【正文】 靠性和整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不 方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。 我國(guó)關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速 系統(tǒng)的研究主要有 :綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償 PID 控制， PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。 單片機(jī)（ singlechip microputer）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力（算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等）的微處理器（ CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、輸入輸出接口電路（ I/O）、 串行通信口（ SCI）、脈寬調(diào)制電路（ PWM）、定時(shí)計(jì)算器、 A/D 轉(zhuǎn)換器及 D/A 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊半導(dǎo)體硅片上，這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效的完成設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)，這樣的一塊具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)的屬性，可以構(gòu)成一個(gè)最小而完善的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電路芯片就稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。采用雙極型半導(dǎo)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(jī)都有 WAIT、 STOP 等省電運(yùn) 行方式。 低噪聲與高可靠性 為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前，單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB， RAM 最大為 2KB。這類單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)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(chǎn)品。 串行擴(kuò)展技術(shù) 在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，通用型單片機(jī)通過(guò)三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。因此，單片機(jī)具有以下特點(diǎn) : （ 1）較高的性價(jià)比 目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，有些單片機(jī)的芯片價(jià)格只有幾十元人民幣，再加上很少的外圍器件，就可以構(gòu)成一臺(tái)多功能的控制機(jī)構(gòu)。 （ 5）開(kāi)發(fā)周期短，易于產(chǎn)品化 可根據(jù)需要構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 （ 3）辦公自動(dòng)化領(lǐng)域 現(xiàn)代的辦公室所使用的大部分現(xiàn)代產(chǎn)品多數(shù)都采用了單片機(jī)，如打印機(jī)、繪圖儀、 復(fù)印機(jī)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(lè)系統(tǒng)、車載安全裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、等都是采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。 MCS51 系列單片機(jī)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(jī) CPU 運(yùn)算器內(nèi)部包含一個(gè)專門進(jìn)行位數(shù)據(jù)操作的布爾處理機(jī)，增加了面向控制的處理能力，可以進(jìn)行位尋址等功能。用于 CPU 對(duì)片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)視等。 （ 7）中斷系統(tǒng) 有 5 個(gè)中斷系統(tǒng)， 2個(gè)可編程優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)，用于外部中斷申請(qǐng)，串行口中斷申請(qǐng)和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)。 MCS51 單片機(jī)的工作方式 MCS51 系列單片機(jī)的工作方式有：復(fù)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(yàn)方式。另外，當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤或由于錯(cuò)誤操作而使單片機(jī)進(jìn)入死鎖狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)復(fù)位進(jìn)行重新啟動(dòng)。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)選 擇適當(dāng)?shù)碾娙莺碗娮?，就能夠?RST 引腳上的高電平保持兩個(gè)振蕩周期以上，以實(shí)現(xiàn)上電的同時(shí)完成單片機(jī)的復(fù)位；按鍵手動(dòng)復(fù)位分為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位兩種方式。 （ 3）節(jié)電工作方式： MCS51 系列單片機(jī)中有 HMOS（高密度溝道金屬氧化物半導(dǎo)體）和 CHMOS（互補(bǔ)高密度溝道金屬氧化物半導(dǎo)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(fù)位退出；退出掉電方式的唯一方法是由硬件復(fù)位，復(fù)位時(shí)將所有的特殊功能寄存器的內(nèi)容初始化，但不改變內(nèi)部 PAM 區(qū)的數(shù)據(jù)。 EPROM 校驗(yàn)程序：校驗(yàn)的主要操作是在向片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 EPROM 寫入信息時(shí)或?qū)懭胄畔⒑?，可將片?nèi) EPROM 的內(nèi)容讀出校驗(yàn)，以保證寫入信息 的正確性。與交流電機(jī)相比直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，可靠性較差，使它的 應(yīng)用受到限制。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 KD轉(zhuǎn)動(dòng)部分的阻尼系數(shù) . 永磁直流電動(dòng)機(jī)的電樞反電動(dòng)勢(shì)可表示為 : Ea=Ke*Ω (公式 33) 式中 Ke反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) . 電磁轉(zhuǎn)矩為 : Te=KT *Ia (公式 34) 式中 KT磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。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(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè) 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （ uVision）將這些部分組合在一起。 C51工具包的整體結(jié)構(gòu)， uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE），可以完成編輯、 編譯 、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。 ABS 文件由 OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器dScope51或 tScope51使用進(jìn)行 源代碼 級(jí)調(diào)試，也可由 仿真器 使用直接對(duì) 目標(biāo)板 進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。元件涉及到數(shù)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(lì)源、各種微控制器、各種門電路、各種終端。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)等。這樣就可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，減輕了學(xué)生們的負(fù)擔(dān)。 PROTEUS 與 KEIL 的聯(lián)調(diào) Proteus 軟件包括匯編語(yǔ)言編譯系統(tǒng)，可以在軟件平臺(tái)上對(duì)單片機(jī)進(jìn)行可視化調(diào)試。以下是如何將 C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境移植到 Proteus 的設(shè)計(jì)中的方法： 首先，下載安裝這兩個(gè)軟件。在 Kei 中打開(kāi)一個(gè)項(xiàng)目，在 option for target中的 Debug標(biāo)簽中選中 Proteus VSM Monitor51 Driver 。