【正文】 由式 (52)可得 : ? ? ? ? ? ? ? ?? ?211)1( 10 ???????? ??? kekeKjeKkeKkm DkjIp （ 53） 式 (52)減去式 (53)，得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 2 1 2P I D P D Dm k m k m k K K K e k K K e k K e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 54） 由式 (54)經(jīng)過簡單變換得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 2 1 2P I D P D Dm k m k K K K e k K K e k K e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 55） 設(shè)置寄存器 ??te 、 ? ?1?te 、 ? ?2?te 分別放置第 k 次、 (k1)次、 (k2)次測(cè)量時(shí)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差 。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 25 第 五 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 主程序使用 A/D 轉(zhuǎn)換 電路采樣輸出直流電壓值 ， 以及采樣外部調(diào)節(jié)電位器的電壓值作為控制期望值 。 干擾問題的處理 信號(hào)的干擾問題是 每個(gè)單片機(jī)設(shè)計(jì)者都遇到的問題，在干擾問題上 本論文 做了以下處理 ： 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 24 1)PWM 信號(hào)工作頻率是 4kHz，頻率較高，會(huì)使導(dǎo)線阻抗變得較大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，采用了就近多點(diǎn)接地法。 (3)專用 PWM 集成電路 。 0B ～ 3B 分別 接 0Q ～ 3Q 、 4Q ～ 7Q 。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。 簡而言之， PWM 是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各 ??ti 在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。利用 PWM 逆變器能夠抑制或消除低次諧波。ULN2021A 是 7 路達(dá)林頓三極管陣列，這里用到了其中的 4 路，分別連接到數(shù)碼管的4 個(gè)位選腳 G1～ G4，如下圖 310 所示。 DAC0832 的寄存器選擇信號(hào) CS 及數(shù)據(jù)傳送信號(hào) XFER 都與地址線相連 ， 當(dāng)?shù)刂肪€選擇好 DAC0832 后 ， 只要輸出 WR 控制信號(hào) ， DAC0832 就能一步完成數(shù)字量的輸入鎖存和 D/A 轉(zhuǎn)換輸出 ， 并由 UA741 集成運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出控制比較器的參考電壓 [6]。 2)轉(zhuǎn)換時(shí)間 ： 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。 轉(zhuǎn) 換 電路 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換 采用 ADC0809 芯片 來實(shí)現(xiàn)。把斷續(xù)區(qū)的曲線近似地用一條具有很大等效電阻 39。由此可見我們改變電樞電壓時(shí) ， 轉(zhuǎn)速 n 即可隨之改變 [4]。 圖 32 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖 單片機(jī) PWM控制 直流 電機(jī) 轉(zhuǎn)速測(cè)量 及變送 A/D 轉(zhuǎn)換 D/A 轉(zhuǎn)換 LED 顯示 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 14 直流電機(jī) 的工作 原理 和 調(diào)速 方法 直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。 其結(jié)構(gòu)如圖 211 所示。 圖 29 P1口的結(jié)構(gòu)圖 P2（ ～ ） 口是一個(gè)準(zhǔn)雙向 I/O 口， P2 口作為通用 I/O 口使用時(shí)，不需要再外接上拉電阻；當(dāng) P2 口作為輸入口使用時(shí)，需要向 P2 口鎖存器先寫入 “ 1” ，然后基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 12 再讀取 P2 口的輸入信號(hào)。 P0 口為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路， P基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 11 P P3 口為準(zhǔn)雙向口（作為輸入時(shí)，需要先向口鎖存器寫入 1， 故稱為準(zhǔn)雙向口），其負(fù)載能力為 4 個(gè) TTL 電路 。 地址總線寬度為 16 位，由 P0 口經(jīng)地址鎖存器提供低 8 位地址（ A0 ～ A7）；P2 口直接提供高 8 位地址（ A8～ A15）。當(dāng) EA 接高電平時(shí)，單片機(jī)從片內(nèi) ROM 的 4kB 字節(jié)存儲(chǔ)器區(qū)取指令， 當(dāng)指令地址超過 0FFFH 后，自動(dòng)地轉(zhuǎn)向片外 ROM 取指令。