北京理工大學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程（繼續(xù)）教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PWM脈寬調(diào)速微機(jī)控制系統(tǒng)研究摘要隨著德國(guó)工業(yè)4.0(Industry4.0)的興起,越來(lái)越多的人關(guān)注著電機(jī)的控制,對(duì)于直流電機(jī)控制而言，控制其轉(zhuǎn)速一直是個(gè)熱門話題，其控制手段最常見(jiàn)的是PID控制,從最早起來(lái)的模擬PID,數(shù)字技術(shù)的成熟和控制技術(shù)的成熟，慢慢發(fā)展起來(lái)到現(xiàn)在的數(shù)字PID,將制造業(yè)轉(zhuǎn)向智能化方向發(fā)展。電機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛在汽車、航空、工業(yè)等領(lǐng)域都隨處可見(jiàn)。電機(jī)作為許多工業(yè)場(chǎng)合的基礎(chǔ)，越來(lái)越多的電機(jī)正被智能化控制。近年來(lái),控制技術(shù)的成熟化以及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代的電機(jī)控制正在朝著小型化和智能化發(fā)展。本文主要研究了用STC-51單片機(jī)基于PID算法控制PWM信號(hào)來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。本課題中采用了三極管組成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),并通過(guò)軟件對(duì)PWM占空比進(jìn)行調(diào)整。和沒(méi)有檢測(cè)環(huán)節(jié)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，閉環(huán)系統(tǒng)在調(diào)速的精準(zhǔn)度上更勝一籌，霍爾元件組成的檢測(cè)回路實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速，由此形成了閉環(huán)系統(tǒng),并將其測(cè)量值送到液晶顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；PWM；霍爾元件；液晶顯示；PID算法ABSTRACTWiththeriseofIndustry4.0inGermany,moreandmorepeoplearepayingattentiontothecontrolofmotors.ForDCmotorcontrol,controllingitsspeedhasalwaysbeenahottopic.ThemostcommoncontrolmethodisPIDcontrol.TheearliestanalogPID,thematurityofdigitaltechnologyandthematurityofcontroltechnologyhavegraduallydevelopedintothecurrentdigitalPID,turningthemanufacturingindustrytowardsintelligentdevelopment.Electricmotorsarewidelyusedinaviation,agriculture,chemistryandotherfieldsbyconvertingelectricalenergyintomechanicalenergy.Inrecentyears,withtheofcontroltechnologyandthedevelopmentofpowerelectronicstechnology,modernmotorcontrolisdevelopingtowardsminiaturizationandintelligence.ThisarticlemainlystudiestheuseofSTC-51singlechipmicrocomputerbasedonPIDalgorithmtocontrolthePWMsignaltocontrolthemotorspeed.Inthissubject,adrivecircuitcomposedoftransistorsisusedtodrivethesystem,andthePWMdutycycleisprogrammedthroughsoftware.Atthesametime,thedetectionmoduleusesaHallelementtodetecttherotationspeedofthemotor,formingaclosed-loopsystem,andsendingitsmeasurementvaluetotheliquidcrystaldisplay.Keywords:DCmotor;PWM;Hallelement;liquidcrystaldisplay;PIDalgorithm

目錄252461緒論 緒論研究背景在21世紀(jì)，各類電子產(chǎn)品飛速問(wèn)世,在自動(dòng)控制系統(tǒng)和電子設(shè)備等方面,直流電機(jī)都是必不可少部分。我們處在高速發(fā)展的時(shí)代，數(shù)字化的發(fā)展推動(dòng)了控制技術(shù)的前進(jìn)，控制技術(shù)成為了熱門話題，其廣泛被深入研究和應(yīng)用于工程等各個(gè)領(lǐng)域。在一個(gè)系統(tǒng)中，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)度直接影響著整體系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，所以對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行中速度等參數(shù)的控制是很有必要的，電機(jī)控制的用途廣泛且實(shí)用。直流電機(jī)根據(jù)原理不同可分為無(wú)刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)。直流電機(jī)和交流電機(jī)相比在一些方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，直流電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩大,容易控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)速后效率高的特點(diǎn)。相比于交流調(diào)速而言,直流電機(jī)的構(gòu)造較為復(fù)雜,其生產(chǎn)成本較高以及維護(hù)量較大。