【正文】 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 34 頁 共 43 頁 致謝 這次畢業(yè)設(shè)計，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。采用單片機控制取代了以往的模擬控制，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進和升級，靈活性和適應(yīng)性更強。 圖 64 上電狀態(tài) 按下啟停按鈕。 （ 2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對 Proteus 的設(shè)計環(huán)境進行設(shè)置。 本文中由于我們主要使用 keilC51 軟件編輯、調(diào)試程序， Proteus 軟件仿真單片機。 圖 47 鍵盤電路 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 21 頁 共 43 頁 整體硬件電路圖 圖 48 整體電路圖 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 22 頁 共 43 頁 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 主程序流程圖 圖 51 主程序流程圖 直流電機速度控制程序設(shè)計 本設(shè) 計采用增量式 PID 控制對電機轉(zhuǎn)速進行控制，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較得出偏差 ()en ，對偏差進行 P、 I、 D 運算最終利用運算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié)，進而控制電機轉(zhuǎn)速。圖（ b）為共陽極結(jié)構(gòu)， 8 端發(fā)光二極管的陽極端連接在一起，陰極端分開控制，使用時 公共端接電源。 AT89S52 主要功能列舉 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲器（ ROM）為 8KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）為 256 字節(jié) 32 個可編程 I/O 口線 8 個中斷向量源 三個 16 位定時器 /計數(shù)器 三級加密程序存儲器 全雙工 UART 串行通道 AT89S52 引腳圖 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 19 頁 共 43 頁 圖 45 AT89S52 單片機引腳圖 各個引腳功能在此就不再詳述了。因為轉(zhuǎn)速常用 r/min 表示，所以電動機轉(zhuǎn)速 V=60N/24=(r/min)。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 Vs 為電機驅(qū)動電源。電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過 LED 顯示出來。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 mn? 個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡單。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準接受器，當(dāng)測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。因此此中方案不宜采用。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。這種方法是對連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴充，適用于有自平衡特性的被控對象，不需要準確知道對象的特性。工業(yè)應(yīng)用中，采用 PID 位置算法是不夠方便和有欠缺的。根據(jù)偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進行的控制，稱為 PID控制。 PWM 脈寬調(diào)制方式 PWM 脈寬調(diào)制的方式有 3 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中 ，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。當(dāng)開關(guān) VT接通時，電源電壓 U。 VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 （ 2）靜止可控整流器 （簡稱 VM 系統(tǒng)） 。 fI 變化時間遇到的時間常數(shù)同 aI 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。不同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。在設(shè)計中，采用了 PWM 技 術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。 選題的目的和意義 直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。 1960年以來，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對滯留拖動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計也有了一套實用的工程設(shè)計方法。通過獨立按鍵實現(xiàn)對電機的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)向的人工控制， LED 實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)（速度）的顯示。本文設(shè)計的直流電機調(diào)速系統(tǒng)，主要由 51 單片機、電源、驅(qū)動電路、 LED 液晶顯示器、霍爾測速電路以及獨立按鍵組成的電子產(chǎn)品。 Hall sensor。直流電機由于具有速度控制容易，啟動制動性能良好，且能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在電力、冶金、機械制造等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80 年代以前一直未能實現(xiàn)。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外 界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。絕大多數(shù)的直流電動機都是由電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動的。此時載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。 aI 變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需 要大容量可調(diào)直流電源。改變電樞湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 5 頁 共 43 頁 電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變 ，所以 GM 系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。 