柔性鉸鏈工作臺(tái)測(cè)量與控制畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　要</b></p><p>　　柔性鉸鏈以其無摩擦、無間隙、運(yùn)動(dòng)靈活、敏度高的優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其在納米技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，柔性鉸鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)納米級(jí)微運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，其運(yùn)動(dòng)位移的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)納米運(yùn)動(dòng)的核心技術(shù)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)和電容傳感器，設(shè)計(jì)了一套微動(dòng)工作臺(tái)的測(cè)量與控制系統(tǒng)。用我們所學(xué)知識(shí)，使之成為一套精密測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效

2、率，高精度，高穩(wěn)定性，低誤差的測(cè)量。在該系統(tǒng)中，由柔性鉸鏈構(gòu)成的平行四桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)微位移量。而由于被測(cè)位移量為納米級(jí)，從而采用電容式傳感器進(jìn)行測(cè)量。以單片機(jī)為核心對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并用鍵盤輸入預(yù)定值并用LED數(shù)碼管顯示。為了更好地減小誤差，提高系統(tǒng)的精度，運(yùn)用PID算法結(jié)合壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)該工作臺(tái)的精密控制。運(yùn)用解析法，從理論上分析了柔性鉸鏈工作臺(tái)的。。。。。。。。。描述了電容傳感器的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了。。。。。。。最后，對(duì)PID。。

3、。。。。。。</p><p>　　關(guān)鍵詞：柔性鉸鏈，電容式傳感器，傳感器處理電路，MCS-51單片機(jī)，壓電陶瓷</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Flexible hinge with its no friction, no clearance, sports flexible, the advanta

4、ge of high sensitivity, widely used in various fields. Especially in the field of nanometer technology has a wide application prospect, flexible hinge nanoscale micro motion is to realize the key technology, their sports

5、 displacement measurement and control is to realize the core technology of the nanometer movement. This paper based on flexible hinge, design a set of budge workbench measurement and control systems. W</p><p&g

6、t;　　Keywords: Flexible hinge, capacitive sensor, sensor processing circuit, MCS - 51 SCM, piezoelectric ceramics </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　六十年代前后， 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

7、承，不僅提出了高分辨力的要求，而且還對(duì)其尺寸和體積提出了微型化的要求，人們?cè)诮?jīng)過對(duì)各種類型的彈性支承的試驗(yàn)探索后，才逐步開發(fā)出體積很小，可做到無機(jī)械摩擦、無間隙的柔性鉸鏈[1],柔性鉸鏈立即被廣泛地用于陀螺儀加速度計(jì)、精密天平等儀器儀表中。</p><p>　　1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.1.1 柔性鉸鏈定義</p><p>　　柔性鉸鏈?zhǔn)?/p>

8、近年來發(fā)展起來的一種新型機(jī)械傳動(dòng)和支撐機(jī)構(gòu)，用于繞軸作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移。也可理解為利用其結(jié)構(gòu)薄弱部分的彈性變形可實(shí)現(xiàn)類似普通鉸鏈的運(yùn)動(dòng)傳遞。柔性鉸鏈具有無摩擦、無間隙、運(yùn)動(dòng)靈活、敏度高的特點(diǎn)，常用來作為位移放大器，可將位移放大到數(shù)百微米，極大地拓展了微位移驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。尤其在納米技術(shù)領(lǐng)域中有著更好的應(yīng)用前景，柔性鉸鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)納米級(jí)微運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，其運(yùn)動(dòng)位移的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)納米運(yùn)動(dòng)的核心技術(shù)。</p>&

9、lt;p>　　1.1.2 柔性鉸鏈的類型</p><p>　　目前柔性鉸鏈的類型主要有單軸柔性鉸鏈，雙軸柔性鉸鏈兩種</p><p>　　單軸柔性鉸鏈截面形狀有圓形和矩形的兩種，如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 單軸柔性鉸鏈</p><p>　　雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)互成90°的單軸柔性鉸鏈組成的（圖1-2（ａ））

10、，對(duì)于大部分應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是圖1-2單軸柔性鉸鏈兩個(gè)軸沒有交叉，具有交叉軸的最簡(jiǎn)單的雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)前杨i部作成圓桿狀（圖1-2（ｂ）），這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且加工容易，但它的截面面積比較小，因此縱向強(qiáng)度比圖1-2（ａ）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）的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖 1-2 雙軸柔性鉸鏈</p><p>　　1.1.3 柔性鉸鏈國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

11、</p><p>　　就現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢(shì)，柔性鉸鏈的應(yīng)用主要是與壓電致動(dòng)相結(jié)合，形成微位移機(jī)構(gòu)。最早，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[2]。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)緊湊并能在壓電驅(qū)動(dòng)高精度工作臺(tái)真空中工作。如圖1-3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)沒有內(nèi)部熱源。工作臺(tái)可在50 Lm

