基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-精品.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 學(xué) 院 系 名 專 業(yè) 指導(dǎo)教師 2012 年 6 月 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制占有至關(guān)重要的作用 其控制算法和手段有 很多 模擬 PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一 長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu) 并且參數(shù)整定方便 能夠滿足一般控制的要求 但由于在模擬 PID 控制系統(tǒng)中 參數(shù) 一旦整定好后 在整個(gè)控制過(guò)程中都是固定不變的 而在實(shí)際中 由于現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)參 數(shù) 溫度等條件發(fā)生變化 使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果 因此采用模擬 PID 控制 器難以獲得滿意的控制效果 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能控制理論的發(fā)展 數(shù)字 PID 技術(shù) 漸漸發(fā)展起來(lái) 它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬 PID 所完成的控制任務(wù) 而且具備控制算法靈活 可靠性高等優(yōu)點(diǎn) 應(yīng)用面越來(lái)越廣 本設(shè)計(jì)以上面提到的數(shù)字 PID 為基本控制算法 以 AT89S51 單片機(jī)為控制核心 產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制 同時(shí)利用 霍爾傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 達(dá)到轉(zhuǎn) 速檢測(cè)目的 在系統(tǒng)中采用 LCD1602 顯示器作為顯示部件 通過(guò) 5 個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)正反 轉(zhuǎn)和加減速控制 啟動(dòng)后可以通過(guò)顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用 的是專門(mén)的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制 關(guān)鍵詞 數(shù)字 PID PWM 脈沖 直流電機(jī) XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) DC motor closed loop speed control system based on single chip design Abstract In the motion control system the control of electro motor s rotate speed is of great importance there are a lot of speed control arithmetics and methods the analog PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure its parametric setting is convenient and it s easy to meet normal control s demand but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect so the analog PID controller barely has satisfied effect With the development of computer technology and intelligent control theory the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID s control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability it is widely used now This design is based on the digital PID mentioned above as basic control arithmetic and AT89S51 SCM as control core the system produces PWM impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to make sure the running of direct current machine s rotate speed At the same time using Holzer sensors will be converted into pulse frequency motor speed feedback to the MCU realize the speed closed loop control to achieve speed detection In a system employing a LCD1602 monitor as a display part through the 5 keys to achieve positive and acceleration deceleration control can start the display part understanding the motor current speed The motor drive part is used in specialized drive chip to achieve positive control Keywords digital PID PWM impulse DC motor XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 頁(yè) 共 頁(yè) 目 錄 1 引言 1 2 PID 算法及 PWM 控制技術(shù)簡(jiǎn)介 2 2 1 PID 算法 2 2 1 1 模擬 PID 2 2 1 2 數(shù)字 PID 3 2 1 3 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 5 2 2 PWM 脈沖控制技術(shù) 9 2 2 1 PWM 控制的基本原理 9 2 2 2 直流電機(jī)的 PWM 控制技 術(shù) 10 3 硬件電路設(shè)計(jì)部分 12 3 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 12 3 2 控制器模塊設(shè)計(jì)方案 12 3 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案 12 3 4 