-第1章緒論1.1課題背景與意義如今，世界已步入電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)在越來越現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中的地位也隨之水漲船高。在很多方面比如國防領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域、制造業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在生活中的辦公設(shè)備何家用電器都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)有著交流電機(jī)所無法比擬的超高的調(diào)速能力和快速啟停的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速和頻繁的快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等操作，從閉環(huán)反饋控制的角度來看，對(duì)直流電機(jī)的控制是對(duì)所有電機(jī)控制系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)，所以對(duì)直流電機(jī)的控制進(jìn)行深入討論、理解與研究仍舊具有很高的發(fā)展前景和科研價(jià)值的[1,2]。隨著控制算法及微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，基于單片機(jī)控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)得到了較快發(fā)展，從而更加方便對(duì)直流電機(jī)采取控制，并提高其速度控制的精確性[3,4]。微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢顯著，其具有調(diào)試容易、結(jié)構(gòu)簡單、程序修改靈活、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn),正逐步取代模擬直流調(diào)速系統(tǒng)[5]。因此本論文擬設(shè)計(jì)一種直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速裝置，用于控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行然后將轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示在數(shù)碼管上，并且當(dāng)轉(zhuǎn)速超出上下限，發(fā)出報(bào)警聲音和燈光，目的是減少成本的投入，不斷優(yōu)化其智能化，促進(jìn)可靠性與靈活性的全面提升[6]。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀早期，調(diào)速系統(tǒng)采用的是恒壓源給直流電機(jī)供電，若要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，只能通過改變電樞電路中的內(nèi)阻來調(diào)節(jié)電樞電壓的大小進(jìn)而起到電機(jī)調(diào)速的目的[7]。早期的這種調(diào)速電路的優(yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)簡單，并且制作容易、成本低廉。但其缺點(diǎn)也十分明顯即調(diào)速效率過低且調(diào)速精度也較低不易控制[8]。隨后，發(fā)展出用發(fā)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法，這種調(diào)速方式雖然克服了精度低以及效率低等弊端，但是其連接線路較為復(fù)雜、系統(tǒng)投入的一次成本較高并后期維護(hù)也比較困難。隨著科學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展，汞弧變流器問世，汞弧變流器便很快取代了調(diào)速電路中的發(fā)電機(jī)。這種改變使調(diào)速電路的調(diào)速性得到進(jìn)一步提升,并且調(diào)速電路的響應(yīng)速度提升一個(gè)量級(jí)，但這種調(diào)速方式有一個(gè)不可避免危害就是由于該系統(tǒng)中含有的水銀會(huì)揮發(fā)出來，對(duì)用戶的健康造成極大的損害[9]。隨后人們采用晶閘管代替之前的整流裝置供電,直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能有了一個(gè)質(zhì)的飛躍[10]。這種調(diào)速電路的優(yōu)勢顯著：壽命長、精度高、反應(yīng)快、體積小、成本低，因而很長的時(shí)間里成為了主流。近些年來，由于PWM技術(shù)具有高精度、響應(yīng)快、低損耗的優(yōu)點(diǎn)，脈寬調(diào)制技術(shù)飛速發(fā)展，目前已成為直流電機(jī)調(diào)速的主要方式。在一些發(fā)達(dá)國家中直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展時(shí)間較長，所以該技術(shù)的研究比一些發(fā)展中國家更具優(yōu)勢，例如德國的西門子、日本的三菱等公司都已經(jīng)研制出全數(shù)字直流調(diào)速裝置,這些公司的產(chǎn)品所屬的應(yīng)用領(lǐng)域主要在提高產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性。由于我國在該領(lǐng)域的起步研究相較于發(fā)達(dá)國家來說雖然比較晚[11]，但自從我國成功自行研制出第一只晶閘管以來,運(yùn)用晶閘管進(jìn)行調(diào)速的調(diào)速裝置也迅速發(fā)展起來，晶閘管調(diào)速裝置也很快在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的成績。