12、的工作范圍內(nèi), 以1 nm 或更高的分辨率將物體線性定位。</p><p>　　圖1-3 壓電驅(qū)動(dòng)高精密工作臺(tái)</p><p>　　柔性鉸鏈技術(shù)在精密聯(lián)接工藝也有應(yīng)用[3],如激光焊接中,需要較大運(yùn)動(dòng)范圍、結(jié)構(gòu)緊湊、高剛度、垂直運(yùn)動(dòng)的微動(dòng)臺(tái)。因此設(shè)計(jì)了如圖1-4所示運(yùn)動(dòng)的微動(dòng)臺(tái), 水平內(nèi)置式壓電塊推動(dòng)桿1 和桿2, 通過對(duì)稱的柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)將壓電塊位移轉(zhuǎn)化為臺(tái)面的垂直運(yùn)動(dòng)。該微動(dòng)臺(tái)的運(yùn)

13、動(dòng)范圍為200 Lm, 垂直剛度為610 N/Lm, 頻響為364 Hz。</p><p>　　圖1-4 垂直運(yùn)動(dòng)的微工作臺(tái)</p><p>　　我國(guó)如今柔性鉸鏈代表性產(chǎn)品如哈爾濱芯明天科技有限公司以柔性鉸鏈原理開發(fā)的XM-850六維并聯(lián)微動(dòng)臺(tái)，如圖1-5所示，運(yùn)動(dòng)方向最大推力為1000N，最大負(fù)載為100kg，可內(nèi)置位移傳感器，方便實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，閉環(huán)重復(fù)定位精度為納米級(jí)，控制方式：“壓

14、電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源”或“XE-50與XE-501模塊化壓電陶瓷控制系統(tǒng)”。</p><p>　　圖1-5 納米級(jí)精密定位工作臺(tái)</p><p>　　1.1.4 柔性鉸鏈研究趨勢(shì)</p><p>　　近年來，采用壓電元件驅(qū)動(dòng)，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)精密定位有著眾多的應(yīng)用，如微動(dòng)工作臺(tái)，引激光焊接、光學(xué)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。納米定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)納米加工和納米測(cè)量的基礎(chǔ)，柔性

15、鉸鏈在該領(lǐng)域也有著極其重要的應(yīng)用。就目前來看，柔性鉸鏈—壓電致動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)的研究將占主導(dǎo)地位。</p><p>　　隨著機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展[4]，其運(yùn)動(dòng)精度要求達(dá)到亞微米級(jí)，顯然以前的技術(shù)無法很好滿足此要求。柔性鉸鏈技術(shù)的發(fā)展成熟很好地解決了這個(gè)問題，大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人的研究成為機(jī)器人研究的熱門課題。</p><p>　　1.2 柔性鉸鏈研究意義</p><p>

16、;　　隨著納米技術(shù)的興起和飛速發(fā)展，基于柔性鉸鏈—壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的納米級(jí)微定位技術(shù)已成為能束加工、超精密加工、微操作系統(tǒng)等前沿技術(shù)的基礎(chǔ)支持技術(shù)。利用柔性鉸鏈的眾多優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米級(jí)的精度。因此，研究柔性鉸鏈對(duì)于納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與廣泛應(yīng)用非常有意義。</p><p>　　第二章 柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 柔性鉸鏈單元工作原理</p>&

17、lt;p>　　分析目前已有的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)原理，柔性鉸鏈的基本圖形如圖2-1所</p><p><b>　　圖 2-1</b></p><p>　　組成柔性工作系統(tǒng)主要的基本形變是在作用下繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)交剛度的基本公式為：</p><p><b>　　式中 ；</b></p><p>

18、　　——柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角；</p><p>　　E——材料的彈性模量，；</p><p><b>　　B——厚度，mm;</b></p><p>　　2.2 平行四桿微動(dòng)工作臺(tái)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1本次設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　微動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)滿足下列技術(shù)指標(biāo)：運(yùn)動(dòng)范圍10；分辨率

19、1。</p><p>　　根據(jù)上述柔性鉸鏈[5-6]的特點(diǎn)，以柔性鉸鏈為基本單元的彈性微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，采用電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)可以滿足上述技術(shù)指標(biāo)的要求。其基本結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。通過在一塊板材上加工孔和開縫，使圓弧切口處形成彈性支點(diǎn)（即柔性鉸鏈）與剩余的部分成為一體，而組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)在ＡＣ桿上加一力Ｆ時(shí)，由于４個(gè)柔性鉸鏈的彈性變形，使ＡＢ桿在水平方向上產(chǎn)生一位移δ，而實(shí)現(xiàn)無摩擦、無間隙和高分辨率的