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM： 片內(nèi) RAM 有 256 個(gè)字節(jié)，其中 00H～ 7FH 地址空間是直接尋址區(qū)，該區(qū)域內(nèi)從 00H～ 1FH 地址為工作寄存器區(qū)，安排了 4 組工作寄存器，每組都為 R0～ R7，在某一時(shí)刻， CPU 只能使用其中任意一組工作寄存器，由程序狀態(tài)字 PSW 中 RS0 和 RS1 的狀態(tài)決定。它以主 頻率為基準(zhǔn)發(fā)出 CPU 的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來控制單片機(jī)各部分的運(yùn)行。 MCS51 單片機(jī)的 ALU 還具有一般微機(jī) ALU，如 Z80、 MCS48 所不具備的功能，即布爾處理功能。 圖 25 單片機(jī)的振蕩方式 8051 單片機(jī) 中央處理器 模塊 及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機(jī)的主要功能特性。 圖 24 單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 7 振蕩周期：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào) 的振蕩源的周期。（ 6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通 。 4） 復(fù)位信號(hào) RST： 該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作 。 各引腳功能如下： 1） 電源引腳 Vcc 和 Vss： Vcc：電源端，接＋ 5V。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 HMOS 制造工藝的 MCS51 單片機(jī)都采用 40引腳的直插封裝（ DIP 方式），制造工藝為 CHMOS 的 80C51/80C31 芯片除采用 DIP封裝方式外，還采用方型封裝工藝 。 本文就是利用這種控 制方式來改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。 課題研究方法 本文主要研究了利用 MCS51 系列單片機(jī)， 以 PID 調(diào)節(jié) 算法為基礎(chǔ) ， 完成對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) ， 達(dá)到了較好的控制性能 ， 而且成本低廉。通過分時(shí)采樣還可以用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)調(diào)速裝置，這些技術(shù)特點(diǎn)為直流調(diào)速控制器裝置由模擬向數(shù)字化發(fā)展提供了契機(jī)。 PWM。 本設(shè)計(jì)以 8051 單片機(jī)為核心，以小型直流電機(jī)為對(duì)象，以 4? 4 矩陣鍵盤 作為 輸入 ， LED 顯示輸出，從而實(shí)現(xiàn) 了 直流電機(jī)的啟停、速度和方向 的控制。s actual rotational speed by the realtime, showed it on the LED nixie tube and carried on the PID rotational speed adjustment to the motor, caused its rotational speed approach to the setting value. This system has solved formerly the plex analogous circuit design problem, strengthened to the DC motor speed controllability, and increased the velocity modulation system39。 電子技 術(shù)的高速發(fā)展 ， 促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變 ， 特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 ， 使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的階段 。隨著微電子技術(shù)，微處理機(jī)以及計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，使直流調(diào)速控制的各種功能幾乎均可通過基于微處理 機(jī)的控制器硬件結(jié)合軟件模塊來加以實(shí)現(xiàn)，即 從過去的模擬控制向模擬 數(shù)字混合控制發(fā)展，乃至實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的直流調(diào)速控制系統(tǒng)。 PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。 由于單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)的功能都是按工業(yè)控制要求而設(shè)計(jì)的，常用在 工業(yè)的檢測(cè)、控制裝置中，因而也稱為微控制器（ MicroController） 或嵌入式控制器 （ EmbeddedController） 。通用型單片機(jī)是把可開發(fā)資源（如 ROM、 RAM、 EPROM、 I/O 口）全部提供給使用者 。這就是 SCM 的誕生年代， “ 單片機(jī) ” 一詞即由此而來。 目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著 CMOS 化、低功耗化、低電壓化、低噪聲與高可靠性、大容量化、高性能化、小容量、低價(jià)格化、外圍電路內(nèi)裝化和串行 擴(kuò)展技術(shù)。 3） 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) PSEN： PSEN 是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。（ 3）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM。所謂 一個(gè)機(jī)器周期是指 CPU 訪問存儲(chǔ)器一次所需要的時(shí)間。 6S ，而每個(gè)狀態(tài)周期由兩個(gè)時(shí)相組成（即為 2 個(gè)主振蕩周期）。 16PS 、 26PS 。 內(nèi)部振蕩方式： 8051 單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。 MCS51 單片機(jī)的 ALU 功能十分強(qiáng)，它不僅可對(duì) 8 位變量進(jìn)行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補(bǔ)、清零等基本操作，還可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本運(yùn)算。 MCS51 單片機(jī)的程序狀態(tài) PSW，是一個(gè) 8 位寄存器，它包含了程序的狀態(tài)信息。 程序存儲(chǔ)器 ROM 地址空間為 64kB，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 也有 64kB 的尋址區(qū)，在地址上是與 ROM 重疊 的。在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的 I/O 口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同，因此，用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)行外部 RAM 和 I/O 端口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。 根據(jù)總線所完成的功能的不同，總線可分為地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線 。 控制總線隨時(shí)掌握各種部件的狀態(tài)，并根據(jù)需要向有關(guān)部件發(fā)出命令，主要有 PSEN、 WR、 RD 信號(hào) 。其內(nèi)部已接有上拉電阻，因此 P1 口在作為通用輸出口使用時(shí)，不需要再外接上拉電阻。當(dāng)處于第一功能時(shí)，第二輸出功能線為 1，此時(shí)，內(nèi)部總線信號(hào)經(jīng)鎖存器和場效應(yīng)管輸入 /輸出，其作用與 P1 端口作用相同，也是靜態(tài)準(zhǔn)雙向 I/O 端口。通過增加 外圍硬件來實(shí) 現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示段位、設(shè)定時(shí)間、設(shè)定轉(zhuǎn)速和測(cè)量的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 由 圖 33 所示 ， 電樞電壓為 aU ， 電樞電流為 aI ， 電樞回路總電阻為 aR ， 電機(jī)常數(shù) aC ， 勵(lì)磁磁通量是 ? 。在不同 的電樞電壓下，其機(jī)械特性都是一條直線，因此，當(dāng)連續(xù)改變電樞電壓 時(shí)，其機(jī)械特性便是一簇完全平行的直線。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可 達(dá) 50:1～ 150:1，甚至更 大 [5]。在允許輸入信號(hào) OE 的控制下，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。 8051 單片機(jī) PORTB 輸出轉(zhuǎn)速控制量的低八位 ， PORTA 的低四位輸出轉(zhuǎn)速的高四位控制量。反之，當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤的通光槽轉(zhuǎn)至紅外對(duì)管之間時(shí)，紅外接收管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí) SPEED 輸出低電平。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)。從波形可以看出，在 ??ti 的上升段， ??ti 的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上 ，其效果基本相同。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼 。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào) (本系統(tǒng)晶振頻率為 12 MHz) 。 (2)軟件模擬法 。 新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括 PWM功能。 3)電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。 模擬 PID 控制算法為 ： ? ? ? ? ? ? ? ?p I D d e tm t K e t K e t d t K dt? ? ?? （ 51） 式中， )(tm 為輸出信號(hào) ， ??te 為偏差信號(hào) ， pK 為比例系數(shù) ， IK 為積分時(shí)間 ， DK 為微分時(shí)間。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 27 源程序 定義分配存儲(chǔ)單元 7EH ：設(shè) pwm 高電平標(biāo)志位 7FH ：顯示模式標(biāo)志位（顯示設(shè)置速度 /采樣速度） 29H ：速度存儲(chǔ)單元（ m/s） 22H ：計(jì) 100ms 次數(shù)存儲(chǔ)單元 25H ：采樣速度存儲(chǔ)單元（高位） 26H ：采樣速度存儲(chǔ)單元（低位） 20H ： T1 計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)單元（高 8 位） 21H ： T1 計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)單元（低 8 位） 23H ：采樣時(shí)間低位存儲(chǔ)單元（ Tp） 24H ：采樣時(shí)間低位存儲(chǔ)單元（ Tp