【正文】 路設(shè)計(jì) ......................................................………………… .....................19 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(jì) LED 簡(jiǎn)介 ...............................................................................................................19 LED 七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu) .......................................................................................20 鍵盤電路設(shè)計(jì) ............................................................................................................20 整體硬件電路圖 …………………………………………………………………… 21 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ...................................................................................................................22 主程序流程圖 ........................................................................................................22 直流電機(jī)速度控制程序設(shè) 計(jì) ................................................................................22 鍵盤程序程序流程 ................................................................................................24 定時(shí)程序流程 ........................................................................................................25 6 系統(tǒng)調(diào) 試 …………… .......................................................................................................27 keilc51 軟件簡(jiǎn)介 ……………………………………………………………… ..27 系統(tǒng) Proteus 仿真 …………………… ...................…………………………… ...27 仿真結(jié)果分析 ………………………………………………………………… .....30 總結(jié)與展望 ......................................................................................................................… ..34 致 謝 ....................................................................................................................................35 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................36 附 錄 ....................................................................................................................................37 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(jì) 第 1 頁(yè) 共 51 頁(yè) 1 緒論 課題背景 直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)與交流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)在 19世紀(jì)中葉先后誕生，直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。 目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(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)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。圖 21為直流電機(jī)的物理模型圖，其中，固定部分（定子）由磁鐵（稱為主磁極）和電刷組成；轉(zhuǎn)動(dòng)部分（轉(zhuǎn)子）由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊 ab和 cd流入，使線圈邊只要處于 N極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷 A流入的方向，而在 S極下時(shí)，總是從電刷 B流出的方向，這就保證了每個(gè)磁極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋 轉(zhuǎn)。 （ 2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通 ? 。 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵(lì)磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： （ 1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無(wú)軌電車以及電瓶搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。 PWM 原理及其實(shí)現(xiàn)方法 PWM 基本原理 PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn) 而達(dá)到控湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 43 頁(yè) 制要求的一種電壓調(diào)整方法。 由公式（ 22）可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比 D=t1/T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 aV ,從而達(dá)到調(diào)速的目的。 PID 算法簡(jiǎn)介 PID 控制 在連續(xù)控制系統(tǒng)中， PID控制算法得到了廣泛的應(yīng)用，是技術(shù)最成熟的控制規(guī)律。 為將模擬 PID 控制規(guī)律離散化，我 們把 ()rt 、 ()et 、 ()ut 、 ()ct 在第 n次采樣的數(shù)據(jù)分別用 ()rk 、 ()ek 、 ()uk 、 ()ck 表示，于是式（ 23）變?yōu)椋? ( ) ( ) ( )e k r k c k?? (24) 當(dāng)采樣周期 T很小時(shí) dt 可以用 T 近似代替， ()det 可用 ( ) ( 1)e k e k??近似代替， “ 積分 ” 用 “ 求和 ” 近似代替，即可作如下近似 ( ) ( ) ( 1)de t e k e kdt T??? (25) 0 1( ) ( )ntie t dt e i T???? (26) 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(jì) 第 9 頁(yè) 共 43 頁(yè) 這樣，式（ 23）便可離散化以下差分方程 01( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT?? ? ? ? ? ?? (27) 上式中 0u 是 偏差為零時(shí)的初值 ,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用 ,稱為比例（ P）項(xiàng)()puk,即 ()puk= {( )PK ek (28) 第二項(xiàng)起積分控制作用 ,稱為積分 (I)項(xiàng) ()Iuk即 1( ) ( )kIP iITu k K e iT ?? ? (29) 第三項(xiàng)起微分控制作用 ,稱為微分 (D)項(xiàng) ()Duk即 ( ) [ ( ) ( 1 ) ]DDP Tu k K e k e kT? ? ? (210) 式（ 27）的輸出量 nu 為全量輸出 ,它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。下面簡(jiǎn)單介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。 單片機(jī)設(shè)計(jì)方案 方案一：采用 AT89S51/AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案 單 片 機(jī) 輸入電路 電源 顯示電路 測(cè)速電路 驅(qū)動(dòng)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(jì) 第 12 頁(yè) 共 43 頁(yè) 本次設(shè)計(jì)的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是必不可少，其方案有一下兩種。當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。 ，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)。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場(chǎng)合，不適用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。 經(jīng)過(guò)上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下： 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(jì) 第 14 頁(yè) 共 43 頁(yè) （ 1）控制模塊： 采用 AT89S52單片機(jī)； （ 2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N實(shí)現(xiàn)； （ 3）速度采集模塊：采用霍爾測(cè)速傳感器； （ 4）顯示模塊： 采用 LED液晶顯示模塊； （ 5）鍵盤模塊： 采用獨(dú)立式鍵盤； （ 6）電源模塊： 采用 780 7812芯片實(shí)現(xiàn)。 AT89S52 LED顯示電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī) 霍爾測(cè)速電路 鍵盤 電源 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(jì) 第 16 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 42 電源電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機(jī)的 I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控 制要求運(yùn)行，在這里選用 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片是由四個(gè)大功率晶體管組成的 H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 測(cè)速齒輪上共有 24個(gè)齒，顯然每個(gè)齒轉(zhuǎn)過(guò)霍爾元件都會(huì)引起一個(gè)脈沖信號(hào)，則電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周總共產(chǎn)生 24個(gè)信號(hào)。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成 PN結(jié)的材料決定的。 鍵盤電路設(shè)計(jì) 獨(dú)立式鍵盤的按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵接一根 I/O口線，一根 I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它 I/O口線的工作狀態(tài)。 圖 54 鍵盤程序流程 定時(shí)程序流程 在本系統(tǒng)中定時(shí)器 T0 中斷子程序是用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和 PID 運(yùn)算，其程序流程如圖 55所示。通過(guò) Proteus軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個(gè)功能齊全、實(shí)用方便的單片機(jī)實(shí)驗(yàn) 室。 （ 6）電路仿真 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(jì) 第 29 頁(yè) 共 43 頁(yè) 點(diǎn)仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進(jìn)行仿真。 圖 610 加速后 波形（ COT1=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(jì) 第 33 頁(yè) 共 43 頁(yè) 7 總結(jié)與展望 總結(jié) 本課題