机械毕业设计(论文)基于单片机的电液比例控制系统设计C8051F040(含全套图纸).doc

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1、基于单片机的电液比例控制系统设计摘 要：随着微电子技术、智能技术、传感与检测技术等的快速发展以及向工程机械领域的不断渗透，现代工程机械正处于机电液一体化的崭新的发展时代。其中，电液比例控制系统具有控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，其应用领域日益拓宽。本文采用C8051F040微控制器为核心设计与开发的电压比例控制器，相对于传统的单片机所构成的电液比例控制系统，具有更高的稳定性、可靠性和实时响应能力。因此，其更能适应我国工程机械领域的应用环境。本文首先阐述了电液比例控制系统的发展历史，特点，以及分类情况。其次，介绍了整个控制系统的功能，并详细介绍了以C8051F040微控制器

2、为核心的系统的硬件结构。接着，详细阐述了控制器与电液比例阀的接口电路，即由电机驱动芯片LMD18200构成的驱动电路的原理与设计。最后，本文讨论了整个系统软件部分的设计情况。关键词：电液比例控制，C8051F,LMD18200,PIDBased on SCM electrohydraulic proportional control system designStudent:Liu XinTutor:Cai Peizhong(Oriental Science & Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 4101

3、28, China) Abstract:With the rapid development of micro-electronics, intellectual technology, sensing and detection technology and the continuous penetration of them into the field of engineering mechanisms, modern engineering mechanism is in a new age of the integration of mechanism, electrics and

4、hydraulic pressure. Electro-hydraulic proportional control system has a lot of advantages，such as the high control accuracy, the flexible installation and use, the strong resistance on contamination and so on ,so that the application of electro-hydraulic proportional control system has increasingly

5、broadened. The Electro-Hydraulic proportional control system that based on C8051F040 controller in this paper has higher stability and dependability and real-time responsive capacity, compared to that based on traditional singlechips. Therefore, it can adapt to the application environment of the mod

6、ern engineering mechanism better than other control systems in our country.Firstly, it is described the development history, basic principle and the classification of the Electro-hydraulic proportional control system in this paper.Secondly, this paper introduces the function of the whole control sys

7、tem and the basic hardware structure which is based on the C8051F040 controller in detail.Then, this paper elaborates the principle and the design process of the driver of the electro-hydraulic proportional control system which is consisted of the motor-driven chip LMD18200.At the last of this paper

8、, it discusses the design of the program of the whole electro-Hydraulic proportional control system.Key Words: Electro-hydraulic proportional control, C8051F, LMD18200, PID1 前言1.1 课题背景及目的现代微电子技术的发展，特别是计算机技术的普及和发展，为实现各类工艺过程的最佳控制提供了技术基础。因此，工程控制的应用已逐步从航天，航空和军事领域普及到民用工业部门。工程机械是为国民经济建设和社会发展提供各类机械装备和生产制造技

9、术以创造财富和提高社会文明水准的重要工程领域，是与人类社会活动关系十分密切，应用非常广泛的工程领域。改革开放20多年来，国民经济突飞猛进，国家基础建设蓬勃发展，带动着国内工程机械的需求，推动着工程机械的发展。近十年来随着技术的引进、消化、吸收，国内工程机械有了长足的进步，产品质量、可靠性、外观都有较大幅度的提高，但同国外工程机械比较来看，还存在较大差距。虽然工程机械在我国起步较早，但由于众多方面的原因，国产水平一直止步不前。作为在工程机械领域中中广泛用到的电液比例阀及其控制器，我国大都采用的是进口设备，这就带来了工程机械成本高昂以及不太适用国内施工条件的技术问题。国内目前有部分院校已经开展了这

10、方面的研究，例如浙江大学的流控所在流体控制方面的技术研究一直处于世界先进水平，吉林工业大学在实践方面也做出了一些成果，他们开发出了用于装载机的计算机电液比例控制模块。本课题中，如果我们能将嵌入式电液比例控制系统成功地运用到工程机械这一领域，不但是一项技术创新，而且可以在使用国产的各种比例阀和传感器的基础上，提高控制系统的可靠性与灵敏快速性。这样就可以减少工程设备的硬件投资与设备的管理维护费用，使其成本比同类国际产品低，可靠性比国内同类产品高，更适合我国工程机械领域的现状，从而为工程机械的机电液一体化开辟了广阔前景1。1.2 国内外电液控制研究状况对于电液比例控制技术，国内不仅已开展相关的研究而

