目錄TOC\o"1-3"\h\u220891方案設計與論證 4125181.1電機的選擇 4101591.2減速直流電機控制方式擬定 4161631.3單片機的選擇 457061.4基本方案的擬定 5177922理論分析與計算 5128762.1減速直流電機運營原理 5295192.2減速直流電機的選擇 6305052.3減速直流電機驅動方式的擬定 681802.4驅動電路的選擇 72.5反饋電路的選擇881802.6角度檢測與定標92.7減速直流電機測速原理9215683算法的設計1033.1減速直流電機控制算法10257793.2減速直流電機轉速測量算法1022543.3PID控制算法103.3.1閉環(huán)PID控制原理1072983.3.2位置式PID的控制算法 11323003.3.3增量式PID的控制算法1251864機械結構的設計 1372394.1物品的使用和連接 135實驗結果分析和總結14摘要：因本次設計的規(guī)定，選用減速直流電機，單片機選用89C52RC作為控制器芯片，選用L289N作為減速直流電機的驅動芯片來驅動減速直流電機，通過改變單片機產生的PWM信號的頻率，控制電機速度，然后由與減速直流電機同軸的光電碼盤作為反饋元件，并把反饋回的信號經CPU解決后再由數碼管顯示出來，再通過PID算法精確調節(jié)電機的速度。同時用角度傳感器對減速直流電機轉過的角度進行檢測，角度傳感器把數據返回給單片機，單片機做出反映，從而控制電機轉一定角度。關鍵字：減速直流電機、89C52、L289N、光電編碼盤、PID、角度傳感器1.方案論證與設計1.1電機的選擇方案一：選用直流電機作為驅動力，直流電機轉速快，能不久達成速度規(guī)定，并且對驅動電路的規(guī)定低。方案二：選用減速直流電機，減速直流電機轉動速度較慢，功耗低。方案三：選用步進電機，其具有轉動角度精確等優(yōu)點，扭力矩大，能帶動較大負載。綜合上敘三種方法,直流電機轉速快，但是旋轉精度不高，而題目規(guī)定的轉速為15r/min，且因減速步進電機最高速度不超過10r/min，達不到速度規(guī)定，故采用減速直流電機。1.2減速直流電機控制方式擬定方案一：直接采用電機兩端分別連接地和P1^1輸出端，調節(jié)P1^1引腳的高低頻率，以實現(xiàn)控制電機轉動，并能通過按鍵實現(xiàn)電機加速和減速功能。其優(yōu)點在于簡樸直觀的觀測速度變化，接線簡樸。缺陷是單片機輸出的高電平并不是很高，難以實現(xiàn)電機在帶載的情況下能達成規(guī)定速度，并且速度不精確。方案二：減速直流電機通過外部橋式電路回應單片機的控制反饋。在L289N橋式驅動電路中，輸入端口五個：+5V，GND，ena，ip1，ip2，其中ena為使能端，只有輸入為高電平時，橋式電路工作。ip1和ip2電平保持相反時才干工作。輸出端也需另加+9V電壓，op1和op2接直流電機兩端。該電路通過調節(jié)ena端高電平占空比來實現(xiàn)加速減速，以及暫停功能。其優(yōu)點在于能很好的驅動直流電機，達成較高速度，并使速度更加精確，但缺陷在于接線麻煩，并且外接的電源的大小，對電機轉動速度有直接影響。綜合上敘兩種方案，由于本課題對減速直流電機的轉速精度規(guī)定較高，在通過使用計時脈沖使電機達成一定的轉速外，還需采用反饋裝置來測量電機轉速，從而調整電機速度。故減速直流電機需采用閉環(huán)控制的方式，即選擇方案二來完畢設計。1.3單片機的選擇方案一：以89C52作為減速直流電機的控制芯片。89C52的結構簡樸并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上。具有使用方便等優(yōu)點，并且完全兼容MCS5l系列單片機的所有功能。方案二：以stm32單片機作為主控芯片。stm32單片機解決數據能力強，外接IO口多,功能強大，能更方便的完畢外接光電編碼器、攝像頭等外接設備，并且解決數據能力強，能更準確控制減速直流電機。綜合上述兩方案，認為89c52單片機結構簡樸，又能很好地完畢課題規(guī)定，且軟件學習任務比stm32少了很多，故本課題選用89c52單片機。1.4基本方案的擬定因本次設計的規(guī)定，選用減速直流電機，單片機選用89C52RC作為控制器芯片。選取74HC573來驅動數碼管，選用L289N來驅動減速直流電機。然后由與減速直流電機同軸的光電碼盤作為反饋元件，并把反饋回的信號經CPU解決后再由顯示器顯示出來，再通過PID算法調節(jié)電機的速度。但由鍵盤輸入的速度數值得通過顯示器來顯示，固本次設計要兩個四位數碼管顯示，一個來顯示給定的轉速一個來顯示實際的轉速。題目規(guī)定顯示實時時間，可通過使用DS1302實時芯片獲得時間，在1602LCD上顯示。同時用角度傳感器對減速直流電機轉過的角度進行檢測，角度傳感器把數據返回給單片機，單片機做出反映，從而控制電機轉一定角度。