【正文】 ELEC:電容、電解電容 ⑤ 780 7812:5V、 12V 三端穩(wěn)壓塊 ⑥ IN4007：二極管 ⑦ 7SEGMPX4CA： LED 液晶顯示器 ⑧ IPULSE：脈沖信號檢測器 ⑨ BUTTON：按鍵 ⑩ MOTORENCODER：直流電機 放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄Ⅱ所示的系統(tǒng)整體電路，最后進(jìn)行電氣檢測。 展望 通過本次畢業(yè)設(shè)計，使我學(xué)到了許多書本上無法學(xué)到的知識 ,也使我深刻體會到單片機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。對于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！ 在 **度過的四年是我學(xué)生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠(yuǎn)的美好的回憶。 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 第 33 頁 共 43 頁 7 總結(jié)與展望 總結(jié) 本課題的目的在于利用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖，采用數(shù)字 PID 算法調(diào)節(jié) PWM 的占空比來控制電機轉(zhuǎn)速。通過 Proteus 軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個功能齊全、實用方便的單片機實驗 室。 鍵盤電路設(shè)計 獨立式鍵盤的按鍵相互獨立，每個按鍵接一根 I/O 口線，一根 I/O 口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它 I/O 口線的工作狀態(tài)。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。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 經(jīng)過上述的分析與論證，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 第 14 頁 共 43 頁 （ 1）控制模塊： 采用 AT89S52 單片機； （ 2）電機驅(qū)動模塊：采用直流電機驅(qū)動芯片 L298N 實現(xiàn)； （ 3）速度采集模塊：采用霍爾測速傳感器； （ 4）顯示模塊： 采用 LED 液晶顯示模塊； （ 5）鍵盤模塊： 采用獨立式鍵盤； （ 6）電源模塊： 采用 780 7812 芯片實現(xiàn)。 ，所以綜合考慮在設(shè)計中選用第 一 種方案進(jìn)行設(shè)計。 驅(qū)動電路設(shè)計方案 單 片 機 輸入電路 電源 顯示電路 測速電路 驅(qū)動電路 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 12 頁 共 43 頁 本次設(shè)計的主要目的是控制電機的轉(zhuǎn)速，因此電機驅(qū)動模塊是必不可少，其方案有一下兩種。下面簡單介紹兩種常用的簡易工程整定法。 PID 算法簡介 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。 PWM 原理及其實現(xiàn)方法 PWM 基本原理 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(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 第 7 頁 共 43 頁 制要求的一種電壓調(diào)整方法。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，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)變流機組。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，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，其中通過電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時，總是從電刷 B 流出的方向，這就保證了每個磁極下線圈邊中的電流始終是一個方向，這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動機連續(xù)旋 轉(zhuǎn)。 目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没殡S著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵磁控制法與電樞電壓控制法。電源采用 78 系列芯片實現(xiàn) +5V、 +15V 對電機的調(diào)速采用 PWM 波方式， PWM 是脈沖寬度調(diào)制。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。在電樞鐵心上放置了由 A 和 B 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱 為換向片。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。且技術(shù)落后，因此擱置不用。 與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： （ 1）由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000左右。 嚴(yán)格來說，平均速度 aV 與占空比 D 并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似的看成是線性關(guān)系。因此 ,式（ 27）又稱為位置型 PID 算式。 AT89S52 單片機是 AT89S51 的升級版，擁有更多功能，它的算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。 方案二：采用對射式光電傳感器。 方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點是行線、列線分別接輸入線、輸出線。其中輸出腳（ SENSEA 和 SENSEB）用來連接電流檢測電阻， Vs 接邏輯控制的電源。如果單片機在 1s 內(nèi)檢測到 N 個脈沖信號，就表明電動機轉(zhuǎn)過的周數(shù) n=N/24。 LED 七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu) 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 20 頁 共 43 頁 圖 46(a)共陰極 圖 46(b)共陽 極 圖 46(c)管腳圖 其中：圖（ a）為共陰極結(jié)構(gòu)， 8 斷發(fā)光二極管的陰極端連接在一起，陽極端分 開控制，使用時公共端接地，要使哪根發(fā)光二極管，則對應(yīng)的陽極端接高電平。 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 25 頁 共 43 頁 圖 55 定時程序流程 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 第 26 頁 共 43 頁 6 系統(tǒng)調(diào)試 keilC51軟件簡介 keilC51 軟件是眾多單片機應(yīng)用開發(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 語言和 C 語言的程序設(shè)計，界面友好，易學(xué)易用。 