【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 速和高精度的數(shù)字測(cè)速，選用轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)本設(shè)計(jì)采用每轉(zhuǎn)1024線的光電編碼器，它產(chǎn)生的測(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用M/T法測(cè)速處理。之所以要保證轉(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度，是因?yàn)檗D(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。 M/T法測(cè)速原理 M/T法測(cè)速原理是在對(duì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)速脈沖數(shù)也進(jìn)行計(jì)數(shù)。原理如圖37：圖37 M/T法測(cè)速原理測(cè)速時(shí)間由測(cè)速脈沖來(lái)同步，即由圖37電路實(shí)現(xiàn)等于整個(gè)脈沖周期。設(shè)從圖37上a點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器分別對(duì)和計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測(cè)速時(shí)間到，微機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，但因?yàn)椴灰欢ㄇ『玫扔谡麛?shù)個(gè)編碼輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，直到c點(diǎn)時(shí)，可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即c點(diǎn)）觸發(fā)數(shù)字測(cè)速硬件電路使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣，代表了個(gè)測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出p個(gè)脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： (35) 由于M/T法的計(jì)數(shù)值和都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速，最低速時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。因此，M/T法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍比較大，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。希望在低速獲得高精度測(cè)速值，于是利用光碼盤(pán)A，B兩相輸出在相位上互差90176。的二路脈沖經(jīng)異或門(mén)二倍頻再送入的計(jì)數(shù)器。這時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)算公式修改為： (36) 鍵盤(pán)及顯示電路鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，鍵盤(pán)掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，取決于鍵盤(pán)的工作方式。鍵盤(pán)的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又要不過(guò)多占用CPU的工作時(shí)間。鍵盤(pán)/顯示模塊的核心控制器采用Intel公司的8279。如圖12所示。它是一種專用智能芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)段式數(shù)碼顯示和鍵盤(pán)輸入控制。正是因?yàn)樗哂羞@兩種功能，它能減輕CPU的負(fù)擔(dān)，并且可以大大簡(jiǎn)化單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),所以本設(shè)計(jì)使用這個(gè)芯片。下面是它功能的一些簡(jiǎn)單介紹: （1）常規(guī)情況下,能同時(shí)管理64個(gè)物理鍵和16個(gè)八段數(shù)碼管；（2）能按FIFO(先進(jìn)先出)方式實(shí)現(xiàn)8個(gè)鍵值的緩沖； （3）能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)按鍵的“去抖”和重鍵處理；（4）能以中斷或查詢兩種方式工作； （5）與微處理器接口簡(jiǎn)單。其引腳定義如下: DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線 RL0～RL7: 檢測(cè)輸入線 SL0～SL3: 矩陣掃描線 IRQ:中斷請(qǐng)求信號(hào) /RD、/WR:讀寫(xiě)選通信號(hào) /CS:片選信號(hào) /BD: 顯示消隱信號(hào) CLK:時(shí)鐘信號(hào) RESET:復(fù)位信號(hào) SHIFT: 擴(kuò)展鍵位的換檔信號(hào),帶上拉電阻 CTRL/STB: 控制鍵輸入/選通信號(hào)輸入,帶上拉電阻 A0:命令/狀態(tài)或數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)A=1,為寫(xiě)命令或讀狀態(tài)。 A=0,為數(shù)據(jù)采用4*4式鍵盤(pán)，分?jǐn)?shù)字部分和控制部分，如圖下表所示。數(shù)字部分用來(lái)輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。0123456789取消確認(rèn)測(cè)速停車 圖38顯示器圖 輸入給定轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：（1）轉(zhuǎn)速不足四位時(shí)，在前面加撥0湊夠四位；（2）轉(zhuǎn)速輸入錯(cuò)誤時(shí)，按取消鍵，顯示器清空，重新輸入值；（3）轉(zhuǎn)速輸入完成后，按確認(rèn)鍵。 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示4位十進(jìn)制的顯示器，運(yùn)行中顯示當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。如上圖示。8279與單片機(jī)、鍵盤(pán)和顯示器的外圍總接線如圖39示。 圖 39顯示器/鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)電路由于8279芯片有自動(dòng)分時(shí)掃描功能，所以它可與CPU同時(shí)工作，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且接口方便，顯示穩(wěn)定，程序簡(jiǎn)單，可靠性高。 電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。電路圖如圖310：圖310 78系列的電源電路 78XX,XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓45V,三端穩(wěn)壓集成電路電子產(chǎn)品非常常見(jiàn)，用的比較多的有負(fù)電壓輸出的79系列和正電壓輸出的78系列。從名字上可見(jiàn)，穩(wěn)壓用的三端IC集成電路都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，引腳輸出只有三條，分別是接地端、輸出端和輸入端。 因?yàn)樗哂袃纱蟊容^突出的優(yōu)勢(shì)，首先電路內(nèi)部有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，其次它所需的外圍元件極少，所以采用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源。三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是由該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字表示的，如7909表示輸出電壓為負(fù)9V，7806表示輸出電壓為正6V。 另外，集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面有時(shí)還會(huì)有一個(gè)L或M，如79L24或78M12，字母有它固有的含義，它是用來(lái)區(qū)別封裝形式和輸出電流等，其中78M系列最大輸出電流為1A，78L系列的最大輸出電流為100mA。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有一些事項(xiàng)要稍加注意，比如針對(duì)大功率的條件下，必須在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器，小功率的話就不需考慮這個(gè)問(wèn)題了。