畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于柔性鉸鏈的微位移設(shè)計(jì)

1、第一章 緒論1.1 柔性鉸鏈簡(jiǎn)介1.1.1 柔性鉸鏈定義柔性鉸鏈作為一種小體積、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙和運(yùn)動(dòng)靈敏度高的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于各種要求微小線位移或角位移、且高精度定位的場(chǎng)合。開創(chuàng)了工作臺(tái)進(jìn)入毫米級(jí)的新時(shí)代。柔性鉸鏈有成千上萬(wàn)的應(yīng)用，如：陀螺儀、加速度計(jì)、天平、控制導(dǎo)彈的噴嘴、控制器 顯示儀、記錄儀、調(diào)整器、放大連桿、計(jì)算機(jī)、繼電器和傳動(dòng)連桿。60年代前后，由于宇航和航空等技術(shù)發(fā)展的需要，對(duì)實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支承，不僅提出了高分辨率的要求，而且對(duì)其尺寸和體積提出了微型化的要求。人們?cè)诮?jīng)過(guò)對(duì)各種類型的彈性支承實(shí)驗(yàn)探索后才逐步開發(fā)出體積小、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙的柔性鉸鏈。隨后柔性鉸鏈在支撐結(jié)

2、構(gòu)、聯(lián)接結(jié)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)和測(cè)量?jī)x器中的得到廣泛應(yīng)用,并獲得了前所未有的高精度和穩(wěn)定性，并日益成熟。 70年代末，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局引入了柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)以放大壓電驅(qū)動(dòng)器的位移，使其設(shè)計(jì)的工作臺(tái)既具有亞納米級(jí)的位移分辨率，又具有相對(duì)較大的行程。 近年來(lái)，柔性鉸鏈以其特殊的性能在精密機(jī)械、精密測(cè)量、微米技術(shù)和納米技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用沒(méi)，尤其是柔性鉸鏈與壓電致動(dòng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)超精密位移和定位。 柔性鉸鏈用于繞軸作復(fù)雜的有限角位移，它的特點(diǎn)是：無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、運(yùn)動(dòng)靈敏度高。柔性鉸鏈有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。1.1.2 柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法柔性鉸鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)彈性形變來(lái)實(shí)現(xiàn)鉸

3、鏈運(yùn)動(dòng)。 施加的彈性變形力會(huì)導(dǎo)致鉸鏈中心點(diǎn)偏移其幾何中心，從而影響柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。柔性鉸鏈用于繞軸做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移，它有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。 1.1.3 柔性鉸鏈類型 柔性鉸鏈可分為單軸柔性鉸鏈和雙軸柔性鉸鏈。單軸柔性鉸鏈的截面形狀有圓形與矩形兩種，如圖1-1所示。圖11 單軸柔性鉸鏈 雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)互成90度的單軸柔性鉸鏈組成的（如圖1-2（a），對(duì)于大部分應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是兩軸沒(méi)有交叉，具有交叉的最簡(jiǎn)單的雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)前杨i部作成圓桿狀（如圖1-2（b），這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且容易加工，但它的截面積比較小，因此縱向強(qiáng)度比圖1-2（a）

4、弱得多。需要垂直交叉和沿縱向軸高強(qiáng)度的雙軸柔性鉸鏈，可采用圖（1-2（c）。圖12 雙軸柔性鉸鏈1.2 柔性鉸鏈的發(fā)展1.2.1 柔性鉸鏈在國(guó)外的研究發(fā)展 在早期美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局設(shè)計(jì)了一體化的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu), 以聯(lián)接x 射線干涉儀和光學(xué)干涉儀。它采用3 級(jí)杠桿, 從驅(qū)動(dòng)點(diǎn)到工作臺(tái)面的位移縮小比達(dá)到10001, 由此降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的要求, 但柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。他們還利用柔性鉸鏈在幾角秒的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)達(dá)到1 微角秒的調(diào)節(jié)精度。為了加大x 射線干涉儀的測(cè)量范圍，德國(guó)設(shè)計(jì)了如圖1-3對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)消除了在主運(yùn)動(dòng)垂直方向上的干涉運(yùn)動(dòng), 測(cè)量范圍達(dá)到了200m。 圖1-3對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柔性

