【正文】 不可缺少的一部分，考慮有二種方案： 方案一：采用獨(dú)立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。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。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點(diǎn)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 mn? 個(gè)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。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接不是很復(fù)雜，對軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二獨(dú)立式鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。 方案二：通過固定芯 片對整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如 781 7805 等），此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實(shí)現(xiàn)。 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(jì) 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(shí)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(dú)立式鍵盤； （ 6）電源模塊： 采用 780 7812 芯片實(shí)現(xiàn)。電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過 LED 顯示出來。正轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“ F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。 電源電路設(shè)計(jì) 電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。 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(jì) 第 16 頁 共 43 頁 圖 42 電源電路 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 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(yùn)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(gè)大功率晶體管組成的 H 橋電路構(gòu)成，四個(gè)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。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動電源。其電路如圖 53 所示，利用兩個(gè)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。 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(jì) 第 17 頁 共 43 頁 圖 43 電機(jī)驅(qū)動電路 轉(zhuǎn)速測量電路 采用霍爾元件測量轉(zhuǎn)速是較為常用的測量方法。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(diǎn)，因此，在測量、自動化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 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(diǎn)。測速齒輪厚度大于2mm，固定在待測電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。 測速齒輪上共有 24 個(gè)齒，顯然每個(gè)齒轉(zhuǎn)過霍爾元件都會引起一個(gè)脈沖信號，則電動機(jī)每轉(zhuǎn)一周總共產(chǎn)生 24 個(gè)信號。因?yàn)檗D(zhuǎn)速常用 r/min 表示，所以電動機(jī)轉(zhuǎn)速 V=60N/24=(r/min)。 通過設(shè)置讓定時(shí)器 T0 每 50ms 產(chǎn)生一次中斷，滿 20 次即為 1s ，此時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù) 器 T1的計(jì)數(shù)值，就可以算出電動機(jī)轉(zhuǎn)速： V==(TH1*256+TL1) (r/min)。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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。 AT89S52 主要功能 列舉 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲器（ ROM）為 8KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）為 256 字節(jié) 32 個(gè)可編程 I/O 口線 8 個(gè)中斷向量源 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 三級加密程序存儲器 全雙工 UART 串行通道 AT89S52 引腳圖 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(jì) 第 19 頁 共 43 頁 圖 45 AT89S52 單片機(jī)引腳圖 各個(gè)引腳功能在此就不再詳述了。 LED 的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè) “P N 結(jié) ” 。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。圖（ b）為共陽極結(jié)構(gòu)， 8 端發(fā)光二極管的陽極端連接在一起，陰極端分開控制，使用時(shí)公共端接電源。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(diǎn)。通常把控制發(fā)光二極管的 7（或 8）位二極管編制稱為字段碼。 鍵盤電路設(shè)計(jì) 獨(dú)立式鍵盤的按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)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)。 圖 47 鍵盤電路 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(jì) 第 21 頁 共 43 頁 整體硬件電路圖 圖 48 整體電路 圖 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(jì) 第 22 頁 共 43 頁 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖 圖 51 主程序流程圖 直流電機(jī)速度控制程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用增量式 PID 控制對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差 ()en ，對偏差進(jìn)行 P、 I、 D 運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 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(jì) 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(shí)，保持占空比的輸出。 圖 53 直流電機(jī)速度控制子程序流程圖 PID 輸出是否 大于上限 開始 速度采樣，求取偏差及其增量 求取 PID 輸出值 PID 輸出是否 小于下限 PID 輸出等于上限 值 PID 輸出等于上限 值 直接輸出 PID 值 控制 PWM 輸 出 返回 Y Y N N 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(jì) 第 24 頁 共 43 頁 鍵盤程序程序流程 采用中斷方式，按下鍵，單片機(jī) 腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿， 響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時(shí)去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。 圖 54 鍵盤程序流程 定時(shí)程序流程 在本系統(tǒng)中定時(shí)器 T0 中斷子程序是用來控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和 PID 運(yùn)算，其程序流程如圖 55 所示。 本文中由于我們主要使用 keilC51 軟件編輯、調(diào)試程序， Proteus 軟件仿真單 片機(jī)。 ISIS 直譯為智能原理圖輸入系統(tǒng)。 圖 61 keilC51 軟件界面 系統(tǒng) Proteus仿真 Proteus 軟件是 Lab center Electronics 公司的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè) 計(jì)仿真平臺，包括 ISIS、 ARES 等軟件模塊， ARES 模塊主要用來完成 PCB 的設(shè)計(jì)，而 ISIS 模塊用來完成電路原理圖的布圖與仿真。通過 Proteus 軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個(gè)功能齊全、實(shí)用方便的單片機(jī)實(shí)驗(yàn) 室。 （ 2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對 Proteus 的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。 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(jì) 第 28 頁 共 43 頁 圖 63 Proteus 元器件選取界面 本設(shè)計(jì)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。再點(diǎn)菜單 Source→ Build ALL 編譯匯編源程序，生成目標(biāo)代碼文件 。 （ 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(jì) 第 29 頁 共 43 頁 點(diǎn)仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進(jìn)行仿真。 圖 64 上電狀態(tài) 按下啟停按鈕。倘若此時(shí)按方向按鈕，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，如圖 67 所 示，此時(shí)， 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。 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(jì) 第 30 頁 共 43 頁 圖 65 啟動狀態(tài)（電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動） 圖 66 正轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示 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(jì) 第 31 頁 共 43 頁 圖 67 啟動狀態(tài)（電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動） 圖 68 反轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示 在圖 65 電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，對單片機(jī) 端口的 PWM 波形做了粗略測量，按動多次減速鍵后，當(dāng) COT0=0AH＝ 10 后，減速檔位到達(dá)最高，不再減速，相當(dāng)于速度 1 檔。 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(jì) 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。采用單片機(jī)控制取代了以往的模擬控制，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進(jìn)和升級，靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng)。 展望 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，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。在本次課程設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)會了在網(wǎng)絡(luò)上查找有關(guān)本設(shè)計(jì)的各硬件的資源，其中包括：直流電機(jī) PWM 調(diào)速、 AT89S52 單片機(jī)、 L289N 引腳圖及其引腳功能等 、 LED 數(shù)碼管顯示，為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了一定的資料。另外 ， 此電路中 LED 可以換成 LCD 以便可以用鍵盤實(shí)現(xiàn)更多功能。 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(jì) 第 34 頁 共 43 頁 致謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。 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(jì)期間 *老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻(xiàn)資料，理清設(shè)計(jì)思路，完善操作方法，并對我所做的設(shè)計(jì)提出有效的改進(jìn)方案。在此，再一次向 **老師以及關(guān)心幫助我的教師同學(xué)表示最誠摯的謝意。對于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jià)值的一段時(shí)光，也將會成為我以后永遠(yuǎn)的美好的回憶。 湖北科技學(xué)院本科畢