近年來(lái)，調(diào)速技術(shù)有了新的突破，在調(diào)速技術(shù)上有了功率不同的變頻調(diào)速裝置，這要?dú)w功于大功率晶體管的成熟及矢量技術(shù)的發(fā)展，不同功率調(diào)速裝置可適配各種不相同的直流電機(jī)，極大的增加了調(diào)速系統(tǒng)的使用范圍，因此在不同工業(yè)場(chǎng)合使用調(diào)速系統(tǒng)是很普遍的現(xiàn)象。控制系統(tǒng)，作為整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的核心，各參量通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線被連接起來(lái)，由輸入端、中央控制器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑被控對(duì)象﹑反饋回路、輸出端組成。控制器輸出的信號(hào)通過(guò)輸出接端送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被加至被控對(duì)象上。被控量被檢測(cè)傳感器檢測(cè)后通過(guò)反饋回路通過(guò)輸入端送至控制器里面。直流調(diào)速系統(tǒng)這一模型在多數(shù)情況下需要結(jié)合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，在不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，PID控制器較為常見(jiàn)和應(yīng)用較為普遍。近些年，PID控制器已經(jīng)實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用。把PID控制應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)的比例范圍逐年升高,在工業(yè)中,直流傳動(dòng)智能控制系統(tǒng)的發(fā)展勢(shì)頭很好。研究意義直流電機(jī)起制動(dòng)和調(diào)速性能好且調(diào)速范圍大，但同時(shí)造價(jià)比較昂貴,因?yàn)檎{(diào)速性能能好，所以它被廣泛用在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中。在電機(jī)控制本身來(lái)看,交流電機(jī)的調(diào)速是在直流電機(jī)調(diào)速的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。在早期，諸如電腦等很多電子設(shè)備還沒(méi)有發(fā)展完善，使用模擬電路來(lái)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的控制系統(tǒng)是最常規(guī)的解決方案,這種使用模擬電路的解決方案還需要運(yùn)算放大器、集成電路等元件來(lái)進(jìn)行控制,后期控制系統(tǒng)趨于數(shù)字化，由數(shù)字電路進(jìn)行控制。模擬電路其硬件功能比較復(fù)雜,且功能較單一,不便于調(diào)試,不利于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用，雖然在過(guò)去控制系統(tǒng)中模擬原件可以滿足生產(chǎn)需求，但是其元件容易老化，線路過(guò)于復(fù)雜，特別是其穩(wěn)定性較差，受器件本身、溫度等干擾嚴(yán)重，可靠性得不到保證，甚至出現(xiàn)重大事故。隨著單片機(jī)控制技術(shù)的成熟化,數(shù)字技術(shù)的問(wèn)世，眾多的控制功能基于算法以及軟件可以實(shí)現(xiàn)，PID算法的成熟為數(shù)字化直流電機(jī)調(diào)控提供便捷,不僅如此，系統(tǒng)的性能也得到了提高，系統(tǒng)的成本卻有所降低，采用單片機(jī)組成控制系統(tǒng)，從而提高了整體系統(tǒng)效率。研究方法及調(diào)速原理本次設(shè)計(jì)的主要研究方法是用檢測(cè)回路形成一轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，單片機(jī)作為中央控制器，控制著其他個(gè)部分。本次設(shè)計(jì)中使用的是PID算法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。實(shí)現(xiàn)手段是通過(guò)單片機(jī)的I/O口產(chǎn)生PWM作為輸出信號(hào)，輸出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這過(guò)程受PID算法約束，在檢測(cè)回路，利用霍爾傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并將其轉(zhuǎn)換成脈沖反饋到單片機(jī)中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的種類多樣，根據(jù)勵(lì)磁的不同可把直流電機(jī)分為他勵(lì)和自勵(lì)兩種類型。式1-1為直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程式：（公式1-1）式中：—端電壓；—?jiǎng)?lì)磁繞組電阻；—磁通；—電勢(shì)常數(shù)；—轉(zhuǎn)矩常量。上式中涉及5個(gè)物理量，其中、、都是電機(jī)在出廠后就無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)。故而變其電樞電壓的大小與控制其磁通量的變化乃是調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的兩種方法?？刂拼磐▉?lái)控制轉(zhuǎn)速并不適合，因?yàn)樵诘退贂r(shí)磁極容易飽受，在高速時(shí)換向會(huì)出現(xiàn)火花。所以通過(guò)控制磁場(chǎng)來(lái)改變轉(zhuǎn)速并不實(shí)際。通過(guò)控制電樞來(lái)調(diào)速中是常用的方法，通過(guò)控制電樞電壓可以很方便控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)包括了定子、轉(zhuǎn)子和氣隙三個(gè)部分，定子是固定不動(dòng)的，而轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。固定不動(dòng)的定子主要由電刷，主磁極和定子線圈組成。