【正文】 所示，由模擬PID控制器部分、執(zhí)行部分和被控對象部分所組成，圖中的r(t)表示系統(tǒng)的輸入值，c(t)表示實際的輸出值，u(t)表示PID的控制量[14]。式（12）也可以寫成： ut=kpet+ki0teτdτ+kddetdt （13）上式中，kp為比例系數(shù)； ki為積分系數(shù)； kd為微分系數(shù)；大概的說明一下PID控制器中各個校正部分的作用：比例部分：利用比例控制，系統(tǒng)的輸出與誤差量是成正比，當有誤差量產(chǎn)生，控制器馬上就會產(chǎn)生一個修正的量，以促使誤差量的減少，但不能使誤差為零；積分部分：積分控制所產(chǎn)生的恢復力是與過去誤差的累積量和時間的乘積成正比例，積分控制的介入能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性會降低；微分部分：微分控制無法單獨使用，只是改變系統(tǒng)響應時間，即在變化初期提供一個相當大的修正信號來加快系統(tǒng)的響應速度，并且能夠有效解決過沖問題。也就是在一個采集周期T變得非常小的時候，將積分部分和微分部分的算法用數(shù)值計算去接近它，這樣的方法可以做到很小的誤差，即可以實現(xiàn)數(shù)字PID控制了[13]。式中：kp稱為比例系數(shù)； kI=kpTTI稱為積分系數(shù)； kD=kpTdT稱為微分系數(shù)；式（18）即為本系統(tǒng)所使用的位置式PID控制器的數(shù)學模型。然而，要在一次整定中實現(xiàn)上述全部要求是根本不可能的，所以我們要依據(jù)實際，在實現(xiàn)主要方面的功能，同時又可以照顧到其他方面[4]。當完成第一步kp的確定后，我們可以輸入相對大的Ti，再將Ti慢慢的調小，等到系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，再將Ti慢慢的調大，等到系統(tǒng)發(fā)生振蕩時。、帶載聯(lián)調最后根據(jù)系統(tǒng)的性能，將各系數(shù)做一些調整。而由單片機控制模塊所發(fā)射出來的脈沖寬度調制信號傳入直流電機驅動模塊，并由測量速度模塊檢測電機的轉速，將檢測回來的信號由放大器整波后傳入單片機控制模塊進行PID算法補償，使得傳出的脈沖寬度調制信號發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對直流電機速度的控制。軟件方面上，依據(jù)實際的情況，我們采用單片機能識別的C語言程序進行編程，擁有對所有硬件方面上所使用到的端口進行執(zhí)行的能力，更為具體的表現(xiàn)形式就是對所有產(chǎn)生的信號進行識別、采集、解析、處理等，以此來實現(xiàn)單片機所需要的功用。方案一：使用型號為AT89S52的單片機作為核心控制模塊。方案二：使用型號為AT89C51的單片機作為核心控制模塊。圖22 AT89S52實物 圖23 AT89C51實物依據(jù)上述兩個方案的論證，使用型號為AT89S52作為控制核心模塊完全可以滿足本系統(tǒng)的要求，能夠非常有效的處理數(shù)據(jù)并能達到控制的功能，因此在本次設計選用方案一。圖24 AT89S52引腳圖P0口：P0口的最基本功用是擁有8位I/O口，然后當P0口用來當作輸出口時，每一個P0口都可以驅動標準的TTL邏輯電平。在本系統(tǒng)中，用來實現(xiàn)通過單片機產(chǎn)生PWM信號對電機速度進行控制。在本系統(tǒng)中，~~DB7八個雙向數(shù)據(jù)線端口連接，用以實現(xiàn)液晶顯示的功用。RST：復位輸入。EA/VPP：在本系統(tǒng)中，將這個端口接在+5V，那么單片機就運行了內(nèi)部程序存儲器的指令。XTAL2：該端口接在時鐘電路的輸入另一端，與晶振、小電容構成時鐘電路。包括：時鐘電路、復位電路、ISP接口下載電路，ISP接口下載電路在本系統(tǒng)中沒有使用到，所以就不做解釋了。剛接上電源時，電容充電這時可以給單片機一個高電平，單片機復位，即上電復位；當開關按下時給單片機接通高電平，由于按下的時間至少是毫秒級的遠大于單片機復位所需的時間，所以也可以達到的復位的要求，即按鍵復位。方案一：使用不同種類的功率晶體管組成電路，用此來構成驅動模塊，晶體管具有價格低廉、耐壓高等特點，所組成的電路結構也相對簡單并且容易做到，但是由此構成的驅動模塊，需要用到很多晶體管交錯連接，會造成硬件電路變得繁雜、容易受到干擾、可靠性得不到保證。圖26不同種類的晶體管圖27 L298驅動芯片基于上述理論分析和實際情況，電機驅動模塊選用方案二。