【文章內容簡介】 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，驅動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。根據(jù)本次設計的設計要求，顯示模塊選用方案三。 鍵盤模塊設計方案 在電機轉速控制系統(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。按鍵設置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結構只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 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nm?種鍵盤的軟件結構較為復雜 [6]。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設計的系統(tǒng)硬件連接比較復雜，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計。16 電源模塊設計方案電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源，無論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對于該模塊考慮一下兩種方案。方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應用系統(tǒng)同一般不宜采用。方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進行降壓、穩(wěn)壓處理（如 7817805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)。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 經(jīng)過上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：（1）控制模塊： 采用 AT89S51 單片機；（2）電機驅動模塊：采用直流電機驅動芯片 L298N 實現(xiàn)；（3）速度采集模塊：采用光電傳感器；（4）顯示模塊： 采用 12864LCD 液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用標準的 44 矩陣式鍵盤；（6）電源模塊： 采用 7807812 芯片實現(xiàn)。 3 單元電路設計 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖 所示。采用 AT89S51 單片機作為核心器件，轉速檢測模塊作為電機轉速測量裝置，通過 AT89S51 的 口將電脈沖信號送入單片機處理，L298 作為直流電機的驅動模塊，利用 12864LCD 顯示器和 44 鍵盤作為人機接口。17U7C2C6Vin1GND2+5V 3U47805Vin1GND2+12V 3U37812C3C7+5v+12v1234U6C820μFC53300μFC420μFC13300μF12J1~220V圖 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 電源電路設計電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電機需要 12V 電源，而單片機、顯示模塊等其它電路需要 5V 的電源，因此電路中選用 7805 和 7812 兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 所示。圖 電源電路 電機驅動電路設計驅動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的 I/O 口不能直接驅動電機，只有引入電機驅動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298N 電機驅動芯片驅動電機， 該芯片是由四個大功率晶體管組成的 H 橋電路構成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài)，通過調整輸入脈沖的占空比，調整電動機轉速。其中輸出腳（SENSEAP0.～ 12864LCD顯 示 模 電 機 驅 動 模 ～ 鍵 盤 ～ ～ ～ 3H0～ 3 P3./IT1 電 機轉 速 檢 測四 輸 入 與 門18A1A2SEN1 11Y12 1Y23Vs4 1A1 51EN61A2 7GND8Vcc92A1 102A2 122EN112Y113 2Y214SEN2 15U5L298ND4D3D1D2C10 20μFC9 20μF+5V+12V+12VR1470R2 5KR45KR3470R5470MG1和 SENSEB）用來連接電流檢測電阻，Vss 接邏輯控制的電源。 Vs 為電機驅動電源。IN1IN4 輸入引腳為標準 TTL 邏輯電平信號，用來控制 H 橋的開與關即實現(xiàn)電機的正反轉，ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM 信號實現(xiàn)電機調速。其電路如圖 所示，利用兩個光電耦合器將單片機的 I/O 與驅動電路進行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端 [7]，使電機在 PWM 脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。圖 電機驅動電路 電機速度采集電路設計在本系統(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。本次設計中應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 （a）所示，在圓盤的一側固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側和發(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，三極管導通，反之三極管截止，電路如圖 （b）所示，從圖中可以得出電機每轉一圈在 的輸出端就會產(chǎn)生 N 個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉速了。例如當電機以一定的轉速運行時， 將輸出如圖 所示的脈沖，若知道一段時間 t 內傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 n，則電機轉速 v=r/s。19VSDORS/WEDB012DB345DB67CS12/RTVEAK 123456789102134516781920 (a) (b)圖 電機速度采集方案圖 傳感器輸出脈沖波形 顯示電路設計 根據(jù)設計要求要對系統(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。