在固定的定子和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子之間存在著氣隙，轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸,換向器和轉(zhuǎn)軸電樞繞組構(gòu)成，如圖1-1所示：圖1-1直流電機(jī)的工作原理圖電樞控制法是施加控制電壓加到電機(jī)的電樞上，通過(guò)改變電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制有很多種，通過(guò)控制電樞電壓是一種，改變勵(lì)磁是另外一種，但在調(diào)速過(guò)程中，脈寬調(diào)制是一個(gè)典型的調(diào)速方法。脈寬調(diào)制，顧名思義，是定頻率改脈寬，用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的通斷，在一個(gè)周期內(nèi)，電源的通斷時(shí)間決定著電樞電壓的大小，電樞電壓的大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)速聯(lián)合緊密，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增大而變快。這樣就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣就僅需要控制電樞電壓即可調(diào)速，調(diào)速較為方便，所以這種脈寬調(diào)制被很多場(chǎng)合所偏愛(ài)。圖1-2脈沖信號(hào)框圖通過(guò)圖1-2可得，設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值為，一個(gè)周期內(nèi)的占空比為，則轉(zhuǎn)速的平均值為：，所有若要想實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，只需改變占空比，就可以實(shí)現(xiàn)。直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式通過(guò)PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速是系統(tǒng)的核心：PWM調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和控制要依靠C51單片機(jī)作為控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。每每提及PWM調(diào)速系統(tǒng)，不得不說(shuō)占空比，占空比可以反應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)可以算出的通斷時(shí)間，可以算出轉(zhuǎn)速的平均值。我們熟悉的占空比指的是一個(gè)通斷周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間與一個(gè)周期時(shí)間的比值。電樞電壓也和占空比也存在著密切的關(guān)系，即占空比的大小和電樞端電壓成正相關(guān)。PWM調(diào)寬方法有以下3種：1、定寬調(diào)頻法：保持不變，改變，周期發(fā)生改變。2、調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，改變，周期也隨之改變。3、定頻調(diào)寬法：保持不變，改變和。方法1和2并不是調(diào)節(jié)脈寬的最佳選擇，因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變控制脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)脈寬，這種方法僅很容易造成系統(tǒng)振蕩而不穩(wěn)定，因?yàn)樵谡{(diào)頻過(guò)程中要避免調(diào)頻頻率容易和系統(tǒng)頻率一致。因此通過(guò)選定頻率，改變脈寬來(lái)調(diào)速較為合理?？刂瞥绦虻脑O(shè)計(jì)單片機(jī)上電后，按下按鍵后通過(guò)電平檢測(cè)回單片機(jī)實(shí)現(xiàn)正、反、加、減速和暫停功能，單片機(jī)內(nèi)部用中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)I/O口PWM的輸出。按下加、減速按鍵，通過(guò)高低電平的占空比來(lái)控制控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

方案設(shè)計(jì)控制方案設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)控制器主要用通過(guò)PID算法來(lái)產(chǎn)生占空控制PWM脈沖，測(cè)量當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速并送入單片機(jī)處理，根據(jù)PID算法求出輸出的占空比脈沖。對(duì)于控制器的選擇有以下三種方案。方案一：選用FPGA作為控制器。FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門列陣，是集成化程度較高的專用集成電路，由于其布線豐富，所以主要用它來(lái)做些復(fù)雜的邏輯計(jì)算。邏輯單元和RAM等硬件集成在一個(gè)芯片上，由于集成化程度高，體積明顯減小，穩(wěn)定性較高。FPGA通過(guò)EDA軟件仿真。FPGA并行輸入輸出的結(jié)構(gòu)使得控制器的處理速度明顯提升，這種高性能處理器適合于計(jì)算要求較高且計(jì)算量較大的系統(tǒng)。與單片機(jī)相似，通過(guò)程序控制PWM脈沖的占空比來(lái)控制轉(zhuǎn)速。由于本次PWM脈寬調(diào)速規(guī)模較小，數(shù)據(jù)處理要求并不很高，采用FPGA成本過(guò)高。方案二：選用STC89C52作為控制器。較FPGA來(lái)說(shuō)，52單片機(jī)的芯片引腳少，硬件相對(duì)簡(jiǎn)單。但其運(yùn)算功能強(qiáng)大?？傮w來(lái)說(shuō)，52單片機(jī)運(yùn)行功耗較低、體積較小、系統(tǒng)中使用起來(lái)成本低。方案三：選用STC89C51作為控制器。它和STC89C52一樣都可靈活、方便地進(jìn)行軟件編程，且積小、使用成本。ROM容量較小，僅為4K,RAM僅為128，但由于本課題程序空間使用較小，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)較小，選擇STC89C51足矣。FPGA在處理速度上有優(yōu)勢(shì)，但如果將FPGA綜合上述三種方案比較，將選用STC89C51作為控制處理器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊顧名思義是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是控制方法實(shí)現(xiàn)的手段。