【文章內(nèi)容簡介】 ：方案一：使用七段數(shù)碼管（LED）作為顯示模塊，數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)非常多，擁有良好的亮度、工作電壓低、器件的耗能低、性能比較穩(wěn)定，在本系統(tǒng)中如果使用數(shù)碼管作為顯示器，那么數(shù)碼管的數(shù)量會(huì)相對(duì)較多，不方便。方案二：使用LCD1602液晶顯示器作為顯示模塊，該器件屏幕背光可以調(diào)節(jié)，耗能方面也較低，LCD1602液晶顯示器的屏幕能夠同時(shí)顯示16*2個(gè)字符即2行16列，對(duì)于本系統(tǒng)來說非常的適合，并且硬件電路連接也不會(huì)復(fù)雜。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案二。圖216 7段數(shù)碼管（LED）圖217 LCD1602液晶顯示器 LCD1602液晶簡介本系統(tǒng)選用LCD1602作為顯示模塊，該顯示器的做動(dòng)原理是基于液晶物理方面的特性，一旦有電進(jìn)入顯示器，屏幕就會(huì)顯示出來，然后利用電壓的方式對(duì)顯示部分執(zhí)行操作。在本系統(tǒng)中，該顯示器一行進(jìn)行對(duì)速度設(shè)定值的顯示，另外一行進(jìn)行對(duì)速度測量值的顯示，使我們可以很直接了解電機(jī)的實(shí)時(shí)情況。圖218 LCD1602液晶顯示器引腳圖各引腳功能介紹：第1腳：Vss為地電壓。第2腳：Vcc接5V正電壓。第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，在本系統(tǒng)中采用10K的電位器來進(jìn)行調(diào)節(jié)屏幕的對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，由單片機(jī)控制。第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，在本系統(tǒng)中將這個(gè)引腳接地，用來實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能。 第6腳：E端為使能端，受單片機(jī)控制。第7~14腳：D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，~。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。表22 LCD1602液晶讀寫狀態(tài)表操作輸入輸出讀狀態(tài)RS=L,RW=H,E=HD0~D7=狀態(tài)字寫命令RS=L,RW=L,D0~D7=指令碼，E=高脈沖無讀數(shù)據(jù)RS=H,RW=H,E=HD0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)RS=H,RW=L,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖無LCD1602液晶顯示器的電路連接如圖215所示，電位器R14用來調(diào)節(jié)液晶背光。圖215 顯示電路 鍵盤模塊 在本系統(tǒng)中，要有按鍵將速度的設(shè)定值、電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定和電機(jī)調(diào)速啟動(dòng)輸入進(jìn)系統(tǒng)里，所以鍵盤模塊成為本系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)，對(duì)此有兩種方案選用：方案一：選用獨(dú)立按鍵作為鍵盤模塊，獨(dú)立按鍵只有4個(gè)引腳，而且兩兩是互通的，因此在硬件電路上易于操作，并且每一個(gè)按鍵都不會(huì)互相影響，在軟件編程上的實(shí)現(xiàn)也相對(duì)容易。方案二：選用行列式鍵盤作為鍵盤模塊，該鍵盤的特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)為矩陣形態(tài)，按鍵的數(shù)量為行數(shù)乘以列數(shù)，而且該鍵盤的行線全部接輸入端，列線全部接輸出端，在那些需要像計(jì)算器這么多按鍵的系統(tǒng)中非常好用，但是對(duì)于本系統(tǒng)來說，并沒有必要使用這種鍵盤。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本系統(tǒng)單片機(jī)的I/O口有剩余，所以采用方案一獨(dú)立鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖216 4X4矩陣鍵盤圖217 獨(dú)立式按鍵本系統(tǒng)選用獨(dú)立式按鍵作為鍵盤模塊，這種按鍵屬于常開型按鍵，需要人為按下才能夠?qū)?