11、且已经达到广泛的实际应用，但目前国内的制造和技术水平还落后于国际水平。我国的电液控制技术起步较晚，始于上世纪六十年代，到七十年代中期才开始发展。国内自主开发的计算机电液比例控制与监控系统由于技术不成熟，在工程机械上的开发应用才刚刚起步。在相关技术方面，厂家要么采用的是机械、液压控制，要么全套引自国外厂家的产品，整体的技术水平以及创新能力还不是很强。总的来看，我国电液比例控制技术与国际水平相比还存在较大的差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，存在各类比例泵、比例阀等，国内设计生产的品种比较少，并缺乏足够的工业性试验研究；在控制技术方面，自动化程度不高，性能水平较

12、低，质量不稳定，可靠性较差等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。电液比例控制技术在欧美发达国家已经非常先进成熟，并在各类工程机械领域中得到了广泛的应用，至今已形成了完整的产品品种、规格系列。欧美发达国家生产工程机械的主要国家如德国、美国、英国、法国、意大利及亚洲的日本等，由于其本身技术的先进性，早已开展计算机控制与智能监控技术在工程机械领域中的应用研究。国际一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司、德国的力士乐和博世公司等居世界领先地位。德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了比例阀、可编程序控制器和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善，成本显著降低，迅速占领了欧美

13、各种拖拉机的应用市场。在国外工程机械计算机控制与智能监控系统方面，以德国利渤海尔公司的LICON机电一体控制系统和O&K公司的起重机控制系统(BCS)为代表。该系统的应用，使得工程机械从传统的第一、第二代的机、液控制，成为计算机电液控制的和自我故障诊断的智能系统，走向机、电、液一体化。此外，日本日立公司的Dr. EX 故障诊断系统，采用的是插入机上手持式终端形式，也可认为是机载控制系统的另一种发展方向1。1.3 控制器概述本系统采用的是美国Silabs公司的C8051F040单片机作为控制器对系统进行控制，它是属于C8051F系列单片机的一种。C8051F系列单片机除具有一般单片机的共同特点之

14、外，它与80C51系列单片机的主要相同点是其内核与8051基本相同，指令系统完全一样。 C8051F系列单片机采用了流水线结构，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，处理能力大大增强。在相同时钟下，指令运行速度比一般的8051系列单片机提高了大约10倍。在这种控制器中，其I/O接口的特殊功能可以由软件配置实现，这样极大的提高了端口配置的灵活性。在这种单片机中，采用了一个更加完善和先进的时钟系统，可以采用多种时钟源。可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。如果有需要，在程序运行时，可以实现时钟的内外部切换。在C8051F中，还提供了片内JTAG接口和调试电路，使8

15、位单片机传统的仿真调试产生质的变化，可以对最终的应用系统进行非侵入式、实时在系统调试仿真。另外，该种单片机提供了多种复位方式，总共有多达7个复位源：1个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、1个时钟失效检测器、1个由比较器0提供的电压检测器、1个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。这样，提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。由于单片机采用了多种低功耗技术，例如采用3V供电，并且可以关闭片上外设，因而使系统的平均功耗大大降低。1.4 设计过程本文针对工程机械中经常用到的汽车起重机，在全面，有层次地分析其整体功能的基础上，设计出以C8051F040微控制器为核心的电液比例控制器，

16、并选择合适的元器件，设计出外围设备硬件电路，以求满足汽车起重机的基本功能需求，然后利用Protel完成系统原理图和电路板的设计。最后，利用C语言设计出整个电液比例控制系统的软件部分。1.5 本文的组成本文主要分为五章：第一章介绍本设计的背景，目的以及国内外的研究状况；第二章对电液比例控制技术的发展历史，特点，分类，以及未来的发展趋势进行了简要的介绍；第三章首先介绍了控制器C8051F040，接着对系统硬件结构各个模块进行了比较详细的介绍；第四章介绍了电液比例控制驱动阀的电路设计，重点介绍了电机驱动芯片LMD18200；第五章详细介绍了系统的软件设计。 2 电液比例控制技术2.1 概述电液比例控