對(duì)于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)的方案，有以下兩種：方案一：選用晶體管組合電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種方法結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本較低、容易實(shí)現(xiàn)，但要使用大量晶體管，電路變得復(fù)雜，電路的復(fù)雜會(huì)帶來(lái)磁干擾以及外部的噪聲干擾，這些干擾很容易影響到系統(tǒng)的運(yùn)行，所以晶體管的抗干擾能力較差，使用在調(diào)速系統(tǒng)中并不適合。因此此方案不宜選用。方案二：選用驅(qū)動(dòng)芯片L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于驅(qū)動(dòng)芯片其封閉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很好的解決了電路的抗干擾能力差的問(wèn)題，運(yùn)行起來(lái)較為可靠，使用時(shí)只需考慮其硬件接線問(wèn)題。這樣硬件電路的設(shè)計(jì)就變得簡(jiǎn)單很多，只需對(duì)算法和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作簡(jiǎn)化了許多綜合上述分析，選用L298N芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。測(cè)速模塊方案設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)做的是速度反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)速過(guò)程中需要將實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋回來(lái)與設(shè)定轉(zhuǎn)速作比較，所以測(cè)速模塊是必不可少的一部分，其設(shè)計(jì)方案有以下三種：方案一：選用霍爾集成片進(jìn)行測(cè)速。其基本原理:把磁片安裝在電機(jī)上，需要搭配磁鋼，當(dāng)霍爾片正對(duì)磁鋼時(shí)，霍爾效應(yīng)產(chǎn)生，金屬板導(dǎo)通，通過(guò)數(shù)脈沖對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，此方案精度比光電編碼高，頻率塊。方案二：選用光電編碼盤進(jìn)行測(cè)速。其基本原理:發(fā)射器發(fā)射光，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來(lái)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，這樣會(huì)間隙擋住發(fā)射器發(fā)出的光，接收器間隙接收到發(fā)射光并輸出變化的脈沖。通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)算速度。方案三：選用測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速。其基本原理：把測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在直流電機(jī)的軸上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)安裝在轉(zhuǎn)軸上的測(cè)速電機(jī)會(huì)跟著軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)不同大小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，只需檢測(cè)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就可獲得轉(zhuǎn)速。此種方案精度比較高，但安裝成本較高，不適合小規(guī)模電機(jī)。綜合上述分析，選用第一種方案。測(cè)速發(fā)電機(jī)適合大規(guī)模電機(jī)，霍爾測(cè)速和光電測(cè)速的測(cè)速都是通過(guò)數(shù)脈沖來(lái)測(cè)速，但霍爾測(cè)速精度比光電測(cè)速高，頻率比光電測(cè)速高。所以綜合考慮在設(shè)計(jì)中選用第一種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。顯示模塊方案設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)任務(wù)中，通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋形成閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，形成的閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)隨時(shí)對(duì)設(shè)定轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。因此顯示模塊將很好的顯示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，顯示模塊有三種方案：方案一：選用數(shù)碼管顯示。由7段發(fā)光管組成的數(shù)碼管顯示亮度較高，顯示較清晰，但耗電較大，體積比液晶大，需占地較大。方案二：選用1602LCD液晶顯示。1602是一種字符型顯示液晶，1602的意思是能夠顯示16x2的字符。該液晶運(yùn)行功耗較低，可顯示字母和數(shù)字，控制起來(lái)較方便，顯示內(nèi)容比數(shù)碼管多。本次設(shè)計(jì)僅需顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字和字母。方案三：選用128×64LCD液晶顯示。該液晶顯示器屏幕比1602LCD復(fù)雜很多，在體積上比1602LCD大很多。在內(nèi)容上，可顯示漢字、字符和圖形，顯示內(nèi)容比1602更廣，且運(yùn)行功耗低是一顯著特點(diǎn)。但由于其顯示內(nèi)容的多樣，所以其驅(qū)動(dòng)程序和電路比1602復(fù)雜。對(duì)于顯示要求較高的系統(tǒng)可選用12864液晶。綜合上述分析，此次設(shè)計(jì)只需顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字和少量字母，并不需要顯示復(fù)雜的漢字，所以只需選用方案二。