20、微動(dòng)。</p><p>　　圖2-2　柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)模型</p><p>　　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ｂ）的前提下，應(yīng)盡可能增大圖2-2柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)模型柔性鉸鏈細(xì)頸處的厚度ｔ，并減小圓弧切口的半徑Ｒ。在這種情況下，t往往大于或等于Ｒ。設(shè)計(jì)柔性鉸鏈時(shí)應(yīng)采用ｔ≥Ｒ條件下的設(shè)計(jì)方法。<

21、;/p><p>　　2.2.2微動(dòng)臺(tái)的基本模型及設(shè)計(jì)計(jì)算公式</p><p>　　如圖2-2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)：①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；②柔性鉸鏈只產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形，無伸縮及其他變形。設(shè)四個(gè)柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度為，那么當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)在外力Ｆ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</p><p><

22、b>　　式中，</b></p><p>　　外力Ｆ所做的功為, 由能量守恒定律：，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：</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　(3)彈性微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)</p><p>　　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，

23、計(jì)算出該工作臺(tái)的質(zhì)量ｍ。確定柔性鉸鏈的基本參數(shù)ｔ和Ｒ。根據(jù)確定的剛度，查表1。柔性鉸鏈的基本參數(shù)ｔ，Ｒ應(yīng)滿足下列工作要求：</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　微動(dòng)臺(tái)的剛性應(yīng)盡可能大，使其具

24、有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力。</p><p>　　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</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　式中：ｍ—彈性微動(dòng)臺(tái)部分的質(zhì)量。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，微動(dòng)工作臺(tái)的尺寸范圍為，固有頻率，剛度，，，。</p&

25、gt;<p>　　第三章 柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)論文以柔性鉸鏈為基本單元，設(shè)計(jì)了平行四桿機(jī)構(gòu)的微動(dòng)工作臺(tái)，以壓電陶瓷（PZT）為驅(qū)動(dòng)，用電容傳感器測(cè)量該微動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位移，柔性鉸鏈工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍達(dá)10μm、分辨率達(dá)1nm。總體方案如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 總體思路方案圖</p><p>　　該

26、微位移系統(tǒng)，由彈性精密微動(dòng)工作臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)微位移量d，使用電容式傳感器進(jìn)行測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)交流信號(hào)。信號(hào)再通過處理電路由A/D把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)送51單片機(jī)進(jìn)行處理。將處理結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，進(jìn)行PID控制運(yùn)算，由于PID產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，無法讓壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，因而需通過功率放大器進(jìn)行微弱電信號(hào)的放大。本文設(shè)計(jì)的硬件電路圖繪圖工具選用Pretel2004DXP[7]。</p><p>　　第四章

27、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1電容式傳感器基本工作原理</p><p>　　電容式傳感器[8]是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量的一種傳感器，它的轉(zhuǎn)換元件實(shí)際上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。</p><p>　　用兩塊金屬平板作電極，即可構(gòu)成最簡(jiǎn)單的電容器。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為</p><p>　　式中S——兩極板間相互覆蓋的面積，;&

28、lt;/p><p>　　d——兩極板間的距離，;</p><p>　　——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，；</p><p>　　——真空介電常數(shù)，；</p><p>　　——兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)， </p><p>　　由式可見，電容量C的大小與S、d和有關(guān)，若保持著三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)不變而改變另外一個(gè)，則C就會(huì)發(fā)生變化。這

29、實(shí)際上就是電容式傳感器的基本原理[9]。根據(jù)發(fā)生變化的參數(shù)的不同，電容式傳感器相應(yīng)地分為三種類型：變面積型、變極距型、變介電常數(shù)型。</p><p><b>　　4.1.1變面積型</b></p><p>　　工作原理如圖4-1所示。當(dāng)被測(cè)量的變化引起動(dòng)極板移動(dòng)距離x時(shí)，則S發(fā)生變化，C也就改變了。 （4-1）</p><p>　　

30、圖4-1 直線位移式變面積型電容傳感器</p><p>　　由式（4-1）可見，電容量C與直線位移x也呈線性關(guān)系，其測(cè)量的靈敏度為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　顯然，減小兩極板間的距離d,增大極板的寬度b可提高傳感器的靈敏度。但d的減小受到電容器擊穿電壓的限制，而增大b受到傳感器體積的限制。</p&

31、gt;<p>　　4.1.2變介電常數(shù)型</p><p>　　圖4-2所示是一種電容式液面計(jì)的原理圖。在介電常數(shù)為的被測(cè)液體中，放入兩個(gè)同心圓筒狀電極，液體上的氣體介電常數(shù)為，液體浸沒電極的高度就是被測(cè)量x。</p><p>　　該電容器的總電容C等于介質(zhì)為氣體部分的電容與介質(zhì)為液體部分的電容的并聯(lián)， 圖4-2 電容式液面計(jì)</p>&l

32、t;p><b>　　即因?yàn)椋?lt;/b></p><p><b>　　式中h——電極高度</b></p><p>　　R——外電極的內(nèi)半徑</p><p>　　r——內(nèi)電極的外半徑</p><p>　　所以 （4-3）</p><p><b>　　式中

