步進(jìn)驅(qū)動(dòng)液壓工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1緒論11引言近年來，汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車輪轂軸承單元的制造技術(shù)在不斷發(fā)展，將旋壓用于輪轂軸承單元的軸鉚合裝配，是當(dāng)前輪轂單元制造技術(shù)的最新進(jìn)展。旋壓（擺動(dòng)碾壓）是一種新興的壓力加工方法，屬于局部加壓，連續(xù)成形，具有省力零件尺寸精度高振動(dòng)小噪音低投資小等優(yōu)點(diǎn)。從七十年代開始，在世界鍛造行業(yè)被廣泛應(yīng)用，軍工產(chǎn)品如導(dǎo)彈殼的制造等是其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前在國內(nèi)的研究還處于空白狀態(tài)，設(shè)計(jì)開發(fā)出用于輪轂軸承單元軸端鉚合裝配的專用生產(chǎn)設(shè)備，將填補(bǔ)國內(nèi)空白，使有關(guān)軸承生產(chǎn)企業(yè)突破新型輪轂單元裝配制造的工藝瓶頸，有重大創(chuàng)新意義。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)床設(shè)計(jì)的一部分，其起作為鉚接過程驅(qū)動(dòng)力來源，它的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器的用途、特點(diǎn)和要求，利用液壓傳動(dòng)的基本原理，擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖，再經(jīng)過必要的計(jì)算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格和進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的鉚接機(jī)相比，本液壓系統(tǒng)增加伺服控制環(huán)節(jié)，通過壓力傳感器檢測(cè)鉚接過程的壓力，并發(fā)出電信號(hào)控制換向卸荷回路，能有效保證鉚接精度和質(zhì)量。這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新。液壓站的總體設(shè)計(jì)作為機(jī)床設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，其包括液壓油箱、液壓泵裝置及液壓控制裝置三大部分的設(shè)計(jì)。在總體方案中圍繞布局合理，整理美觀，維修方便的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。12最新汽車輪轂軸承鉚接工藝應(yīng)用在傳統(tǒng)的第三代輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)內(nèi)圈是用鎖緊螺母牢固地連接在一起的，而新結(jié)構(gòu)的第三代輪轂軸承單元是通過軸端的旋壓鉚裝，軸向力使帶凸緣的內(nèi)圈產(chǎn)生塑性變形，與小內(nèi)圈壓緊而成，如圖1所示。圖1用于非驅(qū)動(dòng)輪的第三代鉚裝輪轂軸承單元去掉螺母有助于減小輪轂單元的重量和尺寸，驅(qū)動(dòng)輪和非驅(qū)動(dòng)輪都適用。采用旋壓鉚裝工藝，可靠性將得以提高，即使連接螺母松動(dòng)，軸承自身也可以提供預(yù)載保證。通過運(yùn)轉(zhuǎn)耐久性試驗(yàn)和靜強(qiáng)度試驗(yàn)及實(shí)際車輛試驗(yàn)可以確定，鉚裝式輪轂單元等同于甚至優(yōu)于帶鎖緊螺母的傳統(tǒng)型輪轂軸承。在保證高可靠性的前提下，重量和尺寸減小，滿足了當(dāng)前的市場(chǎng)發(fā)展需求，具有巨大的市場(chǎng)競爭力。13鉚接機(jī)鉚接質(zhì)量情況輪轂軸承單元軸端鉚質(zhì)量是整個(gè)輪轂軸承單元裝配的重要技術(shù)指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)鉚接過程，傳統(tǒng)做法是確定不同的鉚接行程，調(diào)整死頂塊的距離，達(dá)到不同的鉚接效果，其缺點(diǎn)是對(duì)操作要求高，調(diào)整過程困難，鉚接過程往往出現(xiàn)工件被壓壞，或是鉚接行程不夠，鉚接精度和質(zhì)量達(dá)不到理想的鉚接實(shí)驗(yàn)效果?；谝话愕你T接機(jī)的缺點(diǎn)，現(xiàn)提出鉚接驅(qū)動(dòng)過程實(shí)行伺服控制思路。在液壓系統(tǒng)中增加伺服控制環(huán)節(jié)，通過壓力傳感器檢測(cè)鉚接過程，并發(fā)出電信號(hào)控制換向卸荷回路，鉚頭鉚接動(dòng)作將得到精確的控制，通過調(diào)整壓力傳感器的不同值將可以達(dá)到理想的鉚接實(shí)驗(yàn)效果，有效保證鉚接精度和質(zhì)量。14汽車輪轂軸承單元的國內(nèi)外情況調(diào)查141國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r隨著前置驅(qū)動(dòng)轎車的飛速發(fā)展，國外輪轂軸承發(fā)生了很大的變化，已從傳統(tǒng)的分離式軸承發(fā)展到軸承單元，經(jīng)歷四代的發(fā)展。汽車輪轂軸承單元的作用主要是承受汽車的重量并為輪轂的傳動(dòng)提供精確的向?qū)А］嗇炤S承既承受徑向載荷又承受軸向載荷，是一個(gè)非常重要的安全件。（1）第一代輪轂軸承由整體外圈的兩套單列軸承組成，帶密封圈，脂潤滑。（2）第二代輪轂軸承單元將第一代輪轂軸承改成整體凸緣外圈，根據(jù)外圈旋轉(zhuǎn)還是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，有兩種類型。（3）第三代輪轂軸承單元是第二代的改進(jìn)型，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)型輪轂單元的內(nèi)圈緣與輪轂合成一體。在這一代輪轂軸承單元中，有許多增加了嵌入式高性能感器。（4）第四代輪轂軸承單元把等速萬向節(jié)與軸承做成整體化，這種形式廢除輪轂花鍵軸，更加小型化，安裝更加合理。未來的汽車輪轂軸承，總的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、多功能化、集成化和智能化。就目前來看，國外廣泛使用第三代汽車輪轂軸承，并且?guī)в蟹辣乐苿?dòng)系統(tǒng)ABS輪轂單元已研制出來并批量生產(chǎn)。而且輪轂軸承與車輪支承連為一體的第四代輪轂軸承單元也已研制成功，離實(shí)用化不遠(yuǎn)?