实验目的

1.了解直流电机PWM的工作原理；

2.用汇编语言编程并用PID调速方法实现直流电机的调速；

3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力；

4.掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法，进一步掌握电路调试等技能。

实验设备

1.天煌单片机综合开发实验台（包含直流电机、51单片机、F/V、A/D、ADC0809等模块）

2.PC机一台

实验原理

1.PWM的调速原理

PWM调速是通过改变输出脉冲的占空比，从而改变电机转速的一种调速方法。PWM调速分为单极性和双极性两种。在单极性方式下，电机的转动方向不变，改变的只是转速；而在双极性方式下，电机的转动方向和转速都是可变的。本实验是单极性控制，其基本原理如下：

假设一个脉冲周期内，高电平电压为Us，持续时间为t1；低电平为0V，持续时间为t2.则脉冲周期T=t1+t2，该周期内平均电压U0=t1*Us/T。令=t1/T，则U0=* Us，α表示占空比。当高电平电压不变的情况下，电机两端电压的平均值U0取决于占空比α的大小。改变α的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。

2.对象模块（PWM电机调速模块）工作原理

直流电机PWM调速模块由测速电路和PWM调速电路两部分组成。模块的电源由接口总线引入。本模块使用的电机为5V直流电机。

1）电机测速部分

①直流电机测速原理介绍

电机测速部分由光电开关完成，电机带动一个周边均匀分布圆孔的金属圆盘，当电机转动时，圆盘跟着一起转动。光源发出的光通过圆孔照射到光电器件上，当圆孔随着电机轴转动时，光电开关可以输出和圆孔数目相同的脉冲，从而测得转速。

②电机测速部分电路说明

光电开关产生与电机转速有一定关系的脉冲后，通过LED显示出此时的频率（由于本次试验仅是对频率的调控，所以之后不再区分转速与频率），信号经F/V转换，转换成电压信号，而单片机只能处理数字信号，所以还要通过A/D转换，模拟信号输入到ADC0809模块中，再由ADC0809模块输入到51单片机中，测速部分完毕。

2）电机调速部分

①PWM调速电路原理及方法说明

上一步的测速结果输出到51单片机中后，与预期转速值转换后的频率值相比较，得到Ek，然后通过PID算法，将频率差值变为电压差值，再通过一定的占空比即PWM输出实际期望电压值，调速完成。

3. ADC0809模块

ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。

ADC0809 START端为A/D转换启动信号，ALE端为通道选择地址的锁存信号。实验电路中将其相连，以便同时锁存通道地址并开始A/D采样转换，故启动A/D转换只需如下两条指令：

MOV DPTR, #PORT

MOVX @DPTR,A

A中为何内容并不重要，这是一次虚拟写。

在中断方式下，A/D转换结束后会自动产生EOC信号，将其与8031CPU板上的INT0相连接。在中断处理程序中，使用如下指令即可读取A/D转换的结果：

MOV DPTR, #PORT

MOVX A, @DPTR

系统组成

1.

系统原理框图

软件设计

1．思路描述

本实验要实现的功能是电机调速。

直流电机调速部分：由于电位器输出为模拟电压，而单片机所能处理的仅为数字信号，所以要经过ADC0809将电位器的输出转换成数字信号。因此编程时要启动IN0，启动A/D转换，并用软件延时一点时间等待转换结果，然后读取转换结果并将其存入指定的寄存器供调用。

直流电机的调节需要改变输出脉冲的占空比，因此需要编写一个能输出方波的子程序。本次试验中，我采用的是计时器，将高低电平的持续时间经过计算，变为计时器的动作步数，从而达到调速的目的。

2.程序流程图

3.程序清单(见附页)

调试说明

1.实验现象

当电位器旋到最小电压输出时，电机停止旋转，LED模块显示“00”；逐步增大电位器的电压输出，直流电机的转速逐步加快，LED显示增大；当电位器旋到最大电压输出时，电机转速最大，LED显示“FF”。

2.列举问题

LED显示由“00”逐渐增大到“FF”过程中显示正常，但是过一段时间后变为“00”，并不再改变。

3.原因分析

经分析为计数器计数溢出。计数器记录的是方波脉冲，再从“00”增大到“FF”过程中是可以正常计数，但当计数超过“FF”时，计数器发生溢出，所以显示变成“00”。可以通过添加中断程序，当计数器发生溢出时，CPU响应中断，并将计数器清零，重新计数可以解决此问题。

4.实验总结

（1）实验实现功能

本实验实现了通过PWM方法使输出电压改变从而改变直流电机转速的目标，并且电机的转速可以显示出来。因此，本实验既达到了动态调节电机转速，又实现了实时检测电机运转情况。

