【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 替，即可作如下近似 (25) (26)這樣，式（23）便可離散化以下差分方程 (27)上式中是偏差為零時(shí)的初值,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用,稱為比例（P）項(xiàng),即 = (28)第二項(xiàng)起積分控制作用,稱為積分(I)項(xiàng)即 (29)第三項(xiàng)起微分控制作用,稱為微分(D)項(xiàng)即 (210)式（27）的輸出量為全量輸出,它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。因此,式（27）又稱為位置型PID算式。工業(yè)應(yīng)用中，采用PID位置算法是不夠方便和有欠缺的。由于要累加誤差，占用內(nèi)存多，并且安全性較差，考慮到這種情況，在工業(yè)應(yīng)用中，還有一種增量式算法。增量式算法是位置算法的一種改進(jìn)。由式（27）可以得到（k1）次的PID輸出表達(dá)式： （211）由式（27）與式（211）可得 （212） 數(shù)字PID參數(shù)整定方法PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩種。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。下面簡(jiǎn)單介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。（1）擴(kuò)充臨界比例度法。這種方法是對(duì)連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴(kuò)充，適用于有自平衡特性的被控對(duì)象，不需要準(zhǔn)確知道對(duì)象的特性。（2）經(jīng)驗(yàn)法確定PID參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉程度，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來調(diào)整P、I、D三者參數(shù)的大小的。圖26 增量式PID框圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理方框圖如圖31所示，本系統(tǒng)由6個(gè)部分組成，單片機(jī)系統(tǒng)是核心，其外圍電路有五個(gè)部分：輸入電路，電源，驅(qū)動(dòng)電路，顯示電路，測(cè)速電路。單片機(jī)輸入電路電源顯示電路測(cè)速電路驅(qū)動(dòng)電路圖31 系統(tǒng)的硬件原理方框圖其中單片機(jī)負(fù)責(zé)控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，輸入電路用于設(shè)定直流電機(jī)預(yù)期速度及控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停止，顯示電路用于顯示直流電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，測(cè)速電路用于測(cè)量直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。本控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是待檢測(cè)的參數(shù)，也是反饋檢測(cè)量，通過測(cè)速電路將直流電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為反饋信號(hào)輸入單片機(jī)，通過PID算法來控制PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出的占空比，進(jìn)而對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期設(shè)定值。 單片機(jī)設(shè)計(jì)方案方案一：采用AT89S51/AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機(jī)是AT89S51的升級(jí)版，擁有更多功能，它的算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。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(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。方案二：采用傳統(tǒng)的AT89C51單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。它和AT89S2一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是它的頻率較低、運(yùn)算速度慢， RAM、ROM空間小等缺點(diǎn)。若采用89C51需要做RAM，ROM來擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。綜合上述兩種方案比較，采用AT89S52作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此在本次設(shè)計(jì)選用方案一。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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、L297N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(jiǎn)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。基于上述理論分析和實(shí)際情況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用方案二。 速度采集模塊設(shè)計(jì)方案本系統(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(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)方案以下三種：方案一：采用霍爾集成片。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。方案二：采用對(duì)射式光電傳感器。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。通過脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。方案三：采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。該方案的實(shí)現(xiàn)原理是將測(cè)速發(fā)電機(jī)固定在直流電機(jī)的軸上，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(jì)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(cè)速原理基本相同都是將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進(jìn)行測(cè)量，但考慮到霍爾式精度比較高，頻率比較快，成本低。最主要的是它對(duì)外部環(huán)境的要求不高，并且工作溫度可以達(dá)到150176。，所以綜合考慮在設(shè)計(jì)中選用第一種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 顯示電路設(shè)計(jì)方案在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對(duì)參數(shù)、工作方式以及電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示，因此在整個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)簡(jiǎn)單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，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(jiǎn)單。方案二：采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡(jiǎn)單，功率低、硬件電路簡(jiǎn)單、可對(duì)字符進(jìn)行顯示。方案三：采用12864LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)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(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求以及成本考慮，顯示模塊選用方案一。 輸入電路設(shè)計(jì)方案在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機(jī)起停的控制，因此鍵盤在整個(gè)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(dú)立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。這種鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單，各條檢測(cè)線獨(dú)立，識(shí)別按下按鍵的軟件編寫簡(jiǎn)單。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場(chǎng)合，不適用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點(diǎn)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(diǎn)上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需m根行線和n根列線就可組成個(gè)按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)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(jì)的系統(tǒng)硬件連接不是很復(fù)雜，對(duì)軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二獨(dú)立式鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。 電源模塊設(shè)計(jì)方案電源是任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來源，任何一種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對(duì)于該模塊考慮下兩種方案：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(jī)運(yùn)行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡(jiǎn)單，但對(duì)能量的損耗大，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。方案二：通過固定芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如7817805等），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(jiǎn)單容易實(shí)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：采用霍爾測(cè)速傳感器；（4）顯示模塊： 采用LED液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用獨(dú)立式鍵盤；（6）電源模塊： 采用7807812芯片實(shí)現(xiàn)。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)AT89S52LED顯示電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)霍爾測(cè)速電路鍵盤電源圖41 系統(tǒng)組成框圖鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LED顯示出來。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開始顯示，停止時(shí)LED顯示出“0000”。 電源電路設(shè)計(jì)電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。在本系統(tǒng)中直流電機(jī)需要12V電源，而單片機(jī)、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，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖42所示。圖42 電源電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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，Vs接邏輯控制的電源。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。其電路如圖53所示，利用兩個(gè)光電耦合器將單片機(jī)的I/O與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端，使電機(jī)在PWM脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個(gè)二極管對(duì)芯片起保護(hù)作用。圖43 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路采用霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速是較為常用的測(cè)量方法。霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。本文采用市場(chǎng)上應(yīng)用較多的霍爾開關(guān)傳感器3010T ，它采用三端平塑封裝，具有工作電壓范圍寬、外圍電路簡(jiǎn)單、輸出電平與各種數(shù)字電路兼容、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 霍爾器件測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速裝置由一個(gè)測(cè)速齒輪和霍爾傳感器構(gòu)成。測(cè)速齒輪厚度大于2mm，固定在待測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上?；魻栐潭ㄔ诰帻X輪外圓1mm的探頭上，對(duì)面粘貼小磁鋼，當(dāng)測(cè)速齒輪的每個(gè)齒經(jīng)過探頭正前方時(shí)，改變了磁通密度，霍爾元件就輸出了一個(gè)脈沖信號(hào)。 測(cè)速齒輪上共有24個(gè)齒，顯然每個(gè)齒轉(zhuǎn)過霍爾元件都會(huì)引起一個(gè)脈沖信號(hào)，則電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周總共產(chǎn)生24個(gè)信號(hào)。如果單片機(jī)在1s 內(nèi)檢測(cè)到N 個(gè)脈沖信號(hào)，就表明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過的周數(shù)n=N/24。因?yàn)檗D(zhuǎn)速常用r/min 表示，所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 V=60N/24=(r/min)。 將脈沖信號(hào)接在定時(shí)器T1上，當(dāng)外部脈沖信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)由“1”到“0”的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器T1就進(jìn)行計(jì)數(shù)。 通過設(shè)置讓定時(shí)器T0每50ms產(chǎn)生一次中斷，滿20次即為 1s ，此時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器T1的計(jì)數(shù)值，就可以算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：V==(TH1*256+TL1) (r/min)。 圖44(a)測(cè)速齒輪 圖44（b）霍爾傳感器安裝示意圖 AT89S52的簡(jiǎn)介 AT89S52主要性能AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