(lái)說(shuō)，它不應(yīng)以額定轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，這樣電機(jī)不會(huì)失步，并且可以降低噪音，并且可以提高定位精度。 6、為了獲得高精度，必須通過(guò)機(jī)械減速來(lái)增加電機(jī)的速度，或者使用高細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。除了這個(gè)5相電機(jī)，它可以考慮，但價(jià)格更昂貴，并沒(méi)有很多制造商。 7、使用區(qū)間不包括振動(dòng)區(qū)，果真需要的話，解決辦法是：改變電流、電壓或增加阻尼。 8、當(dāng)工作電壓低于600PPS（0.9度）時(shí)，電機(jī)使用低電壓，低電流和大電感。 9、應(yīng)先選擇電機(jī)后擇驅(qū)動(dòng)。 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 小型飛機(jī)水平尾翼控制系統(tǒng)的組成 在此次設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)水平尾翼的自動(dòng)控制，需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，單片機(jī)是主控制元件。此系統(tǒng)的組成部分包括： 74LS373地址鎖存器、8051單片機(jī)、6264靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2764程序存儲(chǔ)器、8155可編程并行I/O口擴(kuò)展芯片、74LS138譯碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器等。 4.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 1、主控制器 CPU:中央處理單元 2、總 線 包括地址BUS，控制BUS，數(shù)據(jù)BUS。 3、存 儲(chǔ) 器 包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 4、接 口 包括外部設(shè)備接口及其驅(qū)動(dòng)電路 4.3 MCS-51單片機(jī)引腳描述和片外總線結(jié)構(gòu) 單片機(jī)特性：（1）結(jié)構(gòu)小、成本低，產(chǎn)品化容易，在組成智能測(cè)試和控制設(shè)備和儀器儀表時(shí)，較為方便。（2）可靠性高，可適用溫度范圍廣。（3）擴(kuò)展容易、較強(qiáng)的控制性能。（4）實(shí)現(xiàn)多機(jī)控制和分布式控制時(shí)方便。 MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)存在的特點(diǎn)： 1、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）容量 MCS-51F單片機(jī)內(nèi)部ROM和內(nèi)部RAM容量見(jiàn)4-1。 表4-1 MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器容量 2、外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間 MCS-51能在不受影響時(shí)處理64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器空間是64KB。所以MCS-51外部程序存儲(chǔ)器的最大尋址范圍是64KB。 3、輸入/輸出（I/O）口 MCS-51 MCU中的I / O端口種類(lèi)繁多，數(shù)量齊全，特別是在有全雙工串行端口的情況下。串口由兩條I / O線組成。能以編程來(lái)選擇對(duì)四種工作模式進(jìn)行選擇。 MCS-51有32條I / O線。 4、定時(shí)/計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū) MCS-51子系列有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，四種工作模式可由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。四個(gè)通用寄存器區(qū)在MCS-51的內(nèi)部RAM中，含有32個(gè)通用寄存器，來(lái)實(shí)現(xiàn)多種中斷或子程序嵌套。 5、中斷與堆棧 MCS-51有5個(gè)中斷源，分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)以及堆棧位置能夠進(jìn)行編程，堆棧深度128字節(jié)。 6、指令系統(tǒng) 與MCS-48相比，MCS-51還具有指令系統(tǒng)，但性能更強(qiáng)。主要方面是系統(tǒng)增加了減法，乘法，除法，比較，堆棧操作（即插入和彈出）和各種位。操作說(shuō)明，在振蕩器頻率為12MHz時(shí)，大部分指令的執(zhí)行時(shí)間為1μs，少部分為2μs，乘法和除法指令為4μs。 結(jié)合上面的描述可知，I / O線不計(jì)為用戶(hù)I / O線。 除了8051/8057之外，用戶(hù)使用的I / O線僅為P1端口，第二部分在使用第一個(gè)功能時(shí)用作P3端口。 圖4-1顯示了根據(jù)引腳功能分類(lèi)的MCS-51微控制器的片外總線結(jié)構(gòu)。 見(jiàn)于4-1，除了電源，時(shí)鐘，訪問(wèn)用戶(hù)I / O端口和復(fù)位外，微控制器的其他引腳也設(shè)置為擴(kuò)展系統(tǒng)。CS-51 MCU的片外三總線正是它們的組成部分。即： ①地址BUS（AB）：寬是16位，故其外部存儲(chǔ)器直接尋址是64K字節(jié)，P0口經(jīng)地址鎖存器為16位地址總線給低8位地址（A0—A7）；高8位地址（A8—A15）由P2口直接提供。 ② 數(shù)據(jù)BUS（DB）：8位，P0口來(lái)給予。 ③ 控制BUS（CB）：由4根獨(dú)立控制線組成：RESET、 、ALE 、P3口的第二功能狀態(tài)。 單片機(jī)的擇?。海?）比較不同的微控制器：首先選擇合適的內(nèi)存。單片機(jī)內(nèi)部存在著兩種存儲(chǔ)器：一種是程序存儲(chǔ)器，專(zhuān)門(mén)去儲(chǔ)存用戶(hù)程序和常數(shù)；另一種是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存放數(shù)據(jù)。他們是絕對(duì)獨(dú)立的，不同單片機(jī)有不同的存儲(chǔ)器容量。一般來(lái)說(shuō)，選的單片機(jī)其片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，靠片外擴(kuò)展構(gòu)成最小單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠靈活使用，方便改寫(xiě)程序。在選擇單片機(jī)時(shí)還要留心接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式及功耗等問(wèn)題。（2）相應(yīng)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)必須具備。（3）選擇市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。 通過(guò)對(duì)以上單片機(jī)性能特點(diǎn)的綜合考慮，此次設(shè)計(jì)中選用8051單片機(jī)， 80它是一種直插式元件，且是雙列式，引腳四十個(gè)，32根引腳要4個(gè)并口中，可當(dāng)作數(shù)據(jù)線、I/O線、地址線，此中，P3口還具備第二功能（用于中斷和定時(shí)）。除此之外，還有其它引腳部分：6根控制引腳、2根電源引腳。每個(gè)引腳的功能解釋和描述如下： (1）端口引腳P0.0—P0.7、P1.0—P1.7、P2.0—P2.7、P3.0—P3.7 端口P0：雙向端口，漏極開(kāi)路為82位。當(dāng)數(shù)據(jù)總線（當(dāng)內(nèi)部上拉電阻有效時(shí)）和8位地址訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，程序用作輸出命令字節(jié)（需要外部上拉電阻），P0端口有8 LSTTL負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。 端口P1：帶有上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向端口。驅(qū)動(dòng)四個(gè)LSTTL負(fù)載以驅(qū)動(dòng)MOS輸入，無(wú)需外部上拉電阻。 P2端口：P2KOUS是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向端口，帶有上拉電阻。訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，其功能是具有高8位地址的輸出端口。它能夠驅(qū)動(dòng)四個(gè)相同的負(fù)載。類(lèi)似地，可以在沒(méi)有外部上拉電阻的情況下驅(qū)動(dòng)MOS輸入。 P3端口：P3端口是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向端口，帶有上拉電阻。它可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。類(lèi)似地，可以在沒(méi)有外部上拉電阻的情況下驅(qū)動(dòng)MOS輸入。 此外，P3端口還負(fù)責(zé)MCS-51的所有特殊功能。 （2）控制引腳和電源引腳RST / VPD，ALE / PROG，PSEN和EA / VPP REST / VPD：當(dāng)振蕩器工作時(shí)，該引腳產(chǎn)生高電平（低到高轉(zhuǎn)換）。時(shí)間是兩個(gè)機(jī)器周期，重置微控制器。在掉電期間，VCC可以連接到備用電源，而VPD則為內(nèi)部RAM供電以保護(hù)內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)。 ALE / PROG：允許地址鎖存輸出。當(dāng)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器工作時(shí)，ALE是地址鎖存器，低8位，所以允許輸出信號(hào);當(dāng)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器沒(méi)有運(yùn)行時(shí)，由ALE輸出頻率引起的固定頻率是振蕩頻率的1/6，可以應(yīng)用于外部時(shí)鐘或外部定時(shí)器。但在執(zhí)行片外數(shù)據(jù)存取指令時(shí)會(huì)少一個(gè)ALE脈沖，而內(nèi)置了EPROM的單片機(jī)，在寫(xiě)EPROM時(shí)則經(jīng)ALE接收編程脈沖（PROG功能）。 PSEN：輸出端，讀取片外程序存儲(chǔ)器傳遞信號(hào)。當(dāng)讀取片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的指令時(shí)，PSEN的有效數(shù)在每個(gè)周期中為兩次。而每次對(duì)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)， PSEN脈沖減少兩個(gè)；PSEN在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)沒(méi)有效用。 