【正文】 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24流電機的工作狀態(tài)進行改變。四、電機速度采集電路模塊在本系統(tǒng)中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較，通過偏差進行 PID 運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 m 個等分凹槽如圖 （a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉(zhuǎn)到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通， 接收到一個低電平，反之三極管截止， 接收到一個高電平，電路如圖 （b）所示，從圖中可以得出電機每轉(zhuǎn)一圈在 的輸出端就會產(chǎn)生 N 個低電平。其硬件電路如圖 所示，這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機以一定的轉(zhuǎn)速運行時， 將輸出如圖 所示的脈沖，若知道一段時間 T 內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 N，則電機轉(zhuǎn)速 。圓 盤 光 敏 三 極 管發(fā) 光 二 極 管+5V R2)/(srmTn?? 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 (a) (b)圖 電機速度采集圖 傳感器輸出脈沖波形 圖 速度采集五、顯示電路模塊 根據(jù)設(shè)計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機運行狀態(tài)進行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。這里使用 LCD1602，它有 16 個引腳，其引腳功能如表 所示。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 表 1602 液晶顯示模塊引腳功能圖 顯示電路由上圖可以看出單片機的 ~ 給 LCD1602 顯示器送數(shù)據(jù)和地址， 為數(shù)據(jù)和地址選擇端口， 為使能端口。引腳 符 號 引 腳 功 能 引腳 符 號 引 腳 功 能1 VSS 電源地 6 E 使能信號。2 VDD 電源正+5V 714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線3 VO 液晶顯示驅(qū)動電源 15 A 背光電源（+）4 RS H：數(shù)據(jù)輸入；L：指令碼輸入16 K 背光電源（）5 R/W H：數(shù)據(jù)讀??；L：數(shù)據(jù)寫入 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27六、鍵盤電路模塊根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用獨立鍵盤用以實現(xiàn)對 P、I、D 三個參數(shù)和電機正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對電機啟動、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 所示。圖 鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，1602LCD 將顯示開機界面，若按下設(shè)置鍵 S1 顯示屏進入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時按 SSS4 進入相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置的狀態(tài)，輸入相應(yīng)的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置，最后按啟動鍵 S5 啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應(yīng)鍵對電機進行暫停、繼續(xù)、反轉(zhuǎn)、停止運行的控制。第 3 節(jié) 本章小結(jié)通過上一章對系統(tǒng)的控制算法和硬件電路設(shè)計方案的確定，本章主要是單獨對硬件電路模塊進行介紹，分析單片機的接口資源和硬件電路模塊，通過結(jié)合原理圖對控制電路模塊、電源電路模塊、測速電路模塊、顯示電路模塊、鍵盤電路模塊進行了具體的原理和功能的分析介紹。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 280)]2()1(2)[)()]1()[)( uneneKneKnUDIP ??????第四章 軟件設(shè)計第一節(jié) 算法實現(xiàn)一、PID 算法本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法用到了 PID 算法，它是根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較從而得出偏差值 ，對偏差值進行 P、I 、D 運算最終利用運算)(ne結(jié)果來控制 PWM 脈沖的占空比，從而實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的進行調(diào)節(jié)，進而控制電機轉(zhuǎn)速。其運算公式為： ()因此要想實現(xiàn) PID 控制，在程序設(shè)計中就必須存在上述算法 [12]。二、電機速度采集算法本系統(tǒng)中對電機速度采集是一個必不可少的部分，并且它的精度直接影響到整個控制系統(tǒng)的精度。通過比較我們在本設(shè)計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： v= r/s ()tNn? 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(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量，但由于凹槽的數(shù)量越少，價錢就越高，因此經(jīng)過綜合考慮我們在本次設(shè)計中取凹槽數(shù) N 為 20，采樣時間 t 為。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29第二節(jié) 程序流程 在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程設(shè)計出程序流程如圖 所示。 圖 程序流程本次軟件設(shè)計是實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速進行控制，通過以上程序流程圖，可以看出，進入程序當(dāng)中，需要對單片機的液晶、驅(qū)動、PWM、定時器/ 計數(shù)器和I/O 口進行初始化，初始化完后，要進行鍵盤掃描，用 T1 進行脈沖計數(shù)，用 T0進行定時，當(dāng)定時為 10ms 時對電機進行轉(zhuǎn)速計算，通過計數(shù)脈沖和定時器時間和碼盤的凹槽數(shù)可以計算出直流電機的轉(zhuǎn)速，并對其進行 PID 調(diào)節(jié)，改變PWM 的占空比，從而調(diào)節(jié)速度，使設(shè)定轉(zhuǎn)速接近實際轉(zhuǎn)速。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30第三節(jié) 本章小結(jié)本章對 PID 算法和速度采集算法的實現(xiàn)進行了簡要的介紹，因為在直流電機調(diào)試當(dāng)中，一般 PID 算法都比較成熟，因此我們在算法上采用了 PID 算法進行速度的調(diào)節(jié)，通過光電編碼測速器對速度進行采集，通公式換算出電機的實時速度。通過對整個程序流程圖的設(shè)計基本對電路的控制結(jié)構(gòu)和算法結(jié)構(gòu)給搭建了起來。