【正文】 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（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。本次設計中應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，在圓盤的一側固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側和發(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一圈在 的輸出端就會產生 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速了。例如當電機以一定的轉速運行時， 將輸出如圖 所示的脈沖，若知道一段時間 T 內傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 N，則電機轉速 。圓 盤 光 敏 三 極 管發(fā) 光 二 極 管+5V R2)/(srmTn?? 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（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。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（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?。籐：數(shù)據(jù)寫入 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 27六、鍵盤電路模塊根據(jù)設計需求，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)和電機正反轉的設定，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，若按下設置鍵 S1 顯示屏進入?yún)?shù)設置界面，此時按 SSS4 進入相應參數(shù)的設置的狀態(tài)，輸入相應的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設置，最后按啟動鍵 S5 啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應鍵對電機進行暫停、繼續(xù)、反轉、停止運行的控制。第 3 節(jié) 本章小結通過上一章對系統(tǒng)的控制算法和硬件電路設計方案的確定，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。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 280)]2()1(2)[)()]1()[)( uneneKneKnUDIP ??????第四章 軟件設計第一節(jié) 算法實現(xiàn)一、PID 算法本系統(tǒng)設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節(jié)，進而控制電機轉速。其運算公式為： ()因此要想實現(xiàn) PID 控制，在程序設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，因此經過綜合考慮我們在本次設計中取凹槽數(shù) N 為 20，采樣時間 t 為。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（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設計任務的，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)運行過程設計出程序流程如圖 所示。 圖 程序流程本次軟件設計是實現(xiàn)對電機的轉速進行控制，通過以上程序流程圖，可以看出，進入程序當中，需要對單片機的液晶、驅動、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，當定時為 10ms 時對電機進行轉速計算，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速，并對其進行 PID 調節(jié)，改變PWM 的占空比，從而調節(jié)速度，使設定轉速接近實際轉速。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 30第三節(jié) 本章小結本章對 PID 算法和速度采集算法的實現(xiàn)進行了簡要的介紹，因為在直流電機調試當中，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計基本對電路的控制結構和算法結構給搭建了起來。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 31第五章 系統(tǒng)功能調試第一節(jié) 系統(tǒng) Proteus 仿真Proteus 軟件是一種低投資的電子設計自動化軟件，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。直流電機調速系統(tǒng)的 Proteus 仿真圖如圖 所示，圖 和圖 是其在不同的轉速調節(jié)下的輸出脈沖波形。 圖 直流電機調速系統(tǒng)的 Proteus 仿真圖 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 32 圖 直流電機調速速度 40r/s 時 PWM 脈沖寬度仿真 圖 直流電機調速速度 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的脈沖個數(shù)，電機的轉速增加，此時電機的轉速變大時，脈沖個數(shù)增加了。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 33第二節(jié) 系統(tǒng)硬件調試系統(tǒng)硬件調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，電路沒有導通。短路，由于焊接時沒有注意導致短路。元器件損壞，導致電路開路。焊接和原理圖沒有對應。二、檢測步驟如果在調試時，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)軟件調試主要是根據(jù)程序框圖進行程序設計，一般第一次設計出來的都或多或少有錯誤，所以系統(tǒng)軟件調試是必不可少的，這次軟件調試我主要采用先調試出顯示部分在調試按鍵部分的順序，這樣可以節(jié)約很多時間，當然調試程序時應該注意以下幾點：調試程序應該一個模塊一個模塊的調試。調試程序時大腦中需要有總的框架圖。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 34調試程序時必須要有耐心。第四節(jié) 系統(tǒng)實物調試系統(tǒng)實物調試是對焊好的 PCB 板進行各個功能的檢測，看是否能夠滿足系統(tǒng)的設計要求，并對其 PID 參數(shù)進行設定，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)條件下電機的轉速比較穩(wěn)定，由此可以得出運行效果比較好的電路設計。圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機轉速 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 35 圖 系統(tǒng)在 P=,I=,D= 條件下的電機轉速 圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機轉速根據(jù)以上 matlab 仿真圖形和附錄表七可以通過設定速度減去測得速度所得到的差值，通過方差公式 在通過最小轉速與設定轉速得到的方差和最大轉速與設定轉速得到的方差取平均值可以得到當 P=，I=,D= 時 z=,當 P=，I=,D= 時 z=，當 P=，I=,D= 時 z=可以看出當 P=，I=,D= 時 z=直流電機的轉速比較穩(wěn)定，而且能夠比較近似的反應實際轉速。??211?????????nixz 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 36第五節(jié) 功能實現(xiàn)通過系統(tǒng)仿真，硬件、軟件調試以及實物調試，本次設計可以實現(xiàn)直流電機的實時速度控制和正反轉控制，并能夠通過液晶顯示器可以對輸出速度和設定速度進行實時顯示，使直流電機工作在預設速度范圍內，從而達到了比較理想的速度輸出效果。第六節(jié) 本章小結在做這一部分內容時，確實遇到了很多問題，當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)了電機的轉速實時控制。調試出了程序，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試，并達到了比較理想的效果。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 37結論本次畢業(yè)設計的目的是進行單片機的直流電機調速，本次設計主要通過PID 算法產生 PWM 脈沖來控制直流電機的轉速。通過對控制器模塊、電機驅動模塊、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。總的歸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