33、，均為常數(shù)。</b></p><p>　　式4-3表明，液面計(jì)的輸出電容C與液面高度x成線性關(guān)系。</p><p><b>　　4.1.3變極距型</b></p><p>　　基本的變極距型電容式傳感器有一個(gè)定極板和一個(gè)動(dòng)極板，如圖4-3所示當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，兩極板的間距d就發(fā)生了變化，從而也就改變了兩極板間的電容量C。

34、</p><p>　　圖4-3基本的變極距型電容傳感器</p><p>　　設(shè)動(dòng)極板在初始位置時(shí)與定極板的距離為，此時(shí)的初始電容量為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　當(dāng)被測(cè)量的變化引起間距減小了時(shí)，電容量就變?yōu)?lt;/p><p><b>　?。?-4）&

35、lt;/b></p><p>　　當(dāng)時(shí)， ，則式（4-4）可以化簡(jiǎn)為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　此時(shí)電容變化量（4-6）</p><p>　　這時(shí)與近似呈線性關(guān)系，所以改變極板距離的電容式傳感器往往是設(shè)計(jì)成在極小范圍內(nèi)變化的。</p><p>　　另

36、外，由圖4-4可以看出，當(dāng)較小時(shí)，對(duì)于同樣的變化引起的電容變化量可以增大，從而使傳感器的靈敏度提高，但過小時(shí)，容易引起電容器擊穿，改善擊穿條件的辦法是在極板間放置云母片，如圖4-5所示，此時(shí)電容C變?yōu)?lt;/p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中，為云母片的相對(duì)介電系數(shù)，；為空氣的介電常數(shù)，；為云母片的厚度；為空氣厚度 </p>

37、<p>　　圖4-4電容量與極板距離的關(guān)系 圖4-5 放置云母片的電容器</p><p>　　4.1.4差動(dòng)式變極距型電容傳感器</p><p>　　當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)時(shí)，由式（4-5）可得</p><p><b>　　，</b></p><p>　　電容總變化量(4-8)</p>

38、<p>　　比較式（4-6）和（4-8）可見，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可使傳感器的靈敏度提高一倍。由于差動(dòng)結(jié)構(gòu)的變極距型電容式傳感器既提高了靈敏度，又減小了非線性誤差， 圖4-6 差動(dòng)式電容器</p><p>　　所以在本次設(shè)計(jì)中將采用這種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4.2電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　4.2.1轉(zhuǎn)換電橋</b&

39、gt;</p><p>　　圖4-7為電容式傳感器所用的變壓器電橋的電路原理[10]。</p><p>　　圖4-7 轉(zhuǎn)換電橋電路</p><p>　　當(dāng)電橋輸出端開路（負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)），電橋的輸出電壓為</p><p>　?。?-9） </p><p><b>　　以,代

40、入上式可得</b></p><p>　　（4-10） </p><p>　　式中，C1和C2——差動(dòng)電容式傳感器的電容。即</p><p>　　則 （4-11）</p><p>　　由式（

41、4-11）可見，變壓器式電橋在輸出阻抗極大的情況下，對(duì)于極距變化型電容式傳感器，其輸出電壓也與極板位移呈線性關(guān)系。</p><p>　　4.2.2相敏檢波電路</p><p>　　如圖4-8所示是高輸入阻抗線性全波檢波電路圖[11]</p><p>　　圖4-8 高輸入阻抗線性全波檢波電路</p><p>　　它采用同相端輸入。>0時(shí)，

42、VD1導(dǎo)通、VD2截至，N2的同相輸入端與反相輸入端相同信號(hào)，得到=。<0時(shí)，VD1截至，VD2導(dǎo)通，取R1=R2=R3=R4/2，這時(shí)N1的輸出為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　N2的輸出為</b></p><p><b>　　（6-2）</b>&

43、lt;/p><p><b>　　所以=</b></p><p>　　相敏檢波后的輸出信號(hào)為含有直流分量的周期信號(hào)，其包含高次諧波，故進(jìn)行低通濾波。構(gòu)成一階低通濾波[12]，其截至頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于信號(hào)的頻率。</p><p>　　4.3 MCS-51單片機(jī)</p><p>　　如圖4-9，是89C2051[13]引線排列圖<

44、/p><p><b>　　I/O口線</b></p><p>　　P0,P1,P2,P3均為8位的并行I/O口，它們的引線為：P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7，共32條引線可以全部用來做I/O線，還可以將其中部分用作單片機(jī)的片外總線。在進(jìn)行外部擴(kuò)展時(shí)，P2口為高8位地址線（A15-A18），P0口得8根引線是低8位地址和8位數(shù)