在系統(tǒng)運行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較都，而且需要漢字顯示，在這里選用 12864 液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點陣液晶顯示器,主要由行驅動器/列驅動器及 12864 全點陣液晶顯示器組成，可完成漢字（1616）顯示和圖形顯示共有 20 個引腳 [8]，其引腳名稱及引腳編號的對應關系如圖 ，引腳功能如表 所示。 圖 12864LCD 引腳分布表 12864 液晶顯示模塊引腳功能引腳 符 號 引 腳 功 能 引腳 符 號 引 腳 功 能1 VSS 電源地 15 CS1 CS1=1 芯片選擇左邊 64*64圓 盤 光 敏 三 極 管發(fā) 光 二 極 管+5V R220RST9XTAL218XTAL119GND20 21 22 23 24 25 26 27 28RSEN 29ALE 30EA 31 32 33 34 35 36 37 38 39VCC 40U189S511234567891011121314151617181920LCDPOT110KR710KR847+5C15220μF1 2 3 4 5 6 7 8 9RN8 5K+5v+5v+5v點2 VDD 電源正+5V 16 CS2 CS2=1 芯片選擇右邊 64*64點3 VO 液晶顯示驅動電源 17 /RST 復位（低電平有效）4 RS H：數(shù)據(jù)輸入；L：指令碼輸入18 VEE LCD 驅動負電源5 R/W H：數(shù)據(jù)讀??；L：數(shù)據(jù)寫入19 A 背光電源（+）6 E 使能信號。 20 K 背光電源（）714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號的模塊 120 腳為空腳12864 液晶顯示器與單片機的連接電路如圖 所示：圖 顯示模塊電路圖210 1 2 34 5 6 78 9 傳傳傳 傳傳傳傳 傳傳 傳傳 傳傳H0H1H2H3L0L1L2L3 鍵盤電路設計根據(jù)設計需求，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)和電機正反轉的設定，以及對電機啟動、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 所示。圖中 L0～L3 為 44 鍵盤的列信號，H0 ～H3 為 44 鍵盤的行信號。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號 L0～L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號 H0～H3 [9]。按照要求設計操作面板如圖 所示：圖 鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，12864LCD 將顯示開機界面，若按下設置鍵顯示屏進入?yún)?shù)設置界面，此時按 4 進入相應參數(shù)的設置的狀態(tài)，輸入相應的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設置，待所有量設置完成后按正/反控制鍵設置正反轉，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應鍵對電機進行暫停、繼續(xù)、停止運行的控制。220)]2()1(2)([([uneneKKDIP???t=?計 算 r=n/120計 算 v=(r/)*60返 回NY4 軟件設計 算法實現(xiàn) PID 算法本系統(tǒng)設計的核心算法為 PID 算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設定值進行比較得出偏差 ，對偏差進)(ne行 P、I 、D 運算最終利用運算結果控制 PWM 脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調節(jié) [10]，進而控制電機轉速。其運算公式為： ?)(nu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 所示。 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。在設計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： v= r/min60?tNn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)誤差應盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設計中取凹槽數(shù) N 為 120，采樣時間 t為 ，則速度計算具體程序流程如圖 所示。 計 算 e(n)計 算 KIe(n)計 算 KP(en)en1計 算 KD(en)2e(n1)+2計 算 Δ u(n)計 算 Δ u(n)＋ 1e(n1)→ e(n2)→ 1u(n)→ u(n)返 回圖 序 流 程23開 始初 始 化調 用 清 屏 子 程 序開 始 界 面 顯 示設 置 鍵按 下 ？調 用 清 屏 子 程 序設 置 界 面 顯 示根 據(jù) 設 置計 算 參 數(shù)啟 動 鍵按 下 ？調 用 清 屏 子 程 序電 機 運 行狀 態(tài) 顯 示PWM脈 沖 輸 出YNYN 圖 測速程序流程 程序流程 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設計任務的，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)運行過程設計出主程序流程如圖 所示。圖 主程序流程 鍵盤程序程序流程24延 時 去 抖 動P1口 低 四 位 置 1讀 P1口 低 四 位數(shù) 據(jù) 到 KEYLKEYL、 KEYH相 與 為P1口 高 四 位 置 1讀 P1口 高 四 位數(shù) 據(jù) 到 KEYHKEY=0XE ?KEY=0XEB ?KEY=0XED ?KEY=0XE7 ?KEY=0XDE ?KEY=0XD ?KEY=0XDB ?KEY=0XD7 ?KEY=0XBD ?KEY=0XBE ?KEY=0XB ?KEY=0XB7 ?KEY=0X7E ?KEY=0X7D ?KEY=0X7B ?KEY=0X7 ?數(shù) 字 鍵 0數(shù) 字 鍵 1數(shù) 字 鍵 2數(shù) 字 鍵 3數(shù) 字 鍵 4數(shù) 字 鍵 5數(shù) 字 鍵 6數(shù) 字 鍵 7數(shù) 字 鍵 8數(shù) 字 鍵 9正 /反 功 能 鍵暫 停 功 能 鍵繼 續(xù) 功 能 鍵啟 動 功 能 鍵停 止 功 能 鍵設 置 功 能 鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 鍵盤中斷程序是用來設在系統(tǒng)相應參數(shù)和控制系統(tǒng)進入相應的運行狀態(tài)，其程序流程圖如圖 所示。 25脈 沖 計 數(shù) 時間 ＝ ?速 度 計 算PID運 算顯 示 數(shù) 據(jù) 刷 新定 時 器 T0賦 初 值RETI各 變 量 重 新 賦 值YN圖 鍵盤程序流程 定時程序流程 在本系統(tǒng)中定時器 T0 中斷子程序是用來控制電機運行時間和進行速度計算和PID 運算，其程序流程如圖