【正文】 最后感謝在百忙之中抽出時(shí)間進(jìn)行評(píng)閱和畢業(yè)答辯的各位專家、教授。除了敬佩白老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師白文峰老師。但是同時(shí)也看到了自己專業(yè)知識(shí)的不足，在未來(lái)的學(xué)習(xí)工作中，我會(huì)再接再厲，充實(shí)自己并努力將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到工作中。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我翻閱了很多關(guān)于單片機(jī)、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)及自動(dòng)控制原理等相關(guān)知識(shí)的資料，增長(zhǎng)很多的知識(shí)。當(dāng)測(cè)量值大于鍵盤輸入的設(shè)定值時(shí)，則發(fā)出報(bào)警。本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心，通過(guò)由大功率晶體管構(gòu)成的 H 橋 PWM 脈寬調(diào)制控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣次數(shù)為 3 次，其流程圖如圖 45 所示。開(kāi)始初始化采樣次數(shù) N = 3啟動(dòng) A / DA / D 轉(zhuǎn)換完成 ？讀 、 存結(jié)果地址 + 1N 1 = 0 ？返回NNYY圖 44 采樣子程序流程圖長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字濾波子程序?yàn)榱颂岣呦到y(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性，本系統(tǒng)采用中值濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）將 A / D 結(jié)果賦給 c ( k )求 e ( k ) = r ( k ) c ( k )Δ u ( k ) = q 0 e ( k ) + q 1 e ( k 1 ) + q 2 e ( k 2 )e ( k 2 ) = e ( k 1 )e ( k 1 ) = e ( k )u ( k ) = Δ u ( k ) + u ( k 1 )u ( k 1 ) = u ( k )離線計(jì)算 q 0 , q 1 , q 2 , 置 e （ k 1 ） = e ( k 2 ) = 0 , u ( k 1 ) = 0采樣時(shí)刻是否到 ？將 u ( k ) 輸出YN圖 43 數(shù)字 PID 增量型控制算法流程圖長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)據(jù)采集及處理子程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集子程序本設(shè)計(jì)采用霍爾元件 VGN3501 經(jīng) ADC0809 轉(zhuǎn)換測(cè)量電流大小。為了減小誤差和誤動(dòng)作的影響，本設(shè)計(jì)使用數(shù)字 PID 增量型控制算法。此外，微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差的變化趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，以被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此屬于“超前或未來(lái)”型調(diào)節(jié)控制。反之 Ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值，屬于“歷史積累”型調(diào)節(jié)控制。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活地長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）采用不同的控制組合, 如圖 42，Kp 為比例運(yùn)算放大系數(shù)，Ti 為積分時(shí)間，Td 為微分時(shí)間。 PID 算法的單片機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)PID 控制即比例（Proportional） 、積分（Integrating） 、微分（Differentiation）控制。但是，匯編語(yǔ)言用來(lái)編制系統(tǒng)軟件和過(guò)程控制軟件，其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快，有著高級(jí)語(yǔ)言不可替代的用途。目標(biāo)程序是機(jī)器語(yǔ)言程序，當(dāng)它被安置在內(nèi)存的預(yù)定位置上，就能被計(jì)算機(jī)的 CPU 處理和執(zhí)行。 匯編語(yǔ)言中由于使用了助記符號(hào)，用匯編語(yǔ)言編制的程序輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)不能像用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序一樣直接識(shí)別和執(zhí)行，必須通過(guò)預(yù)先放入計(jì)算機(jī)的匯編程序中進(jìn)行加工和翻譯，才能變成能夠被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別和處理的二進(jìn)制代碼程序。使用匯編語(yǔ)言能面向機(jī)器并較好地發(fā)揮機(jī)器的特性，得到質(zhì)量較高的程序。 對(duì)于不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)，有著不同的結(jié)構(gòu)的匯編語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言由于采用了助記符號(hào)來(lái)編寫程序，比用機(jī)器語(yǔ)言的二進(jìn)制代碼編程要方便些，在一定程度上簡(jiǎn)化了編程過(guò)程。 （2）目標(biāo)代碼簡(jiǎn)短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 保持了機(jī)器語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，具有直接和簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)。這樣用符號(hào)代替機(jī)器語(yǔ)言的二進(jìn)制碼，就把機(jī)器語(yǔ)言變成了匯編語(yǔ)言。