電源模塊設(shè)計(jì)方案 13 3 5 速度采集設(shè)計(jì)模塊 14 3 6 顯示模塊設(shè)計(jì)方案 14 3 6 1 引腳分布和接口信號(hào)說(shuō)明 14 3 6 2 LCD 液晶電路 15 4 軟件設(shè)計(jì)部分 17 4 1 驅(qū)動(dòng)電力程序流程 17 4 2 直流電機(jī)的中斷鍵盤(pán)控制模塊 17 4 2 1 外部中斷設(shè)置 17 4 2 2 外部中斷擴(kuò)展 18 4 3 顯示程序流程圖 20 5 系統(tǒng)功能調(diào)試 21 5 1 PROTEUS 使用 21 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 頁(yè) 共 頁(yè) 5 2 電路仿真 22 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 頁(yè) 共 頁(yè) 6 結(jié)論 25 附錄 A 系統(tǒng)總電路圖 26 附錄 B 源程序 27 參考文獻(xiàn) 35 致 謝 37 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 37 頁(yè) 1 1 引言引言 21 世紀(jì) 科學(xué)技術(shù)日新月異 科技的進(jìn)步帶動(dòng)了控制技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代控制設(shè)備 的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化 我們已進(jìn)入高速發(fā)展的信息時(shí)代 控制技術(shù)成 為當(dāng)今科技的主流之一 廣泛深入到研究和應(yīng)用工程等各個(gè)領(lǐng)域 1 控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段 其控制系統(tǒng)包括控制器 傳感器 變送器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 輸入輸出接口 不同的控制系統(tǒng) 傳 感器 變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的 比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器 電加熱控制 系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器 目前 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已經(jīng)很多 產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用 受益于數(shù)十年來(lái)全球經(jīng)濟(jì)高速成長(zhǎng)所獲得的 PID 控制成果 在中國(guó)市場(chǎng) 一大批機(jī) 器設(shè)備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段 除滿足本土市場(chǎng)龐大的機(jī)器設(shè)備需求外 走向國(guó) 際市場(chǎng) 參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也成為現(xiàn)實(shí)需求 在應(yīng)用方面 這種控制技術(shù)已經(jīng)滲透到了醫(yī) 療 汽車(chē)制造 鐵道運(yùn)輸 航天航空 鋼鐵生產(chǎn) 物流配送 飲料生產(chǎn)等多個(gè)方面 但是由于中國(guó)科技落后 為此 我們需要更進(jìn)一步的學(xué)習(xí) 掌握與應(yīng)用先進(jìn)的控制技 術(shù)與解決方案 以提升設(shè)備性能 檔次與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 在國(guó)外 尤其在運(yùn)動(dòng)控制及過(guò) 程控制方面 PID 控制技術(shù)的應(yīng)用更是越來(lái)越廣泛和深入 隨著科技的進(jìn)步 人們對(duì) 3 生活舒適性的追求將越來(lái)越高 PID 控制技術(shù)作為一項(xiàng)具有發(fā)展前景和影響力的新技術(shù) 正越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的高度重視 本次設(shè)計(jì)主要研究的是 PID 控制技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 眾所周知運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)最主要的控制對(duì)象是電機(jī) 在不同的生產(chǎn)過(guò)程中 電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)要滿足生產(chǎn) 要求 其中電機(jī)速度的控制在占有至關(guān)重要的作用 因此本次設(shè)計(jì)主要是利用 PID 控 制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制 其設(shè)計(jì)思路為 以 AT89S51 單片機(jī)為控制核心 產(chǎn)生 占空比受 PID 算法控制的 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制 同時(shí)利用霍爾傳感器 將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中 構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng) 在系統(tǒng)中采 LCD1602 顯示器作為顯示部件 通過(guò) 5 個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制和速度預(yù)置功能 啟動(dòng)后 可以了解當(dāng)前速度 因此該系統(tǒng)在硬件方面包括 電源模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 控制模 塊 速度檢測(cè)模塊 人機(jī)交互模塊 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 37 頁(yè) 比 例 微 分 積 分執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)象 r t u t c t e t 2 2 PIDPID 算法及算法及 PWMPWM 控制技術(shù)簡(jiǎn)介控制技術(shù)簡(jiǎn)介 2 12 1 PIDPID 算法算法 控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分 整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控 制算法來(lái)實(shí)現(xiàn) 目前提出的控制算法有很多 根據(jù)偏差的比例 P 積分 I 微 分 D 進(jìn)行的控制 稱為 PID 控制 