目前，我國在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域的科研成果頗豐，對(duì)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的主流研究方向有：補(bǔ)償PID控制、綜合性最優(yōu)控制、PID算法優(yōu)化等[12,13]，大多數(shù)只應(yīng)用了模糊控制技術(shù)，對(duì)于智能控制的應(yīng)用還是較少涉及[14]。目前，新型電力半導(dǎo)體器件發(fā)展前景一片大好，IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)憑借自身具有的開關(guān)速度快、自關(guān)斷和驅(qū)動(dòng)簡單等優(yōu)點(diǎn)[15,16]，這些優(yōu)點(diǎn)很好的解決了晶閘管的主要缺點(diǎn)。國內(nèi)的相關(guān)研究所和高校都在積極研究直流調(diào)速正向脈寬調(diào)制領(lǐng)域[17,18,19]，并且聯(lián)合相關(guān)企業(yè)積極研發(fā)基于PWM技術(shù)的高性能調(diào)速裝置。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)目的與要求此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)一個(gè)高穩(wěn)定性、高響應(yīng)速度、低功耗、高性價(jià)比的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。首先要學(xué)會(huì)單片機(jī)的相關(guān)內(nèi)容，包括它的工作原理、定時(shí)器計(jì)數(shù)器的用法等，其次要熟悉掌握Proteus仿真軟件的用法，包括工程建立、元器件查找、原理圖繪制，然后熟練C語言編程，最后結(jié)合單片機(jī)擴(kuò)展電路組成直流電機(jī)測速及電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，完成元件選型、各個(gè)部件控制方案選擇、電路原理圖繪制和軟件編程，仿真實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速控制，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書和科技小論文。通過對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的探索與操作進(jìn)一步培養(yǎng)我們將理論與實(shí)踐結(jié)合、互通的能力、開拓進(jìn)取的能力、硬件、軟件聯(lián)合應(yīng)用的能力、專業(yè)未知內(nèi)容的查找能力、總結(jié)歸納以及自學(xué)能力，從而進(jìn)一步鍛煉我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的把握，促進(jìn)我們綜合能力的提升。設(shè)計(jì)開發(fā)直流電機(jī)自動(dòng)測量并調(diào)節(jié)速度的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。要求由穩(wěn)定電源、單片機(jī)、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、鍵盤、二極管、顯示器、蜂鳴器等部件組成直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖。具體則是將單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的指揮大腦，使用Proteus軟件為開發(fā)仿真平臺(tái)，使用Keil軟件為編譯器，使用C語言為編程語言，利用PID算法為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，完成直流電機(jī)硬件擴(kuò)展及其他顯示、鍵盤燈硬件的設(shè)計(jì)連線及調(diào)試及仿真。在LCD液晶顯示器上顯示速度設(shè)定值和實(shí)時(shí)速度，利用蜂鳴器和LED組成聲光報(bào)警裝置模塊，利用按鍵和虛擬終端來設(shè)定和改變相關(guān)參數(shù),以便于監(jiān)控和調(diào)試。然后編寫軟件實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速功能。其中主要編寫的程序有：系統(tǒng)主程序、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、串行通訊及上位機(jī)、鍵盤模塊、聲光報(bào)警模塊等。最后完成軟件的調(diào)試，完成直流電機(jī)的穩(wěn)定控速等功能。其中串行通信模塊可以替代鍵盤模塊，直接在上位機(jī)端輸入相應(yīng)的指令完成對(duì)直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向、加減目標(biāo)值等功能，同時(shí)可以通過串口通信將速度信息傳輸給上位機(jī)。2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)根據(jù)題目所寫實(shí)現(xiàn)要求，設(shè)計(jì)的整體思路是：系統(tǒng)將單片機(jī)與PID控制算法相結(jié)合[20,21]，采用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片與控制中心，直流電機(jī)作為被控對(duì)象進(jìn)行了科學(xué)的探究和分析，系統(tǒng)由穩(wěn)定電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、狀態(tài)及報(bào)警模塊、串行通信模塊、按鍵輸入模塊、直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊及其他組成。該系統(tǒng)所組成的框圖如圖2-1所示：圖2-1系統(tǒng)組成框圖2.3控制算法及參數(shù)整定一個(gè)典型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括輸入、采樣、控制器、被控對(duì)象和輸出[22]，其中R(t)為給定值輸入，C(t)為實(shí)際輸出值，e(t)在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)，控制器常采用的控制方式為PID控制[25,26]。