系統(tǒng)框圖如圖一所示：圖一系統(tǒng)框圖2.理論分析與計算2.1減速直流電機運營原理直流減速電機，即齒輪減速電機，是在普通直流電機的基礎上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉速和力矩。同時亦可調節(jié)驅動電壓占空比來達成加速、減速的效果。這大大提高了直流電機在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機是指減速機和電機（馬達）的集成體。2.2減速直流電機的選擇本課題對轉速的范圍規(guī)定不高，而對精度規(guī)定較高，故優(yōu)先考慮采用28BYJ48型減速直流電機，其一些參數如下：額定電壓：12VDC相數：4減速比：1/64(另有減速比：1/16,1/32)步距角:5.625度驅動方式：四相八拍電機線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，電機示意圖如圖二。圖二電機示意圖四相八拍的通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（本設計用的是四相八拍）。通電一周的周期越短，即驅動頻率越高，則電機轉速越快，但減速直流電機的轉速也不也許太快，由于它每走一步需要一定的時間，若信號頻率過高，也許導致電機失步，甚至只在原步顫動。課題中規(guī)定減速直流電機穩(wěn)定在15r/min，即每秒鐘轉過90度，可調節(jié)使脈沖頻率為16*64=1024，即可使電機穩(wěn)定在15r/min。但是通過實際測試與網上參數比對，發(fā)現(xiàn)該型號步進電機額定轉速不超過10r/min，未能達成速度規(guī)定，故棄而不用。普通直流減速電機，雖然在精度上不能與步進電機相比，但是在加入減速齒輪之后，仍然可以通過調節(jié)程序的計時時間長短來達成題目規(guī)定的速度，填補28BYJ48步進電機速度上的局限性。2.3減速直流電機驅動方式的擬定減速直流電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅動，這種方法一般不宜采用，由于CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓減速直流電機的轉動；另一種是通過CPU來間接驅動，就是把從CPU輸出的信號進行放大，然后直接驅動或是再通過光電隔離間接來驅動減速直流電機，這種方法比較安全可靠。固本次設計應采用CPU間接驅動減速直流電機。用編碼器還的測速發(fā)電機作為轉速測量工具,由于選擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機，把減速直流電機的轉速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對減速直流電機進行調節(jié)；別一種是通過光同軸的光電碼盤把減速直流電機的轉速反饋回來對減速直流電機進行調節(jié)；兩者相比，后者的設計比較簡樸，價格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電碼盤作為反饋元件。2.4驅動電路的選擇減速直流電機的驅動電機有多種，但最為常用的就是單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分控制驅動等。單電壓驅動是減速直流電機控制中最為簡樸的一種驅動電路，它在本質上是一個單間的反相器。它的最大特點是結構簡樸，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。它的外接電阻R要消耗相稱一部分的熱量，這樣就會影響電路的穩(wěn)定性，所以此種驅動方式一般只用在小功率的減速直流電機的驅動電路中。雙電壓驅動是電路一般采用兩種電源電壓來驅動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為高低壓驅動電路。雙電壓驅動電路的缺陷是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點，這樣必然引起力矩在谷點處下降。不宜于電機的正常運營。對于斬波電路驅動則可以克服這種缺陷，并且還可以提高減速直流電機的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅動電路，它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動，所以會產生較大的電磁噪聲。細分驅動是用脈沖電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉子就可以轉動一步，一般會根據電壓脈沖的分派方式，減速直流電機各相繞阻會輪流切換，固可以使減速直流電機的轉子旋轉。