（2）实验不足及改正意见

本实验虽然实现了最初的目标，但是经过PID方法调速，PWM技术调节电压，还是存在一定的误差，主要是忽略了微分环节，限于实验条件，结果还是可以接受。

另外，此实验只利用了单片机的某一些端口, 并且也是一些不很复杂的输出和输入，数据转换功能，并未充分利用单片机的片内资源。就这一点来看，由本实验出发，单片机所能实现的功能还有待进一步在后续的试验中继续开发。实验编程使用的是汇编语言,具有编写的程序效率高，占用的存储空间小，运行速度快，能直接管理和控制硬件设备,直接访问存储器及 I/O 接口电路等优点。但其可读性和可维护性较差，编写程序需要对硬件电路及存储器特别了解,是设计程序时不能把精力全部集中到程序所能实现的功能上。如果程序很长的话，无论是读懂还是修改都是一件很麻烦的事。因此，建议适当学习高级语言，如C语言的单片机程序编写。可以减少在程序设计阶段一些不必要的麻烦。

实验总结

通过一学期的单片实验，学到了很多有用的东西。特别是单片机综合实验，让我对单片机和汇编语言程序设计都有了新的理解。首先，对 MCS-51 单片机的工作原理和具体的功能实现有了一个更高的认识。对于硬件电路，以前只是大概了解，实验后，对单片机的各个端口，寄存器都有了一个比较系统的认识。其次，学会了汇编语言的程序编写。汇编语言具有编写的程序效率高，占用的存储空间小，运行速度快等优点，相比于高级语言和机器语言都有一定的优势。因此，掌握汇编语言的程序编写对于以后的学习都会有很大的帮助。另外，汇编语言的学习还可以帮助理解单片机的硬件电路工作原理，一举两得。再次，单片机的功能很强大，所能实现的功能并不仅限于这些实验。单片机还能实现更多更实用的功能，应该学会触类旁通，举一反三，在实验的基础上创新，开发自己的创造力。最后，学习单片机实验不仅是学会其电路的工作原理和程序编写，更要学会一种学习的方法。对待以后的课程，要有一种细心的态度，就如单片机实验，既要了解硬件电路，知道每一个元件的工作原理和作用，还要知道程序的流程和基本思路，使所掌握的知识系统化、体系化。

第二篇：机电一体化创新实验报告

机电一体化创新实验报告

机电产品简介

机电一体化是以机械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化技术是建立在机械技术，微电子技术，计算机和信息处理技术，自动控制技术，传感与测试技术，电力电子技术，伺服驱动技术，系统总体技术等现代高新技术群体基础之上的一种高新技术。它是当前机械和电气技术发展的趋势，在不同的设备、装置或系统中，机械、电器、计算机、气动或液压、传动器融为一体是及其常见的。

实验主要内容

本次实验是在德国慧鱼公司生产的示教模型上开展的，实验系统分为五大系列，能组合成数十种自动化工业设备模型，多功能的模拟机械装置，并实现电脑仿真运行。模型由许多形状各异的仿真的机械零部件与电子驱动控制元件组成，它把几何造型、三维拼装和计算机语言有机地结合起来，借助于设置动态变量参数则可设定机构运动方向并建立运动学数学模型。通过系统自带的计算机语言对任务进行编程，使生成的指令数据作用于模型。它是机电一体化的产品，是由一套完整的机械电子系统组成。

实验步骤：

1、了解各种元件的基本组成，分析机械装置的主要结构和部件机构的运动方式，根据装置图来组装“三自由度机械手”

2、按照电路连线图将机械手的电机，计数器，行程开关及限位开关与计算机数据线连接好。

3、用软件(LLwine)对机械手进行自动控制，同时验证编程语言与模型的运动状态的正确性。

4、观摩、测量并绘制机械结构运动简图

5、分析模型的装备设计及传动原理

6、创新设计，写实验报告

三自由度机械手分析

1.机械结构

主要结构：

底座、机械手臂、机械爪等运动机构

共有3个自由度。它用到3个电动机，分别为机械手开合控制电机、机械手摇臂上下控制电机、机械手转盘控制电机。6个行程开关，其中 3个限位开关，3个计数器。

功能：用相关软件控制机械手搬运工件。

底座系统：固定在桌面上，安装有控制电路板，并在底座上开有电源接口和信号接口，方便数据交换。

转盘系统：转盘系统与底座系统之间通过蜗杆传动，蜗杆在电动机的驱动下带动转盘旋转。

电动机：电动机是动力，每个电动机的工作都由相关软件来控制，从而使得机械手可以作预定的动作。在电动机的驱动下，立柱能够实现左右旋转运动；机械手臂能够实现上下运动；机械手指接在机械手臂的终端，能够自由张合，使机械手可以模拟人手作取物等动作。