運(yùn)行 Proteus 的 ISIS，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊菜單 DEBUG，選中use remote debug monitor。 18 單片機(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸 入 設(shè)定及系統(tǒng)控制） 單片機(jī)（ PID 運(yùn)算控制器、 PWM 模擬發(fā)生器） 電機(jī) 速度采集電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 鍵 盤 顯示器 第五章 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)總體框架 圖 51 系統(tǒng)總流程圖 本設(shè)計(jì)是以 51 單片機(jī)為控制中心，通過(guò)采集電機(jī)的當(dāng)前速度，與設(shè)定的速度之間的差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，然后輸出相應(yīng)的模擬 PWM 波，使得差值越來(lái)越小直到電機(jī)速度在允許的誤差范圍內(nèi)。許多用戶在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng) ,并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后 ,在現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象 ,這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。上電復(fù)位的工作過(guò)程是在加電時(shí)，電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vcc 對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)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(kāi)關(guān)一端接低電平，另一端接單片機(jī) I/O 口線并通過(guò)上拉電阻與 VCC 相連，這是為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)，各 I/O 口線有確定的高電平，如果端口內(nèi)部已經(jīng)有上拉電阻，則外電路的上拉電阻就可以省去。單片機(jī)中常用軟件去抖動(dòng)方法，軟件法其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是在單片機(jī)獲得端口低電平信息后， 不是立即認(rèn)定按鍵已被按下，而是在延時(shí) 10ms 或更長(zhǎng)時(shí)間后再次檢查該端口，如果仍為低，說(shuō)明此鍵確實(shí)被按下了，這實(shí)際上是避開(kāi)了按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間；而在檢測(cè)到按鍵釋放后（端口電平為高電平時(shí)）再延時(shí) 510ms，消除后沿的抖動(dòng)，然后再對(duì)按鍵進(jìn)行處理，不過(guò)一般情況下，我們通常不對(duì)按鍵釋放后沿進(jìn)行處理，實(shí)踐證明，也能滿足通常的要求。由此可見(jiàn)，在需要的按鍵數(shù)量比較多的時(shí)候，采用矩陣法萊連接鍵盤是非常合理的，所以本設(shè)計(jì)采用矩陣式鍵盤。各排第 1行都點(diǎn)亮后，延時(shí)一段時(shí)間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機(jī)對(duì)LED 顯示屏的一行掃描控制。 本設(shè)計(jì)使用的驅(qū)動(dòng)器件是 74HC240，如圖 56所示。任意 nOE 上的高電平將使輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)。 L298是一種常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 , 一片 L298 即可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)輸出的脈沖是理想化的沒(méi)有毛刺，沒(méi)有畸變，所以可以直接輸入到單片機(jī)的中斷引腳，當(dāng)有一個(gè)脈沖時(shí)，單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，就會(huì)在相應(yīng)的存儲(chǔ)單元加 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)時(shí)間時(shí)就會(huì)把該存儲(chǔ)單元輸出到顯示模塊，然后清零，接著下一個(gè)周期計(jì)數(shù)，就達(dá)到了測(cè)速的目的。所以常用控制方法是改變電樞電壓調(diào)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(jìn)行相控調(diào)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(jìn)行斬波調(diào)壓等。在圖 59a 中，假定晶體管 V1先導(dǎo)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(guān)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(diào)節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。該間隔時(shí)間成為死區(qū)時(shí)間）之后， 26 r(t) Kp Ki/S Kd AT89C51 沒(méi)有專門的引腳輸出 PWM 波，只能通過(guò)軟件進(jìn)行模擬 PWM。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)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(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 如何選擇控制算法的參數(shù)，要根 據(jù)具體過(guò)程的要求來(lái)考慮。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過(guò)程中一般較難做到。下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。 ③ 選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將 DDC 的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。 ④ 根據(jù)選定的控制度， 查表 求得 T、 PK 、 IT 、 DT 的值。 ③ 積分系數(shù) IK 保持不變，改變比例系數(shù) PK ，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿意為止。 原理圖說(shuō) 明 仿真開(kāi)始之后，電機(jī)不轉(zhuǎn)，停止指示燈亮。 圖 512 系統(tǒng)正在運(yùn)行 軟件設(shè)計(jì) 主流程圖 31 0)]2()1(2)([)()]1()([ unene neKneKneneK DIP ????? ????開(kāi)始初始化調(diào)用清屏子程序開(kāi)始界面顯示設(shè)置鍵按下 ？調(diào)用清屏子程序設(shè)置界面顯示根據(jù)設(shè)置計(jì)算參數(shù)啟動(dòng)鍵按下 ？調(diào)用清屏子程序電機(jī)運(yùn)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(gè)完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)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(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)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(lái)設(shè)在系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，其程序流程圖如圖 515 所示。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每個(gè)數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約 1ms），但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各個(gè)數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(shù) 34 據(jù)，不會(huì)有閃爍感。在老師的精心講解下，并通過(guò)自己的努力也了解了單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，以及接外部電路的情況，但也知識(shí)皮毛而已。 直流電機(jī)控制在工業(yè)領(lǐng)域有著非常重要的作用。但是，單片機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在也有存儲(chǔ)空間較小、下游方案較少等局限性。同時(shí)要向研究生師兄表示誠(chéng)懇的感謝。同時(shí)也使我明白了我們的學(xué)習(xí)不但要立足于書本，以解決理論和實(shí)際教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題為目的，還要與實(shí)踐相結(jié)合，理論問(wèn)題即實(shí)踐課題，解決問(wèn)題即課程研究，通過(guò)自己的雙手來(lái)解決問(wèn)題比用腦子解決問(wèn)題來(lái)的更加深刻。 38 sbit p31=P3^1。 sbit p36=P3^6。 uint count,miaoshu,sv。 //延時(shí) 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