45、據(jù)的復(fù)用線。</p><p><b>　　控制線</b></p><p><b>　　ALE地址鎖存允許</b></p><p>　　當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出信號(hào)ALE用于鎖存P0口輸出的低8位地址A7-A0。ALE的輸出頻率為時(shí)鐘振蕩頻率的1/6.</p><p><b>　　B、

46、程序存儲(chǔ)器選擇</b></p><p>　　=0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲(chǔ)器。=1，單片機(jī)先訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，若地址超過內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的范圍，單片機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)為訪問外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　C、片外程序存儲(chǔ)器允許</p><p>　　片外程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序時(shí)，無輸出始終為高電平。</p><

47、p>　　D、RET復(fù)位信號(hào)輸入 </p><p>　?。?）電源及時(shí)鐘 圖4-9 89C2051引線排列圖</p><p><b>　　VSS地端接地線</b></p><p>　　VCC電源端接+5V</p>&

48、lt;p>　　XTAL1和XTAL2接晶震片或外部振蕩信號(hào)源</p><p>　　4.4 18位AD7674</p><p>　　AD7674是18位、800kSPS，采樣保持電路可調(diào)負(fù)載的全差分輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，5V單電源供電。器件內(nèi)部包含18位的高速AD轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、基準(zhǔn)緩沖器及錯(cuò)誤校準(zhǔn)電路，并具有工作模式可調(diào)串口和并口[14]。器件的主要特性如下：</p>

49、<p>　　18位分辨率，且沒有代碼丟失；</p><p>　　采用采樣保持電路，沒有通道延時(shí)問題；</p><p>　　全差分輸入范圍：±VREF（可達(dá)5V）；</p><p>　　大的數(shù)據(jù)吞吐量：800kSPS（Warp模式）；</p><p>　　666kSPS（Normal模式）；</p><

50、p>　　570kSPS（Impulse模式）；</p><p>　　積分非線性誤差I(lǐng)NL：最大為±2.5LSB；</p><p>　　動(dòng)態(tài)范圍：103dB（當(dāng)VREF＝5V）；</p><p>　　由3V或5V供電的并口（可工作于18位、16位或8位模式）和串口；</p><p><b>　　片內(nèi)基準(zhǔn)緩沖；</

51、b></p><p><b>　　5V單電源供電；</b></p><p>　　AD7674引腳如圖4-10所示</p><p>　　圖4-10 AD7674引腳圖</p><p>　　如圖4-11是AD7674與單片機(jī)的接口電路圖</p><p>　　圖4-11 AD7674接口電路圖

52、</p><p>　　單片機(jī)的轉(zhuǎn)換結(jié)果分三次進(jìn)行，當(dāng)為0為0時(shí)讀取高位，當(dāng)為1為0時(shí)讀取位，當(dāng)為1為1時(shí)讀取低2位。</p><p>　　4.5 18位DAC9881</p><p>　　T1公司的DAC9881是目前最高精確度的D/A轉(zhuǎn)換芯片。串行輸入、電壓輸出、單電源供電。它采用成熟的HPA07 COMS加工技術(shù)，分辨率達(dá)到18 b，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI(Seria

53、l PeripheralInteRFace)串行數(shù)據(jù)輸入方式，輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率可達(dá)50 MHz，最低有效位穩(wěn)定至1 LSB，時(shí)間僅為5μs，滿足DSP，MCU，F(xiàn)PGA等系統(tǒng)的快速性要求。輸出電壓信號(hào)的最大值取決于外部參考電壓+VREF，它的范圍為2.7～5.5 V；單通道輸出；持續(xù)工作時(shí)典型功耗為4 mw；最大積分非線性為±2 LSB(INL)；最大微分非線性為±1 LSB(DNL)；具有超寬的工作溫度范圍：-40

54、～+125℃。該DAC芯片的特點(diǎn)是具有線性性質(zhì)優(yōu)良，噪音低和輸出轉(zhuǎn)換特性快速；該芯片通過采用復(fù)雜的低噪音緩沖器，使噪音比采用外接元器件構(gòu)成同等精度的DAC轉(zhuǎn)換器減少75％，其噪音比為24 nV／Hz。配置可編程掛起(低電壓模式)和運(yùn)行功能，可以使系統(tǒng)在不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)將DAC芯片掛起，此時(shí)輸出近似為0．000 0 V，功耗降到125μW，直到接收到寫命令操作為止。這樣既可顯著地降低系統(tǒng)的功耗</p><p>

55、;　　圖4-12 DAC9881引腳圖</p><p>　　圖4-13 DAC9881接口電路圖</p><p>　　表一 DAC9881引腳功能</p><p>　　該DAC芯片為18位轉(zhuǎn)換器，當(dāng)系統(tǒng)的滿量程輸出為5 V時(shí)，1個(gè)LSB的值僅為。輸出電壓范圍：</p><p>　　式中：為參考電壓上限；為為參考電壓下限；CODE為輸出數(shù)據(jù)位

