【正文】 對于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！ 在 **度過的四年是我學(xué)生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠(yuǎn)的美好的回憶。 首先，我要特別感謝 ***老師對我的悉心指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計期間 *老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻(xiàn)資料，理清設(shè)計思路，完善操作方法，并對我所做的設(shè)計提出有效的改進(jìn)方案。另外 ， 此電路中 LED可以換成 LCD以便可以用鍵盤實現(xiàn)更多功能。 展望 通過本次畢業(yè)設(shè)計，使我學(xué)到了許多書本上無法學(xué)到的知識 ,也使我深刻體會到單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。 圖 610 加速后 波形（ COT1=10） 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 33 頁 共 43 頁 7 總結(jié)與展望 總結(jié) 本課題的目的在于利用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM脈沖，采用數(shù)字 PID算法調(diào)節(jié) PWM的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。倘若此時按方向按鈕，電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動，如圖 67 所 示，此時， Q6 一端固定為低電平， Q5 一端為變化的 PWM 信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 （ 6）電路仿真 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 29 頁 共 43 頁 點仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進(jìn)行仿真。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 28 頁 共 43 頁 圖 63 Proteus 元器件選取界面 本設(shè)計所需選用的元器件如下： ① AT89S52:單片機(jī)（ Proteus元件庫里無 AT89S52，可以用 AT89C52替代） ② RES、 RX RESPACK8:電阻、排阻、上拉電阻 ③ CRYSTAL:晶振 ④ CAP、 CAPELEC:電容、電解電容 ⑤ 780 7812:5V、 12V三端穩(wěn)壓塊 ⑥ IN4007：二極管 ⑦ 7SEGMPX4CA： LED液晶顯示器 ⑧ IPULSE：脈沖信號檢測器 ⑨ BUTTON：按鍵 ⑩ MOTORENCODER：直流電機(jī) 放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄Ⅱ所示的系統(tǒng)整體電路，最后進(jìn)行電氣檢測。通過 Proteus軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個功能齊全、實用方便的單片機(jī)實驗 室。 ISIS直譯為智能原理圖輸入系統(tǒng)。 圖 54 鍵盤程序流程 定時程序流程 在本系統(tǒng)中定時器 T0 中斷子程序是用來控制電機(jī)運行時間和進(jìn)行速度計算和 PID 運算，其程序流程如圖 55所示。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 23 頁 共 43 頁 圖 52 程序流程圖 先通過鍵盤設(shè)定期望速度，再通過 PID算法對 PWM輸出的占空比進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度時，保持占空比的輸出。 鍵盤電路設(shè)計 獨立式鍵盤的按鍵相互獨立，每個按鍵接一根 I/O口線，一根 I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它 I/O口線的工作狀態(tài)。其中 7段發(fā)光二極管構(gòu)成 7筆的字形 “8”,1 根發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。而光的波長也就是光的顏色，是由形成 PN結(jié)的材料決定的。 LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 通過設(shè)置讓定時器 T0每 50ms產(chǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速： V==(TH1*256+TL1) (r/min)。 測速齒輪上共有 24個齒，顯然每個齒轉(zhuǎn)過霍爾元件都會引起一個脈沖信號，則電動機(jī)每轉(zhuǎn)一周總共產(chǎn)生 24個信號。 本文采用市場上應(yīng)用較多的霍爾開關(guān)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。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)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(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其電路如圖 53所示，利用兩個光電耦 合器將單片機(jī)的 I/O與驅(qū)動電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。 AT89S52 LED顯示電路 電機(jī)驅(qū)動電路 電機(jī) 霍爾測速電路 鍵盤 電源 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 16 頁 共 43 頁 圖 42 電源電路 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)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(jī)的 I/O口不能直接驅(qū)動電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動模塊才能保證電機(jī)按照控 制要求運行，在這里選用 L298N電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片是由四個大功率晶體管組成的 H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“ F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。 經(jīng)過上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下： 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 14 頁 共 43 頁 （ 1）控制模塊： 采用 AT89S52單片機(jī)； （ 2）電機(jī)驅(qū)動模塊：采用直流電機(jī)驅(qū)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 780 7812芯片實現(xiàn)。