【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，對畢業(yè)設計有很大的幫助。對比以上的兩個方案可以明顯的看出本畢業(yè)設計課題采用AT89S52為控制器核心比較合適，兼顧了速度與經(jīng)濟性。因此經(jīng)過深思熟慮決定采用方案二。 直流穩(wěn)壓電源設計方案本畢業(yè)設計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波動值不能超過正負1%；第二，加在L298N上的直流電機驅(qū)動電壓+12V，電壓波動不能超過正負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，芯片不會因電源的波動而影響其性能，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，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現(xiàn)。對比以上的兩個方案采用整流穩(wěn)壓提供電源的方案二最合適。 直流電機驅(qū)動設計方案此模塊接收來自AT89S52芯片的信號，控制加在直流電機電樞上的電壓的大小與方向，從而改變電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，根據(jù)控制要求有以下兩種設計方案。方案一：采用達林頓管組合電路構(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L298N、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計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設計者不需要對硬件電路設計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設計中，大大的提高了工作效率。[8]出于安全，可靠及電路設計復雜程度考慮；采用專用的電機驅(qū)動芯片的方案二適合作為電機的驅(qū)動模塊。 轉(zhuǎn)速信號采集電路設計方案此模塊主要實現(xiàn)的功能為通過相應的檢測電路采集電機的轉(zhuǎn)速信號，按照計算公式在控制器進行數(shù)據(jù)處理計算得出電機實時轉(zhuǎn)速。按照設計要求有以下兩種設計方案。方案一：采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，旋轉(zhuǎn)編碼器是一種工業(yè)控制上最常見的一種測速工具，對環(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。[5]但是價格偏高比較適用于工業(yè)上的轉(zhuǎn)速測試。方案二：光電耦合器。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。[5]通過脈沖計數(shù)，對速度進行測量。本設計通過套在電機轉(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，因此電路圖的設計比較容易實現(xiàn)。對比以上兩種設計方案，方案二比較合適。 顯示模塊設計方案此模塊的功能為：可以顯示電機的設定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速，并且顯示亮度可調(diào)。因此可以有以下兩種設計方案。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，這就為電路的設計與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、符號等的點陣型液晶模塊，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用系統(tǒng)中。[12]電路簡單易于實現(xiàn)，因此采用LCD1602作為顯示方案比較適合。對比以上兩種設計方案，方案二最適合本設計。 鍵盤模塊設計方案此模塊實現(xiàn)功能：通過按鍵的按下與松開可以啟動、停止直流電機，對直流電機的速度設定值進行修改以及正反轉(zhuǎn)的控制。注意按鍵抖動部分的處理。此部分比較簡單設計的按鍵控制功能如下。K1按鍵用于控制電機的啟停，按第一次電機啟動，按第二次電機停止轉(zhuǎn)動。K2按鍵用于控制電機的轉(zhuǎn)向，默認是正轉(zhuǎn)，按鍵第一次按下電機反轉(zhuǎn)，按鍵按下第二次電機正轉(zhuǎn)。K3按鍵每按下一次速度設定值加100，設定速度上限值為3000/min，K4按鍵每按下一次速度設定值減100，設定速度下限值為1500/min。復位按鈕按下系統(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（2）電機驅(qū)動模塊： 采用直流電機驅(qū)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LCD1602液晶顯示模塊（5）鍵盤模塊： 采用標準的41鍵盤（6）電源模塊： 采用7807812芯片實現(xiàn)5 系統(tǒng)硬件電路設計 控制系統(tǒng)組成以AT89S52為控制器核心，轉(zhuǎn)速檢測模塊產(chǎn)生的規(guī)則脈沖接到T0定時器的外部引腳（)；經(jīng)過計算得出實際轉(zhuǎn)速，41鍵盤與LCD1602液晶作為人機接口。資源分配圖如下： 系統(tǒng)硬件組成圖 穩(wěn)壓電源電路設計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)動模塊，控制電機的轉(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)壓塊能達到設計的要求。： 穩(wěn)壓電源電路圖 電機驅(qū)動電路設計電機驅(qū)動模塊是系統(tǒng)中很重要的一環(huán)，驅(qū)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(qū)動電機，只有引入電機驅(qū)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(qū)動芯片驅(qū)動電機，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)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(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測電阻，Vss接邏輯控制的電源。[8]Vs為電機驅(qū)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(guān)即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調(diào)速。 電機驅(qū)動模塊電路 轉(zhuǎn)速信號采集電路設計設計思路：在光耦的集電極引出一點接一個三極管基極，再由三極管集電極一個接點接到脈沖整形芯片74HC14便可以得到標準的數(shù)字脈沖。根據(jù)光電耦合器的工作原理可知，當有物體擋在光耦中間時光耦不導通，此時光耦集電極輸出為高電平；當光耦之間沒物體擋時光耦導通，集電極電壓被拉低，此時光耦集電極輸出為低電平。 電機速度信號采集模塊 顯示電路設計顯示電路以LCD1602為基礎，接收來自單片機的數(shù)據(jù)與控制信號，從而可以顯示出對應的字符。引腳說明：第1腳：VSS，為電源地第2腳：VDD，接+5V電源第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，調(diào)節(jié)加在VL上的電壓即可控制對比度[12]第4腳：RS寄存器選擇，高、低電平時分別對應數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器[12]第5腳：R/W為讀寫信號線，高、低電平時分別對應讀操作，寫操作。[12]第6腳：E為使能端，負跳變時液晶模塊執(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：背光負電源 LCD1602電路連接 鍵盤電路設計本設計鍵盤電路主要用于控制電機的啟停、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按鍵控制即可符合控制要求。 鍵盤電路6 軟件設計 程序流程圖在設計系統(tǒng)中主流程是控制的基礎，： 程序流程圖 算法實現(xiàn)本設計采用增量型的PID控制算法，根據(jù)計算公式只要知道三個相鄰時刻的誤差e(n)、e(n1)、e(n2)即可通過程序運算求出用于控制直流電機的電壓u(n)，計算誤差或計算精度對控制量的影響較小。[10] PID程序流程圖 轉(zhuǎn)速采集算法轉(zhuǎn)速信號采集在控制系統(tǒng)中起紐帶作用，不同的測速方法對應的誤差是不同的；M法測速適用于高速，T測速法適用于低速，M/T法高低速都使用。由于本設計主要針對高速時的PID速度控制，所以選擇用M法測速。M法測速公式：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60，采樣時間t為1s。 測速流程圖7 控制系統(tǒng)調(diào)試分析為了驗證設計是否符合控制要求，需對設計的系統(tǒng)進行驗證與分析。為此本人用PROTEL軟件進行電路設計與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