PID控制的主要特點(diǎn)是基本地輸入輸出關(guān)系可通過微分方程表示，如式(2-1)表示：u(t)=Kpe(t)+1Ti在上式(2-1)中，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，Kp為比例系數(shù)，e(t)G(s)=U(s)E(s)=K其中，其含有兩種不同的計(jì)算方式：增量式和位置式。公式分別如下：位置式：u(k)=Kpe(k)+K增量式：Δu(k)=Kp(e(k)?增量式PID控制和位置式PID控制在實(shí)際的控制應(yīng)用當(dāng)中大同小異[27,28]，但是在某些方面增量式要優(yōu)于位置式：(1)只有當(dāng)前拍k和前兩拍k?1、((2)增量式?jīng)]有積分部分，每次只作Δu(k)(3)顯而易見增量式控制輸出為控制量增量，沒有積分項(xiàng)，不具備積分功能，所以如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)自帶積分功能，每次只需要輸出增量，這樣會(huì)使誤動(dòng)作造成的影響??；(4)從一種控制方式切換到另外一種時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的刺激比較溫和，可以完成無擾切換。基于增量式PID控制器的優(yōu)點(diǎn)較多，本系統(tǒng)選擇采用增量式PID的控制方法。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)設(shè)計(jì)3.1.1硬件設(shè)計(jì)目標(biāo)在此次設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過直流電機(jī)自帶的編碼盤將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息以中斷的形式輸送給單片機(jī)，單片機(jī)通過對(duì)中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)來獲得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而后利用PID算法和PWM技術(shù)將獲得的PWM波通過單片機(jī)的P3.2口輸送給L298驅(qū)動(dòng)芯片的使能端，以此來改變芯片的輸出大小，從而來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)定值和實(shí)際值通過P0口傳遞給液晶顯示器進(jìn)行顯示。當(dāng)實(shí)際值超限、電機(jī)飛車時(shí)單片機(jī)通過與P1.0鏈接的三極管控制蜂鳴器的通斷來進(jìn)行聲音報(bào)警。設(shè)定值則可以用按鍵和與串口相連的上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，與此同時(shí)上位機(jī)還可以利用串口通信接收來自單片機(jī)的速度信息，以達(dá)到檢測的目的。因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)電壓的要求較高，所以系統(tǒng)又單獨(dú)增設(shè)了穩(wěn)壓電源的模塊用以保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。3.1.2接口和連接方式(1)L298N的IN1、IN2連接到單片機(jī)的P3.6、P3.4口，ENA連接到P3.5口，輸出端OUT1、OUT2分別與編碼電機(jī)的輸入端連接；(2)編碼電機(jī)脈沖輸出端連接到P3.2口；(3)串行通信模塊里虛擬終端的RXD連接到單片機(jī)的TXD，即P3.0口、TXD連接到單片機(jī)的RXD，即P3.1口。(4)LED指示燈和蜂鳴器分別連接到單片機(jī)P1.0、P1.1、P1.2；(5)LCD液晶顯示器數(shù)據(jù)位連接到單片機(jī)P0口同時(shí)連接10K的排阻，讀寫控制位連接到P2.0、P2.1、P2.2口；(6)五個(gè)獨(dú)立式按鍵分別連接到單片機(jī)的P1.3~P1.7口，又經(jīng)過一個(gè)與門和P3.3口連接。3.2元件比較與選擇3.2.1鍵盤模塊的選擇方案一：采用矩陣式鍵盤，又稱行列鍵盤。這種鍵盤的行列式結(jié)構(gòu)能夠能夠用很少的I/O口控制數(shù)目很可觀的按鍵加大了單片機(jī)資源利用率，由于鍵盤上的任何一個(gè)按鍵的兩個(gè)接線口都接在了單片機(jī)的I/O口上，所以就必須通過軟件來控制單片機(jī)在每個(gè)按鍵的兩端加上高低不同的電平，這樣就會(huì)導(dǎo)致編程的難度加大。方案二：采用獨(dú)立按鍵。獨(dú)立按鍵直接用單獨(dú)的單片機(jī)I/O口和按鍵連接而構(gòu)成按鍵電路，每個(gè)按鍵是否按下不會(huì)影響其他按鍵或是其他模塊的工作情況，其主要的優(yōu)點(diǎn)是編寫程序簡單，但如果所需按鍵較多則會(huì)占用單片機(jī)的資源，所以它只適用于所需按鍵少的情況。此次設(shè)計(jì)只涉及五種按鍵功能，所以選擇方案二的獨(dú)立按鍵。3.2.2顯示模塊的選擇方案一：采用LED數(shù)碼管作為顯示模塊。一般來說，LED數(shù)碼管只用來完成數(shù)字顯示，不能顯示其他的字符，而且最好用特定的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，它具有成本低、亮度高、壽命長、可視距離遠(yuǎn)、故障率低、視角大等特點(diǎn)。方案二：采用LCD液晶顯示器作為顯示模塊。與數(shù)碼管相比，液晶顯示器首先十分省電，但是由于使用過程中顯示器有溫度范圍的限制，而且液晶材質(zhì)反光，在外界光線很強(qiáng)的情形下，人眼很難看清楚顯示器。但是相比于數(shù)碼管，它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以顯示LED數(shù)碼管所不能顯示的字母和符號(hào)；方案三：采用OLED顯示屏作為顯示模塊。OLED是具有有機(jī)發(fā)光性質(zhì)的二極管,屬于自發(fā)光器件，所以其不需要背光源，因此更加節(jié)能；并且它的響應(yīng)時(shí)間是LCD的千分之一，顯示速度快到足以顯示動(dòng)畫；但是其缺點(diǎn)是由固態(tài)結(jié)構(gòu)組成，從而抗震性能更好，不怕摔，但是它的使用壽命較低，且制作成本較大。