圖28 L298引腳圖各引腳功能簡介：15腳分別是兩個H橋的電流反饋腳，在本系統(tǒng)中沒有使用到，所以可以直接將這兩個引腳接地；3腳為一對輸出端口，114腳為一對輸出端口，本系統(tǒng)只用于控制一個直流電機的轉速，只需用到3腳這一對輸出端口；4腳為驅動電壓輸入，最小值必須必輸入的低電平高2；7腳為一對輸入端口，12腳為一對輸入端口，本系統(tǒng)只用于控制一個直流電機的轉速，只需用到7腳這一對輸入端口；11腳為使能端，在本系統(tǒng)中，使用到了6腳使能端A接于單片機上；8腳為芯片接地端，在本系統(tǒng)中接于電源負極上；9腳為芯片邏輯電源，在本系統(tǒng)中接于電源正極上；表21 L298邏輯表電機旋轉方式輸入端1輸入端2控制端3控制端4M1正轉高低//反轉低高//停止低低//假定輸入端1收到高電平時且輸入端2收到低電平時，電機發(fā)生正轉，反之，電機發(fā)生反轉，當輸入端都接到低電平時，電機停止轉動。驅動電路的連接圖如圖29所示，圖中的4個IN4007二極管的作用是為了保護芯片L298不被燒壞，單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)由輸入端口輸入端口2和使能端A再通過輸出端口1和輸出端口2控制電機調速。方案二：使用光電傳感器對射式為電機轉速進行測量，相對于霍爾器件而言，光電傳感器也具備很小的體積、很輕的重量等的特點，雖然測量原理有所不同，但是在光電傳感器后面加上一個LM339比較器芯片就能使測量精度達到要求，并且在硬件上也只需在電機上接上一個扇葉就實現(xiàn)測量功能，而且價格低廉方便購買。圖210霍爾傳感器圖211光電傳感器對射式 光電對管原理光電傳感器對射式，也叫光電開關，其內(nèi)部結構為一個紅外發(fā)射二極管和一個紅外接收二極管，分為反射式和直射式的，利用集聚光線來控制光敏二極管的打開與關閉。當對管以近似直線的位置相對時，接收管才會有一個比較明顯的阻值變化。圖212 光電對管原理圖紅外發(fā)射二極管：普通的紅外發(fā)射二極管其外形結構都與發(fā)光二極管LED非常相似，發(fā)出紅外光，工作電流小于20mA，一般串聯(lián)限流電阻。一般情況下，發(fā)光二極管都會配有透鏡，目的是使元件更為靈敏。光敏二極管管芯的光敏面是通過擴散工藝在N型單晶硅上形成的一層薄膜。另外，與普通半導體二極管一樣，在硅片上生長了一層SiO2保護層，它把PN結的邊緣保護起來，從而提高了管子的穩(wěn)定性，減少了暗電流[8]。該芯片的內(nèi)含電路是擁有四個電壓比較放大器，準確度和可靠性都非常優(yōu)良。圖213 LM339引腳圖 圖214 LM339實物圖測速模塊電路如圖215所示。圖215測速模塊電路本系統(tǒng)作為對直流電機轉速的控制，必須要將電機的設定速度與電機的實時速度體現(xiàn)出來，不然就沒有任何意義，所以需要設計一個顯示模塊，將電機的實際用數(shù)字、符號表現(xiàn)出來，因此有下列兩種方案：方案一：使用七段數(shù)碼管（LED）作為顯示模塊，數(shù)碼管的優(yōu)點非常多，擁有良好的亮度、工作電壓低、器件的耗能低、性能比較穩(wěn)定，在本系統(tǒng)中如果使用數(shù)碼管作為顯示器，那么數(shù)碼管的數(shù)量會相對較多，不方便。根據(jù)本次設計的設計要求，顯示模塊選用方案二。在本系統(tǒng)中，該顯示器一行進行對速度設定值的顯示，另外一行進行對速度測量值的顯示，使我們可以很直接了解電機的實時情況。第2腳：Vcc接5V正電壓。第4腳：RS為寄存器選擇，由單片機控制。 第6腳：E端為使能端，受單片機控制。第15腳：背光源正極。表22 LCD1602液晶讀寫狀態(tài)表操作輸入輸出讀狀態(tài)RS=L,RW=H,E=HD0~D7=狀態(tài)字寫命令RS=L,RW=L,D0~D7=指令碼，E=高脈沖無讀數(shù)據(jù)RS=H,RW=H,E=HD0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)RS=H,RW=L,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖無LCD1602液晶顯示器的電路連接如圖215所示，電位器R14用來調節(jié)液晶背光。方案二：選用行列式鍵盤作為鍵盤模塊，該鍵盤的特點在于其結構為矩陣形態(tài)，按鍵的數(shù)量為行數(shù)乘以列數(shù)，而且該鍵盤的行線全部接輸入端，列線全部接輸出端，在那些需要像計算器這么多按鍵的系統(tǒng)中非常好用，但是對于本系統(tǒng)來說，并沒有必要使用這種鍵盤。