5、鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)70年代美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局引入了柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)以放大壓電驅(qū)動(dòng)器的位移，使其設(shè)計(jì)的工作臺(tái)既具有亞納米級(jí)的位移分辨率，又具有相對(duì)較大的行程。而此時(shí)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)精度高等特點(diǎn)，因此在精密機(jī)械、精密測(cè)量、微米和納米技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 1978 年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局開發(fā)了一個(gè)微定位工作臺(tái)并用于光掩模的線寬測(cè)量。為了能在光學(xué)和電子顯微鏡中使用, 要求工作臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊并能在真空中工作。如圖1-4所示,工作臺(tái)采用了壓電元件驅(qū)動(dòng), 柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大的方案。壓電元件在低頻工作時(shí)的能量耗散為零,因此工作臺(tái)沒(méi)有內(nèi)部熱源。工作臺(tái)可在50 lm 的工作范圍內(nèi),以1 nm或更高的分辨率將物體線

6、性定位。工作臺(tái)還被用于其它顯微物體, 如生物細(xì)胞、空氣污染顆粒和石棉纖維等的尺寸精密測(cè)量。 圖1-4壓電驅(qū)動(dòng)高精度工作臺(tái)1.2.2 柔性鉸鏈在國(guó)內(nèi)外的最新研究發(fā)展 國(guó)內(nèi)最新研究、設(shè)計(jì)了一種柔性壓電式微定位機(jī)構(gòu)。如圖1-5所示，此機(jī)構(gòu)采用壓電陶瓷作為微位移驅(qū)動(dòng)器, 柔性鉸鏈為導(dǎo)向機(jī)構(gòu), 對(duì)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的精密機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)位置進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 在精密滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)的超精密加工機(jī)床上, 增加柔性壓電式微位移機(jī)構(gòu), 可使機(jī)床的定位精度由原來(lái)的1m提高0.01m，且由于柔性鉸鏈的放大作用, 定位行程達(dá)到100m, 顯著改善了機(jī)床的性能, 圖1-5精密機(jī)床工作臺(tái)微定位原理圖能夠滿足精密、超精密定

7、位精度要求. 圖1-5精密機(jī)床工作臺(tái)微定位原理圖目前提出了一種新穎的大行程柔性鉸鏈及應(yīng)用該種柔性鉸鏈作為被動(dòng)關(guān)節(jié)的大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人。如圖1-6所示，該系統(tǒng)能夠在立方厘米級(jí)的工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)精度。如韓國(guó)高等科技大學(xué)的ryu等人研制了三支鏈柔性鉸鏈平面并聯(lián)機(jī)器人， 驅(qū)動(dòng)元件采用壓電陶瓷, 而整體結(jié)構(gòu)中所有被動(dòng)關(guān)節(jié)均采用正圓弧型柔性鉸鏈。由于壓電陶瓷的末端輸出行程有限，為得到并聯(lián)結(jié)構(gòu)末端點(diǎn)較大的工作空間，這里合理的安排了柔性鉸鏈的位置，使得支鏈均構(gòu)成了放大結(jié)構(gòu)。 ryu等在建立了整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的基礎(chǔ)上，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定，并做了大量試驗(yàn)。 最終該系統(tǒng)在x、y 兩個(gè)方向的軸線位移

8、和z方向的角位移可分別達(dá)41微米、47.8 微米和聯(lián)機(jī)器人322.8角秒，而相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分辨率可達(dá)7.6納米、8.2納米和0.057角秒。 圖1-6大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)思路 用柔性鉸鏈為基礎(chǔ)單元，設(shè)計(jì)出柔性鉸鏈的微動(dòng)工作臺(tái)，使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器pzt（具有體積小、分辨率高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)）來(lái)驅(qū)動(dòng)，用電容式傳感器來(lái)測(cè)量該微動(dòng)工作臺(tái)的位移變化量，使用a/d轉(zhuǎn)換，從而使模擬量變?yōu)閿?shù)字量，以便直觀觀察。 該微位移工作系統(tǒng)，由彈性精密微動(dòng)工作臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)微位移量d，使用電容式傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)交流信號(hào)。信號(hào)再通過(guò)處理電路由a/d把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)送入51