按鍵模塊方案設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)任務(wù)中，需要用到按鍵模式，通過(guò)按鍵來(lái)輸入高低電平，通過(guò)電平高低的變化來(lái)控制單片機(jī)完成相應(yīng)的指令。按鍵模塊的電平檢測(cè)是單片機(jī)控制的開(kāi)始。按鍵模塊選擇有以下2個(gè)方案：方案一：選用獨(dú)立按鍵來(lái)完成。獨(dú)立鍵盤，顧名思義，把每個(gè)按鍵單獨(dú)連接到接I/O口，每個(gè)按鍵都可把電平變化分別送入每個(gè)單獨(dú)的I/O口，通常情況下，獨(dú)立按鍵一端連接I/O口，一段接地，并不會(huì)影響到其他I/O口。這種接法適用于較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，獨(dú)立按鍵使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。方案二：選用矩陣鍵盤來(lái)完成。矩陣式鍵盤體積較大、驅(qū)動(dòng)程序比較復(fù)雜，但其優(yōu)點(diǎn)是占用的I/O比獨(dú)立按鍵少，在按鍵較多時(shí)適合使用。綜合上述分析：本設(shè)計(jì)按鍵模塊每個(gè)按鍵僅需實(shí)現(xiàn)單一功能，所以選用方案一即可。

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)總體硬件上的設(shè)計(jì)是對(duì)核心處理器的選擇和對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于核心處理器的選擇，在第2章討論過(guò)，本次設(shè)計(jì)選用STC89C51單片機(jī)作為核心控制器，核心控制器連接的是驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接直流電機(jī)，與電機(jī)相連的是霍爾檢測(cè)回路，外加一個(gè)按鍵回路構(gòu)成總體框架。如圖3-1為調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架：圖3-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖控制器電路的設(shè)計(jì)控制器電路由STC89C51單片機(jī)作為控制器，51單片機(jī)的基本組成由CPU、RAM、ROM、中斷系統(tǒng)等組成，核心CPU控制著各部分的狀態(tài)并通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部總線傳遞。圖3-2為單片機(jī)基本組成圖：圖3-2STC89C51單片機(jī)基本組成圖CPU通過(guò)發(fā)送指令控制I/O口完成相應(yīng)操作。編寫的程序存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器ROM，有4K個(gè)空間供程序儲(chǔ)存。在編寫程序中，會(huì)涉及到數(shù)據(jù)，標(biāo)志位，中間變量等數(shù)據(jù)，這類被在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，有128個(gè)字節(jié)可以供開(kāi)發(fā)者使用。除此之外，還有2個(gè)16位定時(shí)器用于定時(shí)或技術(shù)和5個(gè)中斷源組成的中斷系統(tǒng)，這些中斷系統(tǒng)隨著中斷等級(jí)的高低來(lái)觸發(fā)中斷。STC89C51單片機(jī)引腳圖及最小系統(tǒng)圖3-3為STC89C51單片機(jī)引腳圖，圖3-4為STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)。圖3-3STC89C51單片機(jī)引腳圖圖3-4STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)STC89C51部分引腳作用當(dāng)5V電壓給VCC供電時(shí)，VSS接地，單片機(jī)上電后進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。XTAL1和XTAL2口通過(guò)連接晶體、電容形成振蕩電路，通過(guò)外接振蕩頻率為11.0592MHz的石英晶體來(lái)為單片機(jī)提供振蕩信號(hào)。通過(guò)RST管腳上并聯(lián)開(kāi)關(guān)來(lái)重置，按下RST鍵后，往單片機(jī)內(nèi)部送入一個(gè)高電平。P0.0-P0.7口通過(guò)上拉10K電阻來(lái)控制LCD1602顯示器。P1.0-P1.4口分別接4個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能，按下按鍵能實(shí)現(xiàn)正向轉(zhuǎn)、反向轉(zhuǎn)、加速、減速和開(kāi)始/暫停的功能。當(dāng)按鍵被按下，送一個(gè)低電平給單片機(jī)。P3.3中斷連入電機(jī)，當(dāng)暫停鍵按下后，給P3.3口一個(gè)高電平，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。P3.5、P3.6、P3.7口連入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其中P3.5作為計(jì)數(shù)器/定時(shí)，P3.6、P3.7口作為寫、讀口。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路作為電機(jī)的前一級(jí)，驅(qū)動(dòng)電路的作用是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)，在第2章討論過(guò)，選用的是L298N電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，專用驅(qū)動(dòng)芯片有2個(gè)H橋電路，通過(guò)4個(gè)輸入信號(hào)組成邏輯電路。L298N驅(qū)動(dòng)芯片的結(jié)構(gòu)如圖3-4：圖3-4L298N驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)L298N屬于雙橋型，但是由于只驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)，所以選用第一個(gè)H橋。