，F(xiàn)在國產(chǎn)車大多仍采用傳統(tǒng)的兩套單獨(dú)的圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，這種結(jié)構(gòu)在汽車裝配時(shí)要經(jīng)過調(diào)整游隙、預(yù)緊、加脂等諸多工序，參雜較多人為控制因素，裝配難度較大，從而造成汽車裝配線加長，成本過高且可靠性差，難以適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競爭。我國在汽車輪轂軸承單元開發(fā)研制方面起步較晚，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造尚停留在仿制階段，目前成系列開發(fā)生產(chǎn)的輪轂軸承單元只到第二代，第三代還處于試制階段。2機(jī)床的總體方案和工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)，其由主軸電機(jī)、立拄、底座、工作臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)等組成，如圖2所示圖2機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)圖1主軸電機(jī)2立拄3底座4工作臺(tái)5步進(jìn)電機(jī)22主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算221絲桿的設(shè)計(jì)和計(jì)算因?yàn)榻z桿直接支撐工作臺(tái)和調(diào)節(jié)工作臺(tái)的高低，絲桿承受了絕大部分的鉚接力，所以有必要對(duì)絲桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算來選擇其尺寸。222絲桿的強(qiáng)度計(jì)算受力較大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。由于絲桿在此處工作時(shí)只承受軸向壓力（或拉力）F的作用而不受扭矩T的作用所以其強(qiáng)度條件為22143CAFAD則其螺桿強(qiáng)度的計(jì)算公式為41選擇絲桿的材料為45，查簡明手冊(cè)，屈服極限S353MPS,安全系數(shù)為5，則許用應(yīng)力為706MPS，絲桿所受的軸向壓力F150000N35根據(jù)螺桿強(qiáng)度的計(jì)算公式4105279FM1D根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，選取絲桿的大徑尺寸為D110MM,小徑103MM,螺距為1DP3MM。223絲桿的穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)于長徑比較大的受壓絲桿，當(dāng)軸向力F大于某一臨界值時(shí)，絲桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性；因此，在正常情況下，絲桿承受的軸向力F必須小于臨界載荷。則絲桿的穩(wěn)定性條件為CRFCRSS式中絲桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)SCS絲桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，因?yàn)榻z桿為傳力螺旋，所以取4SSS根據(jù)歐拉公式，2CREIFL式中E為絲桿材料的拉壓彈性模量，I為絲桿危險(xiǎn)截面5061MPA的慣性矩，單位為，為絲桿的長度系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)表416DI4M514查得060，為螺母中部到另一端支點(diǎn)的距離，則L3435481220613106CREDFNL則8140345CRSSF由此可見絲桿能夠滿足穩(wěn)定性要求。224螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞,一般螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿,故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度。如圖544所示，如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋的螺紋大徑D（單位為MM）處展開，則可看作寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承D受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑（單位為MM）為直徑的圓周上，F(xiàn)U2D則螺紋牙危險(xiǎn)截面AA的剪切強(qiáng)度條件為B螺紋牙危險(xiǎn)截面AA的彎曲強(qiáng)度條件為26BBFLDU式中D110MM為絲桿大徑，B為螺紋牙根部的厚度，對(duì)于矩形螺紋B05P05X84MM，為螺紋的工作圈數(shù)，則75108HP15014MA查機(jī)械設(shè)計(jì)表513，螺母的材料取青銅，其許用剪切應(yīng)力3040MPA，小于許用剪切力，所以滿足要求。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)式（551）可得螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件為26BFLD式中L為彎曲力臂，則1035L2267410BLMPA查機(jī)械設(shè)計(jì)表513，螺母的許用彎曲應(yīng)力60MPA，所以滿足強(qiáng)度要求。B3步進(jìn)電機(jī)工作原理及電機(jī)選型31步進(jìn)電機(jī)原理分析步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行是由脈沖信號(hào)控制的，步進(jìn)電機(jī)在脈沖信號(hào)的有效沿到來的時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。常見的步進(jìn)電機(jī)分三種永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為75度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為15度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相兩相步進(jìn)角一般為18度而五相步進(jìn)角一般為072度。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語相數(shù)產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用M表示。