9、單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。并通過(guò)d/a轉(zhuǎn)換使其成模擬信號(hào)，通過(guò)pid控制電路的運(yùn)算，由于pid產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，用功率放大器對(duì)其進(jìn)行一定程度的放大， 從而驅(qū)動(dòng)電壓陶瓷驅(qū)動(dòng)器pzt工作柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)的范圍為 100m，分辨率為0.1nm，其方案圖如下：柔性鉸鏈的微動(dòng)工作臺(tái)電容式傳感器進(jìn)行測(cè)量信號(hào)處理電路處理信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換51單片機(jī)d/a轉(zhuǎn)換pid控制電路功率放大led數(shù)值顯示壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器pzt鍵盤輸入控制 2-1方案簡(jiǎn)圖2.2 功能模塊簡(jiǎn)介壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器pzt：用來(lái)驅(qū)動(dòng)平行四桿的微工作移動(dòng)，從而使依附在鉸鏈上的電容的間距產(chǎn)生變化；柔性鉸鏈的微動(dòng)工作臺(tái)：平行四桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)在ac桿上加一個(gè)力f時(shí)，由于四

10、個(gè)柔性鉸鏈的形變，使ab桿在水平方向上產(chǎn)生一位移，而實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)間隙和高分辨率的微動(dòng)； 電容式傳感器電路：通過(guò)電容間距的變化，從而電路產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電壓量，實(shí)現(xiàn)位移量到電壓量的轉(zhuǎn)換，以便于直接觀察與控制；信號(hào)處理電路：用檢波電路與低通電路，濾除高次諧波和干擾信號(hào)，從而得到想要的直流的周期信號(hào)；a/d轉(zhuǎn)換：把輸出地直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并傳入單片機(jī)處理；單片機(jī)：主要用來(lái)控制a/d、d/a轉(zhuǎn)換，并把相應(yīng)的電壓量用數(shù)字顯示出來(lái)，以便直接的觀察了解；d/a轉(zhuǎn)換：把單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，以便為后面的驅(qū)動(dòng)電路提供一定的功率，使之能正常工作；pid控制電路：

11、改進(jìn)反饋控制系統(tǒng)的性能，提高電路的穩(wěn)定性、快速性無(wú)殘差性的理想性能；功率放大：放大輸入的功率，為下級(jí)負(fù)載提供足夠的大的功率；總之，各功能模塊的合理搭配，就實(shí)現(xiàn)了柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)的精密測(cè)量系統(tǒng)。第三章 柔性鉸鏈微動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)3.1 柔性鉸鏈力學(xué)模型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖如2-11，這里采用雙圓弧柔性鉸鏈其繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為：式中：e：材料的彈性模量； t、h：鉸鏈的厚度； b：鉸鏈的高度； r:鉸鏈的圓弧半徑;圖3-1柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖驅(qū)動(dòng)力對(duì)柔性鉸鏈產(chǎn)生一個(gè)繞z軸的力矩mz，使鉸鏈繞z軸偏轉(zhuǎn)z角，而且：mz在y方向產(chǎn)生位移y：3.2 微工作臺(tái)設(shè)計(jì)3.2.1 平行四桿機(jī)構(gòu)以柔性鉸鏈為基本單元的彈性微動(dòng)

12、工作臺(tái)采用壓電伸縮微式位移器驅(qū)動(dòng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。通過(guò)在一塊板材上加工開孔和開縫，使圓弧切口處形成彈性支點(diǎn)（即柔性鉸鏈）與剩余的部分成為統(tǒng)一體，從而組成平行四桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)在ac桿上加一個(gè)力f時(shí)，由于四個(gè)柔性鉸鏈的形變，使ab桿在水平方向上產(chǎn)生一位移，而實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)間隙和高分分辨率的微動(dòng)。 圖3-2 柔性鉸鏈的微動(dòng)工作臺(tái)為增加彈性微動(dòng)工作臺(tái)的承載能力，并提高運(yùn)動(dòng)方向上的剛度，確保工作臺(tái)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力，在不增加工作臺(tái)尺寸（即厚度）的前提下，應(yīng)盡可能增大圖3-2柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)模型柔性鉸鏈細(xì)頸處的厚度，并減小圓弧切口的半徑。在這種情況下，t往往大于或等于。設(shè)計(jì)柔性鉸鏈時(shí)應(yīng)

