【文章內(nèi)容簡介】 電源模塊本次設(shè)計中直流電機(jī)采用12V電壓供電，單片機(jī)和液晶屏采用5V電壓方案一：，這種方式成本低，結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，但是電壓不穩(wěn)定，而且容易造成污染。方案二:采用變壓器將220交流電變換成低電壓交流電，經(jīng)過整流后得到直流電壓，在經(jīng)過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓和電容濾波得到穩(wěn)定的直流電壓。由于本次設(shè)計需要的電壓值不同，且穩(wěn)定性要求比較高，因此選擇方案二。電源模塊電路圖如下： 電源模塊電路圖電路圖中器件選型及作用： 變壓器選擇220V/12V，因?yàn)檎麄€電路的器件的功率比較小，電流不會大于1A，因此變壓器的容量選擇15W。 整流橋二極管承受的最大反向電壓應(yīng)參考變壓器二次側(cè)有效值，本次設(shè)計所選整流橋的所允許電流為1A。電容選擇及作用（從左至右依次為CCCC4）：電容C1將整流橋輸出的脈動直流進(jìn)行濾波，繼而得到近似的直流電壓，故電容值應(yīng)比較大，耐壓值應(yīng)大于變壓器二次側(cè)最大電壓，本次設(shè)計C1的耐壓值為50V。C2用來消除輸入端較長的接線的電感效應(yīng)，以防止自激震蕩，還可抑制電源的高頻干擾。輸出端電容C3用于改善負(fù)載的瞬態(tài)效應(yīng)，消除噪聲干擾，同時大電容C3有儲存電能作用，使得輸出電壓穩(wěn)定。 穩(wěn)壓芯片兩端反并聯(lián)二極管對穩(wěn)壓器起到保護(hù)作用，防止輸入端短路時，電容C3所存儲的電荷通過穩(wěn)壓器放電而損壞器件。 L7805芯片引腳及電氣特性：引腳1：電壓輸入端。其輸入電壓范圍為7~35V。引腳2：電源地端。引腳3：電壓輸出端，典型值為5V。 主要電氣特性：輸出電壓溫漂:；電壓調(diào)整率（8V≦Vi≦12V）：；負(fù)載調(diào)整率（5mA≦IO≦）；靜態(tài)電流：；短路電流（Vi =35V）：230mA；峰值電流：。 L7812芯片引腳及電氣特性：引腳1t：電壓輸入端。~35V。引腳2：電源地端。引腳3：電壓輸出端，典型值為12V。而其主要電氣特性：電壓調(diào)整率（16V≦Vi≦22V）：；負(fù)載調(diào)整率（5mA≦IO≦）：11mV；靜態(tài)電流：；短路電流（Vi =35V）：230mA；峰值電流：。注：當(dāng)輸出電流比較大時，應(yīng)該配備散熱片。78系列穩(wěn)壓芯片引腳圖分布如下：圖32 78系列穩(wěn)壓芯片 控制芯片選擇目前市場上出現(xiàn)了多種電動機(jī)控制芯片如C8051單片機(jī)、STC系列單片機(jī)、德州儀器的混合信號處理器TMS320等。方案一：選用STC89C52芯片，STC系列單片機(jī)價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，C51編程語言與C語言基本相似，上手比較容易，中斷系統(tǒng)和定時器功能基本滿足工程需要，另外STC89C52單片機(jī)附加一個T2定時器，也方便了直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。缺點(diǎn)是芯片內(nèi)存較小，不宜開發(fā)功能較多，附帶大量程序的工程項(xiàng)目，定時/計數(shù)器等功能結(jié)構(gòu)較少，I/O口也有限，硬件資源利用緊張。方案二：選用C8051單片機(jī)：C8051單片機(jī)內(nèi)部集成了ADC轉(zhuǎn)換器，而且具有PWM輸出功能和可用于電機(jī)測速的測頻功能，采用3V電壓供電，雖然降低了功耗，但是由于目前主要還是使用5V芯片，為此就會增加硬件電路復(fù)雜度，方案三：以MSP430系列單片機(jī)為核心，再添加晶振和復(fù)位電路，構(gòu)成單片機(jī)最小控制系統(tǒng)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是功能模塊較多，處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，易于實(shí)現(xiàn)PWM輸出，功耗低。缺點(diǎn)是成本較高，硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，性能穩(wěn)定性較差。方案論證：本次設(shè)計輸出PWM波和電機(jī)測速各需要一個定時器，利用T1定時器實(shí)現(xiàn)串口通信，另外還有中斷式矩陣鍵盤和顯示模塊， STC89C52單片機(jī)足以滿足需求。 