但因本次設計對減速直流電機的精度規(guī)定比較高轉速的調節(jié)范圍比較廣，固應選用驅動芯片L289N來驅動，并通過軟件來實現(xiàn)減速直流電機的調速。L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。可以方便的驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。L298N芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；并且電路簡樸，使用比較方便。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46V。輸出電流可達2．5A，可驅動電感性負載。圖三L289N連接圖2.5反饋電路的選擇選用光電編碼器作為反饋元件，光電編碼器與減速直流電機是同軸的輸出通過放大送到計算機。并通過顯示器顯示出減速直流電機的實際轉速。關于光電編碼器的說明如下：光電編碼器，是一種通過光電轉換將位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器.這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖四所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。圖四光電編碼器的原理圖本實驗通過光電碼盤返回脈沖個數計算電機的實際轉速，我們采用的是每6秒掃描一次。假設電機的實際轉速為n分/轉，則光電碼盤上面返回的是10n/60每秒。因此我們采用6秒掃描一次，否則會出現(xiàn)小數。2.6角度檢測與定標本次設計對角度的檢測欲采用角度傳感器，角度傳感器，是用來檢測角度的。它的身體中有一個孔，可以配合樂高的軸。當連結到RCX上時，軸每轉過1/16圈，角度傳感器就會計數一次。往一個方向轉動時，計數增長，轉動方向改變時，計數減少。收到的數據傳給電腦，從而使減速直流電機轉過恒定的角度，故本次設計采用角度傳感器來檢測角度。2.7減速直流電機測速原理我們通過用設定一個外部中斷0，接受光電開關采集的信號，通過設定計數器T1計數，記下中斷次數（即反饋的脈沖信號），然后通過設計算法計算出實際轉速，與設定的轉速值相比較，采用閉環(huán)的PID控制來達成減速直流電機穩(wěn)定調速的目的。我們在程序中設定轉速為n轉/分，通過與P3.2采集回來的數據相比較，當采集回來的數據小于n轉/分時，我們通過改變PID的相應的參數來調節(jié)電機的轉速，讓減速直流電機的轉速加起來，使之與n轉/分相吻合。同樣，當采集回來的數據大于n轉/分時，也改變PID的相應的參數來調節(jié)電機的轉速，讓減速直流電機的轉速減下來，使之與n轉/分相吻合。算法的設計3.1減速直流電機控制算法方案一：用定期器T0產生單位脈沖，通過定期，在設定的時間給減速直流電機一個脈沖讓它走一步，然后再延時一段時間，延時時間的長短是通過速度減去定期器初值得到的。達成控制速度的目的。方案二：通過試湊法測轉速，在開始的時候設立一個定期器，幅一個初值，通過光敏傳感器可以觀測出電機的轉速是多少，然后在通過調整定期器初值的大小來達成與反饋電路的速度同樣的效果，然后再將每個速度相應的初值變?yōu)橐粋€數組，然后直接可以調用數組里面的值就可以得到不同的轉速。從而達成調速的目的。方案三：通過設定定期器，在給定的時間內給他一個脈沖。改變定期器循環(huán)的次數，達成調速的目的。綜上所述，我們采用的是第三種方法來對電機的速度進行控制的。由于第一種方法在定期器延時的時候有誤差，不能對速度進行精確的控制。第二種方法雖然可以對電機的速度進行精確的控制，但是由于使用了定期器的延時，使數碼管道的動態(tài)顯示的掃描速度受到影響，從而導致了數碼管無法正常的顯示。3.2減速直流電機轉速測量算法本實驗采用光電對管作測量傳感器，減速直流電機的轉動帶動碼盤轉動，當碼盤轉動，擋住光電對管時，光電對管指示燈亮，輸出一個低電平，光線通過碼盤間隙穿過時光電對管指示燈滅，輸出一個高電平，循環(huán)往復，輸出一連串脈沖，當減速直流電機轉速變化時，光電對管檢測輸出脈沖頻率也發(fā)生相應的變化，通過外部中斷0記下脈沖數n，定期器T0計時，計時6s顯示一次轉速（因素見問題分析）本實驗采用十個齒的碼盤，減速直流電機轉動的圈數為n/10。3.3PID控制算法3.3.1閉環(huán)PID控制原理圖5PID控制系統(tǒng)框圖比例積分微分調節(jié)器(PID)。其調節(jié)規(guī)律可用(1)式表達。（1）式中：為微分常數，它的物理意義是當調節(jié)器微分調節(jié)作用與比例調節(jié)作用的輸出相等時所需的調節(jié)時間稱為微分常數．3.3.2位置式P