13、采用條件下的設(shè)計(jì)方法。 3.2.2 微動(dòng)臺(tái)的基本模型及設(shè)計(jì)計(jì)算公式如圖3-2所示的微動(dòng)工作臺(tái)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行下列假設(shè)：工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅在柔性鉸鏈處產(chǎn)生彈性變形，其他部分可認(rèn)為是剛體；. 柔性鉸鏈只產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形，無(wú)伸縮及其他變形。設(shè)四個(gè)柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度k ，那么當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)在外力的作用下產(chǎn)生的平移，每個(gè)柔性鉸鏈所儲(chǔ)存的彈性能為： k2式中，=；k由查表得；外力f所做的功為： 由能量守恒定律：a=4a0，可推導(dǎo)出彈性微動(dòng)工作臺(tái)的剛度值基本設(shè)計(jì)計(jì)算公式： 3.2.3 彈性微動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)時(shí)，首先完成整個(gè)工作的零件圖及裝配草圖，選擇材料，計(jì)算出該工作臺(tái)的質(zhì)量。確定柔性鉸鏈的基本參數(shù)和。柔性鉸鏈

14、的基本參數(shù)，應(yīng)滿足下列工作要求： 柔性鉸鏈內(nèi)部應(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力。在微位移范圍內(nèi)，此條件一般都能滿足。微位移器產(chǎn)生的最大位移輸出時(shí)，微動(dòng)臺(tái)的彈性恢復(fù)力應(yīng)小于微位移器的最大驅(qū)動(dòng)力。微動(dòng)臺(tái)的剛性應(yīng)盡可能大，使其具有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力。根據(jù)微動(dòng)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理，微動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)模型可以簡(jiǎn)化為一階彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，故微動(dòng)臺(tái)的固有頻率： (m彈性為動(dòng)臺(tái)部分的質(zhì)量)本次設(shè)計(jì)中，微動(dòng)工作臺(tái)的尺寸范圍為130mm100mm200mm，固有頻率f=219hz，剛度k= 0.35kg/m,t=2mm,r=1.5mm,m=1.8kg。第四章 硬件設(shè)計(jì)4.1 壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量

15、很小，最多不超過(guò)本身尺寸的千萬(wàn)分之一，別小看這微小的變化，基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)壓電驅(qū)動(dòng)器，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用p-840 預(yù)負(fù)載開/閉環(huán)低壓壓電促動(dòng)器（如圖4-1），其特性如下：（1） 最大行程：180um；（2） 分辨率：小于1nm，最小可達(dá)0.05nm；（3） 剛度：最大可達(dá)1280n/um；（4） 工作溫度范圍：-40+150；（5） 最大推/拉里：可達(dá)30000n/3500n。圖4-1 p-840 預(yù)負(fù)載開/閉環(huán)低壓壓電促動(dòng)器4.2 電容式傳感器4.2.1電容式傳感器原理對(duì)于位移、角位移、振動(dòng)、壓力、加速度以及液面位置、料面位置等物理

16、量的變化換成電容量的變化，構(gòu)成一個(gè)可變的電容器，即電容式傳感器。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，本身發(fā)熱小，適合于非接觸量。缺點(diǎn)是容易受寄生電容的影響和外界干擾。由物理學(xué)可知，兩平行極板組成的電容器如果不考慮非均勻電場(chǎng)引起的邊緣效應(yīng)，其電容量為： （4-1）式中，為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r ，0為真空的介電常數(shù)，0=8.85410-12f/m，r是介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，r空氣1，其他介質(zhì)材料r 1；s為極板覆蓋面積；d為極板間距離。由于被測(cè)量的變化引起電容式傳感器有關(guān)參數(shù)，s，d的變化，使電容量c也隨之變化。據(jù)此，常見電容式傳感器的類型有：變間隙（改變d），變面積式（改變s），變介電常