電機(jī)及驅(qū)動模塊 本次設(shè)計采用小型功率直流電機(jī)，額定電壓為12V，最高轉(zhuǎn)速接近4000r/min，單片機(jī)控制電機(jī)時，由于單片機(jī)輸出的電流太小，不足于驅(qū)動直流電機(jī)，為此必須設(shè)計驅(qū)動電路，通過放大電流驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計有兩種方案選擇：方案一：利用三極管、二極管等模擬器件搭建簡單的驅(qū)動電路，但是由于這些模擬器件容易產(chǎn)生溫度漂移，出現(xiàn)失真現(xiàn)象，而且焊接比較復(fù)雜，容易出錯。方案二：以L298N電機(jī)專用驅(qū)動芯片為核心，配合一些簡單的外圍電路組成完整的直流電機(jī)驅(qū)動電路，這種電路穩(wěn)定性比較好，驅(qū)動能力較強(qiáng)，缺點(diǎn)是成本相對較高。方案論證：本次設(shè)計以電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為主，驅(qū)動部分為次要內(nèi)容，對于電機(jī)驅(qū)動主要以可靠性和穩(wěn)定性為主，鑒于兩種方案的特點(diǎn)，選擇利用方案二來設(shè)計驅(qū)動模塊。L298N芯片簡要介紹：L298N芯片內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號VSS，VSS 可接4．5～7 V 電壓。4 腳VS 接電源電壓，VS 電壓范圍VIH 為＋2．5～46 V。輸出電流可達(dá)2 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1 腳和15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298 可驅(qū)動2 個電動機(jī)，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之間可分別接電動機(jī)， INPUTINPUTINPUTINPUT4引腳接輸入控制電平，可直接與單片機(jī)相連，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB 接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 L298N引腳分布圖 轉(zhuǎn)速及電流檢測 (1)轉(zhuǎn)速檢測由以下三種方案：方案一：采用直流測速發(fā)電機(jī)，測速發(fā)電機(jī)是一種模擬測速裝置，能夠產(chǎn)生于電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的電信號，并且測速范圍比較寬，但是測速效果容易受到溫度、電樞反應(yīng)的影響，使得發(fā)電機(jī)輸出的電壓與轉(zhuǎn)速之間并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系。方案二：采用光電編碼器，光電編碼器是一種數(shù)字測速裝置，分為增量式和絕對式，由光柵盤和光電檢測裝置組成，光線經(jīng)過光柵盤上的若干方孔，在經(jīng)過檢測裝置輸出若干脈沖，根據(jù)一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)即可測速，精度較高，而且增量式編碼器還可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。方案三：采用霍爾開關(guān)，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸固定磁鋼片，每當(dāng)磁鋼片轉(zhuǎn)到與霍爾開關(guān)對應(yīng)位置，利用霍爾效應(yīng)改變霍爾開關(guān)輸出電平，即可測速，但是測速誤差比較大。 由于此次設(shè)計為閉環(huán)系統(tǒng)，而且閉環(huán)系統(tǒng)對反饋通道上的擾動無抑制作用，因此對轉(zhuǎn)速和電流的精確檢測就顯得尤為重要，結(jié)合以上方案的特點(diǎn)，選擇光電編碼器作為測速元件，累計脈沖數(shù)。(2)電流檢測：本次設(shè)計采用在電機(jī)電樞回路串入小阻值電阻，然后利用A/D轉(zhuǎn)換芯片測量電阻壓降即可測量出電樞電流。 光電編碼器結(jié)構(gòu)圖 鍵盤及顯示模塊鍵盤用于設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向以及控制電機(jī)的啟動和停止，包括數(shù)字鍵和功能鍵。