實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明 PID 控制能夠滿足 相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求 至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一 下面分 4 別介紹模擬 PID 數(shù)字 PID 2 1 1 模擬 PID 在模擬控制系統(tǒng)中 調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原 理框圖如圖 2 1 所示 系統(tǒng)由模擬 PID 調(diào)節(jié)器 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對(duì)象組成 圖 2 1 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器 它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制 tr tc 偏差 2 1 te tr tc 將偏差的比例 積分 微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制 故 稱為 PID 調(diào)節(jié)器 在實(shí)際應(yīng)用中 常根據(jù)對(duì)象的特征和控制要求 將 P I D 基本控 制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)組合 以達(dá)到對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行有效控制的目的 例如 P 調(diào)節(jié)器 PI 調(diào)節(jié)器 PID 調(diào)節(jié)器等 模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 1 0dt tde Tdtte T teKtu D t I p 2 2 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 37 頁(yè) 式中 為比例系數(shù) 為積分時(shí)間常數(shù) 為微分時(shí)間常數(shù) P K I T D T 簡(jiǎn)單的說(shuō) PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是 1 比例環(huán)節(jié) 即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) 偏差一旦產(chǎn)生 調(diào) te 節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差 2 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差 提高系統(tǒng)的無(wú)差度 積分作用的強(qiáng)弱取決于 積分時(shí)間常數(shù) 越大 積分作用越弱 反之則越強(qiáng) I T I T 3 微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) 變化速率 并能在偏差信號(hào)的值 變得太大之前 在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào) 從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度 減少調(diào)節(jié)時(shí)間 5 由式 2 2 可得 模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 1 1 ST ST K SE SU SD D I P 2 3 由于本設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字 PID 算法 所以對(duì)于模擬 PID 只做此簡(jiǎn)要介紹 2 1 2 數(shù)字 PID 在 DDC 系統(tǒng)中 用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完 成的 因此 系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì) 實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì) 由于計(jì)算機(jī)只能 識(shí)別數(shù)字量 不能對(duì)連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運(yùn)算 故在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 首先必 須對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì) 為將模擬 PID 控制規(guī)律按式 2 2 離散化 我們把圖 2 1 中 tr 在第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用 表示 于 te tu tc nr ne nu nc 是式 2 1 變?yōu)?ne nr nc 2 4 當(dāng)采樣周期 T 很小時(shí)可以用 T 近似代替 可用近似代替 dt tde 1 nene 積分 用 求和 近似代替 即可作如下近似 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 37 頁(yè) 2 5 T nene dt tde 1 2 6 t n i Tiedtte 0 1 這樣 式 2 2 便可離散化以下差分方程 2 7 0 1 1 unene T T ne T T neKnu n i D I P 上式中是偏差為零時(shí)的初值 上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用 稱為比例 P 0 u 項(xiàng) 即 nuP 2 8 neKnu Pp 第二項(xiàng)起積分控制作用 稱為積分 I 項(xiàng)即 nuI 2 9 n i I PI ie T T Knu 1 第三項(xiàng)起微分控制作用 稱為微分 D 項(xiàng)即 nuD 2 10 1 nene T T Knu D PD 這三種作用可單獨(dú)使用 微分作用一般不單獨(dú)使用 或合并使用 常用的組合有 P 控制 2 11 0 ununu P PI 控制 0 unununu IP 2 12 PD 控制 2 13 0 unununu DP PID 控制 2 14 0 ununununu DIP 式 2 7 的輸出量為全量輸出 它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻 nu 應(yīng)達(dá)到的位置 因此 式 2 7 又稱為位置型 PID 算式 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 37 頁(yè) PID 位置算法 控制器被控對(duì)象 r t e t uc t PID 增量算法 控制器被控對(duì)象 r t e t uc t 由 2 7 可看出 位置型控制算式不夠方便 這是因?yàn)橐奂悠?