星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计

1、鸿彖墟工粵？tJIANGSU UNIVERSTTY OF TECHNOLOGY本科毕业设计（论文）星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计学院名称：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：08机制2Z学号：08321245姓 名：指导教师姓名：指导教师职称：二O三年六月江苏理工学院毕业设计说明书（论文）星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计扌商 要：针对国内市场上尚未出现比较成熟、实用的爬楼轮椅这一现状，为了 完善行星轮在爬楼梯上的应用，设计了一种实用的星轮行星轮转换式可爬楼轮 椅。该轮椅车主要有车体、星轮行星轮转换装置、离合器、导向轮、万向轮等零 部件构成。通过改变离合器的两种状态，它既可以在平地上行走

2、，乂可以攀爬楼 梯。离合器分离时，中心齿轮带动各行星齿轮旋转，此时为行星轮驱动模式，适 用于平地行走；离合器结合时，中心轴和转臂锁死，各行星齿轮将不能自转，中 心轴和整个行星轮系将整体翻转，此时为星轮驱动模式，适用于爬楼梯。与此同 时，在万向轮两侧各增加了一排导向轮，从而提高了轮椅车的越障能力。本设计 在总结前人对于这方面课题研究的成果基础上，对可爬楼轮椅车进行了优化设 计。关键i司：可爬楼梯轮椅；行星轮系；离合器；导向轮The Design of Conversion Type of the Star Wheel PlanetaryGear Climbing Stairs Wheelchai

3、rAbstract: For domestic market has not yet appeared relatively mature and practical climbing stairs wheelchair, and aimed to improve the planetary gear in the application of climbing the stairs, a practical star wheel planetary gear-conversion climbing stairs wheelchair has been designed The wheelch

4、air mainly body is composed of star wheel planetary gear conversion devices, clutch, guide wheels, universal wheels and other components. By changing two states of the clutch, this wheelchair can walk on the flat ground, and also can climb stairs. Drive center will drive the gear planetary gear rota

5、ting when the clutch separated and the planet-wheel is under drive mode which can leads a on level ground walking; and when the clutch combined, the central axis and arm lock the planetaiy gear rotation, there will be a overall flipping driver central axis of the planetary gear train, which will tak

6、e the initiative to climb obstacles. This time for the star-wheel drive mode applies to climb stairs. At the same time, adding a江苏理工学院毕业设计说明书（论文）row of the guide wheels on each side of the universal wheels has enhanced the obstacle-climbing capability of this wheelchair. With summarized up the achie

7、vements of previous research in this regard, this design has optimized and improved the climbing stairs wheelchair in some critical partsKeywords: Climbing stairs wheelchair; Planetary gear train; Clutch; Guide wheelII江苏理工学院毕业设计说明书（论文）目录序言1第1章 课题分析与方案论证21.1课题任务分析21.2设计方案2第2章硬件电路52. 1 A/D硬件单元52.2.1电路

8、设计5参考文献6致谢7序言自从单片机问世以来，在国外，它已广泛应用于自动控制、数据采集和处理、 家用电器等各方面，同时也渗透到其它各个科技领域。在国内，虽然起步较晚， 但山于单片机价廉物美、功能强、体积小、使用灵活方便，得到发展越来越多的 发展，尤其在工业过程控制、自动化仪器等领域得到广泛应用。对推动国家的工 业现代化进程有着重大意义。现代工业中绝大部分的动力装置都是用电机来实现的，由于电机并不能自身对转速进行控制，在以前只能用机械装置对电机进行调速，随着机械调速装置在江苏理工学院毕业设计说明书（论文）实际应用中暴露出来的噪音、能耗大以及易磨损、占用空间大、安装不便等问题, 人们开始把LI光投

9、向了电子调速。本设计LI的就是利用单片机对当前国内使用最 多的三种电机进行调速。本说明书共分为4章，第一章课题分析与方案论证；第二章对硬件进行了详 细的说明；第三章对系统的软件进行了分析；第四章有选择地列举了软硬件在调 试过程中出现的问题，并对问题作出了分析：其中重点是单片机的各接口单元电 路的设计，以及数据的显示处理。设计的最终成果是能通过按钮对电机的速度进 行控制，并实现对交流电机转速模拟量的采集，并通过LED进行显示。第1章课题分析与方案论证1.1课题任务分析本课题主要实现用单片机控制交流、直流、步进三种电机转速的口的，并采 集变频器转速输出口的电流信号将交流电机的实际转速显示出来。实验

