【正文】 顯示子程序流程圖如圖 5— 6 所示： 圖 5— 6 LCD1602 顯示子程序流程圖 定時 /計(jì)數(shù)器 T1 測速程序的設(shè)計(jì) MCS51 單片機(jī)（ 51 系列）內(nèi)部包含有兩個 16 為的定時 /計(jì)數(shù)器，分別為 T0 和 T1，開始初始化成 8 位口2 行顯示 ， 5 * 7 陣列第一行顯示 S p ee d ：實(shí)測轉(zhuǎn)速第二行顯示 SET ：設(shè)定轉(zhuǎn)速及電機(jī)狀態(tài)S / Z / F設(shè)置光標(biāo)平移設(shè)置顯示光標(biāo)結(jié)束清屏 可以用來定時、延時、對外部和內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)、分頻和事故記錄。 本次設(shè)計(jì)采用 LCD1602，在顯示中分別有顯示字符和顯示數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 +單位的顯示即（ Speed:+20r/s),1602 顯示主要依靠三個控制端分別為： RS—寄存器選擇輸入端；R/W—讀寫信號輸入端； E—使能端。在按鍵程序中主要不斷的循環(huán)判斷按鍵的狀態(tài)，并對按鍵做好消抖工作即可。 當(dāng) count=50 時，占空比達(dá)到最大值，即電機(jī)速度達(dá)到最大。 //1ms 次數(shù)加 1 if(count=50) //100hz 的頻率輸出 count=0。這樣就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的 的目的了。當(dāng) PWM 波的頻率太高時，它對直流電機(jī)驅(qū)動的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng) PWM波的頻率在 18KHz左右時，效果最好。通過 L298N 來驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，則可根據(jù)其三個控制端口 IN IN ENA 來控制驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行。 電機(jī)驅(qū)動程序 的設(shè)計(jì) L298N 控制電機(jī)的驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時有兩 個 方案： （ 1） 利用控制端子 IN1 和 IN2 高低電平來控制電機(jī)的 正反轉(zhuǎn) ，當(dāng)這兩個端子的電平不同時分別使電機(jī) 正轉(zhuǎn) 或 反轉(zhuǎn) ；用 ENA 端口輸出 PWM 波驅(qū)動電機(jī)的加減速，當(dāng) IN3 和IN4 兩端電平相同時電機(jī)急停。當(dāng) 200us 定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序，完成對定 時器的再次賦值，并對全局變量 time 加 1，這樣，通過變量 time 可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時間。按鍵時，每進(jìn)行一次增加 或 減少一定的占空比。a) for(b=120。 主程序流程圖如圖 5— 1 所示： 圖 5— 1 主程序流程圖 本系統(tǒng)編程部分工作采用 KeilC51 語言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、 PWM 脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計(jì)。 主程序中有定時器初始化，兩個定時器中斷子程序 和一個 外部中斷服務(wù) 子 程序。發(fā)光二極管便于觀察，其閃爍的頻率也就是輸出脈沖的頻率。 霍爾元件介紹 在電機(jī)的定子磁場中，固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的小磁鋼的磁力線通向轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中引起定子磁通發(fā)生周期性的變化，從而引起了霍爾元件輸出信號的頻率變化，產(chǎn)生脈沖。 LCD1602 簡介 LCD1602 是字符型液晶， 顯示字母 、 數(shù)字比較方便， 易于 控制，成本低。因此，為保護(hù)電機(jī)電樞繞組在電機(jī)轉(zhuǎn)向時不被反相電動勢損壞， 在電機(jī)驅(qū)動電路中必須要設(shè)置保護(hù)電路。當(dāng)按鍵斷開時，單片機(jī) P1 口處于高電平，按鍵按下導(dǎo)通后，相應(yīng)的 P1 口就變成了低電平。 獨(dú)立鍵盤模塊設(shè)計(jì) 在 此次設(shè)計(jì)的 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中 ，考慮到要對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，需要經(jīng)過按鍵命令來施行。變壓器將 220V的交流電壓降壓、變?yōu)樗璧慕涣麟妷褐担蠼?jīng)整流電路把交流電壓變成不穩(wěn)定的直流電壓。缺點(diǎn)是接入電阻后 電樞的銅耗增大，電動機(jī)的效率要降低，另外電動機(jī)的機(jī)械特性將變軟，使負(fù)載變動時轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大的變化。 基于以上特性 , 改變電樞電壓 , 實(shí)現(xiàn)對直流電 動 機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法，被廣泛使用。 直流電機(jī)的工作原理：將直流電源通過電刷，接通電樞繞組，使電樞道題有電流流過；電動機(jī)內(nèi)部有磁場存在；載流的轉(zhuǎn)子（電樞）導(dǎo)體將受到電磁力的作用；所有導(dǎo)體將產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以 n（ r/min）旋轉(zhuǎn)以便拖動機(jī)械負(fù)載 [7]。