【正文】 平，這樣，當按鍵沒有被按下時，列線都是高電平，代表無按鍵按下，行線輸出是低電平；一旦有鍵按下，輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可以得知是否有鍵按下了，具體的識別及編程方法如圖 54。 輸出顯示模塊 圖 55顯示電路 讀得的字模數(shù)據(jù)，接著對第 2片、第 3 片 ?? 直到這一排的最后一片都寫完字模數(shù)據(jù)后，單片機再對這一排的行驅(qū)動鎖存器寫行掃描信號，于是第 1排第 1行與字模數(shù)據(jù)相關的 發(fā)光二極管點亮。接著第 2排第 1行、第 3排第 1行 ?? 直到最后一排第 1行的 點亮。各排第 1行都點亮后，延時一段時間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機對LED 顯示屏的一行掃描控制。單片機對 LED 顯示屏第 2行的掃描控制、第 3 行的掃描控制??直到第 8行的掃描控制，其過程與第 1行的掃描控制過程相同。對全部 8 行的控制過程都完成后， LED 顯示屏也就完成了 1幀圖像的完整顯示。 雖然按這種工作方式， LED 顯示屏是一行一行點亮的，每次都只有一行亮，但只要保證每行每秒鐘能點亮 50 次以上，即刷新頻 率高于 50Hz，那么由于人的視覺惰性，所 看到的 LED 顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像。 本設計使用的驅(qū)動器件是 74HC240，如圖 56所示。 74HC240 是一款高速 CMOS 器件， 23 74HC240 引腳兼容低功耗肖特基 TTL（ LSTTL）系列。74HC240 是雙線八路反相緩沖器 /線路驅(qū)動器，具有三態(tài)輸出。該三態(tài)輸出由輸出使能端 1OE 和 2OE 控制。任意 nOE 上的高電平將使輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)。 圖 56 74HC240 真值表 電機驅(qū)動模塊 L298 是雙電源大電流功率集成電路 , 直接采用 TTL 邏輯電平控制 ,可用來驅(qū)動繼電器、線 圈、直流電動機、步進電動機等電感性負載。其驅(qū)動電壓可達 46V,直流電流總和可達 4A。其內(nèi)部具有 2個完全相同的 PWM 功率放大回路 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 57 所示。 L298是一種常用的電機驅(qū)動芯片 , 一片 L298 即可驅(qū)動兩個直流電機或一個步進電機。內(nèi)部部結(jié)構(gòu)如圖 58所示。 圖 57 L298 真值表 圖 58 L298 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 測速模塊 我們只有知道當前電機的速度，才能夠控制輸出達到調(diào)速的目的。 PROTEUS 軟件中的電機模塊提供了一個輸出脈沖，每當電機轉(zhuǎn)一圈時就會輸出一個脈沖，這也就注定了仿真出來的速度只能是按秒計數(shù)，亦決定了仿真的精度不會很高。電機輸出的脈沖是理想化的沒有毛刺，沒有畸變，所以可以直接輸入到單片機的中斷引腳，當有一個脈沖時，單片機就會產(chǎn)生一個中斷，就會在相應的存儲單元加 1，當計數(shù)器到達時間時就會把該存儲單元輸出到顯示模塊，然后清零，接著下一個周期計數(shù)，就達到了測速的目的。 模擬 PWM發(fā)生器 眾所周知，直流電動機轉(zhuǎn)速 n 的表達式為 24 a a aeU I Rn C?? ?? (r/min) （公式 51） 式中 aU —— 電樞端電壓（ V） aI —— 電樞電流（ A） aR?—— 電樞電路總電阻（ ? ）； ? —— 每級磁通量 （ Wb）； eC —— 與電機結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)。 由式（ 21）可知，直流電動機轉(zhuǎn)速 n 的可知方法可分為兩類，即勵磁可知法與電樞電壓可知法。勵磁控制法控制磁通 ? ，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以常用控制方法是改變電樞電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。 設直流電源電壓為 Ud,將電樞串聯(lián)一個電阻 R，接到電源 Ud，則 a d aU U I R?? （公式 52） 顯然，調(diào)節(jié)電阻 R即可改變電壓，達到調(diào)速的目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法，其效率甚低。因此，隨著電子技術的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調(diào)壓；使用硅整流器將交流電整流成直流電或由蓄電池等直流電源供電，再由 PWM 斬波器進行斬波調(diào)壓等。 晶閘管的相控調(diào)壓或 PWM 斬波器調(diào)壓比串電阻調(diào)壓損耗小，效率高。而斬波調(diào)壓比相控調(diào)壓又有許多優(yōu)點，如果需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經(jīng)足夠，不需要外加濾波裝置；電動機的損耗和 發(fā)熱較??；動態(tài)響應快等。 圖 59 為 PWM 斬波器的原理圖及輸出電壓波形。在圖 59a 中，假定晶體管 V1先導通 T1秒（忽略 V1的管壓降，這期間電源電壓 Ud全部加到電樞上）， 25 圖 59 PWM 斬波器原理圖電路及輸出電壓波形 a：原理圖 b：輸出電壓波 然后關斷 T2秒（這期間電樞端電壓為零）。如此反復，則電樞端電壓波形如圖 59b中所示。電機電樞端電壓 Ua為其平均值： 112aTUTT? ? 1d d dTU U UT ??? （ 公式 53） 式（公式 53）中 1112TTT T T? ??? （ 公式 54） ? 為一個周期 T 中，晶體管 V1導通時間的比率，稱為負載率或占空比。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變 ? 的值，從而達到調(diào)壓的目的： （ 1）定寬調(diào)頻法： T1保持一定，使 T2在 0∞范圍內(nèi)變化； （ 2）調(diào)寬調(diào)頻法： T2保持一定，使 T1在 0∞范圍內(nèi)變化； （ 3）定頻調(diào)寬法： T1+ T2=T 保持一定，是 T1在 0T 內(nèi)變化。 不管哪種方法，α的變化范圍均為 0≤α≤ 1，因而電樞電壓平均值 Ua的調(diào)節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電機只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。