單片機(jī)P3.5口接入In2，P3.6口接入In1，P3.7口接入EnA，上電后，當(dāng)按下正轉(zhuǎn)按鍵后，In1口被置低電平，In2口被置高電平；當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鍵后，In1口被置高電平，In2口被置低電平，OUT1和OUT2分別接入電機(jī)的兩端。仿真中L298N驅(qū)動(dòng)芯片如圖3-5：圖3-5L298N驅(qū)動(dòng)芯片液晶電路的設(shè)計(jì)液晶電路采用的是LCD1602顯示器來(lái)顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，給LCD1602顯示器VDD供5V電壓后，LCD1602能夠顯示個(gè)字符,D0-D7為傳輸數(shù)據(jù)端口，D0-D7是傳輸數(shù)據(jù)通道，所以分別與I/O口連接。P0由于沒(méi)有內(nèi)設(shè)電阻，所以當(dāng)接在P0口時(shí)，要接上拉電阻來(lái)穩(wěn)定信號(hào)。引腳4號(hào)為選擇寄存器RS，當(dāng)RS被置高電平時(shí)，為數(shù)據(jù)寄存器模式；當(dāng)被置低電平時(shí)，選為指令寄存器模式。引腳圖上R/W端口為讀/寫端口，當(dāng)置R/W端為高電平時(shí)，選為讀模式；當(dāng)置R/W端為低電平時(shí)，選為寫模式。使能端E當(dāng)電平由高跳低時(shí)執(zhí)行各個(gè)指令。圖3-6為L(zhǎng)CD1602引腳圖：圖3-6LCD1602引腳圖LCD1602仿真圖如圖3-7。D0-D7分別接到P0.0-P0.7口。選擇寄存器RS與P2.5連接，讀寫端RW與P2.6相連接，使能端E連接P2.7口。使能端E使能時(shí)，通過(guò)R/W端來(lái)選擇數(shù)據(jù)的讀/寫，再通過(guò)I/O口傳輸數(shù)據(jù)。圖3-7LCD1602仿真圖按鍵電路的設(shè)計(jì)按鍵電路選用獨(dú)立按鍵來(lái)完成操作，5個(gè)獨(dú)立按鍵分別接入P1.0-P1.4口，當(dāng)單片機(jī)5V供電后，按鍵一端與P1相連，一端與低連接。初始化后P1口被置高電平，當(dāng)按鍵被，P1口與地短路，被置為低電平。為了是按鍵按下單片機(jī)能夠檢測(cè)成功，不可過(guò)輕和過(guò)短按按鍵。當(dāng)抬手后按鍵被松開(kāi)，單片機(jī)內(nèi)部有上拉電阻會(huì)使得P1口回到高電平。按鍵電路如圖3-8：圖3-8按鍵電路圖測(cè)速電路的設(shè)計(jì)測(cè)速電路選用的是A3144霍爾元件來(lái)測(cè)速。A3114霍爾元件結(jié)構(gòu)輕巧、體積較很小，，這種傳感器由于其體積結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在測(cè)量電路和自動(dòng)化傳感電路很受喜愛(ài)。A3144霍爾芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)由穩(wěn)壓源，電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器這些元件組成，霍爾效應(yīng)產(chǎn)生，輸入的是磁感應(yīng)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，輸出是一個(gè)數(shù)字的電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)霍爾傳感貼片貼在電機(jī)上跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鋼提供所需的磁場(chǎng)。測(cè)速原理通過(guò)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，接收器接收到發(fā)射光的變化產(chǎn)生變化脈沖，這些數(shù)字脈沖信號(hào)被送入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)。霍爾器件的特點(diǎn)是體積較小、使用壽命長(zhǎng)、安裝起來(lái)方便。因此選用霍爾傳感器作為檢測(cè)脈沖信號(hào)最終來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅鞯幕镜臏y(cè)量原理如圖3-9所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器與磁鋼正對(duì)，霍爾效應(yīng)產(chǎn)生，即產(chǎn)生脈沖信號(hào)，后經(jīng)內(nèi)部信號(hào)處理后送入到單片機(jī)進(jìn)行對(duì)脈沖數(shù)數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速。圖3-9霍爾傳感測(cè)速原理圖

PWM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)PWM的基本原理對(duì)于PWM控制：對(duì)于面積相等而形狀不同的脈沖，即不同形狀的等幅不等寬的脈沖，由于等效后面積相等，所以被控效果基本相同。當(dāng)?shù)让娣e的脈沖輸入系統(tǒng)后，可發(fā)現(xiàn)響應(yīng)的波形沒(méi)有差別，這就是PWM的基本原理。這些波形經(jīng)過(guò)傅里葉分析后得：波形總體極為相似，把波形分為低頻段和高頻段后發(fā)現(xiàn)，低頻段波形極為相像，在高頻段波形的差別也很小，所以等面積的脈沖輸入是控制領(lǐng)域的一重大進(jìn)步。圖4-1中a為矩形脈沖，b為三角脈沖，c為正弦半波脈沖。假設(shè)這些等幅不等寬的沖量，它們的面積都為1。那么，當(dāng)圖a、圖b、圖c分別被加在同一具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，發(fā)現(xiàn)他們的輸出響應(yīng)基本相同。圖4-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖PW2M橋式電路分析本課題需要電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，則需要改變PWM變換器的極性，因此要形成可逆PWM電路，最常見(jiàn)的是橋式電路（簡(jiǎn)稱H橋）。橋式電路廣泛應(yīng)用于電力拖動(dòng)中，因?yàn)镠橋可以使的電機(jī)正反轉(zhuǎn)，可加速減速運(yùn)行。通常橋式電路會(huì)由4個(gè)三極管和4個(gè)二極管組成，橋式電路中心接上一個(gè)電機(jī)。三極管交替導(dǎo)通控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，導(dǎo)通規(guī)則是4個(gè)三極管對(duì)腳導(dǎo)通，通過(guò)PWM給門集高低平信號(hào)信號(hào)，H橋能有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。