另外，還會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高的情況，這時(shí)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能將變差，此時(shí)穩(wěn)壓管損壞也很有可能出現(xiàn)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PWM實(shí)現(xiàn)方式 調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。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；并且在產(chǎn)生PWM脈沖的實(shí)現(xiàn)上比較方便。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器是PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心，就定時(shí)器而言，選用不同的單片機(jī)，它定時(shí)器的特點(diǎn)一般都會(huì)不同，就算是相同型號(hào)的單片機(jī)，如果它選擇的定時(shí)器工作方式不同，或者選用的晶振不同，那么它定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也會(huì)不相同。那么，定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系是第一要確定下來(lái)的東西。現(xiàn)在假如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為位，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為，那么定時(shí)時(shí)間與定時(shí)器初值的關(guān)系為： （41） 式中，個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)； 定時(shí)器定時(shí)初值。 一般情況下，機(jī)型不同，的值就會(huì)不同。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常是由已選擇的具體的機(jī)型，然后給出它相應(yīng)的值。而在本次設(shè)計(jì)中我們選用的是晶體振蕩器的頻率為12MZ的單片機(jī)，那么它的。綜上所述，我們知道要想控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，我們需要控制占空比，而要達(dá)到控制占空比的目的，我們僅僅只需通過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值來(lái)改變占空比就行了。 PWM產(chǎn)生程序includedefine uchar unsigned charuchar num。sbit PWM=P1^0。void init(){ TMOD=0x01。 TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 EA=1。 ET0=1。 TR0=1。}void T0_timer() interrupt 1{ TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 num++。}void main(){ init()。 while(1) { if(num==4) { PWM=~PWM。 num=0。 } }} 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 主程序——完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)刷新顯示、鍵盤(pán)處理、與上位計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)通信等功能，總的來(lái)說(shuō)，它主要完成一些實(shí)時(shí)性要求不高的功能，如圖41。初始化子程序——主要是完成一些系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化和硬件器件工作方式的設(shè)定等工作，如圖42。有鍵按下嗎？系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)通信刷新顯示鍵處理主程序YN系統(tǒng)初始化設(shè)定定時(shí)器、PWM、數(shù)字測(cè)速工作方式參數(shù)及變量初始化返回設(shè)定I/O、通信接口及顯示、鍵盤(pán)工作方式圖41 主程序流程圖 圖42 初始化子程序 主程序主要要完成的任務(wù)是三個(gè)方面：變量的初始化、內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1測(cè)速和鍵盤(pán)/顯示芯片8279。 此程序共有2個(gè)中斷源：外部中斷0，用于電機(jī)故障處理；外部中斷1，用于鍵盤(pán)輸入處理。 中斷程序設(shè)計(jì)外部中斷0模塊設(shè)計(jì) 外部中斷0是故障中斷，優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷。響應(yīng)中斷后封鎖PWM輸出，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。外部中斷1模塊設(shè)計(jì)外部中斷1是鍵盤(pán)輸入中斷，高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)鍵盤(pán)有輸入值時(shí)，8279向CPU申請(qǐng)中斷。讀取鍵值，按其實(shí)際功能進(jìn)行操作。內(nèi)部定時(shí)器T0溢出中斷設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速測(cè)定為M/T式編碼盤(pán)測(cè)速，要通過(guò)測(cè)取給定時(shí)間內(nèi)的編碼盤(pán)輸出的脈沖數(shù)。T0用來(lái)定時(shí)，T1用來(lái)計(jì)數(shù)，T0和T1均工作于方式1。T0定時(shí)50ms，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12MHz，機(jī)器周期為1us， 中斷子程序模塊 中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字PID調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。 圖43 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序框圖 圖44故障保護(hù)中斷子程序框圖 當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時(shí)申請(qǐng)故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用定時(shí)中斷。兩種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷優(yōu)先級(jí)別最高，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級(jí)別次之。 鍵盤(pán)/顯示模塊核心控制器件是8279，由軟件設(shè)置為8字符顯示，左端送入，編碼掃描鍵盤(pán)，雙鍵互鎖，內(nèi)部時(shí)鐘頻率設(shè)置為100KHz。按鍵操作由終端導(dǎo)入，靜態(tài)顯示方式。選通個(gè)位?是否選通個(gè)位?是否選通個(gè)位?是否選通個(gè)位?是否顯示個(gè)位顯示十位顯示百位顯示千位返回延時(shí)延時(shí)延時(shí)分解速度值到顯示緩沖區(qū)延時(shí)顯示完畢?否是圖45 顯示子程序提速N轉(zhuǎn)是否停止記數(shù)讀計(jì)數(shù)器值求出此時(shí)電機(jī)速度值重裝記數(shù)初值開(kāi)始記數(shù)返回 圖46測(cè)速子程序 PID控制器原理 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystateerror）。積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteadystateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 數(shù)字PID控制器流程圖 數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID和增量式PID控制算法。 將模擬的PID算式 (42)用求和的方式代替積分； (k=0, 1 ,2,……..) (43) 進(jìn)行離散處理有 (44) 這便是增量式PID算式，由于它的每次輸出均與過(guò)去有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)Ek進(jìn)行累加，故工作量大。因此一般不用位置式PID。對(duì)三式稍作推導(dǎo)即得到下式。 式中 (45)