此次設(shè)計(jì)需要顯示速度的實(shí)際值和設(shè)定值，包括數(shù)字和英文字符，顯示程序盡量精簡，所以采用方案二的LCD液晶即可。3.2.3驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案一：采用串聯(lián)定值電阻或電位器來改變加在直流電機(jī)兩端的電壓，以使直流電機(jī)的速度發(fā)生變化。這種方法電路的結(jié)構(gòu)特別簡單，但是由于我們所用的直流電機(jī)的內(nèi)阻很小，電流很大，若采用此種方法會(huì)大大降低效率，且不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，即速度的變化是一條平滑的線，對(duì)設(shè)備的沖擊較大。方案二：采用繼電器控制直流電機(jī)的開、關(guān)時(shí)長，從而達(dá)到對(duì)速度控制的目的。搭建繼電器電路比較方便、簡單，但因?yàn)槔^電器本身具有一定的短板，如響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜易損易壞且可靠性差等特性使得用它構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路也會(huì)出現(xiàn)類似的問題，不能滿足本設(shè)計(jì)的高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求。方案三：采用L298驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，通過調(diào)整輸送給L298芯片使能端的PWM信號(hào)，來改變驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)兩端所加的電壓。L298驅(qū)動(dòng)芯片可以接至12V電壓，此時(shí)L298有著更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力[29]，由于其有著過流保護(hù)的功能，因此當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)卡死情況的時(shí)候，此功能可以有效的保護(hù)電機(jī)和電路[30,31]。綜合三種方案來看，采用L298驅(qū)動(dòng)芯片可以讓調(diào)速的范圍變大，過載的能力變大，速度調(diào)整的平滑性更好，所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用方案三作為該驅(qū)動(dòng)模塊的核心。3.2.4串行通信模塊的選擇方案一：選用RS232或RS484等串行通信裝置，他們組成簡單，信息交換信息速率高[32]，對(duì)導(dǎo)線要求低，抗干擾能力強(qiáng)。方案二：選用Proteus自帶的虛擬終端[33]。因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)主要以仿真為主，無需考慮實(shí)體硬件的連接，所以選擇“virtualterminal”虛擬終端，既簡化了電路又能減小程序的復(fù)雜程度。3.3單片機(jī)3.3.1AT89C52單片機(jī)單片機(jī)很多種，根據(jù)實(shí)際需求，我們只需要用到4個(gè)中斷源，26個(gè)IO口，本系統(tǒng)選用的AT89C52單片機(jī)在各方面都可以滿足本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的需要。AT89C52是一款高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。在電子行業(yè)中，AT89C52被廣泛應(yīng)用。單片機(jī)引腳接線如下圖3-1所示：圖3-1單片機(jī)接線圖AT98C52單片機(jī)的引腳名稱及功能如下表3-1所示：表3-1單片機(jī)的引腳功能定義端口引腳功能P0口CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作數(shù)據(jù)總線或地址總線；在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口只做I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻P2口CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用；一般作I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻P3口除了作為I/O使用外(其內(nèi)部有上拉電阻)，一般多用它的第二功能，由特殊寄存器來設(shè)置RST當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，若該引腳出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期(10ms以上)高電平，可復(fù)位單片機(jī)ALE/PROG地址鎖存信號(hào)輸出端PSEN片外ROM讀選通信號(hào)輸出端EA/APPEA為高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間；為低電平時(shí)，訪問外部程序存儲(chǔ)器空間。XTAL1振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端XTAL2振蕩器反相放大器的輸入端.VCC接+5v電源GND接地AT98C52單片機(jī)的P3口第二功能與作用如下表3-2所示：表3-2單片機(jī)的P3口第二功能定義端口引腳第二功能P3.0RXD(串行通信輸入口)P3.1TXD(串行通信輸出口)P3.2INT0(外部中斷0)P3.3INT1(外部中斷1)P3.4T0(定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0)P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1)P3.6WR(外RAM寫選項(xiàng))P3.7RD(外RAM讀選項(xiàng))3.3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89C52具有5個(gè)中斷源,三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,這會(huì)便于對(duì)直流電機(jī)的速度進(jìn)行定時(shí)中斷檢測。