17、制技术是一门比较年轻的技术,它的发展和普遍应用还不到50 年,然而,凭借它的优点却形成了流体传动与控制领域的一个重要分支,并作为连结现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁,已经成为现代控制工程的基本技术之一。电液比例控制系统由电子放大及调节单元、电液比例控制单元（含机械转换器在内的比例阀、电液比例变量泵及变量马达）、动力执行单元及动力源、工程负载及信号检测反馈处理单元所组成。电液比例控制常用于开环系统，其控制方框图如图1 所示。控制器(计算机)给出的信号通常是电压信号，经电控器处理放大后向电液比例阀的比例电磁铁(力马达)输送直流电流I，电磁铁将I 按比例转换成电磁力Fp , Fp 通过弹

18、性元件作用在控制阀的阀芯上，使之产生相应的位移，从而控制液流的流量、压力和方向，通过执行元件(液压缸或液压马达)使负载(如铲刀)获得随信号的大小和性质变化而连续地成比例变化的力F(扭矩)、速度V(角速度)或位移。开环控制的精度较低且没有跟踪功能。如果系统要求精度较高，可对开环系统的输出量检测并反馈到控制器，使之与指令信号进行比较，得到差值e = ei eb 后再经电控器去控制电液比例阀。图2 是闭环电流比例控制简化方框图。图1 开环电液比例控制系统Figure 1 Open-loop electrohydraulic proportional control system图2 闭环电液比例控制

19、系统Figure 2 Closed-loop electrohydraulic proportional control system2.2 电液比例控制技术的发展历史电液比例控制技术从形成至今,大致上可划分为四个阶段：(1)从1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀，到70年代日本油研公司申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生时期。此间，比例技术开始在液压控制领域中作为独立的分支，并以开环控制应用为主。这一阶段的比例阀仅仅是将新型电-机械转换器（比例电磁铁）用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调接手柄，阀的结构原理和设计方法几乎没有变化，阀内不含受控参数的反馈闭环，其工

20、作频宽仅在15Hz 之间，稳态滞环在4%7%之间，多用于开环控制。 (2)从1975年到1980年，比例技术的发展进入到第二阶段。这是比例技术发展最快的时期。此间，采用各种内部反馈原理的比例元件相继问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上已经成熟。比例元件的工作频宽已达515Hz,滞环减小到3%左右，其应用领域不断扩大。20世纪70年代后期比例变量泵和比例执行器相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基础。应用领域扩大到闭环控制。 (3)到了20世纪80年代，比例技术的发展进入了第三阶段。这一阶段，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力，流量，位移反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳定精度

21、、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了制造成本的原因，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀相当。这一阶段的另一项重大进展是比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种不同功能和常规的二通、三通型比例插装阀，形成了电液比例插装技术。此外，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了带集成放大器的电液一体化比例元件。(4)从1990年至今，是比例技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项重要的新产品问世。其一是推出了伺服比例阀。这种阀的电-机械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用伺服阀的结构和加工工艺，解决了闭环控制要求死区小的问题。它的性能与价格介于伺服阀和普通比例方向阀之间，但它对油

22、液的清洁度要求低于电液伺服阀，特别适用于各种工业闭环控制。其二是计算机技术与比例元件相结合，开发出了数字式比例元件和数字式比例系统，并形成了不同总线标准的数字比例元件接口。随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展，先是在比例放大器中采用数字芯片，部分信号的处理、调整和运算采用编程手段实现。最近，电液数字控制块、大型数字式控制系统相继开发应用，数字比例控制的产品已经由芯片级发展到了系统级，即指令、比较、反馈、PID调节均由计算机系统实现。数字式电液系统实际上是电液数-模转换系统，这项技术已趋成熟，并形成了系列化的产品2。2.3 电液比例控制的特点电液比例控制系统主要有以下特点：(1