电源接口：外界电源通过该接口向整个系统提供能源。

信号接口：计算机软件通过该接口向系统提供数据命令。

2.传动原理

三自由度机械手模型是采用了蜗轮蜗杆传动机构、螺杆机构和圆柱齿轮传动机构的组合机构。

由计算机的软件进行控制，由3台电动机分别驱动三传动机构，有3个自由度，分别对应于转盘、机械手臂、机械手的3个转动轴。转盘能够实现角度圆周旋转，机械手臂能够实现一定范围的上下摆动，机械手则能够实现张开和闭合动作，以实现松开和夹紧物体。

通过3条传动链可以实现搬运物体的的搬运动作。

机械手的动作原理：转盘由电机1控制，转到工件被放置的地方（压紧E6，由计数器E2进行计数），机械手臂向下运动（由M2提供能量，压紧E3，计数器E4进行计数），机械手指夹料，夹紧后机械手臂上摆一个设计时定的角度（压紧E3），机械手臂水平回转一个设定的角度(由E2统计立柱的旋转次数确定或者压紧E6)，机械手臂下摆与上摆时相同的角度(由E5统计带动链轮的蜗杆旋转次数确定)，机械手指张开放料（压紧E1），机械手臂再上摆，水平反转，下摆，同时手指张开，准备夹料。如此重复运动，则可将工件从初始位置移动到指定的位置。

3. 传动链

(1) 传动链1

如图A所示：主要结构是蜗轮蜗杆齿轮传动机构，可以实现机械手绕转盘转动。

图A

(2) 传动链2

如图B所示：主要结构是由链传动机构来它可以实现机械手臂的上下摆动。

图B

由于链传动机构适合功率小,且力矩变化不频繁的机械系统,所以改为液压缸作为动力系统来实现机械手的上下摆动,能更快捷反映系统要求.图如下:

根据液压系统的原理,我们设计液压缸的动作控制液压回路图如下:

(3) 传动链3

如图C所示：可以实现机械手的夹紧和放松。当电机正转时，与锥齿轮相连的螺杆将会旋入，而将机械手指顶开；当电机反转时，与锥齿轮相连的螺杆将会旋出，机械手指就会闭合。

图C

4．传感器

有3个限位开关和3个计数器。

其中限位开关的作用是：E1限定机械手指的开合范围；E3限定机械手臂上下摆动的极限位置；E6限制转盘的圆周角度。

计数器的作用是：E2对带动转盘旋转的蜗杆的旋转次数进行记数； E4对机械爪的驱动轴的旋转次数进行记数；E5对转盘的蜗杆的旋转次数进行记数。

在整个系统的运行过程中，计数器记录蜗杆和机械手指的驱动轴（驱动轴通过万向联轴节带动螺杆旋转）的转数。因为蜗轮蜗杆机构和螺杆机构都是定比传动机构，所以可以间接记录各运动构件的行程，并反馈给计算机程序，从而通过控制电动机的正转、反转和停止来间接控制机械手指在空间的位置。

创新内容

根据学过的专业知识和实际的模型操作实验,我们对三自由度机械手进行以下的修改：

利用液压传动的优点,把三自由度机械手的部分动力系统改为液压动力.

这样可以省去一个万向连接器和一个完整的链传动机构(包括带轮,链条)，可以简化机构，并可以保证机械手的上下抬降以及夹手的夹紧和松开平稳而到位，避免机械冲击和振动。

在模型组装实验中出现了机械手上抬动作由于机械手重心和电机功率而导致不动作的现象,在solidworks图中的机构也重新设计了手部,将重心后移,配合有较大功率的液压缸,可以避免这个问题.

实验体会

在这次的机电一体化创新综合实验，充分应用了《机电一体化设计基础知识》和《机械设计》的知识,使我对机构运动配合和机电一体方面的知识更加巩固.一方面运用solidworks软件画出整个模型，更加加强了我们对这个软件的操作熟练.同时充分发挥自己的想象力，锻炼自己的创新能力，巩固自己的专业知识。

在模型拼装过程中,我们是4个人一组,只有大家一起动手分工合作才能完成整个组装动作,充分的锻炼了我们的团队合作能力,对我们将来的工作生活有很大帮助.

参考资料

1.机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社，1997

2.液压与气压传动.北京: 机械工业出版社，2004

3．MCS-51单片机原理及应用.天津：天津大学出版社，2004

4．机械制造技术装备及设计.天津：天津大学出版社，2004