机电一体化课程设计计算说明书设计题目：高速插秧机供苗系统的设计目录一.设计任务 (3)二.改进系统拟定流程图 (3)三.电机的选择和动力选择 (3)四.电动机转速的测量和控制 (4)五.联轴器的选用 (12)六.变速箱的设计 (12)七.滚珠丝杠副的选型 (14)八.行程开关控制电机正反转 (17)九.附录 (17)一、设计任务本次机电一体化课程设计的设计任务主要是通过对vp6洋马插秧机的高速供苗系统的学习，对供苗原理的探索，掌握供苗系统的基本设计知识，而通过小组的讨论思考对原有供苗系统进行可行性的改进，在改进设计过程中培养小组成员独立完成机械设计任务的能力。
二、改进系统拟定流程图图1改进系统示意图优点：改进后系统，电机转速，可以平滑调整，中低速运行。
通过单片机控制电机转速可使电机运行噪声低。
变速箱可以实现四个速比，插苗的行距可以进行优化调整，提高作业质量。
缺点：滚珠丝杠精度要求较高，成本增加很大，且行程开关控制电机正反转使得栽秧台来回运动使插苗间距有点不齐。
三．电机的选择和动力计算图2直流电机选择参数图系统要求动力源具有良好的控制性能和运行性能，因此选择直流电动机，采用PWM直流调速系统，适宜在大范围内平滑调速，从而实现平滑调速。
采用直流电动机：型号55ZYN51 额定转矩265.3mN.m 转速1800r/min 功率50W 额定电压24V 额定电流3.2A滚珠丝杆副的动力和横向送秧装置的动力由电动机提供。
四.电动机转速的测量和控制本设计基于直流电动机在51单片机中的应用，设计出大功率直流电动机转速的测量与控制。
单片机控制直流电机的基本方法是通过改变直流电机电枢电压的接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。
PWM中采用定宽调频法是系统工作稳定。
4.1.测量直流电动机转速的传感器采用飞利浦（Philips）公司生产的KMI15-1传感器，它主要包括以下六部分：①磁敏电阻传感器；②前置放大器A1；③施密特触发器；④开关控制电路源；⑤恒流源；⑥电压控制器。
它是由4只磁敏电阻构成的一个桥路，需固定在靠近齿轮的地方，当齿轮转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中磁阻也随之改变，在传感器上就产生了电信号。
该传感器具有很强的方向性，他对与之连接的传动物体十分敏感，而对该物体的震动或者抖动量很不敏感，这正是测量转速所需要的。
传感器产生的电信号频率和转动速度呈正比，根据单位时间间隔内的脉冲数，即可求得被测电机的转速。
4.2.电机驱动芯片电机驱动需要较高的电压和电流，一般需要根据电机的具体参数设计合适的驱动电路。
设计中采用电机驱动芯片ULN2003用于直流电机的驱动控制。
ULN2003是耐高压、大电流达林顿系列，由七个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7KΩ的基极电阻，在5V的工作电压下他能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003采用DIP-16或SOP-16塑料封装，其内部结构如图所示;图3为ULN2003内部结构图ULN2003的引脚说明如下：IN1-IN7：七个输入端，输入信号支持TTL，CMOS电平。
OUT1-OUT7：七个输出端。
COM：公共端，一般用于测试芯片用，当芯片连接完毕，公共端的电压足可以点亮一个发光管。
GND：信号地端。
4.3硬件电路的设计方案整个系统硬件可以分为三个部分：51单片机部分，转速测量部分，转速显示部分和转速调整控制部分。
KMI15-1输出脉冲信号到单片机测量电机转速，LED显示模块由MAX7219驱动控制，直流电机的控制由51单片机输出PWM脉冲信号送入芯片ULN2003驱动直流电机。
4.3.1 转速传感器KMI15应用电路51单片机部分图4为转速传感器KMI15应用电路51单片机部分如图4所示：51单片机利用定时器T0实现定时1s,在此期间计数器T1对传感器输出频率信号计数，既可以测得信号频率。
根据所测频率的数值判断电机的对应转速，51单片机的两个ID端口P2.2、P2.6连接绿色和红色发光管，用于对电机转速是否超出设定的最大值与最小值的指示标志。
4.3.2.转速测量部分基于KMI15的转速传感器的前端电路如下图所示，整个电路包括三个部分：电源过压保护、输出低通滤波器电路、比较电路。
图5为基于KMI15的转速传感器前端电路图图5中，二极管D1作为电路反极性保护和反向过压保护；二极管D2作电路正向过压保护，但要求有一定过载能力。
RL为115Ω负载电阻，将磁阻信号转换成电压电平。
R3、C6构成输入信号低通滤波电路，其截至频率为10kHz。
R5、R6确定一个分压值，作为比较器的阈值，R9、R10和R7组成反馈和R4来确定迟滞电压，来保证工作特性不受外界因素干扰，最终转速传感器通过LM393比较器输出端输出标准TTL电平信号，该信号频率与转速成正比，该信号送入51点偏激的T1计数器输入端用于测量转速。
测速过程中KMI15-1传感器的输出端接到51单片机的T1端口。
转速测量、单片机部分电路图4.3.3测速调速电路51单片机部分图6为直流电机测速调速电路51单片机部分图6中，51单片机P0口的P0.0输出电机驱动信号，P0.0通过NPN三极管连接到直流电机驱动器ULN2003的输入通道IN1。