23、)可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性，可在电控制器中预设斜坡函数，实现精确而无冲击的加速或减速，不但改善了控制过程品质，还可缩短工作循环时间；(2)利用电信号便于实现远距离控制或遥控。将阀布置在最合适的位置，提高主机的设计柔性；(3)利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标；(4)能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控制，并易实现自动无级调速。2.4 电液比例控制系统的分类电液比例控制系统可以从不同的角度按很多方式来进行分类。电液伺服控制系统是一种广义上的比例控制系统。因而比例控制可以参照伺服控制按代表系统一定特点的分类方式进行分类。

24、按被控量是否被检测和反馈来分类，可分为开环比例控制和闭环比例控制系统。由于比例阀是适应较低精度的控制系统而开发的产品，目前的应用以开环控制为主。随着整体闭环比例阀的出现，其主要性能与伺服阀无异，因而采用闭环比例控制的场合也会越来越多。按控制信号的形式来进行分类，可分为模拟控制和数字式控制。后者又分为脉宽调制、脉码调制和脉数调制等。按比例组件的类型来分类，可分为比例节流阀控制和比例容积控制两大类。比例节流控制适用于功率较小的系统，而比例容积控制用在功率较大的场合。目前，最通用的分类方式是按被控对象(量或参数)来进行分类。由此电液比例控制系统可以分为：(1)比例流量控制系统；(2)比例压力控制系统

25、；(3)比例流量压力控制系统；(4)比例速度控制系统；(5)比例位置控制系统；(6)比例力控制系统；(7)比例同步控制系统。2.5 电液比例控制系统的未来发展趋势电液比例控制系统的发展趋势主要有以下几点：(1)提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准阀通用。(2)比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是结构简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成；此外出现比例容积控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。(3)由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放大

26、器和阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀(电反馈)的工作频宽。其主要表现有： 高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1986年西德BOSCH公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器，并含有位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区，滞环仅03 ，零区压力增益达3额定控制电压，负载腔达80供油压力，工作频宽和性能已达高水平伺服阀，而成本仅为后者的13。带集成式放大器的位移传感器(200Hz)的开发，为电反馈比例阀小型化，集成化创造良好的条件。伺服比例阀(闭环比例阀)内装放大器，具有伺服阀的各种特性：零遮盖、高精度、高频响，但其对油液的清洁度要求

27、比伺服阀低，具有更高的工作可靠性。PID调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之有较好的动态响应指标，可利用计算机对PID参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路PID参数的优良匹配。3 控制系统硬件结构3.1 控制系统功能概述本系统主要用于汽车起重机的电液比例控制。通过控制手柄信号的输入从而控制汽车起重机的卷扬、变幅、伸缩和回转四个动作。向X、Y方向扳动左右手柄对应的具体的操作有：回转 、变幅 、伸缩/副卷扬、主卷扬。其中伸缩的动作有特殊的地方，吊臂由多节臂构成，由两个油缸I和II按一定顺序共同控制吊臂的伸缩；在强制键未按下时，I缸和II缸是顺序工作的，规则是伸出时先伸I缸到位后伸II

28、缸，而收缩时是先收II缸到位然后收I缸；当按下强制键时，顺序控制失效，由操纵面板上的强伸II/强缩I来选择控制的是哪一个油缸。在本系统中，由于所要控制的五个动作都可由相同的电液比例控制单元来完成，因此在本设计中只针对单独一个电液比例控制单元来进行分析，以方便问题的研究。综合上述系统的功能需求，整个系统的硬件电路框图如图3所示：PWM驱动继电器切换选择电液比例阀组C8051F04082598255电源模块电流反馈AI手柄输入AI预留IO 预留外接中断串行通信模块图3 电液比例控制系统硬件结构图Figure 3 Electrohydraulic proportional control syste

29、m hardware structure3.1.1 硬件电路设计思路本系统的目的是通过控制输出电流的大小来控制电液比例阀的移动。通过手柄输入的电压值，以及电液比例阀组的反馈电流值，我们组成一个闭环控制系统。将二者所产生的差值经过AD转换变换成数字量，然后根据这个数字量，并通过PID运算，计算出输出方波的占空比，通过C8051F040的可编程计数器阵列PCA输出PWM波，将其输入到PWM驱动芯片，来控制电液比例阀的移动。3.1.2 控制系统框图图4 控制系统框图Figure 4 Control system diagram3.2 主控制器C8051F040的介绍本系统采用美国Silabs公司推出