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件連接不是很復(fù)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(jìn)行設(shè)計。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。 方案三：采用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進(jìn)行顯示。 ，所以綜合考慮在設(shè)計中選用第 一 種方案進(jìn)行設(shè)計。 方案三：采用測速發(fā)電機(jī)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。當(dāng)磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機(jī)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(jìn)行電機(jī)速度的檢測。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大 的提高了工作效率。 驅(qū)動電路設(shè)計方案 單 片 機(jī) 輸入電路 電源 顯示電路 測速電路 驅(qū)動電路 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 12 頁 共 43 頁 本次設(shè)計的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動模塊是必不可少，其方案有一下兩種。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。 單片機(jī)設(shè)計方案 方案一：采用 AT89S51/AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來調(diào)整 P、 I、 D三者參數(shù)的大小的 。下面簡單介紹兩種常用的簡易工程整定法。 增 量式算法是位置算法的一種改進(jìn)。 為將模擬 PID 控制規(guī)律離散化，我 們把 ()rt 、 ()et 、 ()ut 、 ()ct 在第 n次采樣的數(shù)據(jù)分別用 ()rk 、 ()ek 、 ()uk 、 ()ck 表示，于是式（ 23）變?yōu)椋? ( ) ( ) ( )e k r k c k?? (24) 當(dāng)采樣周期 T很小時 dt 可以用 T 近似代替， ()det 可用 ( ) ( 1)e k e k??近似代替， “ 積分 ” 用 “ 求和 ” 近似代替，即可作如下近似 ( ) ( ) ( 1)de t e k e kdt T??? (25) 0 1( ) ( )ntie t dt e i T???? (26) 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 9 頁 共 43 頁 這樣，式（ 23）便可離散化以下差分方程 01( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT?? ? ? ? ? ?? (27) 上式中 0u 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()puk,即 ()puk= {( )PK ek (28) 第二項起積分控制作用 ,稱為積分 (I)項 ()Iuk即 1( ) ( )kIP iITu k K e iT ?? ? (29) 第三項起微分控制作用 ,稱為微分 (D)項 ()Duk即 ( ) [ ( ) ( 1 ) ]DDP Tu k K e k e kT? ? ? (210) 式（ 27）的輸出量 nu 為全量輸出 ,它對于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達(dá)到的位置。由于本文只用到數(shù)字 PID，所以只介紹數(shù)字 PID算法 。 PID 算法簡介 PID 控制 在連續(xù)控制系統(tǒng)中， PID控制算法得到了廣泛的應(yīng)用，是技術(shù)最成熟的控制規(guī)律。 PWM的一個優(yōu)點是從 AT89S52到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。 由公式（ 22）可見，當(dāng)我們改變占空比 D=t1/T時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 aV ,從而達(dá)到調(diào)速的目的。因此， PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 PWM 原理及其實現(xiàn)方法 PWM 基本原理 PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn) 而達(dá)到控湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 7 頁 共 43 頁 制要求的一種電壓調(diào)整方法。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖 （ b）所示。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。 VM系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可 逆運行造成困難。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點。 （ 3）直流斬波器 （ 脈寬調(diào)制變換器 ） 。 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： （ 1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。 （ 2）改變電動機(jī)主磁通 ? 。 由公式（ 21）可知，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊 ab和 cd流入，使線圈邊只要處于 N極下，其中通過電流的方向總是由電刷 A流入的方向，而在 S極下時，總是從電刷 B流出的方向，這就保證了每個磁極下線圈邊中的電流始終是一個方向，這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動機(jī)連續(xù)旋 轉(zhuǎn)。在換向片上放置著一對固定不動的電刷 B1和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。圖 21為直流電機(jī)的物理模型圖，其中，固定部分（定子）由磁鐵（稱為主磁極）和電刷組成；轉(zhuǎn)動部分（轉(zhuǎn)子）由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。 目前，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没殡S著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單