：匯編語(yǔ)言是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。用匯編語(yǔ)言編寫的程序，可作為高級(jí)語(yǔ)言的一個(gè)外部過(guò)程或函數(shù)，利用堆棧來(lái)傳遞參數(shù)或參數(shù)的地址。 高級(jí)語(yǔ)言程序“看不見(jiàn)”機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，不能用于編寫直接訪問(wèn)機(jī)器硬件資源的系統(tǒng)軟件或設(shè)備控制軟件。所以匯編語(yǔ)言適合編寫一些對(duì)速度和代碼長(zhǎng)度要求高的程序和直接控制硬件的程序。高級(jí)語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)無(wú)關(guān)，它有更強(qiáng)的表達(dá)能力，可方便地表示數(shù)據(jù)的運(yùn)算和程序的控制結(jié)構(gòu)，能更好的描述各種算法，而且容易學(xué)習(xí)掌握。而高級(jí)語(yǔ)言又主要是相對(duì)于匯編語(yǔ)言而言的，它是較接近自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)公式的編程，基本脫離了機(jī)器的硬件系統(tǒng)，用人們更易理解的方式編寫程序。如確保程序的正確性、高效性； （2）程序員既要駕馭程序設(shè)計(jì)的全局又要深入每一個(gè)局部直到實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，即使智力超群的程序員也常常會(huì)顧此失彼，屢出差錯(cuò)，因而所編出的程序可靠性差，且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；（3）由于用機(jī)器語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的思維和表達(dá)方式與人們的習(xí)慣大相徑庭，只有經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間職業(yè)訓(xùn)練的程序員才能勝任，使得程序設(shè)計(jì)曲高和寡； （4）因?yàn)樗臅嫘问饺敲艽a，所以可讀性差，不便于交流與合作； （5）因?yàn)樗鼑?yán)重地依賴于具體的計(jì)算機(jī)，所以可移植性差，重用性差； 這些弊端造成當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用未能迅速得到推廣。它是第一代的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器語(yǔ)言或稱為二進(jìn)制代碼語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)可以直接識(shí)別，不需要進(jìn)行任何翻譯。：機(jī)器語(yǔ)言是直接用二進(jìn)制代碼指令表達(dá)的計(jì)算機(jī)低級(jí)語(yǔ)言，指令是用 0 和 1組成的一串代碼，它們有一定的位數(shù)，并分成若干段，各段的編碼表示不同的含義，例如某臺(tái)計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)為 16 位，即有 16 個(gè)二進(jìn)制數(shù)組成一條指令或其它信息。通過(guò)軟件控制大功率晶體管 GTR 的導(dǎo)通及關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)單極式、雙極式、受限單極式三種控制方式之間的自動(dòng)切換。轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)均采用閉環(huán)，由軟件控制，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，內(nèi)環(huán)的采樣周期小于外環(huán)的采樣周期。當(dāng)檢測(cè)值小于或等于設(shè)定值時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié) PWM 值；當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)給出信號(hào)使報(bào)警電路工作，LED 燈被點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，提醒工作人員進(jìn)行故障處理。PWM 由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)產(chǎn)生，通過(guò)單片機(jī)的輸出口接到 H橋驅(qū)動(dòng)控制電路上，以便調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電源電路如圖 316 所示，與用于信號(hào)處理的濾波電路相比，直流電源中濾波電路的顯著特點(diǎn)是：（1）均采用無(wú)源電路；（2）理想情況下，濾去所有交流成分，只保留直流成分；（3）能夠輸出較大電流；長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 316 直流電源電路圖長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言。直流 220V 的電源可通過(guò)單相橋式整流電路產(chǎn)生，但是由于整流電路的輸出電壓具有較大的交流部分，不能適合大多數(shù)電子電路及設(shè)備的要求。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 315 報(bào)警電路 直流電源電路的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中需要兩個(gè)供電電源：給單片機(jī)及其它芯片供電的直流 5V 電源和給直流電機(jī)供電的直流 220V 電源。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)給出信號(hào)，LED 發(fā)光二極管會(huì)被點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，提醒工作人員進(jìn)行處理，即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 313 ADC0809 管腳圖A/D 轉(zhuǎn)換電路圖如圖 314 所示。該端為高電平時(shí)，打開(kāi)三態(tài)輸出緩沖器，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。D7～D0：數(shù)據(jù)輸出端，D0 為高位。