【正文】 及硬件資源分配見圖 所示。采用 AT89S51 單片機(jī)作為核心器件， 轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置 ， 通過 AT89S51 的 口將電脈沖 信號(hào)送入單片機(jī)處理， L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊， 利用 12864LCD 顯示 器 和44 鍵盤作為人機(jī)接口。 圖 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 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 。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。 圖 電源電路 P 0 . 0 ～ P 0 . 7128 64 LC D顯示模塊P 2 . 7P 2 . 6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊P 2 . 0 ～ P 0 . 554 4 鍵盤P 1 . 0 ～ P 1 . 3P 1 . 4 ～ P 1 . 744L 0 ～ L 3H 0 ～ H 3P 3 . 2 / IN T 0AT 89 S 51P 3 . 3 / IN T 1電 機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)四輸入與門西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 A1A2S E N 111 Y 121 Y 23Vs41 A 151 E N61 A 27G N D8V c c92 A 1102 A 2122 E N112 Y 1132 Y 214S E N 215U5L 29 8ND4D3D1D2C 102 0μ FC92 0μ F+ 5V+ 12 V+ 12 VR14 70R25KR45KR34 70R54 70M G 1P 2. 7P 2. 6P 2. 5 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電路 設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)， 只有 引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 。其中 輸出腳（ SENSEA 和 SENSEB）用來連接電流檢測(cè)電阻 ， Vss 接邏輯控制的電源。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，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(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 其電 路 如圖 所示 ， 利用兩個(gè)光電 耦合 器將單片機(jī)的 I/O 與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。 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(gè)二極管對(duì)芯片起保護(hù)作用。 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)速度采集 電路 設(shè)計(jì) 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(yùn)算，因此速度采集電路是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的部分 。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測(cè)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(gè)等分凹槽 如圖 （ a） 所示， 在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管， 其位置 對(duì)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(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí) ，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， 反之三極管西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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(huì)產(chǎn)生 N 個(gè) 低電平 。 這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行 時(shí)， 將 輸出 如圖 所示的 脈沖 ，若知道一段時(shí)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。 (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(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求要對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)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。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要顯示的 數(shù)據(jù) 比較都， 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(dòng)器 /列驅(qū)動(dòng)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(gè)引腳 [8]，其引腳名稱及引腳編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 ， 引腳功能如表 所示 。 圖 12864LCD 引腳分布 圓盤 光敏三極管發(fā)光二極管+ 5 VP 3 . 3470 Ω200 ΩR 1 R 2西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T9P /R X D10P /T X D11P /IN T 012P /IN T 113P /T 014P /T 115P /W R16P /R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28R S E N29A L E30EA31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39V C C40U18 9 S 5 11234567891011121314151617181920L C DP O T 11 0KR71 0KR847+5C 152 20 μ F1 2 3 4 5 6 7 8 9R N 8 5K+ 5v+ 5v+ 5vP P P 表 12864 液晶顯示模塊引腳功能 引腳 符 號(hào) 引 腳 功 能 引腳 符 號(hào) 引 腳 功 能 1 VSS 電源地 15 CS1 CS1=1芯片選擇左邊 64*64點(diǎn) 2 VDD 電源正 +5V 16 CS2 CS2=1芯片選擇右邊 64*64點(diǎn) 3 VO 液晶顯示驅(qū)動(dòng)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(dòng)負(fù)電源 5 R/W H： 數(shù)據(jù)讀取； L： 數(shù)據(jù)寫入 19 A 背光電源（ +） 6 E 使能信號(hào)。 20 K 背光電源（ ） 714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號(hào)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 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 0 1 2 34 5 6 78 9 正反轉(zhuǎn) 暫停繼續(xù) 啟動(dòng) 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(duì) P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、暫停、繼續(xù)的控制 ，其電路原理圖如圖 所示。圖中 L0～ L3 為 44 鍵盤的列信號(hào)， H0～ H3 為 44 鍵盤的行信號(hào)。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號(hào) L0～ L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號(hào) H0～ H3 [9]。 按照要求設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)， 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(shí)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(dòng)鍵啟動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中可按下相應(yīng)鍵對(duì)電機(jī)進(jìn)行 暫停 、 繼續(xù) 、 停止運(yùn)行的控制。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 0)]2()1(2)([)()]1()([ unene neKneKneneK DIP ????? ????t=0 .5s?計(jì)算 r =n/120計(jì)算 v=( r/0 .5)* 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(duì)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(duì)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 。其運(yùn)算公 式為： ?)(nu 因此要想實(shí)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。 電機(jī)速度采集算法 本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個(gè)非常重要的部分，它的 精 度直接影響到整個(gè)控制 的精度。在設(shè)計(jì)中采用了光電傳感器做為測(cè)速裝置，其計(jì)算公式為： v= 60??tNn r/min 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?zèng)Q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(jì)中取凹槽數(shù) N 為 120，采樣時(shí)間 t為 ， 則速度計(jì)算具體程序流程如圖 所示。 圖 測(cè)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 程序流程西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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(dòng)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(gè)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。 圖 主程序流程 鍵盤程序 程序流程 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(yùn)行狀態(tài) ，其程序流程圖如圖 所示。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 延時(shí)去抖動(dòng)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