10、室现有的西门子变频器有一模拟量输入口，在该口输入0-10V的电压，变频器就可以输出不同频率的交流电，达到控制交流电机转速的LI的，为此对于交流电机的转速控制只要将单片机产生的数字信号转化为模拟电压信号与实验第2页共7页江苏理工学院毕业设计说明书(论文)室现有的西门子变频器的模拟量输入口接驳即可；交流电机的转速显示则需将变 频器输出的电流模拟信号转换为数字信号送单片机。步进电机通过环行分配器控制各绕组的通电顺序运转，分配器有软件和硬件 之分。实验室的步进电机是通过硬件环行分配器驱动的，因而只要使单片机输出 不同频率的脉冲至硕件环行分配器就可以控制步进电机的转速。还可以从单片机 上引出一个口，通过

11、控制这个口的高低电平让步进电机正转或反转。直流电机的转速控制只要改变直流电机的输入电压就能实现，为此利用单片 机产生PWM脉冲送直流电机的驱动电路，山驱动电路产生不同的电压至直流电 机，从而达到直流电机的转速控制。本实验平台要求三种电机的调速电路以及模/数转换电路相互独立，以便在 以后做不同的实验时只需将相应的电路与单片机控制电路接驳。为此需要将各电 路的硬件和系统的软件模块化，其中硬件部分首先将各电路设计成一个个独立的 单元，然后用插口将各单元电路与单片机控制单元相连；软件的模块化则通过在 主程序中调用各子程序实现。1.2方案论证尽管所要控制的交流电机的额定转速为1400r/min,所要的A

12、/D、D/A芯片 的分辨率最小为1/1400,但考虑到本次设计任务只是锻炼我们的实践能力和方便 以后教学，没有必要去片面的追求高精度而增加硬件成本，为此直接选用了市面 上较为常见的八位D/A (DAC0809)、A/D (ADC0832)转换芯片，而没有将D/A、 A/D芯片的选择在方案中作为考虑对象。本次方案论证主要对键盘/显示接口电 路进行选择。方案一：1. 键盘/显示器单元电路方案选用通用并行接口芯片8155作LED显示和键盘的输入。其中，8155的PA 口为输出口，控制键盘列线的扫描，PA 口同时乂是4位LED显示器的位扫描口， PB作为显示器的段码口，PC 口作为键盘行线状态的输入口

13、。2. 交流电机单元的转速控制方案IIIAT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P0输出8位数字量信第3页共7页江苏理工学院毕业设计说明书（论文）号经D/A转换芯片DAC0832进行转换，产生相应的模拟电压信号，再将模拟电压 信号通过二级运算器放大后，输入西门子变频器MM420的模拟量输入口,去控制 交流电动机的转动。3. 步进电机单元的转速控制方案III AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经Pl.O、P1.1 口输出步 进电机的控制信号，经74LS07正向放大后送步进电机驱动电路。4. 直流电机单元的转速控制方案III AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后

14、经P1.0 口输出PWM信 号，将此脉冲信号送直流电机驱动电路控制直流电机的转动。方案二1. 键盘/显示器单元的电路方案选用五片“串入并出”移位寄存器74LS164扩展五个8位并行输出口： 一 个8位并行输出口用于键盘的列线使用，其余的四个8位并行输出口用于控制4 个LED段选口作静态显示。2. 交流电机单元的转速控制方案由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P0输出8位数字量信 号经D/A转换芯片DAC0832进行转换，产生相应的模拟电压信号，再将模拟电压 信号通过二级运算器放大后，输入西门子变频器MM420的模拟量输入口,去控制 交流电动机的转动。3. 步进电机单元的转速控制

