【正文】 86 4LCD 液晶顯示模塊 ； （ 5） 鍵盤 模塊： 采用 標(biāo)準(zhǔn)的 44 矩陣式鍵盤 ； （ 6） 電源模塊： 采用 780 7812 芯片實(shí)現(xiàn) 。采用 AT89S51 單片機(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置，通過 AT89S51 的 口將電脈沖信號送入單片機(jī)處理， L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動模塊，利用 1286 4LCD 顯示器和44 鍵盤作為人機(jī)接口。在本系統(tǒng)中直流電機(jī)需要 12V 電源，而單片機(jī)、顯示模塊等其它電路需要 5V 的電源，因此電路中選用7805 和 7812 兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 所示。其中 輸出腳（ SENSEA和 SENSEB?）用來連接電流檢測電阻 ， Vss 接邏輯控制的電源。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，用來控制 H 橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、 ENB?引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM 信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端 [7]，使電機(jī)在 PWM 脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個二極管對芯片起保護(hù)作用。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 N 個等分凹槽如圖 （ a） 所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準(zhǔn)凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管湖南電子電 氣網(wǎng) 21 VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK1234567891011121314151617181920截止，電路如圖 （ b） 所示，從圖中可 以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在 的輸出端就會產(chǎn)生 N 個低電平。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時， 將輸出如圖 所示的脈沖，若知道一段時間 t 內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 n， 則電機(jī)轉(zhuǎn)速 v=r/s?。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，而且需要漢字顯示，在這里選用 12864 液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器 ,主要由行驅(qū)動器 /列驅(qū)動器及 12864 全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成漢字 （ 1616） 顯示和 圖形顯示共有 20 個引腳 [8]，其引腳名稱及引腳編號的對應(yīng)關(guān)系如圖 ，引腳功能如表 所示。 20 K 背光電源（ ） 714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號的模塊 1 20 腳為空腳 12864 液晶顯示器與單 片機(jī)的連接電路如圖 所示： 圖 顯示模塊電路圖 湖南電子電 氣網(wǎng) 23 0 1 2 34 5 6 78 9 正反轉(zhuǎn) 暫停繼續(xù) 啟動 停止 設(shè)置H0H1H2H3L0L1L2L3 鍵盤電路設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了 44 鍵盤用以 實(shí)現(xiàn) 對 P、 I、 D 三個參數(shù)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對電機(jī)啟動、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 所示。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號 L0～ L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號 H0～ H3[9]。 湖南電子電 氣網(wǎng) 24 0)]2()1(2)([)()]1()([ unene neKneKneneK DIP ????? ????t=?計(jì)算 r=n/120計(jì)算 v=( r/)* 60返回NY4 軟件設(shè)計(jì) 算法實(shí)現(xiàn) PID 算法 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心算法為 PID 算法，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 )(ne ，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) [10]，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 電機(jī)速度采集算法 本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個非常重要的部分，它的精度直接影響到整個控制的精度。 圖 測速程序流程 計(jì)算 e ( n )計(jì)算 KIe ( n )計(jì)算 KP ( e ( n ) e ( n 1 ))計(jì)算 KD ( e ( n ) 2 e ( n 1 )+ e ( n 2 ))計(jì)算 Δ u ( n )計(jì)算 Δ u ( n )＋ u ( n 1 )e ( n 1 ) → e ( n 2 )e ( n ) → e ( n 1 )u ( n ) → u ( n 1 )返回圖 4 . 1 PID 程序流程湖南電子電 氣網(wǎng) 25 開始初始化調(diào)用清屏子程序開始界面顯示設(shè)置鍵按下 ？調(diào)用清屏子程序設(shè)置界面顯示根據(jù)設(shè)置計(jì)算參數(shù)啟動鍵按下 ？調(diào)用清屏子程序電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示PWM 脈沖輸出YNYN 程序流程 主流程圖 在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分 是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運(yùn)行過程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖 所示。 湖南電子電 氣網(wǎng) 26 延時去抖動P 1 口低四位置 1讀 P 1 口低四位數(shù)據(jù)到 KEYLKEYL 、 KEYH相與為 KEYP 1 口高四位置 1讀 P 1 口高四位數(shù)據(jù)到 KEYHKEY = 0 XEE ?KEY = 0 XEB ?KEY = 0 XED ?KEY = 0 XE 7 ?KEY = 0 XDE ?KEY = 0 XDD ?KEY = 0 XDB ?KEY = 0 XD 7 ?KEY = 0 XBD ?KEY = 0 XBE ?KEY = 0 XBB ?KEY = 0 XB 7 ?KEY = 0 X 7 E ?KEY = 0 X 7 D ?KEY = 0 X 7 B ?KEY = 0 X 77 ?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 圖 鍵盤程序流程 湖南電子電 氣網(wǎng) 27 脈沖計(jì)數(shù)時間 ＝ 0 . 