【正文】 L H 反轉(zhuǎn)H 同 IN2(IN4) 同 IN1(IN3) 快速停止L X X 停止圖 32 L298 構(gòu)成的脈寬調(diào)速電路 測速模塊電路設(shè)計在本設(shè)計采用閉環(huán)控制，在電機運行控制系統(tǒng)中首先要解決的問題是電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的監(jiān)測。本設(shè)計采用圖 34 所示的光學斬波編碼盤來監(jiān)測，光電編碼盤固定在電機的旋轉(zhuǎn)軸外，在其下方安裝著單光束折射式光電傳感器ST150，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 33，為一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管。測速電路如圖 34，其構(gòu)成的光調(diào)制、光接收電路。由于編碼盤的旋轉(zhuǎn)，當編碼盤扇葉進入凹槽遮擋著發(fā)光二極管時，光敏三極管沒接收光，輸出為零；當編碼盤扇葉通過光電傳感器時，光敏三極管接收光在 ST150 電路輸出為 VCC。圖 33 ST150 管腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 34 測速電路及編碼盤 鍵盤模塊設(shè)計鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。獨立式鍵盤就是各個鍵相互獨立，每個鍵盤接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)來確定那個鍵按下。這種鍵盤的輸入線較多，結(jié)構(gòu)復雜，一般適用于按鍵較少操作速度較高的場合。而行列式鍵盤是由行線和列線交叉組成，一般用于按鍵較多的場合。本次設(shè)計一共 4 個鍵，因此采用獨立式鍵盤，分別接到LM3S1138 的 I/O 口而實現(xiàn)，獨立式鍵盤的示意圖如 35 所示。圖 35 鍵盤電路當按鍵 K 未被按下時，PA0 輸入為高電平。當 K 閉合時，PA0 輸入為低電平。通常按鍵所用的開關(guān)為機械彈性開關(guān)，因此機械觸點斷開、閉合時均會有一系列的抖動，如圖 36 所示。圖 36 按鍵抖動抖動時間長短由按鍵的機械特性決定，一般是 5 到 10ms。為了確保 CPU對鍵的一次閉合只做一次處理，必須去除鍵盤抖動。鍵盤消抖有硬件和軟件兩種方法，一般多使用軟件消抖。軟件消抖的方法是指，檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個 10 ms 左右（具體時間應(yīng)視所使用的按鍵進行調(diào)整）的延時程序后，產(chǎn)生延時，等電壓穩(wěn)定后在讀取按鍵的狀態(tài)，從而消除抖動。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應(yīng)采用相同的步驟，從而可消除抖動的影響。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本原則系統(tǒng)中控制任務(wù)的實現(xiàn)最終是靠控制軟件來完成的，控制軟件的設(shè)計將直接決定整個系統(tǒng)的控制性能，以下首先闡述一下軟件設(shè)計的一些基本要求，然后再概述本系統(tǒng)軟件的設(shè)計方案。1)實時性單片機必須在一定的時間內(nèi)，完成一系列的軟件處理過程，如對系統(tǒng)的被控參數(shù)( 如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等) 的信號進行采樣、計算、邏輯判斷和分析，按照規(guī)定的控制算法進行數(shù)值計算，輸出各種控制信號，以及對可能出現(xiàn)的故障進行處理。2)可靠性軟件的可靠性是指軟件在運行過程中避免發(fā)生故障的能力，以及一旦發(fā)生故障后的解決和排除故障的能力。因此，為了提高軟件的可靠性，軟件設(shè)計要考慮系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的一切非正常情況，且在系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，如用戶按錯鍵，輸入錯誤參數(shù)等誤操作，或發(fā)生程序受外界嚴重干擾而“跑飛”等情況時，也要有一定的對策，以防止對系統(tǒng)造成嚴重損失。3)可維護性一個完整的控制軟件，通常需要一個不斷地設(shè)計、調(diào)試、修改和完善的過程，才會最終滿足系統(tǒng)所需的功能要求。因此，在軟件的總體設(shè)計時，必須要有良好的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便于程序的反復調(diào)試、修改和補充，并保證最終的軟件仍具有簡潔明了的結(jié)構(gòu)。 主程序的設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計，使程序流程清晰明了。系統(tǒng)主程序主要完成的內(nèi)容：系統(tǒng)參數(shù)初始化、打開中斷等。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 41 所示。可以看出，主程序是一個死循環(huán)，在系統(tǒng)上電初始化完畢后，系統(tǒng)一直在不斷的執(zhí)行這個循環(huán)程序。在循環(huán)過程中，若產(chǎn)生中斷，則程序就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。在后面將逐一介紹中斷服務(wù)程序，功能子程序等的設(shè)計。主程序如圖 41。開始系統(tǒng)初始Key1=1Key1=2雙電機調(diào).速 速電機 1 調(diào)速Key2=1Key2=1 電機 2 調(diào)速圖 41 主程序流程圖在 LM3S1138 中具有大量可設(shè)置的中斷源且可設(shè)置的中斷優(yōu)先級有 5 個。