17、數(shù)式（改變）三種類型。本次設(shè)計(jì)中由于改變電容間距，故采用的是變間隙式電容傳感器12。4.2.2變間隙式電容傳感器圖4-2為變間隙式電容傳感器的原理圖。由式（4-1）可知c與d成反比，如極距有增量-d，電容量產(chǎn)生相應(yīng)增量+c。圖4-2為變間隙式電容傳感器 （4-2）由冥級(jí)數(shù)展開式： （4-3）略去非線性項(xiàng)后得： 設(shè) （4-4）電容式傳感器靈敏系數(shù)的物理意義是單位位移引起的電容量相對(duì)變化大小。由于略去非線性項(xiàng)引起的相對(duì)非線性誤差為： （4-5）可見極板間距越小，有利于提高林敏度，但間距d過(guò)小易造成極板板間介質(zhì)擊穿，并且增加了極板的加工與安裝難度。差動(dòng)變間隙式電容傳感器為了改善非線性，

18、并增加電容變化量，采用差動(dòng)式（圖4-3）。圖4-3差動(dòng)變間隙式電容由式（4-3）有同理，又有 接成差動(dòng)式，使輸出為兩電容量差，有略去高次項(xiàng)得近似線性關(guān)系為： （4-6）則由差動(dòng)式的靈敏系數(shù)： （4-7）相應(yīng)的非線性誤差： （4-8）比較式（4-4）與式（4-7），式（4-5）與式（4-8），知差動(dòng)式可使靈敏度提高一倍，非線性誤差也大為減少。 故本次設(shè)計(jì)采用差動(dòng)變間隙式電容傳感器。4.3電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路4.3.1交流電橋（調(diào)幅電路） 圖4-4變壓器電橋的電路所示，c1與c2 以差動(dòng)形式接入相鄰兩個(gè)橋臂，另兩個(gè)橋臂接變壓器的二個(gè)次級(jí)線圈12.圖4-4變壓器電橋的電路當(dāng)交流電橋處于平衡位置時(shí)，電

19、容傳感器的起始電容量c1與c2 相等，兩者容抗相等， 電容傳感器工作在平衡位置附近時(shí)，有電容變化量輸出時(shí)，則，根據(jù)式（4-1）有：； 由圖知，次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為，則空載輸出電壓為： （4-9）又有： ； （4-10）可見電橋輸出電壓除與被測(cè)量變化有關(guān)外，還與電橋電源電壓有關(guān)，要求電源電壓采取穩(wěn)幅和穩(wěn)頻措施。4.3.2 精密檢波電路圖4-5為線性全波檢波電路原理圖3圖4-5 線性全波檢波電路該電路取r1=r3=r4=r5=r2/2。在調(diào)幅波us為正半周期，d1截止，d2導(dǎo)通，即n1運(yùn)放閉環(huán)導(dǎo)通，則n1的輸出電壓ua為：n2組成相加放大器，其輸出為： 在調(diào)幅波us為負(fù)半周期時(shí)，d1導(dǎo)通，d2截止

20、，即ua=0，u0 =us，所以從而得到全波整流信號(hào)，同時(shí)n2與r3、r4、c等構(gòu)成低通濾波器，去除混在u0的高次諧波，得到只含直流量的周期信號(hào)。4.4 ad7703ad7703為20腳雙列直插式封裝.圖4-6所示ad7703是美國(guó) ad公司生產(chǎn)的20位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ，它的非線性為0.0003%，并具有可選的校驗(yàn)方式以及溫度工作范圍寬 (一般為-40 - 80)、抗干擾能力強(qiáng)、靈活的串行接口等特點(diǎn)，適用于工業(yè)測(cè)控過(guò)程、便攜式儀表等領(lǐng)域的信號(hào)采樣。4.4.1 各引腳定義mode:.串行口方式選擇端，mode為1時(shí)為內(nèi)同步，mode為0時(shí)為外同步；clkin：時(shí)鐘輸入端.當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，clkin

21、為外時(shí)鐘輸入端，clkout端不用；clkout：時(shí)鐘輸出端.當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳為內(nèi)時(shí)鐘輸出端； sc1和sc2：系統(tǒng)校準(zhǔn)方式選擇端，可組合選擇ad7703的校準(zhǔn)方式.；dgnd和agnd：數(shù)字地與模擬地；avdd avss：模擬正負(fù)電源.通常為5v；dvdd dvss：數(shù)字正負(fù)電源.通常為5v；ain：模擬信號(hào)輸入端.范圍為0-+2.5v（.單極性時(shí)）或2.5v（雙極性時(shí)）；vref：參考電源電壓輸入端.通常接+2.5v基準(zhǔn)電壓；sleep：睡眠工作方式設(shè)置端，此腳接地時(shí)為睡眠工作方式；bp/up端：?jiǎn)坞p極性輸入方式選擇端，低電平時(shí)為單極性，高電平時(shí)為雙極性；cal：校準(zhǔn)控制端，cal=