不僅要 ie 占用較多的存儲(chǔ)單元 而且不便于編寫(xiě)程序 為此對(duì)式 2 7 進(jìn)行改進(jìn) 根據(jù)式 2 7 不難看出 u n 1 的表達(dá)式 即 0 1 1 2 1 1 1 unene T T ne T T neKnu n i D I P 2 15 將式 2 7 和式 2 15 相減 即得數(shù)字 PID 增量型控制算式為 1 nununu 2 16 2 1 2 1 neneneKneKneneK DIP 從上式可得數(shù)字 PID 位置型控制算式為 nu 0 2 1 2 1 uneneneKneKneneK DIP 2 17 式中 稱為比例增益 P K 稱為積分系數(shù) I PI T T KK 稱為微分系數(shù) 1 T T KK D PD 數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型示意圖分別如圖 2 2 和 2 3 所示 圖 2 2 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖 圖 2 3 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖 2 1 3 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 37 頁(yè) 如何選擇控制算法的參數(shù) 要根據(jù)具體過(guò)程的要求來(lái)考慮 一般來(lái)說(shuō) 要求被控 過(guò)程是穩(wěn)定的 能迅速和準(zhǔn)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(yīng)能保持在給定值 操作變量不宜過(guò)大 在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持 穩(wěn)定 顯然 要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是很困難的 必須根據(jù)具體過(guò)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(jì)算法和工程整定法兩種 用 理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型 這在工業(yè)過(guò)程中一 般較難做到 因此 實(shí)際用得較多的還是工程整定法 這種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是整定參 數(shù)時(shí)不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 簡(jiǎn)單易行 當(dāng)然 這是一種近似的方法 有時(shí)可能略嫌 粗糙 但相當(dāng)適用 可解決一般實(shí)際問(wèn)題 下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法 6 1 擴(kuò)充臨界比例度法 這種方法適用于有自平衡特性的被控對(duì)象 使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟 是 選擇一個(gè)足夠小的采樣周期 具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí) 間的十分之一以下 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作 工作時(shí) 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 直至系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到 P K 1 臨界振蕩狀態(tài) 記下此時(shí)的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期 K k T 選擇控制度 所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn) 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(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積表示 0 2 te 控制度 模擬 0 2 0 2 dtte dtte DDC 1 18 實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方面積 控制度僅表示控制效果的物理概 念 通常 當(dāng)控制度為 1 05 時(shí) 就可以認(rèn)為 DDC 與模擬控制效果相當(dāng) 當(dāng)控制度為 2 0 時(shí) DDC 比模擬控制效果差 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 37 頁(yè) 根據(jù)選定的控制度 查表 2 1 求得 T 的值 P K I T D T 表 2 1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) 2 經(jīng)驗(yàn)法 經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉程度 參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲 線 來(lái)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(jìn)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(pán)要放大 曲線漂浮繞大灣 比例度盤(pán)往小扳 曲線偏離回復(fù)慢 積分時(shí)間往下降 控制度控制規(guī)律T P K I T D T 1 05PI0 03 K T0 53 K 0 88 K T 1 05PID0 014 K T0 63 K 0 49 K T0 14 K T 1 20PI0 05 K T0 49 K 0 91 K T 1 20PID0 043 K T0 047 K 0 47 K T0 16 K T 1 50PI0 14 K T0 42 K 0 99 K T 1 50PID0 09 K T0 34 K 0 43 K T0 20 K T 2 00PI0 22 K T0 36 K 1 05 K T 2 00PID0 16 K T0 27 K 0 40 K T0 22 K T XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 37 頁(yè) 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng) 積分時(shí)間再加長(zhǎng) 曲線振蕩頻率快 先把微分降下來(lái) 動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢 微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng) 下面以 PID 調(diào)節(jié)器為例 具體說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù) 0 實(shí)際微分系數(shù) 0 