32根可編程I/O線，能夠讓它的驅(qū)動(dòng)力足以驅(qū)動(dòng)多種功能模塊。其內(nèi)部存貯器RAM一般為256字節(jié)，T0、T1口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)的操作。其中最小的系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:復(fù)位電路、晶振電路、單片機(jī)。（1）時(shí)鐘電路單片機(jī)中的時(shí)鐘電路是由外接的兩只起振電容和一只晶振以及單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路組合而成，由于晶振的頻率越高單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度就越快，就使得系統(tǒng)功耗也會(huì)越來越大，因此時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性也會(huì)下降。在參數(shù)選擇上，此系統(tǒng)采用的是12MHz晶振，電容選22pF或30pF均可。（2）復(fù)位電路復(fù)位時(shí)間是指當(dāng)系統(tǒng)剛上電時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的程序還沒來得及運(yùn)行，所以需要一段準(zhǔn)備的時(shí)間?；蛘弋?dāng)程序死機(jī)或跑飛時(shí)，這時(shí)也會(huì)需要進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)位。復(fù)位電路多種多樣，有手動(dòng)復(fù)位，上電復(fù)位等。本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位。（3）EA腳的功能及接法單片機(jī)的EA腳控制程序從內(nèi)部存儲(chǔ)器中運(yùn)行而不是從外部存儲(chǔ)器中讀取。其原因?yàn)檫x擇外部存儲(chǔ)器,太浪費(fèi)單片機(jī)僅有的資源，因此，EA腳必須接高電平。如圖3-2所示。圖3-2單片機(jī)最小系統(tǒng)接線圖3.4電機(jī)及驅(qū)動(dòng)3.4.1直流電機(jī)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：n=(U?IR)/K?，其中?為單極磁通量，R為電樞電路總電阻，K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，U為電樞端電壓，I為電樞電流[34]。通過以上分析可以看出，轉(zhuǎn)速和電樞端電壓U因?yàn)镻roteus中的motor-encode自帶編碼器測速模塊[36]，所以在仿真的時(shí)候選用器件庫中的motor-encode較為方便。motor-encoder有五根線，左右兩側(cè)兩根線接驅(qū)動(dòng)的輸出端OUT1、OUT2。上面三根線，中間的一條一圈發(fā)出一個(gè)脈沖，左右兩邊的線輸出的脈沖個(gè)數(shù)相同且可以調(diào)整，通過雙擊電機(jī)而跳出的設(shè)置對(duì)話框可以設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈輸出多少個(gè)脈沖，此次設(shè)計(jì)設(shè)置為60，根據(jù)公式n=60M/TP(其中P是指每轉(zhuǎn)由P個(gè)脈沖，n為轉(zhuǎn)速，M為測量輸入脈沖個(gè)數(shù)，T為周期)可以得知電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個(gè)脈沖,這樣可以將這根線連接到單片機(jī)的P3.2，利用對(duì)中斷的計(jì)數(shù)來達(dá)到對(duì)電機(jī)的測速功能。中間那根線，每圈輸出一個(gè)脈沖。具體接線情況如圖3-3所示。圖3-3電機(jī)及驅(qū)動(dòng)接線圖3.4.2驅(qū)動(dòng)模塊本設(shè)計(jì)采用目前市場上較容易買到的L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它采用單片集成塑裝。L298是一個(gè)高電壓、大電流全雙橋驅(qū)動(dòng)器，是由標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平控制，可以驅(qū)動(dòng)繼電器線圈、步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)等感性負(fù)載。L298N所能接受的最大的電機(jī)控制電壓為50V，而在直流運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，L298的最高工作電壓可以達(dá)到46V，甚至可以通過高達(dá)2A的電流[37]。其中由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用的電機(jī)是線圈式電機(jī)，在其從順時(shí)針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時(shí)針狀態(tài)或者從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的反向電流。而在驅(qū)動(dòng)電路中加入IN4007二極管的作用就是在產(chǎn)生反向電流的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)泄流，從而保護(hù)芯片的安全。控制信號(hào)由IN1、IN2輸入連接單片機(jī)的P3.6和P3.4接口，由OUT1、OUT2輸出對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。如果OUT1為低電平，OUT2為高電平時(shí)電機(jī)為正向轉(zhuǎn)，反之OUT1為高電平，OUT2為低電平時(shí)，電機(jī)為反向轉(zhuǎn)速。