【正文】 設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 55 定時(shí)程序流程 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 26 頁(yè) 共 43 頁(yè) 6 系統(tǒng)調(diào)試 keilC51軟件簡(jiǎn)介 keilC51 軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、 PLM 語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。 ISIS 界面如下： 圖 62 ISIS 界面 以下為本系統(tǒng)在 Proteus 中的仿真流程： （ 1）新建文件：打開(kāi) Proteus 點(diǎn) File， 在彈出的下拉菜單中選擇 New Design，在彈出的圖幅選擇對(duì)話框中選 Default。 仿真結(jié)果分析 啟動(dòng)仿真后，初始狀態(tài)， H 橋兩端均為低電平，電機(jī)停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用鍵盤(pán)輸入有關(guān)控制信號(hào)及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)，并在 LED 上實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速 。 鑒于時(shí)間倉(cāng)促和本人水平有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，難免在設(shè)計(jì)上存在一定的缺陷，請(qǐng)各位老師多多指正。沒(méi)有他們的幫助，我將無(wú)法順利完成這次設(shè)計(jì)。軟件方面利用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，增強(qiáng)了程序的可移植性和靈活性，并且利用 Proteus 軟件進(jìn)行仿真更加保證了程序的準(zhǔn)確性。電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)， Q5 一端固定為低電平， Q6 一端為變化的 PWM 信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 （ 3）元器件選取：按設(shè)計(jì)要求，在對(duì)象選擇窗口中點(diǎn) P，彈出 Pick devices 對(duì)話框，在 Keywords 中填寫(xiě)要選擇的元器件，然后在右邊對(duì)話框中選中要選的元器件，則元器件列在對(duì)象選擇的窗口中如圖 63 所示。我們重點(diǎn)研究了 Proteus 的 ISIS 模塊用法，在下面的內(nèi)容中，如不特別說(shuō)明，我們所說(shuō)的Proteus 軟件特指其 ISIS 模塊。其運(yùn)算公式為： U(K)=0[ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( )2 ( 1 ) ( 2 ) ]P I DK e n e n K e n K e ne n e n u? ? ? ?? ? ? ? ? (51) 因此要想實(shí)現(xiàn) PID 控制在單片機(jī)就必須存在上述算法，其程序流程如圖 52 所示。要使哪根發(fā)光二極管，則對(duì)應(yīng)的陰極端接地。 顯示電路設(shè)計(jì) LED 簡(jiǎn)介 LED（ Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 將脈沖信號(hào)接在定時(shí)器 T1 上，當(dāng)外部脈沖信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)由“ 1”到“ 0”的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器 T1 就進(jìn)行計(jì)數(shù)。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成 ，它輸出數(shù)字量。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制 H 橋的開(kāi)與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， ENA、 ENB 引腳則為使能控制端，用來(lái)輸入 PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。但此種鍵盤(pán)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 方案二：采用 1602LCD 液晶顯示器，該顯示器控制方法簡(jiǎn)單，功率低、硬件電路簡(jiǎn)單、可對(duì)字符進(jìn)行顯示。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。 方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，例如 L298N、 L297N 等電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們?cè)趹?yīng)用時(shí)只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動(dòng)能力等問(wèn)題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。 方案二：采用傳統(tǒng)的 AT89C51 單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。 （ 2）經(jīng)驗(yàn)法確定 PID 參數(shù)。由于要累加誤差，占用內(nèi)存多，并且安全性較差，考慮到這種情況，在工業(yè)應(yīng)用中，還有一種增量式算法。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明， PID 控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且存采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件湖北科技學(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 8 頁(yè) 共 43 頁(yè) 實(shí)現(xiàn)上比較方便。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng) 機(jī) 的轉(zhuǎn)速。 （ 2）同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) VT 斷開(kāi)時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓為零。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。 （ 3）改變 電樞回路電阻 R。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速方程式為： ?eK IRUn ?? （ 21） 式中 n— 轉(zhuǎn)速 （ r/min）； U— 電樞電壓 （ V）； I— 電樞電流 （ A）； R— 電樞回路總電阻 （ ? ）； ? — 勵(lì)磁磁通 （ Wb）； K? — 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖湖北科技學(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 2 頁(yè) 共 43 頁(yè) 動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率低。電機(jī)在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用，而電機(jī)轉(zhuǎn)速是電機(jī)重要的性能指標(biāo)之一，因而測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的調(diào)速，使它滿足人們的各種需要，更顯得重要。電機(jī)轉(zhuǎn)速利用霍爾傳感器檢測(cè)輸出方波，通過(guò) 51單片機(jī)對(duì) 1 秒內(nèi)的方波脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的反饋控制。直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，它的特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。 Single chip microputer。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。