控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行 I K D K 由小到大改變比例系數(shù) 讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化 觀察控制過(guò)程 直到獲得滿意的 P K 控制過(guò)程為止 取比例系數(shù)為當(dāng)前的值乘以 0 83 由小到大增加積分系數(shù) 同樣讓擾動(dòng) P K I K 信號(hào)作階躍變化 直至求得滿意的控制過(guò)程 積分系數(shù)保持不變 改變比例系數(shù) 觀察控制過(guò)程有無(wú)改善 如有改善 I K P K 則繼續(xù)調(diào)整 直到滿意為止 否則 將原比例系數(shù)增大一些 再調(diào)整積分系數(shù) P K I K 力求改善控制過(guò)程 如此反復(fù)試湊 直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止 P K I K 引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間 此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù) D K D K 和積分系數(shù) 和前述步驟相同 微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整 直到控制過(guò)程 P K I K 滿意為止 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 37 頁(yè) 2 22 2 PWMPWM 脈沖控制技術(shù)脈沖控制技術(shù) PWM Pulse Width Modulation 控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù) 即通過(guò)對(duì) 一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 來(lái)等效地獲得所需要波形 含形狀和幅值 2 2 1 PWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣 性的環(huán)節(jié)上時(shí) 其效果基本相同 沖量即指窄脈沖的面積 這里所說(shuō)的效果基本相同 是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 如果把各輸出波形用傅立葉變換分析 則其低頻 段非常接近 僅在高頻段略有差異 例如圖 2 4 中 a b c 所示的三個(gè)窄脈沖形狀不 同 其中圖 2 4 的 a 為矩形脈沖 圖 2 4 的 b 為三角脈沖 圖 2 4 的 c 為正弦半波脈 沖 但它們的面積 即沖量 都等于 1 那么 當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上 時(shí) 其輸出響應(yīng)基本相同 當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D 2 4 的 d 所示的單位脈沖函數(shù)時(shí) t 環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù) 7 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 37 頁(yè) a b c d ab i i t i t e t R L 0 圖 2 4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖 2 5a 的電路是一個(gè)具體的例子 圖中為窄脈沖 其形狀和面積分別如圖 2 4 te 的 a b c d 所示 為電路的輸入 該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 R L 電路上 設(shè) 其電流為電路的輸出 圖 2 5b 給出了不同窄波時(shí)的響應(yīng)波形 從波形可以看 ti ti 出 在的上升段 脈沖形狀不同時(shí)的形狀也略有不同 但其下降段幾乎完全 ti ti 相同 脈沖越窄 各波形的差異也越小 如果周期性的施加上述脈沖 則響應(yīng) ti 也是周期性的 用傅立葉級(jí)數(shù)分解后將可看出 各在低頻段的特性非常接近 ti ti 僅在高頻段有所不同 圖 2 5 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 2 2 2 直流電機(jī)的 PWM 控制技術(shù) 直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性 調(diào)速平滑 方便 調(diào)速范圍廣 過(guò)載能力大 能承受頻繁的沖擊負(fù)載 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng) 制動(dòng)和反轉(zhuǎn) 能滿足生產(chǎn)過(guò)程 自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求 在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng) 領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法 調(diào)節(jié)電樞供電的電壓 減弱勵(lì)磁磁通和 f t 0 t f t 0 t 0 t f t 0 t f t 0 t 0 t a b c d XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 37 頁(yè) U t 0tTt0 U 改變電樞回路電阻 針對(duì)三種調(diào)速方法 都有各自的特點(diǎn) 也存在一定的缺陷 例如 改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速 減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速 但這種方法 的調(diào)速范圍不大 一般都是配合變壓調(diào)速使用 所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中 都是以變壓 調(diào)速為主 其中 在變壓調(diào)速系統(tǒng)中 大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)兩種 直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn) 由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高 僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流 低速 特性好 穩(wěn)速精度高 調(diào)速范圍寬 同樣 由于開(kāi)關(guān)頻率高 快速響應(yīng)特性好 動(dòng)態(tài)抗 干擾能力強(qiáng) 可以獲得很寬的頻帶 開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 因此主電路損耗小 裝置效率高 直流電源采用不可控整流時(shí) 電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高 正因?yàn)橹?