通過軟件程序控制，單片機(jī)給電機(jī)的驅(qū)動電路發(fā)送 PWM 信號，改變占空比進(jìn)而改變電機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 （ 2） 轉(zhuǎn)速 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特 點(diǎn)： 轉(zhuǎn)速 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的 穩(wěn)態(tài)特性 比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的 穩(wěn)態(tài)特性硬得多， 保證 了對 靜差率 有 要求 的情況 下， 還可以 提高 系統(tǒng)的 調(diào)速范圍，為此需要付出的代價是須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個閉合的環(huán)路，因此被稱做閉環(huán)控制系統(tǒng)；在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) [11]。一般較典型的單片機(jī)的有兩個定時器分別是 T0 和 T1。 ，引入中斷后，將有一定的誤差 。 比 如 8 位 的 PWM, 理 論上 其 分辨 率 為 1:255 , 16 位 的PWM 分辨 率 即為 1: 65535（單斜率） 。用一 組 等幅 、 不等 寬的脈沖代 替一個正弦半 波， 將 正弦半 波 分成 N 個 等分， 并 看成 N 個 相連的脈沖序 列，寬度相 等，但幅 值不等，如圖 3— 4（ a） 用矩 形脈沖代 替，等幅，不等 寬，中點(diǎn)重 合，面積 ( 沖量 ) 相 等， 其 寬度 是 按正弦規(guī) 律 改變的 ，如圖 3— 4（ b） 所示。沖量指 的是 窄 波 的面積 大小 。嚴(yán)格來說，平均速度 Vd 與占空比 D 并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 脈寬調(diào)制的方波 如圖 3— 2 所示： 圖 3— 2 PWM 方波 如圖 3— 2 所示， t1 為導(dǎo)通時間， t2 為阻斷時間，占空比 TtD 1? ,用于表示一個周期中電力電子開關(guān)導(dǎo)通所占的時間比例。 本次設(shè)計(jì) 我們選用了 雙 極性工作制。 （ 3）采 用定時器作為脈寬控制的定時方法，且單片機(jī)內(nèi)部自帶定時器相對簡單，并 且產(chǎn)生的脈寬精度極其精確，所以我選用定時器產(chǎn)生 PWM。 PWM 調(diào)寬方式 PWM 的調(diào)脈寬的方式有：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。只是光電開關(guān)響應(yīng)速度不快所以這種測速方法只是適合于轉(zhuǎn)速不高的場合。這種測速方法精確度高因此一般用于需要測量電機(jī)轉(zhuǎn)角的場合。 方案一 : 用 光電 旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行檢測。這種顯示器與單片機(jī)的連接簡單，控制命令較少，比較容易實(shí)現(xiàn)。通常情況下，如果按照 8*8 的點(diǎn)陣方式顯示，可以顯示一般的漢字，如果按照 16*16 的點(diǎn)陣方式顯示，可以實(shí)現(xiàn)較繁鎖漢字的顯示。 綜合以上兩種方案，在本設(shè)計(jì)中采用方案二。 方案二：采用獨(dú)立式鍵盤直接與單片機(jī)進(jìn)行連接。 鍵盤的選擇 在本設(shè)計(jì)中鍵盤的功能主要是為了實(shí)現(xiàn)參數(shù) 的設(shè)定，鍵盤設(shè)計(jì)方案有以下幾種。 （ 3）直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用的是 PWM 技術(shù)，用不可控整流電源供電或直流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。 （ 1）旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組就是 GM 系統(tǒng)，用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組組成機(jī)組，來獲得可調(diào)的直流電壓。 XTAL1（ 19引腳）：接外部晶振的一端，作為反相放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 EA /VPP（ 31引腳）：片外程序存儲器選用端。在訪問片外存儲器時，信號處于無效狀態(tài)。 RST（ 9引腳）：單片機(jī)復(fù)位引腳。 P2口有兩種功能，一種是可作準(zhǔn)雙向 I/O端口使用，另一種是與 P0口配合，在外接片外存儲器或擴(kuò)展 I/O端口且尋址范圍超過 256B時，用于傳輸片外存儲器高8位地址。驗(yàn)證時，要求外接阻值 10K的上拉電阻。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動 8個 TTL負(fù)載，對端口 P0寫入 “1”時，可以作為高阻抗輸入。 我們通過編寫程序來控制單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的指令，從而實(shí)現(xiàn) 對指定電路的控制。 STC89C52 單片機(jī)引腳如圖 3— 1 所示： 圖 3— 1 STC89C52 單片機(jī)管腳圖 在常用的 89 系列的單片機(jī)中， 51 系列只有 4K 字節(jié)的在系統(tǒng)可編程 的 Flash 存儲器， 128字節(jié) RAM。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)具有體積小，重量輕，耗電少，功能強(qiáng)，控制靈活方便，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 第 3 章 系統(tǒng) 總體 方案 的設(shè)計(jì) 本課題研究的對象是直流電動機(jī)，對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 比例積分控制 集 比例控制和積分控制 兩者的 優(yōu)點(diǎn)， 而且 克服了各自 不足之處 ，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。從無靜差的角度突出的表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是從另一方面看，在控制的快速性上，積分控制又不如比例控制。 