，所以在我們按下按鍵或者是放開按鍵的同時(shí)，都會(huì)有一個(gè)很微小的抖動(dòng)，但是我們的手指并沒有那么的靈敏，所以察覺不到這種現(xiàn)象，但是單片機(jī)屬于微機(jī)化的控制系統(tǒng)，它的處理時(shí)間非常的低，對(duì)這種現(xiàn)象非常的敏感，所以我們必須消除這種抖動(dòng)現(xiàn)象。圖218鍵盤抖動(dòng)在工程實(shí)際中對(duì)按鍵消除抖動(dòng)可以用硬件方式和軟件方式。硬件去抖動(dòng)的方法有很多，但是我們一般不采用硬件方法，而使用軟件去抖動(dòng)方法。軟件去抖動(dòng)其實(shí)不困難，可以當(dāng)單片機(jī)接受到按鍵端口的低電平信號(hào)時(shí)，使得系統(tǒng)沒有馬上認(rèn)為按鍵已經(jīng)按下，而是等段一段時(shí)間后再次檢查該端口信號(hào)，假如還是低電平信號(hào)，那就說明此按鍵已經(jīng)被按下。事實(shí)上這樣子做就能消除按鍵按下的抖動(dòng)時(shí)間，在檢測到按鍵釋放后進(jìn)行延時(shí)，就能夠去掉后延抖動(dòng)，再將按鍵處理。 按鍵連接如圖219所示，按鍵接上一個(gè)10K上拉電阻，用來對(duì)電路的保護(hù)。 圖219鍵盤電路無論是什么樣的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都需要有能量，而這種能量來自于電源，因此對(duì)于電源的選用有以下兩種方案選擇：方案一：使用電阻通過電阻分?jǐn)傠妷海源藖斫档洼斎腚妷旱闹凳蛊渥優(yōu)閱纹瑱C(jī)和直流電機(jī)能使用的電壓值，但是這種方式損失了大部分能量，在工程實(shí)際應(yīng)用中也基本不使用。方案二：使用專門的穩(wěn)壓芯片LM7805對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行整流、穩(wěn)壓處理，相比于第一種方案而言，這種方法對(duì)電源的利用率非常高，而且LM7805的硬件電路連接很方便，其電路可靠性、安全性都異常優(yōu)越。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。 LM7805芯片簡介LM7805穩(wěn)壓芯片有三個(gè)引腳，一個(gè)引腳接到電源端，對(duì)電源電壓進(jìn)行整流、降壓，一個(gè)引腳為整流、降壓后的電壓輸出，與系統(tǒng)硬件電路的其他模塊連接，對(duì)它們供電，最后一個(gè)引腳接地，此外，該芯片內(nèi)含有一些保護(hù)措施，像是過流、過熱等，而且，該芯片的使用方法簡單，價(jià)格低廉，具有非常強(qiáng)的可靠性。圖220 LM7805引腳圖 圖221 LM7805實(shí)物圖一個(gè)電路如果沒有能量輸入，那么這個(gè)電路根本無法做動(dòng)，如果能量的輸入超過電路的承受范圍，那么整個(gè)電路會(huì)燒壞，所以在本系統(tǒng)中使用LM7805穩(wěn)壓芯片為電路的單片機(jī)模塊、直流電機(jī)等模塊提供它們所需要的電源。圖222 電源電路 PWM脈沖控制技術(shù) PWM脈寬調(diào)制的基本工作原理如圖31所示，我們假設(shè)矩形波信號(hào)的一個(gè)周期為T，然后在這個(gè)周期內(nèi)的正方向脈沖寬度的時(shí)間為t1，則可以得到導(dǎo)通占空比α為： α=t1/T （31）由上述的定義，占空比α就可以理解為在單位周期內(nèi)，正方向脈沖寬度的時(shí)間在整個(gè)單位周期內(nèi)所占據(jù)的比值，其變化范圍為0?α?1。t1t2T圖31 PWM信號(hào)的占空比根據(jù)上面的論述可知，在系統(tǒng)電壓沒有發(fā)生變化的狀態(tài)下，直流電機(jī)電樞的端電壓的平均值為Vα=Vmax*α，所以我們只需要變化占空比就能夠使端電壓的平均值發(fā)生變化，因而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的功能，這就是Pulse Width Modulation（PWM）調(diào)速的原理。當(dāng)占空比α=，Uav=0,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零；當(dāng)α，Uav為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且在α=1時(shí)，Uav=Us,正向轉(zhuǎn)速最高；當(dāng)α，Uav為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且在α=0時(shí)，Uav=Us,反向轉(zhuǎn)速最高。