圖 23 晶閘管－電動機調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（ VM系統(tǒng)） 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷時間的變化來改變負載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平 均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡稱 PWM。 目前，受到器件容量的限制， PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng) 。 圖 25 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系圖 設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 maxV ， 設(shè)占空比為 D=t1/T， 則電機的平均速度為 aV = DV ?max （ 22） 式中 ， aV — 電機的平均速度 ； maxV — 電機全通電時的速度 (最大 )； D=t1/T— 占空比。這也是 PWM 用于通信的主 要原因。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強； （ 3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。因此，實際用得較多的還是工程整定法。 本控制系統(tǒng)中，直流電機的轉(zhuǎn)速是待檢測的參數(shù)，也是反饋檢測量，通過測速電路將直流電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為反饋信號輸入單片機，通過 PID 算法來控制 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )輸出的占空比，進而對直流電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)閉環(huán)控制，使 其轉(zhuǎn)速達到預(yù)期設(shè)定值。因此在本次設(shè)計選用方案一。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。最主要的 是它 對外部環(huán)境的要求不高，并且工作溫度可以達到 150176。這種鍵盤的優(yōu)點是：電路簡單，各 條檢測線獨立，識別按下按鍵的軟件編寫簡單。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求 ，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。在本 系統(tǒng)中直流電機需要12V 電源，而單片機、顯示模塊等其它電路需要 5V 的電源，因此電路中選用 7805 和 7812兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 42 所示?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栐潭ㄔ诰帻X輪外圓 1mm 的探頭上，對面粘貼小磁鋼，當(dāng)測速齒輪的每個齒經(jīng)過探頭正前方時，改變了磁通密度，霍爾元件就輸出了一個脈沖信號。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。不同數(shù)字或字符其字段碼不一樣，對于同一個數(shù)字或字符，共陰極連接和共陽極連接的字段碼也不一樣，共陰極和共陽極的字段碼互為反碼。 如圖 54 所示。 Proteus 的軟 件仿真基于處理器虛擬系統(tǒng)仿真模型 VSM，是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢就在于它能仿真大量的單片機芯片，比如 MCS51 系列、 AVR、 PIC湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 27 頁 共 43 頁 系列等常用的 MCU，以及單片機外圍電路，比如 LCD， RAM， ROM，鍵盤，馬達， LED， AD/DA等。 （ 5）程序加載 在編輯環(huán)境左擊單片機然后右擊，在彈出的對話框中將編譯生成的 HEX 文件加載到芯片中，設(shè)單片機的時鐘工作頻率為 12MHZ。 圖 69 減速后 波形（ COT0=10） 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 32 頁 共 43 頁 同理，按動多次加速鍵后，當(dāng) COT1=0AH＝ 10 后，加速檔位到達最高，不再加速，相當(dāng)于速度 11 檔。 由于實驗條件不足沒能做出實物圖，所以沒有遇到做 PCB 板焊接電路之類的硬件設(shè)計問題。老師淵博的知識、嚴謹?shù)淖黠L(fēng)、誨人。不僅讓我對學(xué)過的單片機知識有了很多的鞏固，同時也對單片機這一門課程產(chǎn)生了更大的興趣。倘若此時按啟停按鈕，電機停止轉(zhuǎn)動，回到圖 64 狀態(tài)。 （ 4）程序編譯 點菜單 Source→ Add/Remove source Files”，選擇 ASEM51 編輯器， 將上面的匯編源程序 添加。從 ISIS 窗口各欄內(nèi)容可知： PROTEUS VSM 所包括的內(nèi)容都已整合到 ISIS 中，所以， ISIS 實際上是 PROTEUS VSM 的設(shè)計與仿真平臺。采用經(jīng)驗法對 PID 參數(shù)進行調(diào)試修正，最后取 P=10， I=2， D=。圖 “c” 為引腳圖，從 ag 引腳輸入不同的 8 位二進制編碼，可顯示不同的數(shù)字或字符。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是 N 型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 18 頁 共 43 頁 圖 44(a)測速齒輪 圖 44（ b） 霍爾傳感器安裝示意圖 AT89S52的簡介 AT89S52 主要性能 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 霍爾器件測量電動機轉(zhuǎn)速裝置由一個測速齒輪和霍爾傳感器構(gòu)成。這樣單片機產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端，使電機在 PWM 脈沖的控制下正常運行，其中 四個二極管對芯片起保護作用。每次電動機啟動后開始顯示，停止時 LED 顯示出“ 0000”。 電源模塊設(shè)計方案 電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源，任何一種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對于該模塊考慮下兩種方案： 方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。 根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計要求以及成本考慮，顯示模塊選用方案一。該方案的實現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機固定在直流電機的軸上，當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)動時，帶動測速電機的軸一起轉(zhuǎn)動，因此測速發(fā)電機會產(chǎn)生大小隨直流電機轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計沒有采用此方案。 基于上述理論分析和實際情況，電機驅(qū)動模塊選用方案二。若采用 89C51 需要做 RAM， ROM 來擴展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。