其原理及設(shè)計(jì)電路如下圖4-2。圖4-2H橋驅(qū)動(dòng)模塊電路圖本次驅(qū)動(dòng)模塊的PWM驅(qū)動(dòng)電路由2種復(fù)合管共同構(gòu)成，如圖4-2，4個(gè)門極信號(hào)為，給門極信號(hào)施加正電壓，即、為正，此時(shí)4個(gè)三極管中只有、導(dǎo)通，、由于負(fù)電壓而截止，電流從經(jīng)過(guò)沿通路1流過(guò)到地，電機(jī)端電壓。正向?qū)ê?，有一個(gè)續(xù)流階段，續(xù)流階段使得、截止，、保持截止，此時(shí)電流沿通路2續(xù)流管、續(xù)流，。同理：當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先應(yīng)該把回路里的電流流掉，所以要先加一個(gè)續(xù)流過(guò)程，即施加門極負(fù)信號(hào)給、使得、截止，此時(shí)由回路4經(jīng)續(xù)流管、續(xù)流，此時(shí)。完成續(xù)流階段后，施加正信號(hào)給、為正，使得、導(dǎo)通，、截止，電流從沿回路3流通經(jīng)過(guò)、到地，此時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。二極管在本系統(tǒng)中也稱續(xù)流管，在電路中起續(xù)流保護(hù)作用。H橋驅(qū)動(dòng)硬件電路設(shè)計(jì)方案H橋直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，Q1、Q2或Q3、Q4不能同時(shí)導(dǎo)通。三極管不同導(dǎo)通情況，電流會(huì)相反方向流過(guò)電機(jī)使得電機(jī)發(fā)生正反轉(zhuǎn)。H橋驅(qū)動(dòng)電路如圖4-3：圖4-3H橋驅(qū)動(dòng)電路圖4-3與圖4-2有所差異，圖4-3把Q1、Q3接入同一信號(hào)，把Q2、Q4接入同一信號(hào)，由于Q3、Q4為PNP型，Q1、Q2為NPN型三極管，這種三極管當(dāng)門極信號(hào)置低電平時(shí)導(dǎo)通，置高電平時(shí)截至。但NPN型卻恰恰相反，這種三極置管高電平時(shí)才能導(dǎo)通，置低電平時(shí)截至，所以不管輸入哪個(gè)電平，上下管總僅有1個(gè)三極管導(dǎo)通，并且左右門極信號(hào)需要分別給不同的電平保證對(duì)腳導(dǎo)通。

PID算法介紹控制算法是作為控制系統(tǒng)的控制手段，通過(guò)給單片機(jī)控制器編寫程序，可實(shí)現(xiàn)不同功能，整個(gè)系統(tǒng)的不同控制功能主要靠控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。到目前為止，眾多的控制算法得以應(yīng)用，在工業(yè)控制中，PID算法作為運(yùn)用最為廣泛的算法。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，通過(guò)檢測(cè)回路把輸出信號(hào)反饋回來(lái)，形成偏差值，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器對(duì)輸入偏差進(jìn)行算法上的修正并恒定在設(shè)定值，這種控制方法稱為PID控制。PID控制算法的強(qiáng)實(shí)用性強(qiáng)，在不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都會(huì)用到PID算法。本章將結(jié)合理論，介紹模擬PID算法和數(shù)字PID算法。模擬PID我們熟知的模擬系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上通常由以下3個(gè)部分組成，接受偏差并進(jìn)行修正的模擬PID調(diào)節(jié)器，把信號(hào)處理完后送入信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后是信號(hào)處理完進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)的被控對(duì)象。比較過(guò)程產(chǎn)生的偏差是一個(gè)較為重要的參數(shù)。反饋回來(lái)的信號(hào)與設(shè)定值形成的偏差送入PID調(diào)節(jié)器修正。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-1所示：圖5-1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖式中：是給定值與輸出值產(chǎn)生的偏差：（公式5-1）在進(jìn)行修正過(guò)程中，對(duì)每一項(xiàng)進(jìn)行修正較為麻煩，所以可將將偏差的比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)組成一個(gè)完整的PID調(diào)節(jié)器，通過(guò)指令控制被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的場(chǎng)合，可對(duì)P、I、D三個(gè)不同參數(shù)進(jìn)行組合來(lái)控制被控對(duì)象，P調(diào)節(jié)器允許有余差，PI調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器不允許有誤差。PI組合適用于調(diào)速系統(tǒng)，而PID組合一般適用于轉(zhuǎn)角系統(tǒng)，把PID三項(xiàng)不同組合來(lái)達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)狀態(tài)。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：（公式5-2）式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。PID調(diào)節(jié)器P、I、D的作用分別是：（1）比例P項(xiàng)：比例P環(huán)節(jié)的作用是在系統(tǒng)與設(shè)定值比較后，如果偏差一旦產(chǎn)生后，比例項(xiàng)快速響，靠比例增益來(lái)調(diào)節(jié)來(lái)減少偏差；（2）積分I項(xiàng)：經(jīng)過(guò)P調(diào)解后，I項(xiàng)過(guò)程比較緩慢，作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)比例P環(huán)節(jié)響應(yīng)后，仍有誤差，這時(shí)候就需要用I環(huán)節(jié)來(lái)把穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行消除。