連續(xù)地改變脈沖寬度，即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。根據(jù)PWM控制基本工作原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間內(nèi)脈沖寬度為t0,幅值為U，由圖32可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為[6]： U0=t0*UT （32）令α=t0T ，即為占空比，則上式可化為： U0=α*U （U為脈沖幅值） （33）U(t)UtT0t0 圖32 PWM脈沖如果PWM脈沖信號(hào)是連續(xù)性的周期矩形脈沖信號(hào)，則跟這個(gè)脈沖信號(hào)相等的電壓表達(dá)式跟前面的一樣： U0=n*t0*Un*T=t0*UT=α*U （34）根據(jù)上式容易了解到，要使等效直流電壓值大小發(fā)生變化，能夠利用變化脈沖幅值與占空比來達(dá)到，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的脈沖值通常都是不變的，因此只能變化占空比的大小來達(dá)到等效直流電壓在0~U間隨意控制的目的，因此可以使用PWM調(diào)制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)執(zhí)行控制。PWM調(diào)速方法：根據(jù)上面的論述，使用PWM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，占空比是非常關(guān)鍵的指標(biāo)，由上圖31所示，下列介紹幾種變化占空比的方式：：維持t1穩(wěn)定，只調(diào)整T，這樣周期（頻率）就變化了；：維持t2穩(wěn)定，而調(diào)整t1，這樣也使得周期（頻率）變化了；：維持周期T（頻率）穩(wěn)定，而在變化t1時(shí)也變化t2。因?yàn)榍懊鎯煞N方式在調(diào)速時(shí)變化了脈沖信號(hào)的周期（頻率），因此如果控制周期和系統(tǒng)固有周期相近的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩，所以這兩種方式能夠應(yīng)用的場合不多，故本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法。這種方式就是維持脈沖信號(hào)周期的穩(wěn)定，使占空比發(fā)生變化，而占空比的變化會(huì)促使電機(jī)平均電壓發(fā)生變化，因此調(diào)節(jié)了電機(jī)的速度。 PWM實(shí)現(xiàn)方式方案一：使用定時(shí)器作為PWM控制的定時(shí)方法，由這種方法控制的脈沖信號(hào)寬度相當(dāng)精準(zhǔn)，通常誤差只有us級(jí)別，而且這種方法的軟件編程實(shí)現(xiàn)也不會(huì)很難[9]。方案二：使用軟件延時(shí)程序的方法，這種方法雖然在軟件編程上非常簡單，也非常容易實(shí)現(xiàn)，但是準(zhǔn)確度沒有方案一好，而且在系統(tǒng)中斷運(yùn)行后，產(chǎn)生的誤差較大[9]。與開環(huán)控制回路做比較，閉環(huán)控制回路具備種種好處，在引入閉環(huán)控制回路后，系統(tǒng)中無論發(fā)生任何變化，即使是微小的變化量造成控制量不等于設(shè)定值，系統(tǒng)就會(huì)做出相對(duì)映的反應(yīng)去糾正誤差，鑒于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用閉環(huán)控制回路設(shè)計(jì)。如圖33所示，利用單片機(jī)控制核心發(fā)出的PWM信號(hào)，將PWM信號(hào)傳入驅(qū)動(dòng)電路模塊，由此模塊執(zhí)行直流電機(jī)速度的控制，再利用光電傳感器對(duì)電機(jī)速度執(zhí)行測量，并且把所測量到的速度返回到單片機(jī)控制核心，在控制器內(nèi)部把返回值和設(shè)定值進(jìn)行比較，通過這種手段達(dá)到直流電機(jī)準(zhǔn)確控制的目的[2]。