由于需要的按鍵較多，故采用4*4矩陣鍵盤，又因?yàn)樾枰陔姍C(jī)運(yùn)行狀態(tài)時重新設(shè)定參數(shù)，而查詢式鍵盤必然會影響液晶顯示和電機(jī)正常運(yùn)行，因此采用中斷式矩陣鍵盤，其中利用外部中斷1（INT1）引腳接受鍵盤產(chǎn)生的中斷信號。 按鍵分布如下：S0~S9依次為數(shù)字鍵0~9；S10：設(shè)定鍵（確定轉(zhuǎn)速）；S11：刪除鍵（刪除輸入的轉(zhuǎn)速值）；S12：正轉(zhuǎn)設(shè)定鍵；S13：反轉(zhuǎn)設(shè)定鍵；S14：啟動鍵；S15：停車鍵。其中鍵盤中P2_6引腳還連接在單片機(jī)外部中斷INT1，用于產(chǎn)生中斷，在電機(jī)運(yùn)行時進(jìn)入中斷處理程序，重新設(shè)定電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。： 矩陣鍵盤電路圖系統(tǒng)中需要顯示內(nèi)容并不多，主要包括設(shè)定的轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)動方向和實(shí)測轉(zhuǎn)速，為此可以采用比較簡單的LCD1602液晶屏，也可降低成本。： LCD1602實(shí)物圖LCD1602的主要特性：具有字符發(fā)生器ROM，顯示16*2個字符；具有80B的數(shù)據(jù)顯示存儲器；工作電壓為5V。其主要引腳功能：4引腳（RS）：數(shù)據(jù)/命令選擇；5引腳（R/W）：讀/寫選擇；6引腳（E）：使能信號；7~14引腳（D0~D7）：傳輸8位數(shù)據(jù)。另外當(dāng)向LCD的RAM緩沖區(qū)的00H~0FH、40H~4FH地址稱為可顯示區(qū)域，在任意一處寫入數(shù)據(jù)時，LCD立即顯示。而10H~1FH或者40H~4FH地址稱為隱藏區(qū)域，當(dāng)寫入該區(qū)域時，需要通過字符移位命令將它們移動到可顯示區(qū)域方可顯示，而且可以形成字符從屏幕兩邊切入的效果。對液晶屏的操作比較簡單，有4種基本讀寫操作， LCD1602的基本操作時序讀操作輸入RS=0,R/W=1,E=1輸出D0~D7為狀態(tài)字寫指令輸入RS=0,R/W=0,D0~D7=命令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=1,R/W=1,E=1輸出D0~D7為數(shù)據(jù)字寫數(shù)據(jù)輸入RS=1,R/W=0,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無 由于液晶屏上電后并未開顯示，因此使用前需要先寫入一些命令字進(jìn)行初始化設(shè)置，（地址格式：80H+地址碼），再利用寫數(shù)據(jù)時序?qū)懭胍@示的字符。 本章小結(jié) 本章主要介紹了主要的硬件電路設(shè)計以及主要芯片的功能。首先介紹了電源電路的設(shè)計和主要器件的選型方法，然后比較了不同電機(jī)控制芯片的優(yōu)缺點(diǎn)，并且簡要介紹了電機(jī)驅(qū)動芯片L298N以及常見轉(zhuǎn)速測量方法的特點(diǎn)，最后介紹了鍵盤實(shí)現(xiàn)的功能和液晶屏的引腳功能和操作時序。第四章 軟件設(shè)計本次設(shè)計的軟件部分包括主程序、參數(shù)設(shè)定、PWM程序、PID調(diào)速程序、中斷處理程序和上位機(jī)VB顯示程序。STC52單片機(jī)的內(nèi)部資源分配為：定時器T0工作于方式1，用于在P1^6和P1^7引腳輸出PWM波；若設(shè)定定時器工作于方式2，當(dāng)定時器溢出時，定時器能夠自動重裝初值，從而減少計時誤差，可以采用定時器T1工作于方式2，進(jìn)行串口通信；定時器T2工作于計數(shù)方式，可用于測定電機(jī)轉(zhuǎn)速；利用P0口向LCD1602寫入顯示內(nèi)容，P3^6和P3^7用于LCD1602的控制；利用P2口進(jìn)行鍵盤掃描并利用外部中斷1進(jìn)行參數(shù)的重新設(shè)定。 系統(tǒng)主程序設(shè)計主程序主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)定、開外部中斷1和PID調(diào)速程序。在系統(tǒng)初始化程序中，主要進(jìn)行LCD1602初始化串口工作方式、定時器工作方式和中斷觸發(fā)方式設(shè)置，并進(jìn)行中斷優(yōu)先級設(shè)置，由于系統(tǒng)需要在不停車的情況下重新設(shè)定轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)當(dāng)將外部中斷1設(shè)置為低優(yōu)先級。