【文章內(nèi)容簡介】 到，而且網(wǎng)上容易找到以AT89S52為核心的控制相關(guān)例子，對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)有很大的幫助。對(duì)比以上的兩個(gè)方案可以明顯的看出本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題采用AT89S52為控制器核心比較合適，兼顧了速度與經(jīng)濟(jì)性。因此經(jīng)過深思熟慮決定采用方案二。 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案本畢業(yè)設(shè)計(jì)需要兩種類型的的直流電壓源：第一，各芯片與顯示部分的工作電壓，電壓值為+5V波動(dòng)值不能超過正負(fù)1%；第二，加在L298N上的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓+12V，電壓波動(dòng)不能超過正負(fù)2%，根據(jù)性能要求有以下兩種方案。方案一：采用干電池做為供電電源，干電池供電電壓穩(wěn)定，芯片不會(huì)因電源的波動(dòng)而影響其性能，但是由于需要12V,5V兩種不同的直流源攜帶不方便，電池不耐用需要頻繁更換既成本偏高又污染環(huán)境。方案二：采用整流電路提供+5V，+12V電源；主要元件有12V交流輸出變壓器，整流橋，濾波電容，集成穩(wěn)壓塊W7805，W7812。此種方案可靠性、安全性高，對(duì)能源的利用率高，并且電路簡單容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)比以上的兩個(gè)方案采用整流穩(wěn)壓提供電源的方案二最合適。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案此模塊接收來自AT89S52芯片的信號(hào)，控制加在直流電機(jī)電樞上的電壓的大小與方向，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，根據(jù)控制要求有以下兩種設(shè)計(jì)方案。方案一：采用達(dá)林頓管組合電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實(shí)現(xiàn)，但由于在驅(qū)動(dòng)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(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過程中可靠性是一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，例如L298N、ULN2003等電機(jī)驅(qū)動(dòng)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?cè)趹?yīng)用時(shí)只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動(dòng)能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計(jì)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。設(shè)計(jì)者不需要對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)考慮很多，可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中，大大的提高了工作效率。[8]出于安全，可靠及電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度考慮；采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的方案二適合作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)方案此模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能為通過相應(yīng)的檢測(cè)電路采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，按照計(jì)算公式在控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算得出電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。按照設(shè)計(jì)要求有以下兩種設(shè)計(jì)方案。方案一：采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，旋轉(zhuǎn)編碼器是一種工業(yè)控制上最常見的一種測(cè)速工具，對(duì)環(huán)境要求不高，性能穩(wěn)定，精度高力矩小，耗能低可靠使用壽命長等特點(diǎn)。[5]但是價(jià)格偏高比較適用于工業(yè)上的轉(zhuǎn)速測(cè)試。方案二：光電耦合器。其檢測(cè)方式為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。[5]通過脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。本設(shè)計(jì)通過套在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的60線碼盤配合再經(jīng)脈沖整形電路變成規(guī)則的脈沖，因此電路圖的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)比以上兩種設(shè)計(jì)方案，方案二比較合適。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案此模塊的功能為：可以顯示電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速，并且顯示亮度可調(diào)。因此可以有以下兩種設(shè)計(jì)方案。方案一：采用數(shù)碼管顯示電路，顯示的亮度高，易于編程并且價(jià)格比較便宜。但由于用到的數(shù)碼管數(shù)量比較多，這就為電路的設(shè)計(jì)與PCB板的制作帶來很大的麻煩。速度的顯示需要的字符在數(shù)碼管上顯示不出來。因此用數(shù)碼管顯示的方案行不通。方案二：采用LCD1602顯示電路，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。[12]電路簡單易于實(shí)現(xiàn)，因此采用LCD1602作為顯示方案比較適合。對(duì)比以上兩種設(shè)計(jì)方案，方案二最適合本設(shè)計(jì)。 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案此模塊實(shí)現(xiàn)功能：通過按鍵的按下與松開可以啟動(dòng)、停止直流電機(jī)，對(duì)直流電機(jī)的速度設(shè)定值進(jìn)行修改以及正反轉(zhuǎn)的控制。注意按鍵抖動(dòng)部分的處理。此部分比較簡單設(shè)計(jì)的按鍵控制功能如下。K1按鍵用于控制電機(jī)的啟停，按第一次電機(jī)啟動(dòng)，按第二次電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。K2按鍵用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，默認(rèn)是正轉(zhuǎn)，按鍵第一次按下電機(jī)反轉(zhuǎn)，按鍵按下第二次電機(jī)正轉(zhuǎn)。