【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(hào)檢測(cè)器 ⑨ BUTTON：按鍵 ⑩ MOTORENCODER：直流電機(jī) 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(cè)。 展望 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了許多書(shū)本上無(wú)法學(xué)到的知識(shí) ,也使我深刻體會(huì)到單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。對(duì)于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guò)的四年是我學(xué)生生涯中最有價(jià)值的一段時(shí)光，也將會(huì)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(jì) 第 33 頁(yè) 共 43 頁(yè) 7 總結(jié)與展望 總結(jié) 本課題的目的在于利用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖，采用數(shù)字 PID 算法調(diào)節(jié) PWM 的占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。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。 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì) 獨(dú)立式鍵盤(pán)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)。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(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。 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(pán)模塊： 采用獨(dú)立式鍵盤(pán)； （ 6）電源模塊： 采用 780 7812 芯片實(shí)現(xiàn)。 ，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)。 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。下面簡(jiǎn)單介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。 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。 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。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。 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(mén)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。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)。 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)。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。電源采用 78 系列芯片實(shí)現(xiàn) +5V、 +15V 對(duì)電機(jī)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(lì)磁電流的解耦。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)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(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱 為換向片。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)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(diǎn)： （ 1）由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000左右。 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，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(jī)是 AT89S51 的升級(jí)版，擁有更多功能，它的算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。 方案二：采用對(duì)射式光電傳感器。 方案二：采用行列式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)的特點(diǎn)是行線、列線分別接輸入線、輸出線。其中輸出腳（ SENSEA 和 SENSEB）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻， Vs 接邏輯控制的電源。如果單片機(jī)在 1s 內(nèi)檢測(cè)到 N 個(gè)脈沖信號(hào)，就表明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)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(jì) 第 20 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 46(a)共陰極 圖 46(b)共陽(yáng) 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(yáng)極端分 開(kāi)控制，使用時(shí)公共端接地，要使哪根發(fā)光二極管，則對(duì)應(yīng)的陽(yáng)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(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。 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)。 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)。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。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。要使哪根發(fā)光二極管，則對(duì)應(yīng)的陰極端接地。 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)。 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。但此種鍵盤(pán)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。 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。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?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。 （ 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)。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。 （ 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(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)。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。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。 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。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。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。 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。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。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。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。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。 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。 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。 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)。 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。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。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(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。 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