拍數(shù)完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用N表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA步距角對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為360度/（504）18度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為360度/（508）09度（俗稱半步）。定位轉(zhuǎn)矩電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）靜轉(zhuǎn)矩電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖3所示圖3力矩頻率圖其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。如下圖4所示圖4負(fù)載特性圖步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180250PPS之間（步距角18度）或在400PPS左右（步距角為09度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳BBCCDDA時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈ACABCAB時(shí)為反轉(zhuǎn)。三、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下圖5步進(jìn)電機(jī)工作原理框圖步進(jìn)電機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)所能承受的最高控制頻率為啟動(dòng)頻率FQ,是衡量步進(jìn)電機(jī)快速性能的重要技術(shù)參數(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載的啟動(dòng)頻率比空載的啟動(dòng)頻率要低。為了防止步進(jìn)電機(jī)掉步，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率不應(yīng)過高，啟動(dòng)后在逐漸升高脈沖頻率。在停止時(shí)，也應(yīng)該逐漸降低脈沖頻率。32步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)、存在著振動(dòng)與噪音，與交流伺服系統(tǒng)比較起來是其明顯的缺點(diǎn)之一。但這不影響它的使用性、適當(dāng)?shù)夭扇∫恍┐胧?，可以使振?dòng)及噪音降到滿意的程度。低頻共振、倍頻共振。所有同步電動(dòng)機(jī)都有固有振動(dòng)頻率、步進(jìn)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)特殊品種之一，同樣存在著固有振動(dòng)頻率，在該頻率下工作，電機(jī)呈現(xiàn)低頻共振現(xiàn)象，按步進(jìn)電機(jī)理論，共振角頻率為JZRDQM0低頻共振頻率為F020式中。為矩角特性起始力矩梯度。當(dāng)矩角特性接近正弦波時(shí)，即MMDQSINQ時(shí)。則起始力矩梯度為MM，即為保持力矩。J為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。DQM它包括轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。如果電機(jī)的工作頻率處于FO左右的小區(qū)間內(nèi)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生共振。此時(shí)表現(xiàn)為負(fù)載力矩下降、噪音增加，嚴(yán)重時(shí)電機(jī)會(huì)失步而不能工作，一般都要采取一些措施，吸收振動(dòng)能量，使電機(jī)振動(dòng)降低，電機(jī)力矩不會(huì)下降，電機(jī)不失步。一般地說，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)因其內(nèi)阻尼較弱，振動(dòng)比較強(qiáng)。大功率步進(jìn)電機(jī)需加機(jī)械阻尼裝置。永磁式與混合式步進(jìn)電機(jī)因其內(nèi)阻尼較強(qiáng)，其共振相對(duì)減弱。不加機(jī)械阻尼裝置也不會(huì)失步。這是混合式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一。步進(jìn)電機(jī)低頻共振現(xiàn)象是客觀存在的33抑制步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的辦法及措施步進(jìn)電機(jī)都存在內(nèi)阻尼，這是由于電機(jī)振動(dòng)時(shí)，在定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，在該電勢(shì)作用下產(chǎn)生一個(gè)電流，它與轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向相反，起到阻尼作用，實(shí)質(zhì)是振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能被吸收掉，從而抑制振動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)內(nèi)阻尼小，其抑制振動(dòng)能力有限，因而需外加機(jī)械阻尼器。永磁式與混合式轉(zhuǎn)子裝有永磁磁鋼，其內(nèi)阻尼大，能較好地抑制振動(dòng)，這種電機(jī)都不加阻尼器，它雖然存在振動(dòng)，但一般不會(huì)失步。這體現(xiàn)了混合式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。在某些系統(tǒng)中因其工作速度的要求，工作在電機(jī)的共振區(qū)，更有甚者負(fù)載的共振頻率與電機(jī)的共振頻率接近。為了抑制共振，只有采取措施改變系統(tǒng)的共振頻率。34步進(jìn)電機(jī)計(jì)算及選型步進(jìn)電機(jī)的局部裝配圖如圖6所示圖6局部裝配圖1）根據(jù)條件工作臺(tái)壓力15000N,上升精度1UM,大齒輪分度圓D1360MM,步進(jìn)電機(jī)齒輪分度圓D254MM,螺距P3MM根據(jù)條件得I1/75X/3601/751/3000X09度2步進(jìn)電機(jī)分類1、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。