5 s ?速度計(jì)算PID 運(yùn)算顯示數(shù)據(jù)刷新定時器 T 0 賦初值RETI各變量重新賦值YN 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(yùn)行時間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID 運(yùn)算，其程序流程如圖 所示。 （ 1） 讀取狀態(tài)字 當(dāng) R/W=1， D/I=0 時，在 E 信號為高的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線上。若不為“ 0”，則計(jì)算機(jī)需要等待，直至 BUSY =0為止。 （ 3） 顯示起始行設(shè)置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 顯示起始行 （ 0~63） 指令表中 DB5～ DB0 為顯示起始行的地址，取值在 0～ 3FH（ 1～ 64 行 ） 范圍內(nèi)，它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對應(yīng)的顯示存儲器的行地址。 8 行為一頁， DDRAM 共 64 行即 8 頁，DB2DB0 表示 07 頁。共 64 列 ， DB5DB0 取不同值得到 03FH（ 164） ，代表某一頁面上的某一單元地址，列地址計(jì)數(shù)器在每一次讀／寫數(shù)據(jù)后它將自動加一。操作完成后列地址計(jì)數(shù)器自動加一。 根據(jù)上面指令結(jié)合系統(tǒng)要實(shí)行的功能，其顯示子程序流程如圖 所示。 Proteus 不僅可以做數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐返姆抡?，還可進(jìn)行多種 CPU的仿真，涵蓋了 5 PIC、 AVR、 HC1 ARM 等處理器，真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)從原理設(shè)計(jì)、電路分析、系統(tǒng)仿真、測試到 PCB 板完整的電子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從 概念到產(chǎn)品的全過程。 （ 2） 設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對 Protues 的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。 i = 0i = i + 1RETIYNNY初始化循環(huán)次數(shù)j ＝ 2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) i ＝ 8 ？設(shè)置顯示起始頁 、 起始列調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序j = j + 1 。 本設(shè)計(jì)所需選用的元器件如下： ① AT89C51:單片機(jī) ② RES、 RX RESPACK8:電阻、排阻、上拉電阻 圖 Proteus 元器件選取界面 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 AMPIRE128? 64： 液晶顯示器 ⑧ OPTOCUPLERNPN： 光電耦合器 ⑨ BOUTTON： 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 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。 根據(jù)第 1 章 PID 參數(shù)整定方法的介紹與分析，對于本系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)整定，該方法調(diào)試的原則為： 先是比例后積分，最后再把微分加 ； 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要 放大 ； 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 ； 曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降 ； 曲線波動周期長，積分時間再加長 ； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 ； 動差大來波動慢 ， 微分時間應(yīng)加長 。 ② 取比例系數(shù) PK 為當(dāng)前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) IK ，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。否則，將原比例系數(shù) PK 增大一些，再調(diào)整積分系數(shù) IK ，力求改善控制過程。 ④ 引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù) DK 和實(shí)際微分時間 DT ，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)PK 和積分系數(shù) IK 。 PID 參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。小慣量如：一個小電機(jī)閉環(huán)控制，一般 P 在 （ 10） 之間 ,I 在 （ 0、 5） 之間 ,D 在 （ 、 1） 之間 ,具體參數(shù) 要在現(xiàn)場調(diào)試時進(jìn)行修正。并且可以反映 表 測試數(shù)據(jù)表 次數(shù) 設(shè)定 PK 設(shè)定 IK 設(shè)定 DK 設(shè)定（ r/min） 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時間（ s） 誤差 1 2 100 8％ 4 %1? 2 3 100 15％ 5 %2? 3 4 100 22％ 11 %5? 4 1 100 5％ 6 %3? 5 0 100 1％ 12 %6? 6 2 100 6％ 8 %2? 7 2 0 100 2% 15 %9? 8 2 100 8％ 5 %1? 9 2 100 9％ 7 %2? 10 2 100 8％ 6 %1? 11 2 0 100 6% 5 %5? 12 2 100 7% 5 %1? 13 2 100 6% 7 %4? 出 PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （ 1） 比 例環(huán)節(jié)： PK 值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)； （ 3） 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 湖南電子電 氣網(wǎng) 33 結(jié)論 本課題的目的在于利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且利用 Protel99se 軟件繪制出 PCB 圖紙（見附錄 Ⅳ ），但由于實(shí)驗(yàn)條件不足沒能做出 PCB 板。 歸納起來主要做了如下幾方面的工作： PID算法與 PWM控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合； 設(shè)計(jì)了速度檢測電路； 利用 C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并通過仿真（部分源程序見附錄 Ⅱ ）； 利用 Protel99se對 PCB板 進(jìn)行繪制。 通過此次設(shè)計(jì)，掌握了數(shù)字 PID算法的使用及編程方法，學(xué)習(xí)了如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)技巧，為今后的工作和學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)