流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn) 并且隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)性能的不斷提高 直流脈寬 調(diào)制 PWM 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展 8 根據(jù) PWM 控制的基本原理可知 一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的 PWM 脈沖與相等 時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效 那么如果在短時(shí)間 T 內(nèi)脈沖寬度為 幅值為 U 由圖 2 6 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為 0 t 圖 2 6 PWM 脈沖 若令 即為占空比 則上式可化為 T Ut U 0 0 T t0 U 為脈沖幅值 2 19 UU 0 若 PWM 脈沖為如圖 2 7 所示周期性矩形脈沖 那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方 法與上述相同 即 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) 共 37 頁(yè) U t 0tTt0 U 2T2t03T3t04t0nT n 1 t0 鍵盤(pán)模塊控制器模塊 顯示模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī) 速度檢測(cè)模塊 PWM脈沖 為矩形脈沖占空比 2 20 U T Ut nT Unt U 00 0 圖 2 7 周期性 PWM 矩形脈沖 由式 2 20 可知 要改變等效直流電壓的大小 可以通過(guò)改變脈沖幅值 U 和占空比 來(lái)實(shí)現(xiàn) 因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的 所以通常通過(guò)控制占空比 的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在 0 U 之間任意調(diào)節(jié) 從而達(dá)到利用 PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì) 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的 3 3 硬件電路設(shè)計(jì)部分硬件電路設(shè)計(jì)部分 3 13 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)系統(tǒng)方框圖如圖 3 1 所示 圖中控制器模塊為 系統(tǒng)的核心部件 鍵盤(pán)和顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能 在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中 經(jīng)過(guò)放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 同時(shí)利用速度檢測(cè)模塊將 當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中 控制器經(jīng)過(guò)數(shù)字 PID 運(yùn)算后改變 PWM 脈沖的占空比 實(shí)現(xiàn) 電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 3 1 系統(tǒng)方案框圖 3 23 2 控制器模塊設(shè)計(jì)方案控制器模塊設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求 采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案 AT89S51 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算 功能強(qiáng) 軟件編程靈活 自由度大 可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制 4 相對(duì) 于 FPGA 來(lái)說(shuō) 它的芯片引腳少 在硬件很容易實(shí)現(xiàn) 并且它還具有功耗低 體積小 技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn) 在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛 3 33 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案 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 L298 電 機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) 由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力 安全 可靠行 所以我們?cè)趹?yīng)用時(shí)只需考慮到芯片的硬件連接 驅(qū)動(dòng)能力等問(wèn)題就可以了 所以此種 方案的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 抗干擾能力強(qiáng) 可靠性好 設(shè)計(jì)者不需要對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)考慮 很多 可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中 大大的提高了工作效率 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(kāi)關(guān)狀態(tài) 通過(guò)調(diào)整輸入脈沖的占空 比 調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 3 2 驅(qū)動(dòng)電路 3 43 4 電源模塊設(shè)計(jì)方案電源模塊設(shè)計(jì)方案 電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)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 而本設(shè)計(jì)電源電路采用 78 系列芯片產(chǎn)生 5V 12V 電路圖如圖 3 3 所示 圖 3 3 電源電路 3 53 5 速度采集設(shè)計(jì)模塊速度采集設(shè)計(jì)模塊 速度的采集用霍爾傳感器 通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè) 1 霍爾傳感器的工作原理 霍爾開(kāi)關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓 UH 