【正文】 靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、調試不 方便、體積大等不足之處，且數字控制系統(tǒng)表現出另外一些優(yōu)點，如查找故障迅速、調速精度高、維護簡單，使其具備了廣一闊的應用前景。 我國關于數字直流調速 系統(tǒng)的研究主要有 :綜合性最優(yōu)控制，補償 PID 控制， PID算法優(yōu)化，也有的只應用模糊控制技術。但由于進口設備價格昂貴，也給出了國產全數字控制直流調速裝置的發(fā)展空間。 單片機（ singlechip microputer）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數據處理能力（算術運算、邏輯運算、數據傳送、中斷處理等）的微處理器（ CPU）、隨機存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、輸入輸出接口電路（ I/O）、 串行通信口（ SCI）、脈寬調制電路（ PWM）、定時計算器、 A/D 轉換器及 D/A 轉換器等電路集成到一塊半導體硅片上，這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效的完成設計者事先規(guī)定的任務，這樣的一塊具有一臺計算機的屬性，可以構成一個最小而完善的的計算機系統(tǒng)的電路芯片就稱為單片微型計算機，簡稱單片機。采用雙極型半導體工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。 低電壓化 幾乎所有的單片機都有 WAIT、 STOP 等省電運 行方式。 低噪聲與高可靠性 為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求。目前，單片機內 ROM 最大可達 64KB， RAM 最大為 2KB。這類單片機的用途是把以往用數字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產品。 串行擴展技術 在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。因此，單片機具有以下特點 : （ 1）較高的性價比 目前國內市場上，有些單片機的芯片價格只有幾十元人民幣，再加上很少的外圍器件，就可以構成一臺多功能的控制機構。 （ 5）開發(fā)周期短，易于產品化 可根據需要構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。 （ 3）辦公自動化領域 現代的辦公室所使用的大部分現代產品多數都采用了單片機，如打印機、繪圖儀、 復印機等等。 （ 7）汽車電子與航空 航天電子系統(tǒng) 這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、車上娛樂系統(tǒng)、車載安全裝置、導航系統(tǒng)、動力監(jiān)測系統(tǒng)、等都是采用單片機來實現控制的。 MCS51 系列單片機芯片有許多種，但是它們的基本組成和基本性能是相同的。單片機 CPU 運算器內部包含一個專門進行位數據操作的布爾處理機，增加了面向控制的處理能力，可以進行位尋址等功能。用于 CPU 對片內各功能部件進行管理、控制和監(jiān)視等。 （ 7）中斷系統(tǒng) 有 5 個中斷系統(tǒng)， 2個可編程優(yōu)先級的中斷系統(tǒng)，用于外部中斷申請，串行口中斷申請和定時器 /計數器中斷申請。 MCS51 單片機的工作方式 MCS51 系列單片機的工作方式有：復位方式，程序執(zhí)行方式，節(jié)電工作方式，低功耗方式以及 EPROM 編程和校驗方式。另外，當程序運行錯誤或由于錯誤操作而使單片機進入死鎖狀態(tài)時，可以通過復位進行重新啟動。上電自動復位是通過電容充電來實現的，通過選 擇適當的電容和電阻，就能夠使 RST 引腳上的高電平保持兩個振蕩周期以上，以實現上電的同時完成單片機的復位；按鍵手動復位分為按鍵電平復位和按鍵脈沖復位兩種方式。 （ 3）節(jié)電工作方式： MCS51 系列單片機中有 HMOS（高密度溝道金屬氧化物半導體）和 CHMOS（互補高密度溝道金屬氧化物半導體）兩種工藝芯片。 其中退出空閑方式的方法有兩種，一種是中斷推出，另一 種是按鍵復位退出；退出掉電方式的唯一方法是由硬件復位，復位時將所有的特殊功能寄存器的內容初始化，但不改變內部 PAM 區(qū)的數據。 EPROM 校驗程序：校驗的主要操作是在向片內程序存儲器 EPROM 寫入信息時或寫入信息后，可將片內 EPROM 的內容讀出校驗，以保證寫入信息 的正確性。