P0.0可以通过上拉电阻连接到ULN2003的输入通道IN1，改变P0.0输出周期性脉冲的高电平宽度，即可实现对电机的调速控制。
4.3.4直流电机测速调速电路转换显示部分图7为直流电机测速调速电路转速显示部分图7所示的显示电路部分包涵三个LED数码管，数码管驱动器件采用串行接口的MAX7219，数码管亮度决定于MAX7219的V+和ISET之间的电阻数值，在本电路当中选择47KΩ，一般来说可以选择10KΩ以上的电阻。
51单片机的P1口的P1.0、P1.1、P1.2分别作为单片机与MAX7219串行通信接口的数据输入线、时钟信号线、数据加载线（片选线）。
基于这三条通信线，51单片机即可实现对8位数码管驱动芯片MAX7219的操作。
MAX7219的数据输出端DOUT用于多片MAX7219级联使用时连接下一片MAX7219的数据输入端DIN；数码管工作段电流决定于MAX7219的V+端与ISET端接入的电阻大小，一般选择的范围为10KΩ以上。
为了能够稳定地显示数据，需要在MAX7219的电源输入端加滤波电容，这是由于MAX7219工作时对输入电源会产生很大的干扰，可以造成MAX7219本身工作的不稳定以及数据的接收误码。
图7所示的数码管为八位共阴数码管，它们的公共段可以分别接到数码管芯片MAX7219的位控制端口DIG0-DIG2，实现8位数码管的位控制。
4.4.系统流程图开始初始化设置调用测速调试程序显示返回图8系统流程图图8所示为系统流程图，系统经初始化之后，调用测速调速程序，之后调用显示子程序动态显示电动机转速。
4.5.转速测量程序流程图图9基于KMI15转速测量程序流程图定时计数器T0、T1配合，实现转速测量的程序流程如上图所示，T0用于产生1s定时，在此期间T1计传感器部分送来的转速频率脉冲，完成后对转速进行分析，根据转速值进行相应的程序处理。
默认转速为1500r/min，如果超过1500r/min或低于1500r/min，则红色发光管告警。
如果测量速度为此速度时，绿色发光管点亮。
定时器0定时参数为50ms，20次定时实现1s，1s定时开始对T1输入端计数，20次定时时间到，T1停止计数，从而得到比较精确的电机转速。
根据实际情况即可转换为实际的电机转速。
4.6.显示程序流程图开始更新显示MAX7219初始化测试MAX7219图10为单片机基于MAX7219驱动8位数码管流程图51单片机基于MAX7219驱动8位数码管流程图如图10所示。
51单片机通过MAX7219数码管驱动芯片实现8位数码管显示的程序中，主要的工作集中在51单片机模拟MAX7219串口操作时序，实现对MAX7219工作方式的正确配置以及3个显示数据的正确写入。
4.7.测速调速控制程序流程图图11基于单片机的直流电机测速调速程序流程图基于51单片机的直流电机测速调速系统程序流程如图11上所示。
其中，定时器T0用于1s定时，同时T1用于1s内脉冲计数，从而达到电机测速的目的。
该程序设计重点在定、时器中断，定时器0中断服务程序当中包括电机测速部分、电机转速显示部分、电机转速调整部分。
电机转速调整部分只需要对转速和设定转速值进行比较，根据比较结果调整P0.0输出周期脉冲的高电平宽度即可调整电机转速。
4.8.控制算法实现图12电机速度控制算法流程图上图为电机速度控制算法流程图，电机控制信号输出端P0.0初始输出低电平，将测得的电机转速值与设定的值比较，当测速大于设定的速度时，减小P0.0脉冲的高电平宽度，减小电机速度；当测速小于设定的速度时，增大P0.0脉冲的高电平宽度，增大电机速度；当测速在设定值1500r/min，正确显示速度。
五．联轴器的选用型号GYS5, 公称转矩400N.m 许用转速8000r/min 轴孔直径38mm六．变速箱设计6.1变速箱原理如图6.1采用折回机构传动变速箱，基本原理如下：运动从轴1输入，轴2输出。
轴1和轴2上各有一个空套的双联滑移齿轮和一个与轴用花键联接的滑移齿轮，双联齿轮的轴向是固定不能移动的。
这种机构有两条传动路线，一条是从轴1到轴2的正向传动路线，这样可以得到三个传动比；另外一条是从轴1到轴2，再从轴2到轴1的折回传动路线，通过折回路线可以得到较大的降速传动比。
折回机构传动图图13折回运动机构6.2减速器计算齿轮上的力是沿接触线均与分布的，用集中力代替，在节圆上，法向力F 可分解为两个互相垂直的分力：切于分度圆的圆周力F 和半径方向的径向力F 。
圆周力112d T F t =径向力 aF F t r tan =法向力a F F tn cos =轴I 上的输入速度为1500r/min ，转矩250N.m 。
可得：轴I:T1=250*0.99=247.5N.m=t F 2*247.5/2=247.5N.m=r F 247.5*tan20=90.08N.m =n F 247.5/cos20=263.38N.m齿面接触疲劳强度的校核：][2)1(211H u u H E H bdKT Z Z Z σσ≤⨯=±∑------------公式一K 取均匀平稳为1T1为247.5N.mE Z 取180MPAH Z 取2重合度∑Z 取0.87d 取30mm B 取29mmU 为75/25=3以及5.38、1.94、1.08代入公式一分别可得：H σ取95~121Mpa查表可知：][H σ=650Mpa故可得，变速箱内的齿轮传动符合转速以及转矩的要求，变速箱可以正常工作。