22、1時(shí)啟動(dòng)自校準(zhǔn)；cs：片選端.當(dāng)cs=0時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)； drdy：數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備信號(hào)，為低時(shí)表示數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，該腳變?yōu)楦唠娖?；scl：串行時(shí)鐘輸入/輸出端；sdata：.串行數(shù)據(jù)輸出端；圖4-6 ad77034.4.2 ad7703的工作方式ad7703的串行數(shù)據(jù)接口的兩種方式由mode信號(hào)選擇。當(dāng)mode=1時(shí)，工作在片內(nèi)時(shí)鐘同步scc方式，數(shù)據(jù)由片內(nèi)產(chǎn)生的串行時(shí)鐘sclk同步控制輸出。當(dāng)mode=0時(shí)，ad7703工作在外部時(shí)鐘同步sec的方式，這是一種比較常用的方式 ，本次設(shè)計(jì)就采用該方式，采用sec方式讀數(shù)據(jù)時(shí)，要求51單片機(jī)的p1.3能為ad7703提供外部同

23、步時(shí)鐘以便讀出數(shù)據(jù)。圖4-7是ad7703工作在sec方式下的一種典型應(yīng)用連接圖。 圖4-74.5 mc-51單片機(jī) mc-51單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。按功能可分為：微處理器（cpu）、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器（ram）、程序儲(chǔ)存器（rom）、并行口（p0、p1、p2、p3）、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（sfr）【5】。圖4-8所示為80c51雙列之插封裝方式的引腳。其40個(gè)引腳按功能，可分為3類：（1）電源及時(shí)鐘引腳：vcc、vss；xtal1、xtal2 vcc：接+5v；vss：接地； xtal1：接外部晶體的引腳，是內(nèi)部反相

24、放大器的輸入端，其構(gòu)成了內(nèi)部振蕩器，外接晶體振蕩器時(shí)，該引腳接地；xtal2：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。若采用外部時(shí)鐘振蕩器，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器信號(hào)。（2）控制引腳：、ale、rset（即rst）rst/vpd：rst為復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效；vpd為本引腳第二功能，即備用電源的輸入端；：ale為地址鎖存允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale輸出信號(hào)的負(fù)跳沿用作低8位地址的鎖存信號(hào)。為本引腳第二功能，在對(duì)片內(nèi)eprom型單片機(jī)編程寫入，該引腳為編程脈沖輸入端；：程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端。在單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳輸出的負(fù)脈沖作為讀外部程序存

25、儲(chǔ)器的選通信號(hào)；：為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇端，當(dāng)端為高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在pc超過(guò)0fffh時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)為低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。（3）i/o口引腳：p0、p1、p2、p3，為8為i/o口引腳的外部引腳p0口：雙向8為三態(tài)i/o口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口；p1口：8位準(zhǔn)雙向i/o口；p2口：8位準(zhǔn)雙向i/o口，與地址總線（高8位）復(fù)用；p3口：8位準(zhǔn)雙向i/o口，雙功能復(fù)用口。圖4-8 80c51雙列之插封裝方式的引腳4.6 led顯示器與鍵盤接口led是發(fā)光二極管的縮寫。led顯示器由發(fā)光二極管構(gòu)成的，所以在顯示器前面冠以

26、“l(fā)ed”。led顯示器有共陰極和共陽(yáng)極之分。常用led顯示器有7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)共計(jì)8段。各段與各字節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下代碼位d7d6d5d4d3d2d1d0顯示段dpgfedcba鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳遞命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。圖4-9是led顯示器與鍵盤接口與單片機(jī)的連接圖5圖4-94.7 dac1220dac1220是一種非常適合于過(guò)程控制場(chǎng)合的低功耗d/a轉(zhuǎn)換器。它采用-轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了位線性轉(zhuǎn)換，通過(guò)內(nèi)置的滿度、零點(diǎn)和線性修正寄存器，可以自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)功能，保證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。 圖4-10為其引腳排列圖，其引腳功能如下：dvdd:數(shù)字電