被控量給定量+PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)單片機(jī)控制器速度反饋光電傳感器圖33PWM調(diào)制技術(shù)結(jié)構(gòu)框架圖本系統(tǒng)控制核心的單片機(jī)其內(nèi)部自帶的定時(shí)器功能是我們利用軟件編程來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的有效手段，但是單片機(jī)型號(hào)的區(qū)別，其自帶的定時(shí)器特點(diǎn)也會(huì)所有差異，并且使用的晶振MHz數(shù)的差別會(huì)造成到定時(shí)器工作模式選用的差異，也會(huì)影響定時(shí)初值和定時(shí)時(shí)間之間的關(guān)系。如果我們用f來表示單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，用N表示定時(shí)器的位數(shù)，那么定時(shí)器的定時(shí)初值和定時(shí)時(shí)間之間的關(guān)系就可以用下式來表述[11]： t1=2nTw*Nf*106 (35)上式：Tw表示定時(shí)初值； t1表示定時(shí)時(shí)間；N表示單位機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。根據(jù)單片機(jī)的不同型號(hào)，時(shí)鐘數(shù)N也會(huì)跟著變化，在實(shí)際的使用中，時(shí)鐘數(shù)N可以依據(jù)單片機(jī)的型號(hào)得到相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。由上式我們很容易可以看出，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間只與定時(shí)器的初始數(shù)值有關(guān)，因此我們只需要改變定時(shí)初值就能夠得到不一樣的定時(shí)時(shí)間，以此變化占空比的大小，最終我們能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的效果。 PWM產(chǎn)生程序include //包含52標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的頭文件define uchar unsigned char //宏定義define uint unsigned intunsigned char count。 //儲(chǔ)存定時(shí)器T0中斷次數(shù)unsigned char timer3。 //儲(chǔ)存定時(shí)器T2中斷次數(shù)int v,val=0,pidshuchu。 //存儲(chǔ)電機(jī)轉(zhuǎn)速sbit PWM=P1^0。 //產(chǎn)生PWM/**************定時(shí)器TT0初始化設(shè)置****************/void xitong_chushi() { TMOD=0x51。 //用來設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)工作模式為1TH0=(6553646083)/256。 //用來設(shè)置定時(shí)器T0的高八位的初值，并以固定的時(shí)間發(fā)生一次中斷TL0=(6553646083)%256。 //用來設(shè)置定時(shí)器T0的低八位的初值，并以固定的時(shí)間發(fā)生一次中斷TH1=0。 //定時(shí)器T1的高八位TL1=0。 //定時(shí)器T1的低八位ET0=1。 //T0的中斷標(biāo)示TR0=1。 //T0的中斷起始位EA=1。 //開總中斷}void timer2_chushi(void){ RCAP2H=(655362)/256。 //16位捕捉寄存器 RCAP2L=(655362)%256。 //16位自動(dòng)重載寄存器 TR2=1。 //定時(shí)器開始中斷指令ET2=1。 //定時(shí)器中斷發(fā)生的允許位}/*******************定時(shí)器0的中斷服務(wù)*******************/void timer0_zd(void ) interrupt 1 using 1 //定時(shí)器T0的中斷編號(hào)為1，使用第1組工作寄存器{jishu++。 //定時(shí)器產(chǎn)生中斷一次，jishu就加1if(count==4) //若累計(jì)滿4次，即計(jì)滿200ms秒鐘{ v=(TH1*256+TL1)*5/8。 //計(jì)算速度 TL1=0。 //計(jì)數(shù)器1 清零TH1=0。if(x==0)pidshuchu= PIDsuanshi(val , v)。 //PID調(diào)用if(pidshu