【文章內(nèi)容簡介】 性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （）圖17 周期性PWM矩形脈沖，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0~U之間任意調(diào)節(jié)，從而達到利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。第2章 設(shè)計方案與論證 系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)計系統(tǒng)方框圖如圖21所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的[10]。圖21 系統(tǒng)方案框圖系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：控制器模塊： 采用AT89C52單片機[8]；電機驅(qū)動模塊：采用直流電機驅(qū)動芯片ULN2003實現(xiàn)；速度采集模塊：采用光電傳感器；顯示模塊： 采用7289顯示模塊；鍵盤模塊： 采用標準的44矩陣式鍵盤； 控制器模塊設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖，并對電機當(dāng)前速度進行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。對于控制器的選擇有以下三種方案。方案一：采用FPGA（現(xiàn)場可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進行功能控制。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給FPGA，F(xiàn)PGA通過程序設(shè)計控制PWM脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。方案二：采用AT89C52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89C52單片機算術(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。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。方案三：采用傳統(tǒng)的AT89C51單片機作為運動物體的控制中心。它和AT89C52一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡單等特點，但是它的頻率較低、運算速度慢， RAM、ROM空間小等缺點。本題目在確定圓周坐標值時，需要進行大量的運算。若采用89C51需要做RAM，ROM來擴展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。 綜合上述三種方案比較，采用AT89C52[9]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。因此在本次設(shè)計選用方案二。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。 方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產(chǎn)實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。 方案二：采用專用的電機驅(qū)動芯片，例如ULN2003等電機驅(qū)動芯片，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，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率。 基于上述理論分析和實際情況，電機驅(qū)動模塊選用方案二。 本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實際轉(zhuǎn)速進行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計的，其設(shè)計方案以下三種： 方案一：采用霍爾集成片[10]。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。當(dāng)磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行電機速度的檢測。 方案二：采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準接受器，當(dāng)測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進行測量。 方案三：采用測速發(fā)電機對直流電機轉(zhuǎn)速進行測量[11]。該方案的實現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機固定在直流電機的軸上，當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)動時，帶動測速電機的軸一起轉(zhuǎn)動，因此測速發(fā)電機會產(chǎn)生大小隨直流電機轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計沒有采用此方案。 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行測量，但考慮到市場中的霍爾元件比較難買，而且成本也比較高，所以綜合考慮在設(shè)計中選用第二種方案進行設(shè)計。 在電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數(shù)、工作方式以及電機當(dāng)前運行狀態(tài)的顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設(shè)計一個顯示模塊，考慮有三種方案： 方案一：使用七段數(shù)碼管（LED）顯示。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用BCD編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡單。 方案二：采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件電路簡單、可對字符進行顯示，但考慮到1602LCD液晶顯示器的屏幕小，不能顯示漢字，因此對于需要顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)來說不宜采用。 方案三：采用12864LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。 根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計要求，應(yīng)該選擇顯示模塊選用方案三。但是由于本此設(shè)計的單片機帶有7289顯示芯片。也就選擇了方案一。 在電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案： 方案一：采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實現(xiàn)簡單，并且各按鍵相互獨立，每個按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。按鍵的工作狀態(tài)不會影響其它按鍵上的輸入狀態(tài)。但是由于獨立式鍵盤每個按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 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。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需m根行線和n根列線就可組成nm個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對軟件的運行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進行設(shè)計。第3章 單元電路設(shè)計 電機電路設(shè)計本此設(shè)計的電機電路包括電機的驅(qū)動和電機的速度測試兩個模塊組成并將兩個模塊連接到中控AT89C52[11]。 電機驅(qū)動電路設(shè)計直流電機的驅(qū)動使用PWM脈沖來控制的，但是由于單片機的I/O口輸出電流和電壓達不到直流電機的要求。因此設(shè)計采用了ULN2003芯片來驅(qū)動電機，并通過單片機來控制ULN2003的一個端口就可以控制PWM波的電壓了。 電機速度采集電路設(shè)計在本系統(tǒng)中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較，通過偏差進行PID運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個等分凹槽如圖31（a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉(zhuǎn)到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖31（b）所示。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機以一定的轉(zhuǎn)速運行時，若知道一段時間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機轉(zhuǎn)速。 （a） （b） 圖31 電機速度采集方案圖32 傳感器輸出脈沖波形 顯示電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機運行狀態(tài)進行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。由于本次設(shè)計用的單片機帶有ZLG7289就采用了ZLG7289的顯示功能。 ZLG7289B 是廣州周立功單片機[12]發(fā)展有限公司自行設(shè)計的數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描 管理芯片，可直接驅(qū)動8 位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED），同時還可以掃描管理多達64只按鍵。ZLG7289內(nèi)部含有顯示譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。ZLG7289管腳圖如圖33所示。 ZLG7289B 采用SPI 串行總線與微控制器接口，僅占用少數(shù)幾根I/O 口線。利用片選信號，多片ZLG7289B 還可以并接在一起使用，能夠方便地實現(xiàn)多于8 位的顯示或多于64只按鍵的應(yīng)用[13]。圖33 ZGL7289引腳圖 鍵盤電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了44鍵盤用以實現(xiàn)對P、I、D三個參數(shù)和電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定，其電路原理圖如圖34所示。圖中DP、SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG為44鍵盤的行信號，KCKC2為44鍵盤的列信號。按照要求設(shè)計操作面板如圖34所示。 第4章 軟件設(shè)計 算法實現(xiàn) PID算法本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較得出偏差，對偏差進行P、I、D運算最終利用運算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié)，進而控制電機轉(zhuǎn)速。其運算公式為：因此要想實現(xiàn)PID控制在單片機就必須存在上述算法，其程序流程如圖41所示。 圖41 PID程序流程圖 電機速度采集算法本系統(tǒng)中電機速度采集是一個非常重要的部分，它的精度直接影響到整個控制的精度。在設(shè)計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： 從這里可以看出速度v的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少決定的，為了減少系統(tǒng)誤差應(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設(shè)計中取凹槽數(shù)N為10，則速度計算具體程序流程如圖42所示。圖42 測速程序流程 程序流程圖 主流程圖在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程設(shè)計出主程序流程如圖43所示。圖43 主程序流程 鍵盤程序程序流程鍵盤中斷程序是用來設(shè)在系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進入相應(yīng)的運行狀態(tài)，其程序流程圖如圖44所示。圖44 鍵盤程序流程 顯示程序流程顯示模塊是實現(xiàn)人機對話的重要部分，在這里選用ZLG7289控制的數(shù)碼管可實現(xiàn)電機輸入和實際轉(zhuǎn)速，該器件的引腳功能在上面已經(jīng)做了說明，下面介紹7289的顯示相關(guān)指令。1. 純指令(1)復(fù)位清除指令 D7D6D5D4D3D2D1D010100100當(dāng)ZLG7289A 收到該指令后將所有的顯示清除所有設(shè)置執(zhí)行該指令后芯片所處的狀態(tài)與系統(tǒng)上電后所處的狀態(tài)一樣。 (