圖 2— 5 比例微分控制示意圖 （ 4）比例積分微分控制（ PID） 當(dāng)控制對象慣性較大且控制精度要求較高時便采用 PID 調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式汲取了三種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，既能快速控制，又能消除余差，具有良好的控制性能。 （ 1） 比例控制（ P） ： 此種控制方法控制反應(yīng)靈敏，控制及時，偏差越大控制的能力越強(qiáng)，不過控制結(jié)果存在一定的偏差，并且放大倍數(shù)的增加是有限度的 。 實(shí)際上開環(huán)放大系數(shù) K 的增大，有可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，控制器必須具有放大功能，即設(shè)置放 大器。 ?nUnU U? cU dU n比 較 環(huán) 節(jié) 比 例 調(diào) 節(jié) 器 觸 發(fā) 整 流 裝 置轉(zhuǎn) 速 反 饋 環(huán) 節(jié)pK sK ?eC1? RI d+ E+ 圖 2— 2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 其中， Kp 為調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)； Ks 為觸發(fā)整流裝置的比例系數(shù)； ? 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；可參照上圖，建立系統(tǒng)的靜特性方程，即 )K1(C RI)K1(C UKKn de SP ??????? en （ 公式 2— 1） 而開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 ?? ee SP C RIC UKKn dn ??? （ 公式 2— 2） 比較以上兩式，從特性曲線硬度、靜差率、調(diào)速范圍等方面來進(jìn)行分析，則有 (1)相同理想空載轉(zhuǎn)速時，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。 本次設(shè)計(jì)的控制器是 STC89C52 單片機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是 L298N 芯片，被控對象是小型有刷直流電機(jī)。控制器的輸入信號是變送器送來的測量信號與人工內(nèi)定的或外部輸入的設(shè)定信號。單片機(jī)系統(tǒng)硬件簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，能夠適應(yīng)各種不同的環(huán)境，容易提高和擴(kuò)展系統(tǒng)功能， 得到極為廣泛的應(yīng)用。各種系統(tǒng)都是通過轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)的，綜上所述，直流調(diào)速系統(tǒng)是電力拖 動控制系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)。 （ 3）實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速，測出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定的值相比較形成偏差并且根據(jù)偏差調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。另一方面通過測速電路把電機(jī)的轉(zhuǎn)速送給單片機(jī)在通過液晶顯示出來， 從而可以直觀的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 鑒于直流調(diào)速系統(tǒng)的重要地位，因此對直流調(diào) 速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制 要求尤為嚴(yán)格和精確，大致涵蓋了調(diào)速，加減速，穩(wěn)速這三大方面。單片機(jī)是相對于單板機(jī)而言的，是指將 CPU、并行 I/O 接口、定時 /計(jì)數(shù)器、 RAM、 ROM 等功能部件集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。長期以來，直流電機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制系統(tǒng)的統(tǒng)治 性 地位。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展 及 各種新的理論方法， 像 現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù) 得 得了 迅速的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng) 有了很 多種 的 PWM 控制技術(shù) [2]。計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以使復(fù)雜的控 制規(guī)律較方便的實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng)域的主流，也給直流電氣傳動的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動進(jìn)入了更新的發(fā)展階段 [1]。這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡單易行 ，且 設(shè)備 的 制造價格低 且方便 ，但 其 缺點(diǎn)是 有 效率低，機(jī)械特性過軟 ， 且 不 可以 在較寬 的 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 較平滑的 調(diào)速 ， 所以目前很少使用。目前，在我國，在功率較大要求較高的現(xiàn)代化自動控制系統(tǒng)中，交流電機(jī)是很難達(dá)到的，一般還是采用直流電機(jī)驅(qū)動。生產(chǎn)規(guī)模小、設(shè)備差、能力欠佳，就連材料也多數(shù)依賴