2、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是750。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）。這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。3）最后選型為90BYG4501（2相）步進(jìn)電機(jī)3590BYG4501的參數(shù)圖7電機(jī)性能圖圖8電機(jī)尺寸圖4控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)41微控部分（模擬模式）工作臺(tái)的升降由步進(jìn)電機(jī)控制，通過電腦端輸出控制命令，經(jīng)單片機(jī)的處理控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)LCD1602反饋信息。如圖9所示圖9控制示意圖控制器芯片，采用ATMEL公司的ATMAGA16L單片機(jī)作為主控制器。ATMAGA16L是一個(gè)低功耗，高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K空間的可反復(fù)擦些100,000次的FLASH只讀存儲(chǔ)器，具有2KBYTES的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)IO口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，四通道PWM，內(nèi)置8路10位ADC。且ATMEGA系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆32個(gè)寄存器文件和單體高速輸入/輸出的方案即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯。提高了指令執(zhí)行速度1MIPS/MHZ，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；同時(shí)又減少了對(duì)外設(shè)管理的開銷，相對(duì)簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故AVR單片機(jī)在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。AVR單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的FLASH程序存儲(chǔ)器，擦寫方便，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長壽命的EEPROM可長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的RAM不僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級(jí)語言開發(fā)系統(tǒng)程序,并可像MCS51單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部RAM。AVR單片機(jī)片內(nèi)具備多種獨(dú)立的時(shí)鐘分頻器，分別供URAT、I2C、SPI使用。其中與8/16位定時(shí)器配合的具有多達(dá)10位的預(yù)分頻器，可通過軟件設(shè)定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時(shí)時(shí)間。AVR單片機(jī)獨(dú)有的“以定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（單）雙向計(jì)數(shù)形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設(shè)計(jì)方法即脈寬調(diào)制輸出PWM”更是令人耳目一新。增強(qiáng)性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測(cè)和校驗(yàn)偵錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖、波特率自動(dòng)調(diào)整定位（接收時(shí)）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大超過MCS51/96單片機(jī)的串口，加之AVR單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通訊。面向字節(jié)的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI與I2C接口兼容，具備ACK信號(hào)硬件發(fā)送與識(shí)別、地址識(shí)別、總線仲裁等功能，能實(shí)現(xiàn)主/從機(jī)的收/發(fā)全部4種組合的多機(jī)通信。SPI支持主/從機(jī)等4種組合的多機(jī)通信。AVR單片機(jī)有自動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測(cè)電路BOD，多個(gè)復(fù)位源自動(dòng)上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD復(fù)位，可設(shè)置的啟動(dòng)后延時(shí)運(yùn)行程序，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。AVR單片機(jī)具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運(yùn)行（527V），抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般8位機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)工作量和硬件的使用量。AVR單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件包括FLASH程序存儲(chǔ)器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等和多種功能增強(qiáng)可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、具替換功能的I/O端口于一身，充分體現(xiàn)了單片機(jī)技術(shù)的從“片自為戰(zhàn)”向“片上系統(tǒng)SOC”過渡的發(fā)展方向。