積分?jǐn)?shù)越小，積分作用越強(qiáng)。（3）微分D項(xiàng)：微分D環(huán)節(jié)的作用和P項(xiàng)以及I項(xiàng)差別較大，D項(xiàng)具有預(yù)測(cè)性，是靠偏差信號(hào)變化速率，在偏差未形成之前，提早修正信號(hào)。微分D項(xiàng)是針對(duì)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)效果較為明顯，有效改善動(dòng)態(tài)性能，使得動(dòng)作速度更加加快了。以上是PID調(diào)節(jié)器的作用介紹，在多數(shù)情況下，需對(duì)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真，這時(shí)候系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就由此而生。模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)由式5-2得：（公式5-3）模擬PID調(diào)節(jié)器需要運(yùn)算放大器等芯片的配合使用，搭建電路較為復(fù)雜。采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器會(huì)省下很多時(shí)間和精力。數(shù)字PID在數(shù)字系統(tǒng)中，模擬器件逐漸被數(shù)字芯片所取代，數(shù)字化的控制系統(tǒng)實(shí)際上是由計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件編寫程序來(lái)完成相應(yīng)操作?？梢?jiàn)，對(duì)現(xiàn)代數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，離不開(kāi)算法的支撐。計(jì)算機(jī)雖然運(yùn)算速度飛快，但是只能成功識(shí)別離散信號(hào)，所以就需要把連續(xù)信號(hào)離散化。把關(guān)于t的連續(xù)信號(hào)，變?yōu)殛P(guān)于n的離散信號(hào)，要把式（5-2）離散化，把式5-1中、、、離散化，得式5-4，在第n次采樣時(shí)的數(shù)據(jù)記為、、、表示。（公式5-4）當(dāng)采樣周期T很小時(shí)，代替T近似代替，代替，代替后近似如下式5-5：（公式5-5）（公式5-6）式（5-2）離散化后如式5-7：（公式5-7）式5-7需要用到過(guò)去時(shí)刻采樣的累加，稱為位置型PID算法。上式中：第一項(xiàng)為比例控制項(xiàng),即（公式5-8）第二項(xiàng)為積分控制項(xiàng)，即（公式5-9）第三項(xiàng)為微分控制項(xiàng)，即（公式5-10）當(dāng)這三種控制組合使用時(shí),有以下幾種情況:P控制:（公式5-11）PI控制:（公式5-12）PD控制:（公式5-13）PID控制:（公式5-14）以上4種組合能滿足不同工業(yè)需求，由（5-7）可發(fā)現(xiàn)，雖然位置型算法不用遞推，可直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但位置型算法算式計(jì)算比較麻煩，因?yàn)橐M(jìn)行累加，每次算都要對(duì)偏差量進(jìn)行累加,對(duì)于存儲(chǔ)空間較小的控制器來(lái)說(shuō)并不適用，況且累加的算法不便于實(shí)現(xiàn)，所以針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)式（5-7）做差改為增量型，如式5-16：由式（5-7）推出前一項(xiàng)u(n-1)的表達(dá)式，如式5-15：（公式5-15）增量型不需要進(jìn)行累加，只需將式（5-7）和式（5-15）兩式相減，得式5-16：（公式5-16）所以數(shù)字PID位置型控制算如式5-17：（公式5-17）式中：為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。以上介紹了數(shù)字PID位置型和增量型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，位置型僅需知道前兩項(xiàng)即可推算出。圖5-2為數(shù)字PID位置型框圖，5-3為數(shù)字PID增量型框圖：圖5-2數(shù)字PID位置型控制示意圖圖5-3數(shù)字PID增量型控制示意圖

軟件設(shè)計(jì)PID算法實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)中離不開(kāi)算法的支撐，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用的是為PID核心算法，PID算法的存在使得電機(jī)能夠快而穩(wěn)在設(shè)定值，檢測(cè)回來(lái)的數(shù)值比較后，PID進(jìn)行快速調(diào)節(jié)最終控制PWM脈沖的占空比來(lái)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。式7-1為增量型PID：（公式7-1）PID控制在單片機(jī)的基本程序流程如圖6-1所示：圖6-1PID程序流程圖程序流程圖主流程圖在主流程圖中，體現(xiàn)了完整的系統(tǒng)步驟，從按鍵按下、信號(hào)的控制到電機(jī)的控制，結(jié)合著軟件和硬件的運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖6-2所示：圖6-2系統(tǒng)主流程圖按鍵流程圖鍵盤中斷程序能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的啟停。而加減速則是控制PWM脈寬。按鍵按下，單片機(jī)檢測(cè)電平。按鍵程序流程圖如圖6-3所示。圖6-3系統(tǒng)按鍵流程圖

系統(tǒng)電路仿真及調(diào)試proteus電路仿真在proteus上把各模塊搭建完畢后對(duì)整體電路圖進(jìn)行仿真。在仿真時(shí)，由于Proteus上沒(méi)有霍爾元件進(jìn)行轉(zhuǎn)速反饋，不能形成閉環(huán)檢測(cè)回路來(lái)和設(shè)定值進(jìn)行比較，所以其設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速相差甚大。仿真整體如圖7-1：圖7-1