EA / VPP：當(dāng)EA為高電平且PC值小于OFFFH（4K）時(shí)，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序由CPU執(zhí)行;當(dāng)EA為低電平時(shí)，片外程序存儲(chǔ)器中的程序由CPU執(zhí)行。因?yàn)槠蠑?shù)據(jù)存儲(chǔ)器8031不具有它，所以8031必須是EA連接到低電平。12V電源（VPP）的輸入端在內(nèi)置了EPROM的單片機(jī)對(duì)EPROM編程時(shí)，是本引腳。 （3）外部振蕩器引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1：內(nèi)部振蕩器反相放大器的輸入。使用外部振蕩器時(shí)，該引腳接地。 XTAL2：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器和內(nèi)部振蕩器反相放大器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩源時(shí)，外部振蕩信號(hào)連接到該引腳。 （4）主電源引腳VSS和VCC VSS：接地端。 VCC：正常運(yùn)行過(guò)程中，接+5V電源。 圖4-2 8051管腳圖 4.4 MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展 4.4.1程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 8051內(nèi)部存儲(chǔ)器容量小，故需擴(kuò)展存儲(chǔ)器。UV擦除的電可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM可用作MCS-51微控制器的外部程序存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)采用2764A（8Kx8）系列精細(xì)片劑。芯片有一個(gè)玻璃窗。當(dāng)在紫外光下照射約??20分鐘時(shí)，存儲(chǔ)器的信息變?yōu)?.此時(shí)，程序可以在芯片中固化程序。 2764A是一款電可編程，UV擦除只讀存儲(chǔ)器，具有+ 5V單電源，8字節(jié)，75mA運(yùn)行電源，35mA保持電流，250ns最大讀出時(shí)間，28引腳直插式封裝，雙排。管腳圖見(jiàn)4-3。 2764A各引腳的含義如下： A0-A12是13個(gè)地址線，可以通過(guò)8K字節(jié)尋址; O0-O7是數(shù)據(jù)輸出線;它是芯片選擇線;它是數(shù)據(jù)輸出選通線;它是編程脈沖輸入端;它是編程電源;它是主要的電源。 4.4.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 其容量，在8031系統(tǒng)里，比較小，此外由于該存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)不用考慮刷新情況，因而簡(jiǎn)單的是與微處理器的接口。但相比于動(dòng)態(tài)RAM，要消耗不小的功率，價(jià)格也不。該設(shè)計(jì)選靜態(tài)RAM，選擇芯片6264。6264管腳配置見(jiàn)于4-4。 各引腳定義如下： A0—A12：片內(nèi)13位地址線；I/O0—I/O7：雙向數(shù)據(jù)線；：片選信號(hào)線；：讀允許信號(hào)線；：寫(xiě)信號(hào)線。 表4-2是6264操作方式。 表4-2 6264的操作方式 方式 D0—D7 X H X X 未選中 （掉電） 高阻 X X L X 未選中 （掉電） 高阻 H L H H 輸出禁止 高阻 H L H L 讀 DOUT L L H H 寫(xiě) DIN L L H L 寫(xiě) DIN 4.4.3 地址鎖存器 鑒于MCS-51微處理器的P0口地址/數(shù)據(jù)BUS，故而當(dāng)程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，地址信號(hào)必須經(jīng)地址鎖存器與地址/數(shù)據(jù)BUS隔離。 74LS373地址鎖存器的管腳配置見(jiàn)圖4-5 當(dāng)74LS373的鎖存控制端G用作地址鎖存器和STB時(shí)，它可以直接連接到微控制器的ALE端子，地址鎖存位置是ALE下降沿。 還有些應(yīng)用系統(tǒng)RAM和I/O容量較大，當(dāng)芯片要的片選信號(hào)比可利用的地址線多，通常用全地址譯碼法。通常，地址譯碼器用74LS138，邏輯功能見(jiàn)表4-3。 C B A 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 其他狀態(tài) x x x 1 1 1 1 1 1 1 1 表4-3 74LS138功能表 如果三根最高位地址線被譯碼器的輸入端占據(jù)使用，片內(nèi)地址線就只有13根地址線，所以每個(gè)8K字節(jié)空間要和8根輸出線分別對(duì)應(yīng)。 6264是8K字節(jié)RAM，所以尋址要13根低位地址線（A0—A12），經(jīng)三八譯碼器后，外圍芯片的片選線即為其它三根高位地址線A13—A15。圖上還有三根地址線—，可使擴(kuò)展三片8K字節(jié)RAM或三個(gè)外圍接口電路。 4.5 8155可編程并行I/O擴(kuò)展接口 4.5.1 8155芯片介紹 8155芯片具有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，訪問(wèn)時(shí)間400ns;單+ 5V電源;兩個(gè)8位，一個(gè)6位并行I / O端口，可編程，14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;40引腳雙列直插式封裝。無(wú)需添加硬件邏輯，8155可以連接到MCS-51微控制器。由于8155具有RAM和I / O端口，因此它是MCS-51微控制器系統(tǒng)中最常用的外設(shè)接口芯片之一。兩個(gè)8位并行I / O端