圖216 4X4矩陣鍵盤圖217 獨立式按鍵本系統(tǒng)選用獨立式按鍵作為鍵盤模塊，這種按鍵屬于常開型按鍵，需要人為按下才能夠導通，所以在我們按下按鍵或者是放開按鍵的同時，都會有一個很微小的抖動，但是我們的手指并沒有那么的靈敏，所以察覺不到這種現(xiàn)象，但是單片機屬于微機化的控制系統(tǒng)，它的處理時間非常的低，對這種現(xiàn)象非常的敏感，所以我們必須消除這種抖動現(xiàn)象。硬件去抖動的方法有很多，但是我們一般不采用硬件方法，而使用軟件去抖動方法。事實上這樣子做就能消除按鍵按下的抖動時間，在檢測到按鍵釋放后進行延時，就能夠去掉后延抖動，再將按鍵處理。 圖219鍵盤電路無論是什么樣的直流電機調速系統(tǒng)都需要有能量，而這種能量來自于電源，因此對于電源的選用有以下兩種方案選擇：方案一：使用電阻通過電阻分攤電壓，以此來降低輸入電壓的值使其變?yōu)閱纹瑱C和直流電機能使用的電壓值，但是這種方式損失了大部分能量，在工程實際應用中也基本不使用。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。圖220 LM7805引腳圖 圖221 LM7805實物圖一個電路如果沒有能量輸入，那么這個電路根本無法做動，如果能量的輸入超過電路的承受范圍，那么整個電路會燒壞，所以在本系統(tǒng)中使用LM7805穩(wěn)壓芯片為電路的單片機模塊、直流電機等模塊提供它們所需要的電源。t1t2T圖31 PWM信號的占空比根據(jù)上面的論述可知，在系統(tǒng)電壓沒有發(fā)生變化的狀態(tài)下，直流電機電樞的端電壓的平均值為Vα=Vmax*α，所以我們只需要變化占空比就能夠使端電壓的平均值發(fā)生變化，因而實現(xiàn)調速的功能，這就是Pulse Width Modulation（PWM）調速的原理。連續(xù)地改變脈沖寬度，即可實現(xiàn)直流電機的無級調速。PWM調速方法：根據(jù)上面的論述，使用PWM調制技術進行調速時，占空比是非常關鍵的指標，由上圖31所示，下列介紹幾種變化占空比的方式：：維持t1穩(wěn)定，只調整T，這樣周期（頻率）就變化了；：維持t2穩(wěn)定，而調整t1，這樣也使得周期（頻率）變化了；：維持周期T（頻率）穩(wěn)定，而在變化t1時也變化t2。這種方式就是維持脈沖信號周期的穩(wěn)定，使占空比發(fā)生變化，而占空比的變化會促使電機平均電壓發(fā)生變化，因此調節(jié)了電機的速度。方案二：使用軟件延時程序的方法，這種方法雖然在軟件編程上非常簡單，也非常容易實現(xiàn)，但是準確度沒有方案一好，而且在系統(tǒng)中斷運行后，產(chǎn)生的誤差較大[9]。如圖33所示，利用單片機控制核心發(fā)出的PWM信號，將PWM信號傳入驅動電路模塊，由此模塊執(zhí)行直流電機速度的控制，再利用光電傳感器對電機速度執(zhí)行測量，并且把所測量到的速度返回到單片機控制核心，在控制器內(nèi)部把返回值和設定值進行比較，通過這種手段達到直流電機準確控制的目的[2]。如果我們用f來表示單片機的時鐘頻率，用N表示定時器的位數(shù)，那么定時器的定時初值和定時時間之間的關系就可以用下式來表述[11]： t1=2nTw*Nf*106 (35)上式：Tw表示定時初值； t1表示定時時間；N表示單位機器周期的時鐘數(shù)。由上式我們很容易可以看出，定時器的定時時間只與定時器的初始數(shù)值有關，因此我們只需要改變定時初值就能夠得到不一樣的定時時間，以此變化占空比的大小，最終我們能夠實現(xiàn)電機轉速控制的效果。 //儲存定時器T0中斷次數(shù)unsigned char timer3。 //存儲電機轉速sbit PWM=P1^0。 //用來設置定時器的計數(shù)工作模式為1TH0=(6553646083)/256。 //用來設置定時器T0的低八位的初值，并以固定的時間發(fā)生一次中斷TH1=0。 //定時器T1的低八位ET0=1。 //T0的中斷起始位EA=1。 //16位捕捉寄存器 RCAP2L=(655362)%256。 //定時器開始中斷指令ET2=1。 //定時器產(chǎn)生中斷一次，jishu就加1if(count==4) //若累計滿4次，即計滿200ms秒鐘{ v=(TH1*256+TL1)*5/8。 //計數(shù)器1 清零TH1=0。 //PID調用if(pidshuchu=149) // PWM的最大值{pidshuchu=145。} jishu=0。 //定時器T0高8位重新賦初值 TL0=(6553646083)%256。 //定時器2清零的命令 timer3++。 if(timer3=pidout) PWM=1 。 }系統(tǒng)主程序流程圖如圖34所示。之后通過讀取電機轉速，與設定的速度值相比，通過調節(jié)PWM的占空比進行調速，最后由液晶顯示。進入設定速度函數(shù)后，依次掃描按