56、，范圍為：0—262143；G為增益，由GAIN引腳設(shè)定。</p><p>　　該芯片的數(shù)據(jù)傳輸格式是在每個(gè)寫周期中，向SPI串口移位寄存器寫入24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中D17(MSB)…D0(LSB)為有效數(shù)據(jù)位，D23…D18為無效數(shù)據(jù)位，狀態(tài)任意。</p><p>　　4.6 PID控制器</p><p>　　4.6.1PID運(yùn)算電路</p><

57、;p>　　如圖4-14，是PID串聯(lián)運(yùn)算電路原理圖[15]</p><p>　　圖4-14 PID調(diào)節(jié)器串聯(lián)電路</p><p>　　其比例部分的傳遞函數(shù)為</p><p>　　比例微分部分的傳遞函數(shù)為</p><p>　　比例積分部分的傳遞函數(shù)</p><p>　　PID運(yùn)算電路總的傳遞函數(shù)為</p&

58、gt;<p>　　為實(shí)現(xiàn)正常微分運(yùn)算，要求，它可以忽略不計(jì)，因此可得</p><p>　　式中——比例系數(shù)，；</p><p>　　其中為電位器RP的上部電阻值，為電位器RP的下部阻值；</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p>

59、<p><b>　　——微分增益；</b></p><p><b>　　——積分增益，；</b></p><p>　　——互調(diào)干擾系數(shù)，。</p><p>　　，，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。</p><p>　　4.6.2 PID控制器參數(shù)整定</p>

60、<p>　　一般整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性可表示為如下傳遞函數(shù)[16-17]：</p><p>　　該柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)質(zhì)量，剛度，可得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　然后運(yùn)用Matlab[18]對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其示意圖如圖4-15所示，首先將積分系數(shù)和微分系數(shù)取零，直至滿足要求。然后逐漸增大積分系數(shù)，消除靜差的速度滿意或消除。最后調(diào)整微分系數(shù)。</p>

61、<p>　　圖4-15 PID控制算法仿真實(shí)驗(yàn)的示意圖</p><p>　　調(diào)整比例、積分、微分系數(shù)后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，如圖4-16所示，此時(shí)的PID控制器參數(shù)為：比例系數(shù)為2.3，積分系數(shù)為4.0，微分系數(shù)為3.5。</p><p>　　圖4-16 系統(tǒng)穩(wěn)定曲線圖</p><p>　　4.7 功率運(yùn)算放大電路</p><p>　　

62、功率放大器即在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載(例如揚(yáng)聲器)的放大器。</p><p>　　本文采用LM386型號(hào)的集成功率放大電路，其主要參數(shù)如表2所示</p><p>　　表2 LM386主要參數(shù)</p><p>　　如圖4-17，是LM386應(yīng)用，該方法外接元件較少。C2為輸出電容，由于引腳1和8開路，集成功放的電壓增益為26dB,即電壓放

63、大倍數(shù)為20.R和C1串聯(lián)構(gòu)成校正網(wǎng)絡(luò)用來進(jìn)行相位補(bǔ)償。</p><p>　　圖4-17 LM386外圍接線電路圖</p><p>　　4.8 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　壓電器件是今年來發(fā)展起來的新型微位移器件。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)。同時(shí)它沒有發(fā)熱問題，故對(duì)精密工作臺(tái)無因熱量而引起的誤差。用這種器件制成的微動(dòng)工作臺(tái)，容易實(shí)現(xiàn)超

64、精密定位，是理想的微位移器件。</p><p>　　壓電晶體常用的材料是鋯酸鉛和鈦酸鉛。由鋯酸鉛和鈦酸鉛組成的多晶固熔體，全名稱為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，代號(hào)為PZT。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中的壓電陶瓷片將選用P-855.20型號(hào)的壓電陶瓷促動(dòng)器如圖4-18所示，其特性如下：</p><p>　　動(dòng)態(tài)性能良好，材料性能穩(wěn)定，老化性能在 5年內(nèi)小于0.2％。<

65、/p><p>　　最大推力達(dá)100N，最大拉力為5N。</p><p><b>　　行程為，分辨率。</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)電壓-20~120V，動(dòng)態(tài)電流工作系數(shù)。</p><p>　　居里溫度很高，可達(dá)300℃，它的使用溫度范圍在℃。</p><p>　　圖4-18 P-855.20壓電

66、陶瓷促動(dòng)器</p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　5.1 主程序</b></p><p>　　圖5-1 主程序流程圖</p><p><b>　　主程序：</b></p><p>　　ORG 0100H</p><

67、;p>　　DISM0 DATA 50H</p><p>　　DISM1 DATA 51H</p><p>　　DISM2 DATA 52H</p><p>　　DISM3 DATA 55H</p><p>　　DISM4 DATA 56H</

68、p><p>　　DISM5 DATA 57H</p><p>　　CLR A ； 清累加器A</p><p>　　MOV 30H, A</p><p>　　MOV 31H, A</p><p>　