其中脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation， PWM)是常用的一種調(diào)速方法，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 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 3 頁(yè) 共 43 頁(yè) 2 基本原理闡述 直流電機(jī)調(diào)速 直流電機(jī) 原理 直流電動(dòng)機(jī)，多年來(lái)一直用作基本的換能器。給兩個(gè)電刷加上直流電源，如圖 22 所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過(guò)線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab和 cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 22 所示的位置，電刷 A 和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片1 接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動(dòng)方向是 dcba，從電刷 B 流出。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。 基于以上特性，改變電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的 諧波電流危害附近的用電設(shè)備。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時(shí)，才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 簡(jiǎn)單的說(shuō)， PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （ 1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) ()et ,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差； （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差 ，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。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。 圖 31 系統(tǒng)的硬件原理方框圖 其中單片機(jī)負(fù)責(zé)控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，輸入電路用于設(shè)定直流電機(jī)預(yù)期速度及控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停止，顯示電路用于顯示直流電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，測(cè)速電路用于測(cè)量直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 綜合上述兩種方案比較，采用 AT89S52 作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 速度采集模塊設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制 系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)方案以下三種： 方案一：采用霍爾集成片。 以上三種方案中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測(cè)速原理基本相同都是將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進(jìn)行測(cè)量，但考慮到 霍爾式精度比較高，頻率比較快，成本低。 輸入電路設(shè)計(jì)方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機(jī)起停的控制，因此鍵盤(pán)在整個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案： 方案一：采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。 方案二：通過(guò)固定芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如 781 7805 等），此種方案可靠性、安全性高，對(duì)能源的利用率高，并且電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。 電源電路設(shè)計(jì) 電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。 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 17 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 43 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 采用霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速是較為常用的測(cè)量方法。測(cè)速齒輪厚度大于2mm，固定在待測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè) “P N 結(jié) ” 。通常把控制發(fā)光二極管的 7（或 8）位二極管編制稱為字段碼。 圖 53 直流電機(jī)速度控制子程序流程圖 PID 輸出是否 大于上限 開(kāi)始 速度采樣，求取偏差及其增量 求取 PID 輸出值 PID 輸出是否 小于下限 PID 輸出等于上限 值 PID 輸出等于上限 值 直接輸出 PID 值 控制 PWM 輸 出 返回 Y Y N N 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 24 頁(yè) 共 43 頁(yè) 鍵盤(pán)程序程序流程 采用中斷方式，按下鍵，單片機(jī) 腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。 圖 61 keilC51 軟件界面 系統(tǒng) Proteus仿真 Proteus 軟件是 Lab center Electronics 公司的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，包括 ISIS、 ARES 等軟件模塊， ARES 模塊主要用來(lái)完成 PCB 的設(shè)計(jì)，而 ISIS 模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真。再點(diǎn)菜單 Source→ Build ALL 編譯匯編源程序，生成目標(biāo)代碼文件 。 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 30 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 65 啟動(dòng)狀態(tài)（電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） 圖 66 正轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示 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 31 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 67 啟動(dòng)狀態(tài)（電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） 圖 68 反轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示 在圖 65 電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)單片機(jī) 端口的 PWM 波形做了粗略測(cè)量，按動(dòng)多次減速鍵后，當(dāng) COT0=0AH＝ 10 后，減速檔位到達(dá)最高，不再減速，相當(dāng)于速度 1 檔。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了在網(wǎng)絡(luò)上查找有關(guān)本設(shè)計(jì)的各硬件的資源，其中包括：直流電機(jī) PWM 調(diào)速、 AT89S52 單片機(jī)、 L289N 引腳圖及其引腳功能等 、 LED 數(shù)碼管顯示，為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了一定的資