ENA引腳為使能端，進(jìn)行PWM的輸入。邏輯功能如表3-3所示、內(nèi)部原理如圖3-4所示：表3-3驅(qū)動(dòng)芯片L298邏輯功能表IN1IN2ENA電機(jī)狀態(tài)XX0停止101順時(shí)針011逆時(shí)針000停止110停止圖3-4L298內(nèi)部原理圖3.5穩(wěn)定電源模塊本此畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用了橋式整流電路，來實(shí)現(xiàn)將生活中用到的交流點(diǎn)轉(zhuǎn)換為直流電壓，此直流電壓就可為各個(gè)模塊供給穩(wěn)定的+5V直流電源。大約為220V的交流市電，在經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后變?yōu)?5V左右的交流電壓，減小電壓幅值后再經(jīng)橋式整流電橋整流后，即可得到0-8V左右的波動(dòng)直流。這一波動(dòng)的直流電壓在經(jīng)過電解電容C1的濾波后，就可以得到一個(gè)較為平穩(wěn)的直流電壓，最后經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓使得電壓穩(wěn)定在+5V時(shí)，就會(huì)得到穩(wěn)定的+5V直流電壓，此電壓就可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，以保證電路的抗干擾性和穩(wěn)定性。圖中C6的作用是抵消當(dāng)輸入線較長時(shí)的所出現(xiàn)的電感效應(yīng)，以防止電路出現(xiàn)自激震蕩，其容量較小，本設(shè)計(jì)選擇的為1μF的電容。圖中C7的作用是消除輸出電壓中的高頻噪聲，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選1μF的電容。如圖3-5所示。圖3-5電源模塊原理圖3.6串行通信模塊虛擬終端是由Proteus仿真軟件所提供的，它允許用戶可以通過屏幕來接收仿真電路中微處理器串行口傳輸過來的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠讓用戶通過PC機(jī)的鍵盤向仿真電路的微處理器發(fā)送串行數(shù)據(jù)。虛擬終端的存在，可以使觀察和調(diào)試串行接口的工作情況更加便捷，并且使用該方法可以不需要連接具體的串口硬件，此方法既方便又能節(jié)省單片機(jī)的I/O口資源。虛擬終端的RXD與單片機(jī)的P3.1口連接，TXD與單片機(jī)的P3.0口連接，如圖3-6所示：圖3-6串行通信模塊原理圖3.7狀態(tài)及報(bào)警模塊蜂鳴器的作用是為了用聲音提醒用戶以達(dá)到聲音報(bào)警的目的，其連接方式為正極應(yīng)接在PNP的發(fā)射極（E端），負(fù)極直接接地。三極管的集電極（C端）接+5V電源,基極（C端）和單片機(jī)的P1.2口連接一個(gè)電阻。紅色發(fā)光二極管和綠色發(fā)光二極管組成了燈光報(bào)警和狀態(tài)指示模塊。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)P1.0輸出高電平用以驅(qū)動(dòng)綠色發(fā)光二極管，表示一切正常；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際值超過限定的時(shí)候P1.1發(fā)出高電平，驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二極管，同時(shí)P1.2口會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平使PNP集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，這會(huì)讓PNP三極管形成一個(gè)從首到尾的環(huán)路，此時(shí)會(huì)觸發(fā)蜂鳴器使其發(fā)出聲音，以達(dá)到聲光報(bào)警的目的，如圖3-7所示。圖3-7聲光報(bào)警接線圖3.8顯示模塊液晶顯示模塊選用1602型LCD顯示模塊,主要顯示直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速及其設(shè)定轉(zhuǎn)速。1602型LCD顯示模塊的優(yōu)點(diǎn)為顯示內(nèi)容豐富，體積小，顯示質(zhì)量高,功耗小，并且可以顯示2行16個(gè)字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0~D7和RS，R/W，EN三個(gè)控制端口,工作電壓為5V，具有字符對(duì)比度和背光功能L1602的引腳功能如表3-4所示：引腳編號(hào)引腳名功能1VSS地電源2VDD接5v正電源3VEEVEE是液晶顯示器的對(duì)比度調(diào)整端，在接正電源的情況下對(duì)比度最弱，在接地的情況下對(duì)比度最高，而在對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生"鬼影"，所以在使用時(shí)可以用一個(gè)10k大小的電位器來調(diào)整對(duì)比度4RSRS為寄存器選擇引腳，在高電平的時(shí)候選中數(shù)據(jù)寄存器低電平的時(shí)候選中指令寄存器5RWRW為讀寫信號(hào)線，在高電平時(shí)將進(jìn)行讀操作，在低電平時(shí)進(jìn)行寫操作，而當(dāng)RS和RW同時(shí)為低電平時(shí)，既可以寫入指令又可以顯示地址，當(dāng)RS為低電平，RW為高電平時(shí)可以讀入信號(hào)，當(dāng)RS為高電平，RW為低電平時(shí)則可以寫入數(shù)據(jù)6EE為使能端，當(dāng)E端由高電平跳轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，液晶模塊將會(huì)執(zhí)行命令。7~14D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，可接單片機(jī)的P0—P3任意的8個(gè)I/O口。如果打算使用P0口，P0口應(yīng)該接4.7K—10K的上拉電阻用以拉高電平。