27、源，通常為； xout:系統(tǒng)時(shí)鐘輸出；xin:系統(tǒng)時(shí)鐘輸入；dgnd數(shù)字地；avdd:模擬電源，通常為；dnc:空；c1、c2：濾波電容；vout:直流電壓輸出；vref:基準(zhǔn)電壓輸入；agnd：模擬地；cs：片選信號(hào)輸入；sdio：串行數(shù)據(jù)輸入輸出；sclk：串行數(shù)據(jù)輸入輸出的時(shí)鐘輸入。圖4-10 dac1220引腳排列圖dac1220的內(nèi)部重要寄存器：指令寄存器、命令寄存器 （1）指令寄存器（insr）每次串行通信都必須以向指令寄存器中寫指令開始。它決定了要訪問(wèn)dac1220中哪個(gè)寄存器，訪問(wèn)多少字節(jié)，是寫還是讀。mb1mb00a3a2a1a0:用于設(shè)定下一步對(duì)寄存器進(jìn)行讀操作還是寫操作；

28、 mb1、mb0：用于設(shè)定下一步將要進(jìn)行讀寫操作的字節(jié)長(zhǎng)度； a3、a2、a1、a0：用于設(shè)定下一步將要訪問(wèn)的寄存器。（2）命令寄存器（cmr）命令寄存器由2個(gè)字節(jié)組成，決定了dac1220的工作方式和狀態(tài)第1個(gè)字節(jié)adptcalpinsh010crstx第0個(gè)字節(jié)resclrdfdisfbdmsbmd1md0res:設(shè)定轉(zhuǎn)換位數(shù)，=0,16位；=1,20位；clr：清數(shù)據(jù)輸入寄存器，使輸出電壓為0；df：設(shè)定輸出電壓形式，=0，雙極性；=1，單極性；disf：設(shè)定內(nèi)置濾波器使能；bd:設(shè)定寄存器字節(jié)地址的遞增遞減方向。=0，遞減；=1，遞增；msb：用于控制字節(jié)在串行傳輸時(shí)，是先送高位還是低

29、位；md1、md2：設(shè)定dac1220工作方式adpt：自適應(yīng)濾波器使能位；sh：采用/保持器接入使能位；crst:校準(zhǔn)寄存器復(fù)位使能位。dac1220與mc51單片機(jī)的接口電路如下圖4-11圖4-114.8 pid調(diào)節(jié)器 在控制系統(tǒng)中，為了改變反饋控制系統(tǒng)的性能，人們經(jīng)常選擇各種各樣的校正裝置，其中最簡(jiǎn)單最通用為比例-積分-微分校正裝置，簡(jiǎn)稱pid校正裝置或pid控制器。一般在合理地優(yōu)化kp（比例增益），ki（積分增益）和kd（微分增益）的參數(shù)后，可以使系統(tǒng)具有提高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、無(wú)殘差等理想的性能9。 圖4-12所示為p、pi、pd三種運(yùn)算電路串聯(lián)構(gòu)成的pid調(diào)節(jié)電路10。假設(shè)各電路的輸

30、入阻抗很大，輸出阻抗足夠小，則各電路串聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)為各傳遞函數(shù)的乘積。圖4-12 pid調(diào)節(jié)電路pid運(yùn)算電路總的傳遞函數(shù)為：通常要求，可忽略，得 式中 ； ； 、 、稱為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)整定參數(shù)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整4.9 功率放大電路在實(shí)用電路中，往往要求放大電路的輸出級(jí)輸出一定的功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放。功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是在追求電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。本文采用lm386型號(hào)的集成功率放大電路，圖4-13所示為lm386電壓增益最大法3，c3使引腳1和8在交流通路中短路，使a

31、u200；c4為旁路電容；c5為去耦電容，濾掉電源的高頻交流成分。 圖4-13 lm386電壓增益最大法靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為vcc/2，lm386的最大不是真輸出電壓峰峰值約為電源電壓vcc。設(shè)負(fù)載電阻為rl，最大輸出功率為：第五章 軟件設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1.李慶祥，王東生，李玉和編著.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2009.3:163-1882.史習(xí)敏，黎永明編著.精密機(jī)械設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19873.童詩(shī)白，華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，2009.1:453-456,480-5004.閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社，2009.12：506-

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