仿真結(jié)果分析 啟動仿真后，初始狀態(tài)， H 橋兩端均為低電平，電機停轉(zhuǎn)。 鑒于時間倉促和本人水平有限，在設(shè)計過程中，難免在設(shè)計上存在一定的缺陷，請各位老師多多指正。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計。電機順時針方向轉(zhuǎn)動， Q5 一端固定為低電平， Q6 一端為變化的 PWM 信號，控制電機轉(zhuǎn)速。我們重點研究了 Proteus 的 ISIS 模塊用法，在下面的內(nèi)容中，如不特別說明，我們所說的Proteus 軟件特指其 ISIS 模塊。要使哪根發(fā)光二極管，則對應(yīng)的陰極端接地。 將脈沖信號接在定時器 T1 上，當(dāng)外部脈沖信號出現(xiàn)一個由“ 1”到“ 0”的負(fù)跳變時，計數(shù)器 T1 就進(jìn)行計數(shù)。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，用來控制 H 橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)， ENA、 ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM 信號實現(xiàn)電機調(diào)速。但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。通過脈沖計數(shù)，對速度進(jìn)行測量。 方案二：采用傳統(tǒng)的 AT89C51 單片機作為運動物體的控制中心。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。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且存采用單片機產(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 第 8 頁 共 43 頁 實現(xiàn)上比較方便。 （ 2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強。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，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。 （ 3）改變電樞回路電阻 R。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。從控制的角度來看，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 第 2 頁 共 43 頁 動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電機在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用，而電機轉(zhuǎn)速是電機 重要的性能指標(biāo)之一，因而測量電機的轉(zhuǎn)速和電機的調(diào)速，使它滿足人們的各種需要，更顯得重要。直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，它的特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。 在實際應(yīng)用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(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。采用單片機構(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。給兩個電刷加上直流電源，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轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；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，在線圈中的流動方向是 dcba，從電刷 B 流出。 基于以上特性，改變電樞電壓，實現(xiàn)對直流電機速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運行時，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。脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。用理論計算法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準(zhǔn)確的數(shù) 學(xué)模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。 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)并控制電機運動較為簡單，可以滿足設(shè)計要求。 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速原理基本相同都是將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進(jìn)行 測量，但考慮到 霍爾式精度比較高，頻率比較快，成本低。 方案二：通過固定芯 片對整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如 781 7805 等），此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現(xiàn)。 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 17 頁 共 43 頁 圖 43 電機驅(qū)動電路 轉(zhuǎn)速測量電路 采用霍爾元件測量轉(zhuǎn)速是較為常用的測量方法。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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 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)計與仿真軟件，是一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè) 計仿真平臺，包括 ISIS、 ARES 等軟件模塊， ARES 模塊主要用來完成 PCB 的設(shè)計，而 ISIS 模塊用來完成電路原理圖的布圖與仿真。 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 第 30 頁 共 43 頁 圖 65 啟動狀態(tài)（電機順時針轉(zhuǎn)動） 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 第 31 頁 共 43 頁 圖 67 啟動狀態(tài)（電機逆時針轉(zhuǎn)動） 圖 68 反轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示 在圖 65 電機順時針轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，對單片機 端口的 PWM 波形做了粗略測量，按動多次減速鍵后，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