K3按鍵每按下一次速度設(shè)定值加100，設(shè)定速度上限值為3000/min，K4按鍵每按下一次速度設(shè)定值減100，設(shè)定速度下限值為1500/min。復(fù)位按鈕按下系統(tǒng)停止一切工作。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AT89S52單片機(jī)（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊： 采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N實(shí)現(xiàn)（3）速度采集模塊： 采用光電傳感器（4）顯示模塊： 采用LCD1602液晶顯示模塊（5）鍵盤模塊： 采用標(biāo)準(zhǔn)的41鍵盤（6）電源模塊： 采用7807812芯片實(shí)現(xiàn)5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)組成以AT89S52為控制器核心，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊產(chǎn)生的規(guī)則脈沖接到T0定時(shí)器的外部引腳（)；經(jīng)過計(jì)算得出實(shí)際轉(zhuǎn)速，41鍵盤與LCD1602液晶作為人機(jī)接口。資源分配圖如下： 系統(tǒng)硬件組成圖 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)電源是電路中必不可少的一部分，根據(jù)控制要求+12V電壓用于驅(qū)動(dòng)模塊，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；+5V提供芯片工作電壓與液晶屏顯示用電源。電壓是否穩(wěn)定關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能，根據(jù)資料知用W7805與W7812作為整流電路的穩(wěn)壓塊能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。： 穩(wěn)壓電源電路圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是系統(tǒng)中很重要的一環(huán)，驅(qū)動(dòng)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(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片是由四個(gè)大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測(cè)電阻，Vss接邏輯控制的電源。[8]Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號(hào)，用來控制H橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路：在光耦的集電極引出一點(diǎn)接一個(gè)三極管基極，再由三極管集電極一個(gè)接點(diǎn)接到脈沖整形芯片74HC14便可以得到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字脈沖。根據(jù)光電耦合器的工作原理可知，當(dāng)有物體擋在光耦中間時(shí)光耦不導(dǎo)通，此時(shí)光耦集電極輸出為高電平；當(dāng)光耦之間沒物體擋時(shí)光耦導(dǎo)通，集電極電壓被拉低，此時(shí)光耦集電極輸出為低電平。 電機(jī)速度信號(hào)采集模塊 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路以LCD1602為基礎(chǔ)，接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)與控制信號(hào)，從而可以顯示出對(duì)應(yīng)的字符。引腳說明：第1腳：VSS，為電源地第2腳：VDD，接+5V電源第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，調(diào)節(jié)加在VL上的電壓即可控制對(duì)比度[12]第4腳：RS寄存器選擇，高、低電平時(shí)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器[12]第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高、低電平時(shí)分別對(duì)應(yīng)讀操作，寫操作。[12]第6腳：E為使能端，負(fù)跳變時(shí)液晶模塊執(zhí)行命令第7腳到第14腳：D0到D7為八位雙向數(shù)據(jù)線第15腳：背光正電源第16腳：背光負(fù)電源 LCD1602電路連接 鍵盤電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)鍵盤電路主要用于控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速的加減；PID控制的各參數(shù)在程序中已賦為定值；因此鍵盤電路由四個(gè)按鍵控制即可符合控制要求。 鍵盤電路6 軟件設(shè)計(jì) 程序流程圖在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中主流程是控制的基礎(chǔ)，： 程序流程圖 算法實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)采用增量型的PID控制算法，根據(jù)計(jì)算公式只要知道三個(gè)相鄰時(shí)刻的誤差e(n)、e(n1)、e(n2)即可通過程序運(yùn)算求出用于控制直流電機(jī)的電壓u(n)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度對(duì)控制量的影響較小。[10] PID程序流程圖 轉(zhuǎn)速采集算法轉(zhuǎn)速信號(hào)采集在控制系統(tǒng)中起紐帶作用，不同的測(cè)速方法對(duì)應(yīng)的誤差是不同的；M法測(cè)速適用于高速，T測(cè)速法適用于低速，M/T法高低速都使用。由于本設(shè)計(jì)主要針對(duì)高速時(shí)的PID速度控制，所以選擇用M法測(cè)速。M法測(cè)速公式：v= r/min。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?zèng)Q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(jì)中取凹槽數(shù)N為60，采樣時(shí)間t為1s。 測(cè)速流程圖7 控制系統(tǒng)調(diào)試分析為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合控制要求，需對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證與分析。為此本人用PROTEL軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與PCB板的制作；成功的把硬件做了出來。根據(jù)之前介紹的PID參數(shù)整定方法，經(jīng)驗(yàn)法比較合適用于本系統(tǒng)的調(diào)試。調(diào)試的原則為：先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往