42M16的引腳說明圖10ATMEGA16引腳圖AVR單片機(jī)的I/O線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入/輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（可省去功率驅(qū)動(dòng)器件）等特性，使的得I/O口資源靈活、功能強(qiáng)大、可充分利用43系統(tǒng)板圖11M16L為主的系統(tǒng)板431復(fù)位部分圖12復(fù)位原理圖MEGA16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故AVR外部的復(fù)位線路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡單直接拉一只10K的電阻到VCC即可R0。為了可靠，再加上一只01UF的電容C0以消除干擾、雜波。D31N4148的作用有兩個(gè)作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在VCC05V左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將R010K電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng)AVR在工作時(shí)，按下S0開關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。432晶振電路的設(shè)計(jì)圖13晶振電路MEGA16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時(shí)，建議使用外部的晶振線路。早期的90S系列，晶振兩端均需要接22PF左右的電容。MEGA系列實(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化，仍建議接上。433ISP下載接口設(shè)計(jì)圖14ISP下載接口ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排25插座。由于沒有外圍零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾。434串口通信圖15串口通信圖串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線UNIVERSALSERIALBUS或者USB混淆）。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS232的串口。RS232（ANSI/EIA232標(biāo)準(zhǔn)）是IBMPC及其兼容機(jī)上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)。可用于許多用途，比如連接鼠標(biāo)、打印機(jī)或者M(jìn)ODEM，同時(shí)也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅(qū)動(dòng)和連線的改進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用中RS232的傳輸長度或者速度常常超過標(biāo)準(zhǔn)的值。RS232只限于PC串口和設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。RS232串口通信最遠(yuǎn)距離是50英尺。MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時(shí)提供EIA/TIA232E電平。每個(gè)接收器將EIA/TIA232E電平輸入轉(zhuǎn)換為5VTTL/CMOS電平。這些接收器具有13V的典型門限值及05V的典型遲滯，而且可以接收30V的輸入。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA232E電平。MAX232的工作溫度范圍為0至70，MAX232I的工作溫度范圍為40至85。44驅(qū)動(dòng)板圖16驅(qū)動(dòng)板原理圖5控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)51系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)程序流程圖如下圖17所示圖17程序流程圖52程序清單/MAINC/INCLUDE/包含的頭文件INCLUDEINCLUDEINCLUDE“LCD1602H“INCLUDE“UARTH“VOIDSTEPMOTORUNSIGNEDCHARDIR,INTNUM/轉(zhuǎn)向、步數(shù)UNSIGNEDCHARK,J,CONCODEUNSIGNEDCHARUCODE50X06,0X05,0X09,0X0A,0X00UNSIGNEDCHARDCODE50X0A,0X09,0X05,0X06,0X00FORJ0JINCLUDEINCLUDEDEFINEFOSC8000000DEFINEBAUD19200VOIDPUTCHARUNSIGNEDCHARC/輸出字符WHILEUCSRADDRD0XF8_DELAY_MS20LCD_WRITE_CHAR0X28,0/4BITTESTLCD_WRITE_CHAR0X0C,0/顯示開LCD_WRITE_CHAR0X01,0/顯示清屏LCD_WRITE_CHAR0X06,0/顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置VOIDLCD_EN_WRITEVOID/EN端產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，寫LCDLCD_EN_PORT|LCD_EN_DELAY_US5LCD_EN_PORTVOIDLCD_WAIT_READYVOID/寫等待LCD_DATA_DDR/PD7I/O口方向設(shè)置為輸入LCD_RW_PORT|LCD_RW/RW1LCD_RS_PORT/RS0LCD_EN_PORT|LCD_EN/EN1WHILELCD_DATA_PIN/RW1,讀PD7，為0表示空閑；LCD_EN_PORT/EN0LCD_DATA_DDR|0XF0VOIDLCD_SET_XYUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY/設(shè)置光標(biāo)坐標(biāo)UNSIGNEDCHARADDRESSIFY0ADDRESS0X80XELSEADDRESS0XC0XLCD_WRITE_CHARADDRESS,0VOIDLCD_WRITE_CHARUNSIGNEDCOMMAND,UNSIGNEDDATA/寫函數(shù)UNSIGNEDCOMMAND_TEMP,DATA_TEMPCOMMAND_TEMPCOMMANDDATA_TEMPDATALCD_WAIT_READYLCD_RW_PORT/RW0IFCOMMAND0LCD_RS_PORT|LCD_RS/RS1LCD_DATA_PORTLCD_DATA_PORT|DATA