其中在電機(jī)運(yùn)行之前通過鍵盤設(shè)定參數(shù)時，并未開外部中斷1，采用掃描方式處理按鍵。 數(shù)字PID控制算法在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制器的控制規(guī)律為： 式中 Kp—比例系數(shù)；Ti—積分常數(shù)；—微分常數(shù)—系統(tǒng)初值；—系統(tǒng)輸出。 將模擬控制器進(jìn)行離散化即可得到數(shù)字控制器，離散化處理的方法為：以T為采樣周期，k為采樣序號，則離散采樣時間對應(yīng)連續(xù)時間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，則數(shù)字PID控制器表達(dá)式為： 式中 —積分系數(shù)；—微分系數(shù)；—第k次采樣時刻偏差值。此表達(dá)式給出了全部控制量的大小，被稱為位置式PID控制算法，但是這種算法的工作量很大，在實(shí)際控制中多采用增量式算法，增量式PID表達(dá)式可由位置式算法推導(dǎo)得到即：=目前應(yīng)用最廣泛的位置式與增量式的結(jié)合形成的數(shù)字遞推PID控制算法即。本次設(shè)計采用遞推式控制算法，：本次設(shè)計中控制器輸出限幅值為min=50，max=450。PID調(diào)節(jié)程序如下：e1=key_speedspeed。duk=Kp*(e1e2)+Ki*e1+Kd*(e12*e2+e3)。 uk=uk+duk。if(uk=450) uk=450。if(uk=50) uk=50。e3=e2。e2=e1。 PID程序流程圖 矩陣鍵盤設(shè)計 ，按鍵設(shè)置在行、列線的交點(diǎn)上，行線通過上拉電阻接+5V電壓，當(dāng)按鍵未按下時，行線呈現(xiàn)高電平。當(dāng)某鍵按下后，該行線的電平由被短接的列線電平?jīng)Q定。判斷鍵盤有無按鍵按下以及按下的是哪一個鍵的方法如下： (1)判斷有無按鍵按下 將所有列線置低電平，然后讀取行線狀態(tài)，若行線均為高電平，則沒有按鍵按下；若行線狀態(tài)不全為高電平，則有按鍵按下。(2)判斷哪個鍵按下若有鍵按下，則列線依次置低，然后讀取行線狀態(tài)，如果全為高電平，則按下的鍵不在此列；如果不全為高電平，則按鍵一定在此列，而且是在與低電平行線的交點(diǎn)上的那個鍵。在給按鍵賦值的方法較多，本次設(shè)計中采用鍵值=所在列號*4+所在行號（行號、列號分別為0,1,2,3），另外為了消除按鍵誤動作需要通過軟件延時消除按鍵抖動。本設(shè)計中參數(shù)設(shè)定步驟為：設(shè)置轉(zhuǎn)速值，按下確定鍵后再設(shè)置轉(zhuǎn)速方向，然后啟動電機(jī)。 中斷處理程序本系統(tǒng)軟件中斷部分由定時器T0中斷和外部中斷1組成，前者用于產(chǎn)生PWM波，后者則用于電機(jī)運(yùn)行時重新設(shè)定參數(shù)。 PWM波生成程序 由于本系統(tǒng)需要控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，因此應(yīng)該采用雙極性PWM波驅(qū)動電機(jī)，利用單片機(jī)生成PWM波有兩種方法。（1）軟件延時法：在軟件中設(shè)計一個基準(zhǔn)延時程序，并在延時程序中改變輸出單片機(jī)端口輸出電平，通過反復(fù)調(diào)用延時程序，從而得到不同占空比可調(diào)的PWM波，但是在本系統(tǒng)中單片機(jī)要執(zhí)行不同的功能程序，若采用軟件延時法，則誤差較大。（2）定時器法：利用定時器初值設(shè)定PWM波頻率，在中斷處理程序中確定高低電平的持續(xù)時間，此方法準(zhǔn)確性較好。本設(shè)計采用定時器法生成PWM波，PWM波周期為1ms,P1口的第7引腳輸出PWM波，T0L和T0H分別為低、高電平持續(xù)時間。PWM波生成程序如下：void T0_timer() interrupt 1{if(P1_6==1) {TL0=T0L_L。 TH0=T0L_H。 P1_6=0。 P1_7=1。 } else{TL0=T0H_L。 TH0=T0H_H。 P1_6=1。 P1_7=0。 }}由于本次設(shè)計中PID調(diào)節(jié)器的輸出只能確定電機(jī)正轉(zhuǎn)時的PWM占空比，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)必須對調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行處理 D=500+uk。 if(flag1==1) {D=1000D。} 其中flag1為反轉(zhuǎn)標(biāo)志位因此對PWM波生成程序中的變量進(jìn)行如下