【文章內容簡介】 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的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項,即 = (28)第二項起積分控制作用,稱為積分(I)項即 (29)第三項起微分控制作用,稱為微分(D)項即 (210)式（27）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時刻應達到的位置。因此,式（27）又稱為位置型PID算式。工業(yè)應用中，采用PID位置算法是不夠方便和有欠缺的。由于要累加誤差，占用內存多，并且安全性較差，考慮到這種情況，在工業(yè)應用中，還有一種增量式算法。增量式算法是位置算法的一種改進。由式（27）可以得到（k1）次的PID輸出表達式： （211）由式（27）與式（211）可得 （212） 數(shù)字PID參數(shù)整定方法PID調節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。下面簡單介紹兩種常用的簡易工程整定法。（1）擴充臨界比例度法。這種方法是對連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴充，適用于有自平衡特性的被控對象，不需要準確知道對象的特性。（2）經驗法確定PID參數(shù)。經驗法是靠工作人員的經驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調整P、I、D三者參數(shù)的大小的。圖26 增量式PID框圖3 系統(tǒng)總體設計方案調速系統(tǒng)的硬件原理方框圖如圖31所示，本系統(tǒng)由6個部分組成，單片機系統(tǒng)是核心，其外圍電路有五個部分：輸入電路，電源，驅動電路，顯示電路，測速電路。單片機輸入電路電源顯示電路測速電路驅動電路圖31 系統(tǒng)的硬件原理方框圖其中單片機負責控制運算、數(shù)據(jù)采集等任務，輸入電路用于設定直流電機預期速度及控制直流電機的啟動、正反轉、停止，顯示電路用于顯示直流電機的當前轉速，測速電路用于測量直流電機的實際轉速，驅動電路用于驅動直流電機。本控制系統(tǒng)中，直流電機的轉速是待檢測的參數(shù)，也是反饋檢測量，通過測速電路將直流電機轉速轉化為反饋信號輸入單片機，通過PID算法來控制PWM(脈沖寬度調制)輸出的占空比，進而對直流電機的轉速實現(xiàn)閉環(huán)控制，使其轉速達到預期設定值。 單片機設計方案方案一：采用AT89S51/AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機是AT89S51的升級版，擁有更多功能，它的算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。并且它還具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領域中應用廣泛。方案二：采用傳統(tǒng)的AT89C51單片機作為運動物體的控制中心。它和AT89S2一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡單等特點，但是它的頻率較低、運算速度慢， RAM、ROM空間小等缺點。若采用89C51需要做RAM，ROM來擴展其內存空間，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)并控制電機運動較為簡單，可以滿足設計要求。因此在本次設計選用方案一。 驅動電路設計方案本次設計的主要目的是控制電機的轉速，因此電機驅動模塊是必不可少，其方案有一下兩種。方案一：采用大功率晶體管組合電路構成驅動電路，這種方法結構簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅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：采用專用的電機驅動芯片，例如L298N、L297N等電機驅動芯片，由于它內部已經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?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，電機驅動模塊選用方案二。 速度采集模塊設計方案本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調節(jié)過程中需要將設定與當前實際轉速進行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設計的，其設計方案以下三種：方案一：采用霍爾集成片。該器件內部由三片霍爾金屬板組成。當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，金屬板發(fā)生橫向導通，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行電機速度的檢測。方案二：采用對射式光電傳感器。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，傳感器輸出產生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進行測量。方案三：采用測速發(fā)電機對直流電機轉速進行測量。該方案的實現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機固定在直流電機的軸上，當直流電機轉動時，帶動測速電機的軸一起轉動，因此測速發(fā)電機會產生大小隨直流電機轉速大小變化的感應電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復雜、成本也比較高，在本次設計沒有采用此方案。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速原理基本相同都是將電機轉速轉換為電脈沖的頻率進行測量，但考慮到霍爾式精度比較高，頻率比較快，成本低。最主要的是它對外部環(huán)境的要求不高，并且工作溫度可以達到150176。，所以綜合考慮在設計中選用第一種方案進行設計。 顯示電路設計方案在電機轉速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數(shù)、工作方式以及電機當前運行狀態(tài)的顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設計一個顯示模塊，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、驅動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用BCD編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調試簡單。方案二：采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件電路簡單、可對字符進行顯示。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以及成本考慮，顯示模塊選用方案一。 輸入電路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。這種鍵盤的優(yōu)點是：電路簡單，各條檢測線獨立，識別按下按鍵的軟件編寫簡單。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場合，不適用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場合，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。但此種鍵盤的軟件結構較為復雜。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設計的系統(tǒng)硬件連接不是很復雜，對軟件的運行速度要求不高，所以采用方案二獨立式鍵盤進行設計。 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，任何一種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對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：采用霍爾測速傳感器；（4）顯示模塊： 采用LED液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用獨立式鍵盤；（6）電源模塊： 采用7807812芯片實現(xiàn)。4 系統(tǒng)硬件設計AT89S52LED顯示電路電機驅動電路電機霍爾測速電路鍵盤電源圖41 系統(tǒng)組成框圖鍵盤向單片機輸入相應控制指令，另一口輸出低電平，經過信號放大，驅動電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉向與轉速的控制。電動機的運轉狀態(tài)通過LED顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉時最高位顯示“三” ，其它三位為電機轉速；反轉時最高位顯示“F”，其它三位為電機轉速。每次電動機啟動后開始顯示，停止時LED顯示出“0000”。 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，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（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測電阻，Vs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53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。這樣單片機產生的PWM脈沖控制L298N的選通端，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43 電機驅動電路 轉速測量電路采用霍爾元件測量轉速是較為常用的測量方法?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用?；魻杺鞲衅鞣譃榫€性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。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)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。本文采用市場上應用較多的霍爾開關傳感器3010T ，它采用三端平塑封裝，具有工作電壓范圍寬、外圍電路簡單、輸出電平與各種數(shù)字電路兼容、可靠性高等優(yōu)點。 霍爾器件測量電動機轉速裝置由一個測速齒輪和霍爾傳感器構成。測速齒輪厚度大于2mm，固定在待測電機的轉軸上?；魻栐潭ㄔ诰帻X輪外圓1mm的探頭上，對面粘貼小磁鋼，當測速齒輪的每個齒經過探頭正前方時，改變了磁通密度，霍爾元件就輸出了一個脈沖信號。 測速齒輪上共有24個齒，顯然每個齒轉過霍爾元件都會引起一個脈沖信號，則電動機每轉一周總共產生24個信號。如果單片機在1s 內檢測到N 個脈沖信號，就表明電動機轉過的周數(shù)n=N/24。因為轉速常用r/min 表示，所以電動機轉速 V=60N/24=(r/min)。 將脈沖信號接在定時器T1上，當外部脈沖信號出現(xiàn)一個由“1”到“0”的負跳變時，計數(shù)器T1就進行計數(shù)。 通過設置讓定時器T0每50ms產生一次中斷，滿20次即為 1s ，此時統(tǒng)計計數(shù)器T1的計數(shù)值，就可以算出電動機轉速：V==(TH1*256+TL1) (r/min)。 圖44(a)測速齒輪 圖44（b）霍爾傳感器安裝示意圖 AT89S52的簡介 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 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(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用系統(tǒng)提供高靈