30、的C8051F040单片机作为主控制器，下面简要了解一下这种单片机。3.2.1 C8051F040概述C8051F040是Silabs公司推出的C8051F系列单片机的一种，这种系列单片机的推出，使得80C51系列单片机从微控制器(MCU)时代步入了片上系统(SOC)时代，使得以8051为内核的单片机上了一个新的台阶。SOC即SYSTEM ON CHIP的缩写，意思是把计算机常用的一些数字和模拟外设等全部都做在一块芯片上，使它成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。C8051F系列单片机是一种高度集成的SOC型芯片，具有与8051单片机兼容的微控制器内核，与MCS-51指令系统完全兼容。除具有标

31、准8051的数字外设部件外，片内还具有数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其他数字外设部件。该单片机中增加的外设或功能部件包括：模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、增强型UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、电源监视器、看门狗定时器(WDT)和时钟振荡器等。所有器件都有内置的FLASH程序存储器(简称闪存)和256B的内部RAM，有些器件内部有位于外部数据空间的RAM。图5 C8051F040结构框图Figure 5 C8051F040 structure diagram3.2.2 C8051F040的组成及特

32、性C8051F040主要由以下几个部分组成：l CIP-51微控制器内核：C8051F040单片机采用Silabs公司的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51内核具有标准的8052的所有外设部件，包括5个16位的计数/定时器、2个全双工UART、256B内部RAM空间、128B特殊功能寄存器(SFR)地址空间及8个8位的I/O端口。C8051F040系列的MCU与标准的8051相比，在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于应用。l 中断系统：扩展的终端系统可响应21个中断源(标准的8051只有5个中断源)的中断申请，在设计多任务实时系统时，这些增加的中断源大大增加

33、了单片机对外界复杂多变情况的反应能力。l 存储器：它包括256B的核内数据RAM，某些单片机中还有位于外部数据存储器地址空间的4KB的RAM内存区。C8051F040单片机中还有可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。 C8051F040的程序存储器为64KB的FLASH存储器，称为闪存。l 模数和数模转换模块：C8051F040单片机内部还有A/D转换模块，转换位数为8位和12位。外部输入通道为8路，可被配置为单端输入或者差分输入。并且A/D转换通道内部配置了可以用软件改变放大倍数的可编程增益放大器。l 并行接口：C8051F040单片机的并行接口，即一般单片机的通用I/O端口

34、，共有64个引脚。这些I/O端口的部分引脚可以通过软件配置成不同的特殊功能。l 串行接口：C8051F040单片机除了具有全双工UART串行口之外，还增加了SPI总线和SMBus/I2C总线。并且C8051F040还配置了CAN串行接口。l 定时器和可编程计数器阵列：在C8051F040单片机内部有5个通用计数器/定时器， C8051F040还有一个片内可编程计数器/定时器阵列(PCA)。C8051F040单片机除具有一般单片机的共同特点之外，它与80C51系列单片机的主要相同点是其内核与8051基本相同，指令系统完全一样。此外，还具有很多显著的优点和特点，其特点和优点如下:l 指令运行速度高

35、l I/O端口功能采用软件配置实现l 时钟系统更加完善l 可实现通过JTAG接口的在系统调试l 有多种复位方式l 进一步降低了系统功耗3.3 选型依据首先，基于CIP-51内核的C8051F040单片机，使得它与传统的采用8位或16位单片机作控制器的电液比例控制系统相比,在系统的实时性、安全可靠性方面都有很大的提高。又因为使用了流水线结构，使其处理能力大大提高，这样，使得C8051F040在运算处理和资源管理能力上都有了很大的提高。其次，它所拥有的4KB片内数据存储器，以及64KB的片内程序存储器，使得它不用扩展外部存储器，便可以胜任普通的存储需求。另外，它带有6路PCA,这样，在处理本设计中