在雙直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，采用了大量中斷，包括：定時器中斷、GPIO 中斷、模擬比較器中斷。在測速模塊中，采用了 32 位定時器單次超時中斷，模擬比較器中斷記錄轉(zhuǎn)速。在按鍵控制模塊中，通過 GPIO 中斷實現(xiàn)按鍵控制。 顯示子程序的設(shè)計 LCD1602 顯示原理LCD1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，如表 41 所示，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號等，每一個字符都有一個固定的代碼[10]，比如大寫的英文字母‘A’的代碼是 41H，顯示時 1602 把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母‘A’ 。 .表 41 1602 字符碼表它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。指令如表42 所示。表 42 LCD1602 字符模塊指令表指令 RS RWD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ?置位輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S顯示 開/關(guān) 控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L ? ?置位顯示行、字體 0 0 0 0 1 DL N F ? ?置位字符發(fā)生存儲器 0 0 0 1 字符發(fā)生存儲器地址(ACG)置位數(shù)據(jù)存儲器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存儲器地址(ADD)讀忙標志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址(AC)寫數(shù)到 CGRAM 或 DDRAM 1 0 要寫入的數(shù)據(jù)從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)表中 1 代表高電平、0 代表低電平，指令功能具體說明如下：指令 1：清顯示，指令碼 01H，光標復位到地址 00H 位置。指令 2：光標復位，光標返回到地址 00H。指令 3：光標和顯示模式設(shè)置。I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令 4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示。C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標。B ：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令 5：光標或顯示移位。S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。指令 6：功能設(shè)置命令。DL：高電平時為 4 位總線，低電平時為 8 位總線。N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示。F: 低電平時顯示 57 的點陣字符，高電平時顯示 510 的點陣字符。指令 7：字符發(fā)生器 RAM 地址設(shè)置。指令 8：DDRAM 地址設(shè)置。指令 9：讀忙信號和光標地址。BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令 10：寫數(shù)據(jù)。指令 11：讀數(shù)據(jù)。 LCD1602 液晶顯示流程字符顯示模塊 LCD1602 的編程較為簡單，只要先輸入命令字，設(shè)置其工作方式，然后在將顯示數(shù)據(jù)輸入指定的存儲器位置即可。流程圖如圖 42 所示。圖 42 LCD1602 顯示子程序流程圖 鍵盤子程序的設(shè)計在“鍵盤模塊的設(shè)計”部分中提到了由于本設(shè)計的鍵盤鍵數(shù)較少，所以采取了獨立鍵盤作為設(shè)計的控制信號采集裝置。軟件實現(xiàn)時，可以采用中斷方式，也可以采用查詢方式?？紤]到 LM3S1138 的中斷源合理分配，本設(shè)計采取了查詢方式。查詢方式是指在程序中用一段專門的掃描和讀按鍵程序不停查詢有無按鍵按下，確定鍵值。這種方式電路簡單，但需要占用單片機的機器時間?？刂菩畔⒉杉能浖鞒虉D 43：圖 43 鍵盤程序流程 調(diào)速程序流程圖 正反轉(zhuǎn)程序流程圖在本設(shè)計當中 PWM 輸出頻率恒定為 1KHZ，雙直流電機轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié) PWM 的占空比實現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的，ARM LM3S1138 PB4 或者 PF6 端口輸出PWM 的占空比在 0—50%之間時為正轉(zhuǎn)，而占空比在 50%100%之間時直流電機反轉(zhuǎn)。其流程圖如圖 44。圖 44 正反轉(zhuǎn)程序流程圖 加速減速程序流程圖在本設(shè)計當中，其加速減速是通過調(diào)節(jié) PWM 的占空比實現(xiàn)的。當設(shè)定為正轉(zhuǎn)時，占空比在 050%之間變化，當占空比在這個范圍里減少時，通過按鍵控制以 10%速度步進直流電機速度增加；當設(shè)定為反轉(zhuǎn)時，占空比在 50%100%之間變化，當占空比在這個范圍里增加時，通過按鍵控制以 10%速度步進直流電機速度增加電機速度增加其流程圖如圖 45。