與交流電機相比直流電機的結構較復雜，成本較高，可靠性較差，使它的 應用受到限制。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。 Ia電樞電流 。 J轉動慣量 。 KD轉動部分的阻尼系數 . 永磁直流電動機的電樞反電動勢可表示為 : Ea=Ke*Ω (公式 33) 式中 Ke反電動勢常數 . 電磁轉矩為 : Te=KT *Ia (公式 34) 式中 KT磁轉矩常數。Proteus 軟件已有近 20 年的歷史，在全球已得到廣泛使用。 Keil 提供了包括 C編譯器 、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個 集成開發(fā)環(huán)境 （ uVision）將這些部分組合在一起。 C51工具包的整體結構， uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE），可以完成編輯、 編譯 、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。 ABS 文件由 OH51轉換成標準的 Hex 文件，以供調試器dScope51或 tScope51使用進行 源代碼 級調試，也可由 仿真器 使用直接對 目標板 進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。元件涉及到數字和模擬、交流和直流等，如電阻、電容、二極管、三極管、 MOS 管，變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵源、各種微控制器、各種門電路、各種終端。這些測試信號包括模擬信號和數字信號等。這樣就可以節(jié)省大量的實驗經費，減輕了學生們的負擔。 PROTEUS 與 KEIL 的聯調 Proteus 軟件包括匯編語言編譯系統(tǒng)，可以在軟件平臺上對單片機進行可視化調試。以下是如何將 C 語言的開發(fā)環(huán)境移植到 Proteus 的設計中的方法： 首先，下載安裝這兩個軟件。在 Kei 中打開一個項目，在 option for target中的 Debug標簽中選中 Proteus VSM Monitor51 Driver 。運行 Proteus 的 ISIS，鼠標左鍵點擊菜單 DEBUG，選中use remote debug monitor。 18 單片機（速度的測量計算、輸 入 設定及系統(tǒng)控制） 單片機（ PID 運算控制器、 PWM 模擬發(fā)生器） 電機 速度采集電路 電機驅動電路 鍵 盤 顯示器 第五章 設計實現 系統(tǒng)總體框架 圖 51 系統(tǒng)總流程圖 本設計是以 51 單片機為控制中心，通過采集電機的當前速度，與設定的速度之間的差值進行 PID 運算，然后輸出相應的模擬 PWM 波，使得差值越來越小直到電機速度在允許的誤差范圍內。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng) ,并在實驗室調試成功后 ,在現場卻出現了“死機”、“程序走飛”等現象 ,這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。上電復位的工作過程是在加電時，電容加給 RST 端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。在這種鍵盤的連接方法中，我們通常采用上拉電阻接法，即各按鍵開關一端接低電平，另一端接單片機 I/O 口線并通過上拉電阻與 VCC 相連，這是為了保證在按鍵斷開時，各 I/O 口線有確定的高電平，如果端口內部已經有上拉電阻，則外電路的上拉電阻就可以省去。單片機中常用軟件去抖動方法，軟件法其實很簡單，就是在單片機獲得端口低電平信息后， 不是立即認定按鍵已被按下，而是在延時 10ms 或更長時間后再次檢查該端口，如果仍為低，說明此鍵確實被按下了，這實際上是避開了按鍵按下時的抖動時間；而在檢測到按鍵釋放后（端口電平為高電平時）再延時 510ms，消除后沿的抖動，然后再對按鍵進行處理，不過一般情況下，我們通常不對按鍵釋放后沿進行處理，實踐證明，也能滿足通常的要求。由此可見，在需要的按鍵數量比較多的時候，采用矩陣法萊連接鍵盤是非常合理的，所以本設計采用矩陣式鍵盤。各排第 1行都點亮后，延時一段時間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機對LED 顯示屏的一行掃描控制。 本設計使用的驅動器件是 74HC240，如圖 56所示。任意 nOE 上的高電平將使輸出端呈現高阻態(tài)。 