當需要早正、反向兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時，就要使用 510a 所示的橋式（稱為 H型）斬波電路。 在圖 510a 中，晶體管 V V4是同時導通同時關斷的， V V3也是同時導通同時關斷的，但 V1與 V V3與 V4都不允許同時導通，否則電源 Ud直接短路。設 V V4先同時導通T1秒后同時關斷，間隔一定時間（為避免電源直接短路。該間隔時間成為死區(qū)時間）之后， 26 r(t) Kp Ki/S Kd S 控制對象 y(t) ＋ ＋ ＋ u(t) ＋ － e(t)（ t） 圖 510 橋式 PWM 斬波器原理電路及輸出電壓波形 a：原理圖 b：輸出電壓波形 再使 V V3同時導通 T2秒后同時關斷，如此反復，則電機電樞端電壓如圖 510b 所示。 電機電樞端電壓的平均值為 1 2 112 ( 2 1 )a d dT T TU U UT T T?? ? ?? (2 ) dU?? ?? （公式 55） 由于 0≤α≤ 1， Ua值的范圍是 – Ud?Ud，因而電機可以再正、反兩個方向運轉(zhuǎn)。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用 微處理器 的數(shù)字信號對 模擬電路 進行控制的一種非常有效的技術。 AT89C51 沒有專門的引腳輸出 PWM 波，只能通過軟件進行模擬 PWM。 在本設計中是通過 PID 數(shù)值計算后得出一個延時時間，可以調(diào)節(jié)高低電平作用的時間，進而起到調(diào)節(jié)直流電機的輸入電壓，從而達到電機的調(diào)速目的。 PID 控制 PID 控制器是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術成熟、應用最為廣泛的控制器 . 其算法框圖如圖511。 如圖 511 PID 算法框圖 27 PID 是一種線性控制器 , 它根據(jù)給定值 r ( t ) 與實際輸出 y( t ) 構(gòu)成控制偏差 . e ( t ) = r ( t ) y( t ) （公式 55） 將偏差比例 ( P ) 、積分 ( I ) 和微分 ( D) 通過一定的線性組合構(gòu)成控制量 u ( t ) 對被控對象進行控制 . 三個基本參數(shù) Kp， Ti， Td 在實際控制中的作用研究 比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少 偏差，屬于“即時”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。 積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無誤差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無誤差，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。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用就越強。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，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的 變化率，具有預見性，能預見偏差的變化趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，以被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此屬于“超前或未來”型調(diào)節(jié)控制。因此，可以改善系 統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD 或 PID 控制器。 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 如何選擇控制算法的參數(shù)，要根 據(jù)具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定 參數(shù) 28 時不依賴對象的數(shù)學模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，可解決一般實際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。 （ 1） 擴充臨界比例度法 這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是： ① 選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。 ② 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度 ? （ PK/1?? ）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應達到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度 K? 及系統(tǒng)的臨界振蕩周期 kT 。 ③ 選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，將 DDC 的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。 控制效果的評價函數(shù)通常用誤差平方面積 ??0 2 )(te表示。 控制度＝模擬])([])([0202????dttedtte D D C （ 公式 56） 實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理 概念。通常，當控制度為 時，就可以認為 DDC 與模擬控制效果相當；當控制度為 時， DDC 比模擬控制效果差。 ④ 根據(jù)選定的控制度， 查表 求得 T、 PK 、 IT 、 DT 的值。 表 擴充臨界比例度法整定參數(shù) 控制度 控制規(guī)律 T PK IT DT PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT 29 PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT （ 2） 經(jīng)驗法 經(jīng)驗法是 靠 工作人員的 經(jīng)驗及 對 工藝的熟悉 程度 ，參考測量值跟蹤與設定值曲 線， 來 調(diào)整 P、 I、 D 三者參數(shù) 的大小 的，具體操作可按以下口訣進行： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 ； 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 ； 曲線偏離回復慢，積分時間往下降 ；