69、　MOV 32H, A</p><p>　　MOV 40H, A清暫存單元</p><p>　　MOV 41H, A</p><p>　　MOV 42H, A</p><p>　　MOV DISM0,

70、 A</p><p>　　MOV DISM1, A</p><p>　　MOV DISM2, A</p><p>　　MOV DISM3, A清顯示緩沖區(qū)</p><p>　　MOV DISM4, A</p><p

71、>　　MOV DISM5, A</p><p>　　MOV TMOD, #56H</p><p>　　MOV TL0, #06H</p><p>　　MOV TH0, #06H</p><p>　　CLR PT0

72、</p><p>　　SETB TR0</p><p>　　SETB ET0</p><p>　　SETB EA</p><p>　　LOOP ACALL AD7674</p><p>　　ACALL KEY_SCAN: ；調(diào)用掃描程序</p

73、><p>　　ACALL DISPLY ；調(diào)用顯示程序</p><p>　　ACALL OPERATIONS</p><p>　　ACALL DA9881</p><p>　　AJMP LOOP ；等待中斷</p><p>　　5.2 A/D轉(zhuǎn)換子

74、程序</p><p>　　啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的端口地址為7FH。讀取高位數(shù)據(jù)的端口地址為B0H，讀取位數(shù)據(jù)的端口地址為B2H，當(dāng)為1讀取低2位數(shù)據(jù)的端口地址為B6H。</p><p>　　AD7674：MOV R0，#7FH ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換</p><p>　　MOVX @R0，A</p><p>　　SETB P1.0

75、 ;置P1.0為輸入</p><p>　　JB P1.0，$ ;查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束</p><p>　　MOV R0,#0B0H ；讀取高位數(shù)據(jù)的端口地址</p><p>　　MOVX A,@R0</p><p>　　MOV 52H,A</p><p>

76、<b>　　INC R0</b></p><p>　　MOVX A,@R0 ；讀取位數(shù)據(jù)的端口地址</p><p>　　MOV 51H,A</p><p><b>　　INC R0</b></p><p><b>　　INC R0</b>

77、</p><p>　　MOVX A,@R0 ；讀取低2位數(shù)據(jù)的端口地址</p><p>　　MOV 50H,A</p><p>　　MOV R0,#6 ；右移6位</p><p>　　AD0: CLR C</p><p>　　MOV A,52H<

78、;/p><p><b>　　RRC A</b></p><p>　　MOV A,52H</p><p>　　MOV A,51H</p><p><b>　　RRC A</b></p><p>　　MOV A,51H</p><p>　　MOV

79、 A,50H</p><p><b>　　RRC A</b></p><p>　　MOV A,50H</p><p>　　DJNZ R0,AS0</p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　RET</b><

80、;/p><p>　　5.3 矩陣鍵盤輸入子程序</p><p>　　KEY_SCAN: ：識(shí)別鍵盤有無按鍵按下</p><p>　　MOV P1，#0F0H</p><p><b>　　MOV A,P1</b></p><p>　　ANL A,#0F0H</p>

81、<p><b>　　MOV B,A</b></p><p>　　MOV P1，#0FH</p><p><b>　　MOV A,P1</b></p><p>　　ANL A,#0FH</p><p><b>　　ORL A,B</b></p>

82、<p>　　CJNE A,#0FFH,KEY_IN1</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　KEY_IN1： ：識(shí)別具體按鍵值</p><p><b>　　MOV B,A</b></p><p>　　MOV DPTR,#KEYT_AB

83、LE</p><p>　　MOV R3，#0FFH</p><p><b>　　KEY_IN2：</b></p><p><b>　　INC R3</b></p><p><b>　　MOV A,R3</b></p><p>　　MOVC A,@

84、A+DPTR</p><p>　　CJNE A,B,MKEY_IN3</p><p>　　MOV 30H,R3 ：結(jié)果放入30H單元</p><p><b>　　RET </b></p><p><b>　　KEY_IN3:</b></p><p>　

85、　CJNE A,#00H,KEY_IN2</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　特征編碼與順序編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系表</p><p>　　KEY_TABLE:</p><p>　　DB 0EEH,0EDH,EBH,0E7H,0DEH</p><p>　　DB 0DDH,0DBH

86、,0D7H,0BEH,0BDH</p><p>　　DB 0BBH,0B7H,07EH,07DH,07BH,077H;0-F</p><p><b>　　DB 00H;</b></p><p><b>　?。篈為小數(shù)點(diǎn)</b></p><p><b>　　B為確認(rèn)鍵</b>&l