L298是一種常用的電機驅動芯片 , 一片 L298 即可驅動兩個直流電機或一個步進電機。電機輸出的脈沖是理想化的沒有毛刺，沒有畸變，所以可以直接輸入到單片機的中斷引腳，當有一個脈沖時，單片機就會產生一個中斷，就會在相應的存儲單元加 1，當計數器到達時間時就會把該存儲單元輸出到顯示模塊，然后清零，接著下一個周期計數，就達到了測速的目的。所以常用控制方法是改變電樞電壓調速的電樞電壓控制法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調壓；使用硅整流器將交流電整流成直流電或由蓄電池等直流電源供電，再由 PWM 斬波器進行斬波調壓等。在圖 59a 中，假定晶體管 V1先導通 T1秒（忽略 V1的管壓降，這期間電源電壓 Ud全部加到電樞上）， 25 圖 59 PWM 斬波器原理圖電路及輸出電壓波形 a：原理圖 b：輸出電壓波 然后關斷 T2秒（這期間電樞端電壓為零）。 不管哪種方法，α的變化范圍均為 0≤α≤ 1，因而電樞電壓平均值 Ua的調節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電機只能在某一方向調速，稱為不可逆調速。該間隔時間成為死區(qū)時間）之后， 26 r(t) Kp Ki/S Kd AT89C51 沒有專門的引腳輸出 PWM 波，只能通過軟件進行模擬 PWM。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。反之 Ti 大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。 數字 PID 參數整定方法 如何選擇控制算法的參數，要根 據具體過程的要求來考慮。用理論計算法設計調節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。 ③ 選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調節(jié)器為基準，將 DDC 的控制效果與模擬調節(jié)器的控制效果相比較。 ④ 根據選定的控制度， 查表 求得 T、 PK 、 IT 、 DT 的值。 ③ 積分系數 IK 保持不變，改變比例系數 PK ，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。 原理圖說 明 仿真開始之后，電機不轉，停止指示燈亮。 圖 512 系統(tǒng)正在運行 軟件設計 主流程圖 31 0)]2()1(2)([)()]1()([ unene neKneKneneK DIP ????? ????開始初始化調用清屏子程序開始界面顯示設置鍵按下 ？調用清屏子程序設置界面顯示根據設置計算參數啟動鍵按下 ？調用清屏子程序電機運行狀態(tài)顯示PWM 脈沖輸出YNYN 圖 513 系統(tǒng) 主程序流程 在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應設計任務的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程設計出主程序流程如圖 513 所示。 圖 514 PID 算法流程圖 鍵盤程序程序流程 鍵盤中斷程序是用來設在系統(tǒng)相應參數和控制系統(tǒng)進入相應的運行狀態(tài)，其程序流程圖如圖 515 所示。在輪流點亮掃描過程中，每個數碼管的點亮時間是極為短暫的（約 1ms），但由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各個數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數 34 據，不會有閃爍感。在老師的精心講解下，并通過自己的努力也了解了單片機內部構造和工作原理，以及接外部電路的情況，但也知識皮毛而已。 直流電機控制在工業(yè)領域有著非常重要的作用。但是，單片機發(fā)展到現在也有存儲空間較小、下游方案較少等局限性。同時要向研究生師兄表示誠懇的感謝。同時也使我明白了我們的學習不但要立足于書本，以解決理論和實際教學中的實際問題為目的，還要與實踐相結合，理論問題即實踐課題，解決問題即課程研究，通過自己的雙手來解決問題比用腦子解決問題來的更加深刻。 38 sbit p31=P3^1。 sbit p36=P3^6。 uint count,miaoshu,sv。 //延時 1ms 子程序 void delay(uchar z) { uchar x,y。y0。 shu[1]=a%100/10。 shu[5]=b%10。 P0=table[shu[i]]。 shi=s