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31第五章 系統(tǒng)功能調(diào)試第一節(jié) 系統(tǒng) Proteus 仿真Proteus 軟件是一種低投資的電子設(shè)計自動化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達 30 多個元件庫。Proteus 軟件提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus 還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結(jié)果的影響，Proteus 軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。直流電機調(diào)速系統(tǒng)的 Proteus 仿真圖如圖 所示，圖 和圖 是其在不同的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)下的輸出脈沖波形。 圖 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的 Proteus 仿真圖 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 圖 直流電機調(diào)速速度 40r/s 時 PWM 脈沖寬度仿真 圖 直流電機調(diào)速速度 100r/s 時 PWM 脈沖寬度仿真從圖可以看出，通過 Proteus 仿真可以對單片機的轉(zhuǎn)速進行實時的顯示，并且可以通過觀察示波器來看單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，電機的轉(zhuǎn)速增加，此時電機的轉(zhuǎn)速變大時，脈沖個數(shù)增加了。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33第二節(jié) 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試是在仿真完成后對把元器件焊接在做好的 PCB 電路板上進行的，對焊接電路進行不可缺少的檢測。一、易犯錯誤硬件電路焊接出完后，通過萬用表對硬件電路進行有限的調(diào)試得以保證硬件電路焊接正確，主要是針對以下幾個容易出現(xiàn)的焊接錯誤進行測試：虛焊，電路沒有導(dǎo)通。短路，由于焊接時沒有注意導(dǎo)致短路。元器件損壞，導(dǎo)致電路開路。焊接和原理圖沒有對應(yīng)。二、檢測步驟如果在調(diào)試時，功能劃分的器件上出現(xiàn)了問題，需要對電路進行硬件檢測，可以按以下步驟進行：檢查原理圖連接是否正確。檢查原理圖與 PCB 圖是否一致。檢查原理圖與器件的 DATASHEET 上引腳是否一致。用萬用表檢查是否有虛焊，引腳短路現(xiàn)象。查詢器件的 DATASHEET，分析一下時序是否一致，同時分析一下命令字是否正確有條件的可以用示波器。飛線，用別的的口線進行控制，看看能不能對其進行正常操作，多試驗，才能找到問題出現(xiàn)在什么地方。第三節(jié) 系統(tǒng)軟件調(diào)試主要是根據(jù)程序框圖進行程序設(shè)計，一般第一次設(shè)計出來的都或多或少有錯誤，所以系統(tǒng)軟件調(diào)試是必不可少的，這次軟件調(diào)試我主要采用先調(diào)試出顯示部分在調(diào)試按鍵部分的順序，這樣可以節(jié)約很多時間，當(dāng)然調(diào)試程序時應(yīng)該注意以下幾點：調(diào)試程序應(yīng)該一個模塊一個模塊的調(diào)試。調(diào)試程序時大腦中需要有總的框架圖。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 34調(diào)試程序時必須要有耐心。第四節(jié) 系統(tǒng)實物調(diào)試系統(tǒng)實物調(diào)試是對焊好的 PCB 板進行各個功能的檢測，看是否能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，并對其 PID 參數(shù)進行設(shè)定，找出最佳的 PID 參數(shù)。 圖 電機在低速運行狀態(tài)下 圖 電機在高速運行狀態(tài)下 對 PID 參數(shù)的選定可以借助 MATLAB 進行測量，對不同的 PID參數(shù)下得到的速度進行作圖比較可以看出哪些參數(shù)條件下電機的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，由此可以得出運行效果比較好的電路設(shè)計。圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機轉(zhuǎn)速 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 圖 系統(tǒng)在 P=,I=,D= 條件下的電機轉(zhuǎn)速 圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機轉(zhuǎn)速根據(jù)以上 matlab 仿真圖形和附錄表七可以通過設(shè)定速度減去測得速度所得到的差值，通過方差公式 在通過最小轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速得到的方差和最大轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速得到的方差取平均值可以得到當(dāng) P=，I=,D= 時 z=,當(dāng) P=，I=,D= 時 z=，當(dāng) P=，I=,D= 時 z=可以看出當(dāng) P=，I=,D= 時 z=直流電機的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，而且能夠比較近似的反應(yīng)實際轉(zhuǎn)速。??211?????????nixz 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 36第五節(jié) 功能實現(xiàn)通過系統(tǒng)仿真，硬件、軟件調(diào)試以及實物調(diào)試，本次設(shè)計可以實現(xiàn)直流電機的實時速度控制和正反轉(zhuǎn)控制，并能夠通過液晶顯示器可以對輸出速度和設(shè)定速度進行實時顯示，使直流電機工作在預(yù)設(shè)速度范圍內(nèi)，從而達到了比較理想的速度輸出效果。第六節(jié) 本章小結(jié)在做這一部分內(nèi)容時，確實遇到了很多問題，當(dāng)時焊接電路時就出現(xiàn)了虛焊的錯誤，用萬用表檢測了很久才找出了問題所在，還有個頭痛的就是軟件調(diào)試，這部分是花了我很多時間，因為之前通過軟件流程圖編出來的程序不能運行，經(jīng)過一步一步的修改先可以顯示，后來實現(xiàn)了按鍵的功能，最后通過對算法的編寫也用了很多時間才實現(xiàn)了電機的轉(zhuǎn)速實時控制。調(diào)試出了程序，我就通過優(yōu)化原理圖并生成了 PCB 圖，最后焊接了 PCB，對最終電路進行了調(diào)試，并達到了比較理想的效果。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 37結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計的目的是進行單片機的直流電機調(diào)速，本次設(shè)計主要通過PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。通過對控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤模塊、數(shù)字 PID 算法等進行介紹和原理分析，完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計，并且利用 Protel99se 軟件繪制出原理圖（見附錄三）和 PCB 圖（見附錄四） 。程序方面采用了 C 語言進行編程，增強了程序的可移植性和靈活性?？偟臍w納起來主要做了如下幾方面的工作：通過軟件編程實現(xiàn)了PID算法與PW