36、所涉及到的PWM方面很方便。它带有64路的IO口，解决了系统输入输出信号多的问题。同时，它带有多种串行通信接口，以及CAN接口和先进的验收滤波器，方便以后系统扩展时使用CAN总线与机载前端进行通信。3.4 数字量输入输出模块为了便于管理单片机的输入输出，本系统采用了Intel公司的可编程并行I/O接口芯片8255A。8255A是Intel86系列微处理机的配套并行接口芯片，它可为86系列CPU与外部设备之间提供并行输入/输出通道。由于它是可以编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式，因此，用8255A连接外部设备时，通常不用再附加外部电路，使用较为方便。8255A芯片具有24个可编程输入输出引

37、脚，分成3个8位端口A,B,C。每个端口可独立编程为输入或者输出。其在本系统中的电路图如图6所示:图6 8255A接口电路图Figure 6 8255A interface diagram在本系统中，8255A的A口，B口，被配置为输入，C口被配置为输出。8255A的数据线和C8051F040的数据总线相连，实现数据的传输。C8051F040通过8255CS，A1，A0三根数据线实现对8255A的片选。3.5 中断管理模块在本系统中，采用的C8051F040由于只能提供INT0和INT1两个外部中断，所以有必要扩充外部中断源。在本系统中，采用了Intel公司的可编程中断控制器8259A。825

38、9A有强大的中断管理功能，主要体现在：l 具有8级优先权，并可通过级联扩展至64级；l 可通过编程屏蔽或开放接于其上的任一中断源；l 在中断响应周期能自动向CPU提供可编程的标识码；l 可编程选择各种不同的工作方式。其在本系统中的电路图如图7所示:图7 8259A接口电路图Figure 7 8259A Interface diagram外界中断信号接在IR0-IR7上，实现系统外部中断的扩充。8259A的数据线和C8051F040的数据总线相连，实现数据的传输。C8051F040通过8259CS，A0两根数据线实现对8259A的片选。3.6 串行通信模块C8051F040单片机除了具有全双工U

39、ART串行口之外，还增加了SPI总线和SMBus/I2C总线。每种串行总线都能向CIP-51发出中断申请，因此很少需要CPU的干预。这些串行总线不“共享”定时器，中断或端口I/O，所以可以使用任何一个或全部同时使用。并且C8051F040还配置了CAN串行接口。在本系统中，为了获得与PC通信上的方便，使用C8051F040提供的UART串行口。通过使用Max232芯片来达到所需要求。Max232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器

40、将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。 满足或超过TIA/EIA-232-F 规范要求，符合ITU v.28标准。其在本系统中的电路图如图8所示:图8 Max232接口电路图Figure 8 Max232 interface diagram3.7 电源模块整个系统的电源来自外接的12V，而系统需要提供的电源有：C8051F040的内核供电电源为3.6V，系统部分外设的供电电源为5V，这些都由12V转化而来。因此需要几次转换来得到系统所需的电压。首先采用LM7805将+12V的电源转化为+5V的

41、电源,如图9所示。得到的+5V电源，再通过AMS-1117所组成的电路转化为+3.3V，如图10所示。图9 +12V转换为+5V电路图Figure 9 + 12 v conversion is + 5V circuit diagram图10 +5V转换为+3.6V电路图Figure 10 + 5V circuit diagram converting + 3.6 V3.8 硬件抗干扰措施(1)元件选择：对系统中用到的元件进行筛选。系统中主要采用了抗干扰性比较强的CMOS芯片。(2)电源电路的设计：电源干扰产生的原因主要是由于任何电源及输电线路都存在内阻和分布电容、电感等，所以本系统采用以下方案

42、解决: 采用开关电源来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压和欠压；电源线的走向尽量与信号传递方向一致并尽量加粗地线，在电源入口处和一些较大芯片的电源引脚和地之间设计去耦电容等。(3)接地问题：在系统设计中，地线结构大致有系统地、数字地和模拟地等。不同接地点很难形成同一电位，会在两接地点之间形成电流，产生干扰，所以实际设计中采用了数字地和模拟地分别与电源端地线相连的措施，使系统只有一个接地点，避免形成“地回路”。4 电液比例阀驱动电路的设计电液比例控制系统是根据输入电信号的大小按比例连续地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。通常，电液比例控制系统主要由操作手柄、控制器、PWM驱动电路、比例电磁