如果是4線并行驅(qū)動(dòng)，只須接4個(gè)I/O口。表3-4L1602引腳功能定義表此次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是并行方式來進(jìn)行控制，D0~D7與單片機(jī)的P0.0到P0.7相連接，再外接一個(gè)10K排阻作為上拉電阻，起到提高電位的作用。RS，R/W，EN與單片機(jī)的P2.0，P2.1，P2.2相接。L1602的三號(hào)引腳可以調(diào)整對(duì)比度，在這里我進(jìn)行了滑動(dòng)變阻器的使用，可以根據(jù)實(shí)時(shí)需求隨意調(diào)整對(duì)比度，如圖3-8所示。圖3-8顯示模塊接線圖3.9按鍵模塊此次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，調(diào)速系統(tǒng)選用五個(gè)電鍵來設(shè)計(jì)按鍵輸入模塊，五個(gè)按鍵一邊接地一邊直接連到單片機(jī)的P1口上，同時(shí)五個(gè)按鍵分別和與門進(jìn)行連接，與門的輸出端連接至單片機(jī)的P3.3用以相應(yīng)中斷。按鍵釋放的時(shí)候因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)位后I/O都呈現(xiàn)高電平所以與之相連的I/O口呈高電平狀態(tài)，與門的輸出端也是高電平，這種情況表明無按鍵按下。按下某個(gè)鍵時(shí)，與之相連的I/O口通過按鍵直接接地，相應(yīng)的檢測線呈現(xiàn)低電平，與此同時(shí)根據(jù)與門的邏輯關(guān)系，與門的輸出端由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑驗(yàn)榕cP3.3連接所以單片機(jī)可以響應(yīng)中斷，以此來判斷是否有按鍵被按下，之后單片機(jī)再讀取P1.3~P1.7的狀態(tài)來確定哪個(gè)鍵被按下并執(zhí)行相應(yīng)的功能。按鍵起到控制直流電機(jī)啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向、加設(shè)定值和減設(shè)定值的作用。圖3-6按鍵接線圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1應(yīng)用軟件Proteus來自英國，是一款十分著名的EDA工具，它可以實(shí)現(xiàn)從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，是真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)的軟件工具。它是唯一做到將虛擬模型仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和電路仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。為了完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，首先是在原理圖界面中的元件庫找出需要用到的元件然后再完成原理圖的布局，最后編寫程序完成調(diào)試和仿真。KeilC51是一款功能強(qiáng)大的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，由美國KeilSoftware公司出品的。Keil可以提供了包括庫管理、宏匯編、鏈接器、C編譯器和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境(μVision)將這些部分組合在一起。由于它可以開發(fā)51系列的單片機(jī)，同時(shí)此次設(shè)計(jì)我用的是AT89C52，所以兩者的契合度很高，用Keil編寫程序很方便。4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)全部控制程序?qū)嶋H上分為若干模塊：按鍵設(shè)置處理程序，消除抖動(dòng)的延時(shí)程序及處理程序，LED狀態(tài)燈控制程序，中斷服務(wù)子程序，LCD顯示程序，速度測量計(jì)數(shù)程序等。總體構(gòu)思是：首先單片機(jī)進(jìn)行初始化，之后LCD顯示設(shè)定速度及實(shí)時(shí)速度。同時(shí)進(jìn)行按鍵的掃描，當(dāng)有按鍵按下時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的程序，進(jìn)行調(diào)節(jié)。在整個(gè)過程中不斷地對(duì)按鍵進(jìn)行識(shí)別，以及LCD的顯示。如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖4.3顯示子程序設(shè)計(jì)LCD顯示函數(shù)需要實(shí)現(xiàn)的功能主要是對(duì)LCD進(jìn)行初始化、寫數(shù)據(jù)、寫命令等相應(yīng)操作。根據(jù)單片機(jī)運(yùn)算后的結(jié)果實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示直流電機(jī)的設(shè)置轉(zhuǎn)速（Target）及實(shí)際轉(zhuǎn)速（Actual）。在進(jìn)行按鍵查詢后,如果有按鍵按下，單片機(jī)執(zhí)行程序，對(duì)設(shè)定值進(jìn)行加減，LCD液晶實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速設(shè)定值并將測量速度一起顯示。首先進(jìn)行初始化，鍵入字符來形成轉(zhuǎn)速的基本單位及標(biāo)簽，具體流程如圖4-2所示。程序開始執(zhí)行后，首先對(duì)LCD液晶顯示屏的顯示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，顯示兩行。第一行顯示直流電機(jī)的設(shè)置轉(zhuǎn)速（Target），第二行顯示直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（Actual）。