該端所加信號(hào)的上升沿將所有內(nèi)部寄存器清0，下降沿開(kāi)始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該端接高電平時(shí)有效，僅當(dāng)該信號(hào)有效時(shí)，才能將地址信號(hào)鎖存，經(jīng)譯碼后選中一個(gè)通道。當(dāng) CBA=000 時(shí)，選中 IN0；CBA=001時(shí)，選中 IN1……依此類推，當(dāng) CBA=111 時(shí)，選中 IN7。IN0～I(xiàn)N7：8 路模擬電壓輸入端。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。根據(jù)第 2 章的選擇，本設(shè)計(jì)采用 ADC0809 作為 A/D 轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)線圈為 9 匝時(shí)，電流為 20A 時(shí)，產(chǎn)生 的磁場(chǎng)強(qiáng)度，VGN3501 可輸出 電壓檢測(cè)。 VGN3501 就是一款型電流傳感器。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍耳效應(yīng)。所謂霍耳效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。HD7279A 是一片具有串行接口的，可驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管（或 64 只獨(dú)立 LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成 LED 顯示、鍵盤接口的全部功能，電路如圖 312 所示。圖 310 驅(qū)動(dòng)電路 測(cè)速電路根據(jù)第 2 章電動(dòng)機(jī)測(cè)速方法的選擇，采用 6N137 光電編碼盤，硬件電路如圖311 所示。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）根據(jù)以上原則和電機(jī)型號(hào)，選用大功率全控型晶體管 GTR，型號(hào)為 IN4398。由于 0≤α≤1，Ua 的范圍是Ud—+Ud，因而電機(jī)可以在正、反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。否則電源 Ud 直通短路。圖39 繪出了雙極性 H 型可逆 PWM 變換器的電路原理圖及波形圖。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)雙極式、單極式、受限單極式三種控制方式之間的自動(dòng)切換。即電機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變 α 的值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。而斬波調(diào)壓比相控調(diào)壓又有許多優(yōu)點(diǎn)，所以采用斬波調(diào)壓。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；使用硅整流器交流電整流成直流電或由蓄電池等直流電源供電，再由 PWM 斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓等。Ua=UdIaR，雖然調(diào)節(jié)電阻 R 即可改變端電壓達(dá)到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）態(tài)響應(yīng)較差。圖 37 外接復(fù)位芯片電路 主電路的設(shè)計(jì)一、直流電動(dòng)機(jī)的 PWM 控制原理：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。常用的復(fù)位芯片有 MAX810,復(fù)位電路如圖 37 所示。復(fù)位按鍵彈起后，RST 端經(jīng)電阻接地，完成復(fù)位工程。上電復(fù)位過(guò)程同上。RST 引腳要有超過(guò) 2 個(gè)時(shí)鐘周期的高電平才能保證單片機(jī)有效地復(fù)位。如圖 35 所示是 AT89C51 單片機(jī)的上電復(fù)位電路。單片機(jī)的外部復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵手動(dòng)復(fù)位、以及外部復(fù)位信號(hào)輸入等方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。振蕩時(shí)鐘脈沖從 AT89C51 的 XTAL1 輸入，XTAL2 懸空。如圖 33 所示。AT89C51 的時(shí)鐘有兩種產(chǎn)生方法：利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（簡(jiǎn)稱晶振） ，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證單片機(jī)內(nèi)各部件間的同步工作，單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生在唯一的時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行工作，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)就是由單片機(jī)的時(shí)鐘電路產(chǎn)生的。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。注意加密方式 1 時(shí)， 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 信號(hào)PSEN將不出現(xiàn)。 ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。另外，該引腳被略微拉高。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，口管腳和備選功能如下所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） （外部中斷 0）0INT （外部中斷 1）1 T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）D長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。 P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。 P0 口：P0 口為一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。圖 32 AT89C51 單片機(jī)引腳圖AT89C51 具體管腳說(shuō)明如下：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）VC