87、t;/p><p><b>　　E為全部重新輸入鍵</b></p><p>　　F為取消鍵，取消上一位</p><p><b>　　5.4 顯示子程序</b></p><p>　　P0口控制數(shù)據(jù)輸出（段選） P2口控制位輸出（位選）</p><p><b>　　DIS

88、PLY:</b></p><p>　　MOV R1,#07FH</p><p>　　MOV R2,#08H</p><p>　　MOV R0,#30H</p><p>　　DISP1:MOV A,@R0</p><p>　　MOV DPTR,#TABLE</p><p>　　M

89、OVC A,@A+DPTR</p><p><b>　　MOV P0,A</b></p><p><b>　　MOV P2,R1</b></p><p><b>　　MOV A,R1</b></p><p><b>　　RR A </b></p>

90、;<p><b>　　MOV R1,A</b></p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　LCALL DELAY5MS</p><p>　　DJNZ R2,DISP1</p><p><b>　　RET</b></p>&

91、lt;p><b>　　TABLE:</b></p><p>　　DB 3FH，30H，5BH，4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,80H; </p><p>　　5.5 數(shù)據(jù)運(yùn)算子程序</p><p>　　將鍵盤輸入存儲(chǔ)在30H-32H的BCD數(shù)轉(zhuǎn)換成2進(jìn)制，再與A/D轉(zhuǎn)化后存儲(chǔ)在50H-52H內(nèi)容做差，結(jié)果放入55H

92、-57H中。</p><p>　　OPERATIONS： </p><p>　　MOV R0,#30H</p><p>　　MOV R1,#3</p><p><b>　　BR0:</b></p><p>　　MOV A,@ R0</p><p>

93、;<b>　　SWAP A </b></p><p>　　ANL A,#0FH</p><p>　　MOV B,#10</p><p><b>　　MUL AB</b></p><p>　　ANL 30H,#0FH</p><p>　　ADD A, @ R0<

94、;/p><p>　　MOV @ R0,A</p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　DJNZ R1,BR0</p><p><b>　　CLR C</b></p><p>　　MOV A,30H</p><p>　　SU

95、BB A,50H</p><p><b>　　MOV 5H,A</b></p><p>　　MOV A,31H</p><p>　　SUBB A,51H</p><p>　　MOV 56H，A</p><p>　　MOV A,32H</p><p>　　SUBB

96、 A,52H</p><p>　　MOV 57H，A</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　5.6 D/A轉(zhuǎn)換子程序</p><p>　　單片機(jī)對(duì)DAC9881分三步操作完成一次D/A轉(zhuǎn)換過程。單片機(jī)向端口地址7FH寫入高位數(shù)據(jù)，向端口地址7EH寫入位數(shù)據(jù)，向端口地址7DH寫入低2位數(shù)據(jù)&l

97、t;/p><p><b>　　DA9881：</b></p><p>　　MOV R0，#7FH</p><p>　　MOV A,55H</p><p>　　MOVX @R0，A</p><p><b>　　DEC R0</b></p><p>　　

98、MOV A,56H</p><p>　　MOVX @R0，A</p><p><b>　　DEC R0</b></p><p>　　MOV A,57H</p><p>　　MOVX @R0，A</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望</p><p><b>

99、;　　5.1 總結(jié)</b></p><p>　　從上面我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段柔性鉸鏈的應(yīng)用范圍十分廣泛，不僅僅局限于宇航和航空領(lǐng)域。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)精度搞的特點(diǎn)，在精密機(jī)械、精密測(cè)量、尤其是微米、納米技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前而言，柔性鉸鏈還是主要應(yīng)用于微位移機(jī)構(gòu)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用80c51單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行控制，單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特

100、別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。其中選用的差動(dòng)式電容傳感器和PZT壓電致動(dòng)，能容易實(shí)現(xiàn)精度為0.1nm的超精密測(cè)量與定位。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]李玉和

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106、基礎(chǔ)[M]，高等教育出版社，2006.1：513-529</p><p>　　[12]蔣煥文,孫續(xù)編著. 電子測(cè)量[M]. 北京:計(jì)量出版社,1983：187-193</p><p>　　[13]朱定華，戴汝平.單片機(jī)微機(jī)原理與應(yīng)用[M]，北方交通大學(xué)出版社，2003.8：128-231</p><p>　　[14]閻 石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，

107、2005：506-545</p><p>　　[15]叢 爽．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制系統(tǒng)及其在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用[M]．安徽：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2001．</p><p>　　[16]劉 豹，唐萬(wàn)生.現(xiàn)代控制理論[M]，1989.4：89-107</p><p>　　[17]董景新，趙長(zhǎng)德，熊沈蜀，郭美鳳.控制工程基礎(chǔ)[M]，2003.2:216-266<

108、/p><p>　　[18]劉衛(wèi)國(guó).MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M],2006.5:251-259</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　非常感謝xx老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給自己的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，他給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，他放棄了自己的