通過五個(gè)按鍵和串行通信中上位機(jī)發(fā)來的指令對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定的同時(shí)，顯示函數(shù)得到設(shè)定值后將運(yùn)算得到設(shè)定值的千位、百位、十位、個(gè)位內(nèi)容進(jìn)行顯示。當(dāng)通過P3.2測出的脈沖經(jīng)中斷測得直流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速后，顯示函數(shù)同時(shí)也將直流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速顯示出來。圖4-2顯示模塊工作原理圖4.4驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)被啟動(dòng)后，單片機(jī)初始化。通過中斷，檢測單片機(jī)是否有鍵按下，再執(zhí)行按鍵子程序，啟動(dòng)電機(jī)，通過中斷對(duì)電機(jī)返回的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后將輸入的值傳送到PID控制器，PID控制器將測得的實(shí)際速度與設(shè)定速度進(jìn)行比較運(yùn)算，運(yùn)用增量式PID算法計(jì)算出PWM的定時(shí)值，程序如下：voidPIDControl(){ e=SpeedSet-num; duk=(Kp*(e-e1)+Ki*e+Kd*(e-2*e1+e2)); uk=uk1+duk; out=(int)uk; if(out>1000)//限幅值 {out=1000;} elseif(out<0) {out=0;} uk1=uk; e2=e1; e1=e; PWMTime=out;}由單片機(jī)P3.5引腳送出時(shí)刻變化的的PWM信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速向設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。依次循環(huán)使電機(jī)趨于穩(wěn)定值，具體流程如圖4-3所示。圖4-3驅(qū)動(dòng)程序流程圖4.5串行通信子程序設(shè)計(jì)單片機(jī)初始化以后，在執(zhí)行顯示子程序的同時(shí)，單片機(jī)通過虛擬終端向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送顯示子程序運(yùn)算得到的轉(zhuǎn)速實(shí)際值（Actual）的千位、百位、十位、個(gè)位，呈現(xiàn)的結(jié)果就是單片機(jī)給用戶發(fā)送一行一行的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。期間，如果串口接收到來自用戶通過上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)則響應(yīng)中斷，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、判斷并執(zhí)行相應(yīng)的指令，兩種數(shù)據(jù)的處理方式共同完成單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信功能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通信的工作原理如圖4-4所示。圖4-4串行通信模塊工作原理圖4.6按鍵子程序設(shè)計(jì)獨(dú)立式鍵盤控制實(shí)現(xiàn)方法：系統(tǒng)有五個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別控制著直流電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向、加減速。系統(tǒng)啟動(dòng)以后，檢測獨(dú)立式按鍵，如有按鍵按下通過與門觸發(fā)中斷，則相對(duì)應(yīng)的k=0，然后進(jìn)入按鍵中斷子程序得以實(shí)現(xiàn)按鍵的功能。具體流程如圖4-5。單片機(jī)P1.3口接收來自加速控制鍵的低電平當(dāng)按鍵按下時(shí)P1.3由初始狀態(tài)的高電平轉(zhuǎn)換為低電平，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)L298的OUT1為低電平，OUT2為高電平，由表3-3知此事電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)P1.4口接收來自加速控制鍵的低電平當(dāng)按鍵按下時(shí)P1.6也由初始狀態(tài)的高電平轉(zhuǎn)換為低電平，，此時(shí)L298的OUT1、OUT2為高電平，電動(dòng)機(jī)停止。電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)切換按鍵信號(hào)由單片機(jī)P1.5口采集，初始時(shí)，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)采集到第一次按鍵信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器上IN0與IN1的電平轉(zhuǎn)換狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)，即驅(qū)動(dòng)器上OUT1、OUT2輸出電壓的高低發(fā)生轉(zhuǎn)換。電動(dòng)機(jī)加速控制按鍵信號(hào)由單片機(jī)P1.6口采集，每采集到一次加速按鍵的低電平信號(hào)，PWM脈沖占空比加1%；電動(dòng)機(jī)減速控制按鍵信號(hào)由單片機(jī)P1.7口采集，每采集到一次減速按鍵的低電平信號(hào)，PWM脈沖占空比減1%，相應(yīng)的OUT1、OUT2輸出的電壓大小發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體流程如圖4-5所示圖4-5按鍵程序流程圖第五章系統(tǒng)仿真運(yùn)行結(jié)果本次畢業(yè)設(shè)計(jì)依托Proteus仿真軟件對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行了精準(zhǔn)的閉環(huán)調(diào)速控制，利用元件庫中的元件對(duì)