15、方案由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经Pl.O、P1.1 口输出步 进电机的控制信号，经74LS07正向放大后送步进电机驱动电路。4. 直流电机单元的转速控制方案III AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0 口输出PWM信 号，将此脉冲信号送直流电机驱动电路控制直流电机的转动。综合上述两种方案，区别在于所采用的键盘、显示接口电路不同。方案一：选用通用并行接口芯片8155作LED显示和键盘的输入，这样就会 和D/A转换芯片DAC0832共用P0 口资源，需要进行片选，软件工作量大，硬 件接线复杂。第4页共7页江苏理工学院毕业设计说明书（论文）方案二：直接使

16、用89C51的串换行口外扩键盘/显示器。应用串行口方式0的输入方式，在串行口外接移位寄存器74LS164,构成键盘/显示器接口。这种静态显示方式的优点是亮度大，显示闪烁感小，且CPU不必频繁地为显示服务,因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简单，整个接口电路硬件也不复杂。通过比较我发现，笫二种方案软、硬较第一种方案简单，且充分利用了 89C51 单片机的串行口资源，节约了成本。为此，我采用第二种方案。溟曲 VU10C.01N-022】乩】22-4JW-22-5“W-3U.2-6ECC1H-53DJW-?AIZ曲）EKABLESTARTCLOCK2?232i_y!?_/ 8/ 1S-/ 12

17、_/252274L9J210P30 PHP】2 3?14P35 DMPWtTTI nn*oTl nEA/7P81 gRISZT莎 WReC5iRXD TXD ALEP KEM宪3?3635寿夯血2122JOnR图2-1 A/D接口电路第2章硬件电路本实验平台要求三种电机的调速电路以及模/数转换电路相互独立，以便在 以后做不同的实验时只需将相应的电路与单片机控制电路接驳。为此需要将各电 路的硬件和系统的软件模块化，其中硬件部分首先将各电路设计成一个个独立的 单元，然后用插口将各单元电路与单片机控制单元相连：软件的模块化则通过在 主程序中调用各子程序实现。第5页共7页江苏理工学院毕业设计说明书（论

18、文）2.1 A/D接口单元A/D接口单元电路为釆集到的变频器的模拟量能被单片机识别提供解决方案，如图2-1所示。2. 2.1电路设计本设计采用8位A/D转换芯片ADC0809, ADC0809的分辨率为1/255,而 设讣的交流电机的最高转速为1275r/min,这样本设讣中的A/D采集的最小分辨 率为 5r/mino为了在以后的实验中能用A/D转换芯片单独采集电压信号，在设计中将 ADC0809的INTO 口和地线预留了接口，算例数值计算结果如表2-1所示。表2-1算例数值计算结果最大应力（MPa）屈服极限（MPa）安全裕度最大变形（mm）X方向Z方向438.67700.760.0760.4

19、15根据载荷概率分布及元件的条件寿命发生函数分别构造元件的首级加载失 效概率发生函数“PO：(2-1)参考文献1 宋培义，刘立新.单片机原理接口技术与应用M.北京：中国广播电视台出 版社，19992 潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术M.北京:人民邮电出版社,19993 马志良.单片机原理与控制技术M.北京：机械工业出版社，20024 李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础（第二版）M.北京：北京航空航第6页共7页江苏理工学院毕业设计说明书(论文)天大学出版社，20015何宏.单片机原理与接口技术M.北京：国防工业出版社，20066秦晓梅，陈育斌.单片机原理综合实验教程M.大连：大连理工大学出版

20、社，20047张义民，王顺，刘巧伶.具有相关失效模式的多自山度非线性结构随机振动 系统的可靠性分析卩中国科学，2003, 33(9)： 804-8128公茂法，马宝甫，孙辰.单片机人机接口实例M.北京：北京航空航天大 学，19989胡汗才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，199610张振荣，晋明武，王毅平.MCS-51单片机原理及其实用技术M.北京: 人民邮电出版社，200011李秉操，张登举，付寿英，徐飞.单片机接口技术及其在工业控制中的应 用M.陕西：陕西电子编辑部，199112赵依军.单片微型计算机接口技术M.湖北：湖北计算机协会，198813张俊谟.单片机中级教程M.北京：北京航空航天大学出版社，200014梁建明.电阻炉炉温控制系统J