【正文】 0XBE ?KEY=0XB ?KEY=0XB7 ?KEY=0X7E ?KEY=0X7D ?KEY=0X7B ?KEY=0X7 ?數(shù) 字 鍵 0數(shù) 字 鍵 1數(shù) 字 鍵 2數(shù) 字 鍵 3數(shù) 字 鍵 4數(shù) 字 鍵 5數(shù) 字 鍵 6數(shù) 字 鍵 7數(shù) 字 鍵 8數(shù) 字 鍵 9正 /反 功 能 鍵暫 停 功 能 鍵繼 續(xù) 功 能 鍵啟 動 功 能 鍵停 止 功 能 鍵設(shè) 置 功 能 鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 鍵盤中斷程序是用來設(shè)在系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的運行狀態(tài)，其程序流程圖如圖 所示。在設(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/min60?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，在本次設(shè)計中取凹槽數(shù) N 為 120，采樣時間 t為 ，則速度計算具體程序流程如圖 所示。其運算公式為： ?)(nu因此要想實現(xiàn) PID 控制在單片機(jī)就必須存在上述算法，其程序流程如圖 所示。按照要求設(shè)計操作面板如圖 所示：圖 鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，12864LCD 將顯示開機(jī)界面，若按下設(shè)置鍵顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時按 4 進(jìn)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，待所有量設(shè)置完成后按正/反控制鍵設(shè)置正反轉(zhuǎn)，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應(yīng)鍵對電機(jī)進(jìn)行暫停、繼續(xù)、停止運行的控制。圖中 L0～L3 為 44 鍵盤的列信號，H0 ～H3 為 44 鍵盤的行信號。 圖 12864LCD 引腳分布表 12864 液晶顯示模塊引腳功能引腳 符 號 引 腳 功 能 引腳 符 號 引 腳 功 能1 VSS 電源地 15 CS1 CS1=1 芯片選擇左邊 64*64圓 盤 光 敏 三 極 管發(fā) 光 二 極 管+5V R2RST9XTAL218XTAL119GND20 21 22 23 24 25 26 27 28RSEN 29ALE 30EA 31 32 33 34 35 36 37 38 39VCC 40U189S511234567891011121314151617181920LCDPOT110KR710KR847+5C15220μF1 2 3 4 5 6 7 8 9RN8 5K+5v+5v+5v點2 VDD 電源正+5V 16 CS2 CS2=1 芯片選擇右邊 64*64點3 VO 液晶顯示驅(qū)動電源 17 /RST 復(fù)位（低電平有效）4 RS H：數(shù)據(jù)輸入；L：指令碼輸入18 VEE LCD 驅(qū)動負(fù)電源5 R/W H：數(shù)據(jù)讀??；L：數(shù)據(jù)寫入19 A 背光電源（+）6 E 使能信號。VSDORS/WEDB012DB345DB67CS12/RTVEAK 123456789102134516781920 (a) (b)圖 電機(jī)速度采集方案圖 傳感器輸出脈沖波形 顯示電路設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機(jī)運行狀態(tài)進(jìn)行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機(jī)此時轉(zhuǎn)速了。圖 電機(jī)驅(qū)動電路 電機(jī)速度采集電路設(shè)計在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過偏差進(jìn)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。其電路如圖 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。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動電源。圖 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)P0.～ 12864LCD顯 示 模 電 機(jī) 驅(qū) 動 模 ～ 鍵 盤 ～ ～ ～ 3H0～ 3 P3./IT1 電 機(jī)轉(zhuǎn) 速 檢 測四 輸 入 與 門A1A2SEN1 11Y12 1Y23Vs4 1A1 51EN61A2 7GND8Vcc92A1 102A2 122EN112Y113 2Y214SEN2 15U5L298ND4D3D1D2C10 20μFC9 20μF+5V+12V+12VR1470R2 5KR45KR3470R5470MG1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。圖 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 電源電路設(shè)計電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。 3 單元電路設(shè)計 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖 所示。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機(jī)運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對軟件的運行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進(jìn)行設(shè)計。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。但是由于獨立式鍵盤每個按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時，I/O 口浪費大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 鍵盤模塊設(shè)計方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機(jī)起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案：方案一：采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實現(xiàn)簡單，并且各按鍵相互獨立，每個按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。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。但由于在此次設(shè)計中需要設(shè)定的參數(shù)種類多，而且有些需要進(jìn)行漢字和字符的顯示，所以使用 LED 顯示器不能完成設(shè)計任務(wù)，不宜采用。 顯示模塊設(shè)計方案在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數(shù)、工作方式以及電機(jī)當(dāng)前運行狀態(tài)的顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設(shè)計一個顯示模塊，考慮有三種方案：　 方案一：使用七段數(shù)碼管（LED）顯示。該方案的實現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機(jī)固定在直流電機(jī)的軸上，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動測速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動，因此測速發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計沒有采用此方案。通過脈沖計數(shù)，對速度進(jìn)行測量。方案二：采用對射式光電傳感器。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，電機(jī)驅(qū)動模塊選用方案二。方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動芯片，例如 L298N、L297N 等電機(jī)驅(qū)動芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產(chǎn)實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此在本次設(shè)計選用方案二。若采用 89C51 需要做 RAM，ROM 來擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。它和AT89S51 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。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。AT89S51 單片機(jī)算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [4]。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA，F(xiàn)PGA 通過程序設(shè)計控制PWM 脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高，F(xiàn)PGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能 [3]，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。鍵 盤 模 塊 控 制 器 模 塊顯 示 模 塊 電 機(jī) 驅(qū) 動 模 塊 直 流 電 機(jī)速 度 檢 測 模 塊PWM脈 沖圖 系統(tǒng)方案框圖 控制器模塊設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖，并對電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過控制器顯示到顯示器上。U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0根據(jù) PWM 控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的 PWM 脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時間 T 內(nèi)脈沖寬度為 ,幅值為 U，由圖 可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：0t 圖 PWM 脈沖，若令 ， 即為占空比，則上式可化為： TUt??0Tt0?? (U 為脈沖幅值) U?0（）若 PWM 脈沖為如圖 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 （ 為矩形脈沖占空比） UTtnt?????00 ?（）圖 周期性 PWM 矩形脈沖由式 可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值 U 和占空比 來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制?占空比 的大小實現(xiàn)等效直流電壓在 0～U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用 PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。采用微機(jī)控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維護(hù)方便,電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動態(tài)各項指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。目前，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。正因為直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcd 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 直流電機(jī)的 PWM 控制技術(shù)直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。如果周期性的施加上)(ti述脈沖，則響應(yīng) 也是周期性的。)(ti )(ti從波形可以看出，在 的上升段，脈沖形狀不同時 的形狀也略有不同，但其)(ti下降段幾乎完全相同。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL電路上，設(shè)其電流 為電路的輸出。)(t?圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖 的電路是一個具體的例子。例如圖 中 a、b、c 所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 的 a 為矩形脈沖，圖 的 b 為三角脈沖，圖 的 c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 PWM 脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