圖 45 加速減速程序流程圖 比例調(diào)速流程圖 本設(shè)計當中，比例調(diào)速可謂是本系統(tǒng)核心，比例調(diào)速分為測速和調(diào)節(jié)兩部分，其程序流程圖為圖 47。開始預設(shè)轉(zhuǎn)速 a，占空比q=50%開始 測速轉(zhuǎn)速 b計算誤差 errerr10amp。err20《，q=qka0*errq=qka1*errq=qka2*errq=qka1*errq=qka0*errq=qka2*errerr20amp。err50《，err50err10amp。err20err50 電機正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)2Key3=20Key3=1初始化err50圖 46 比例調(diào)速流程結(jié)論PWM 技術(shù)是直流電機調(diào)速中最為有效的方法。本文對直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進行分析，詳細介紹系統(tǒng)的工作原理及其實現(xiàn)方法，闡述了利用 ARM 處理器對直流電機進行調(diào)速控制的方式和實現(xiàn)的方法。綜合應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，按鍵控制 ARM 開發(fā)板片內(nèi)外設(shè) PWM 輸出、引腳輸出。主要的研究結(jié)果如下： (1)介紹了 PWM 直流電機驅(qū)動原理，對使用 L298N 型直流電機驅(qū)動模塊進行分析和闡述；并利用 ARM1138 開發(fā)板輸出控制 L298N 驅(qū)動電路進而控制兩個直流電機運轉(zhuǎn)，詳細說明其原理和接線圖；(2)移植實時嵌入式系統(tǒng) Cortex?M3 內(nèi)核內(nèi)核到 ARM1138 開發(fā)板，對針對此開發(fā)板的片內(nèi)外設(shè) PWM 端口、GPIO 端口寫出了驅(qū)動程序；調(diào)節(jié)速度轉(zhuǎn)向及液晶顯示的程序。并且采用比例算法閉環(huán)控制實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的最優(yōu)化調(diào)節(jié)，減少誤差；（3）采用按鍵完成人與機器之間的互動，同時采用液晶顯示雙電機轉(zhuǎn)速信息；直流電機的調(diào)速控制是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及許多學科領(lǐng)域。用 ARM實現(xiàn)直流電機的 PWM 調(diào)速控制是其中一個研究熱點。利用現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)可以縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。直流電機作為執(zhí)行元件，在科技的進步中起到了非常重要的作用，而直流電機調(diào)速系統(tǒng)可方便地應(yīng)用于各種自動化控制領(lǐng)域。通過本次設(shè)計，加強了對 ARM1138 應(yīng)用知識的掌握，同時對使用ARM1138 實現(xiàn)自動化控制的設(shè)計過程有了全面地了解。通過學習控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用 ARM1138 制雙直流電機，我查閱了大量相關(guān)資料，學會了許多知識，培養(yǎng)了我獨立解決問題的能力。同時在對硬件電路設(shè)計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，在編寫程序中提高了自己的邏輯思維能力，總之本次設(shè)計使我受益匪淺當然在本次設(shè)計中還有需要完善的地方，比如在電機驅(qū)動電路和 ARM 開發(fā)板之間加入濾波電路以增強抗干擾能力及保護電機的驅(qū)動電路。 參考文獻[1] 周潤景,張麗娜 .基于 Proteus 的電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社,2022:182183[2] Proteus 的電路設(shè)計與仿真[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù) , 2022, 29(19): 8486[3] 胡文金,鐘秉翔,[M]. 重慶 :重慶大學出版社,2022:23[4] 寧成軍, Proteus 和 Keil 接口的單片機外圍硬件電路仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2022,18:142[5] 李學禮 , Proteus 軟件的單片機實驗室建設(shè)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2022,9:5[6] 張洪潤,[M] . 北京: 清華大學出版社,1997.[7] 于海生,[M] . 北京: 清華大學出版社,1999.[8] 王福瑞,[M] . 北京: 北京航空航天大學出版社,1998.[9] [M] .上海: 上海科學技術(shù)出版社,1989.[10] [M] .哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997.[11] 季維發(fā),過潤秋,[M] .北京: 電子工業(yè)出版社,1995.[12] 郭敬樞,莊繼東,[M] .重慶: 重慶大學出版社,1994.[13] [M] .北京: 機械工業(yè)出版社,1996.[14] [M] .北京: 北京航空航天大學出版社,1998.[15] [M] .北京: 北京航空航天大學出版社,1993.[16] 潘新民等: : 人民郵電出版社, 1992.[17] 王潤孝, ,1997.[18] 李伯成, PC ,1996.[19] ,膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