43、铁、电液比例阀以及执行机构等部分组成。在一般的工程机械场合，电液比例控制系统采用开环控制均能满足要求，只需采用电流闭环以稳定输出量。电液比例阀控制方式大多采用PWM技术进行控制，通过改变PWM信号的占空比来调整比例电磁铁的平均电流，以降低摩擦、减少电磁铁的滞环和死区现象，提高电液比例阀的响应速度。4.1 电液比例阀简介电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。由于电液比例阀具有形式种类多样、容易组成使用电气及计算机控制的各种电液系统、控制精度高、

44、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，因此应用领域日益拓宽。电液比例阀有多种分类方法。按照电液比例阀所控制的参数分类，有电液比例压力阀、电液比例流量阀、电液比例方向流向复合阀。按照阀内液压放大的级数分类，有单级控制阀，双级控制阀，三级控制阀。按电液比例控制阀的阀芯结构形式分类，有滑阀结构、锥阀结构、插装阀结构的比例控制阀。比例电磁铁作为电液比例控制元件和系统的电机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输出的电流信号转换成力或位移。比例电磁铁推力大、结构简单、对油质要求不高、维护方便、成本低廉等特点，是电液比例控制技术中应用最广泛的电机械转换器件，也是电液比例技术的关键部件之一。因此，采用智能

45、数字比例控制放大器的同时，应当设计一种合理的功率驱动接口电路与放大器相匹配，使比例电磁铁具有良好的特性和高可靠性，从而完成对比例元件和系统的最佳控制。4.2 设计思路控制比例电磁铁的放大器有两种工作方式：模拟式比例放大器和PWM（脉宽调制）式比例放大器。传统上，可以采用功率晶体管来产生正向连续直流，晶体管的输入为一模拟电压，比例电磁铁的线圈串联到电源与集电极之间。随着输入模拟电压的变化，电磁铁线圈上通过相应比例的电流，这样就完成了比例电磁铁的驱动放大。但是，这种模拟式比例放大器的晶体管温升高，功耗大，而且不方便产生比例电磁铁驱动所特有的振颤信号，近年来已较少应用，替代它的是PWM式比例放大器。

46、4.3 方案实现本系统中，采用美国国家半导体公司推出的直流电机驱动芯片LMD18200作为PWM驱动器。LMD18200具有很强的驱动能力，瞬间驱动电流可达6A，正常工作电流可达3A，还具备温度报警、过热与短路保护的功能，因此完全满足本系统的各项要求。4.3.1 LMD18200概述LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于运动控制的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A，工作电压高达55V，还具有温度报警和过热与短路保护功能。LMD18200外形结构如图4.1所示，它有11个引脚和24个引脚两种形式，采用TO-22

47、0和双列直插式封装。图11 LMD18200外形结构图Figure 11 LMD18200 shape structure4.3.2 LMD18200主要特性及引脚说明l 峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；l 工作电压高达55V；l Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；l TTL/CMOS兼容电平的输入；l 无“shoot-through”电流；l 具有温度报警和过热与短路保护功能；l 芯片结温达145，结温达170时，芯片关断；l 具有良好的抗干扰性。LMD18200各引脚的功能如表1所示。表1 LMD18200引脚功能表Table 1 LMD

48、18200 pins menu引脚名称功能描述1、11桥臂1，2的自举输入电容连接端在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10uF的自举电容2、10H桥输出端3方向输入端该脚控制输出1与输出2(脚2、10)之间电流的方向，从而控制马达旋转的方向。4刹车输入端通过该端将马达绕组短路而使其刹车。刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端(脚5)置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短路马达所用的器件。3脚为逻辑高电平时，H桥中2个高端晶体管导通；3脚呈逻辑低电平时，H桥中2个低端晶体管导通。脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流(1.5mA)。5PWM信号输入端该端与3脚(方向输入)如何使用，决定于PWM信号类型。6、7电源正端与负端8电流取样输出端提供电流取样信号，典型值为377A/A。9温度报警输出温度报警输出