放大后再經(jīng)信號(hào)變換器 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形 放大后輸出幅值相等 頻率變化的方波 信號(hào) 信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波 代表轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒 脈沖信號(hào)的周期與電 機(jī)的轉(zhuǎn)速的關(guān)系為 n n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速 P 為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù) T 為輸出方 PT 60 波信號(hào)周期 2 測(cè)速電路原理圖 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 3 4 速度采集電路 3 63 6 顯示模塊設(shè)計(jì)方案顯示模塊設(shè)計(jì)方案 采用 1602LCD 液晶顯示器 該顯示器控制方法簡(jiǎn)單 功率低 硬件電路簡(jiǎn)單 可 對(duì)字符進(jìn)行顯示 3 6 1 引腳分布和接口信號(hào)說(shuō)明 1 引腳分布 1602 液晶顯示共有 16 個(gè)引腳 其引腳分布如圖 3 5 所示 圖 3 5 1602 液晶顯示模塊引腳分布 2 引腳功能 1602 引腳功能如表 3 1 所示 表 3 1 1602 引腳功能 編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 37 頁(yè) 1VSSVSS 為地電源9D2Data I O 2VDDVDD 接 5V 正電源10D3Data I O 3VEE液晶顯示偏壓信號(hào)11D4Data I O 4RS0 輸入指令 1 輸入數(shù)據(jù)12D5Data I O 5R W0 寫(xiě)入指令或數(shù)據(jù) 1 讀信息13D6Data I O 6E1 讀取信息 1 0 執(zhí)行指令14D7Data I O 7D0Data I O15BLA背光源正極 8D1Data I O16BLK背光源負(fù)極 3 6 2 LCD 液晶電路 圖 3 6 1602 液晶顯示模塊組成 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 37 頁(yè) 4 4 軟件設(shè)計(jì)部分軟件設(shè)計(jì)部分 4 14 1 驅(qū)動(dòng)電路程序流程驅(qū)動(dòng)電路程序流程 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是專用的驅(qū)動(dòng)芯片 L298 單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)芯片輸出脈沖來(lái)控制電機(jī) 程序流程圖如下 初始化 設(shè)置周期 將從鍵盤(pán) 中斷 讀取的數(shù)據(jù)送到 TH0 中 從而設(shè)計(jì)脈沖 給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出脈沖 開(kāi)始 count 256 count count 1 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 是 否 返回 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 4 1 定時(shí)中斷服務(wù)流程圖 4 24 2 直流電機(jī)的中斷鍵盤(pán)控制模塊直流電機(jī)的中斷鍵盤(pán)控制模塊 4 2 1 外部中斷設(shè)置 1 外部中斷允許設(shè)置 中斷控制寄存器 IE 的 EX0 對(duì)應(yīng) INT0 EX1 對(duì)應(yīng) INT1 EA 為中斷的總開(kāi)關(guān) 若要開(kāi)放 外部中斷 只要將 IE 對(duì)應(yīng)的位和總開(kāi)關(guān) EA 置 1 即可 如 開(kāi)放外部中斷 0 的設(shè)置 SETB EX0 SETB EA 開(kāi)放外部中斷 0 和 1 的設(shè)置 SETB EX0 SETB EX1 SETB EA 2 外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置 單片機(jī)外部中斷有兩種觸發(fā)方式 一種是電平觸發(fā)方式 另一種是脈沖觸發(fā)方式 單 片機(jī)外部中斷觸發(fā)方式與 TCON 的 IT 位有關(guān) TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 電平觸發(fā)設(shè)置方法 CLR ITX 為低電平觸發(fā)方式 脈沖觸發(fā)設(shè)置方法 SETB ITX 1 為脈沖下降沿觸發(fā)方式 在使用外部中斷時(shí) 如果不進(jìn)行設(shè)置 則為電平觸發(fā)方式 3 外部?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)置 外部中斷 IN0 INT1 的中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置是通過(guò)設(shè)置 IP 寄存器實(shí)現(xiàn)的 IP 的 PX0 對(duì) 應(yīng) INT0 PX1 對(duì)應(yīng) INT1 PX 置 1 為高級(jí)中斷 PX 為 0 為低級(jí)中斷 XXXPSPT1PX1PT0PX0 4 2 2 外部中斷擴(kuò)展 在圖 4 2 為外部中斷擴(kuò)展電路 設(shè) X0 X1 X2 X3 X4 為外部警情信號(hào) X0 代表 是加速信號(hào) X0 0 表示加速 X1 代表減速信號(hào) X1 0 表示減速 X2 代表正轉(zhuǎn)信號(hào) XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 37 頁(yè) X2 0 表示正轉(zhuǎn) X3 代表反轉(zhuǎn)信號(hào) X3 0 表示反轉(zhuǎn) X4 代表停止信號(hào) X4 0 表示停止 處理 圖 4 2 外部中斷擴(kuò)展電路 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有中斷請(qǐng)求時(shí) 響應(yīng)如下中斷服務(wù)流程圖 4 3 中斷請(qǐng)求 加速 減速 正轉(zhuǎn) X3 0 反轉(zhuǎn) 停止 X2 0 X1 0 X0 0 是 是 是 是 否 否 否 X4 0 否 是 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 4 3 中斷服務(wù)流程 4 3 顯示程序流程圖 顯示模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的重要部分 在這里選用 LCD1602 作為顯示器 其工作 流程圖如下所示 圖 4 4 顯示程序流程圖 開(kāi)始 對(duì) LCD 初始化 將已知要提示的內(nèi)容送入 LCD 并顯示在第一行 將讀取的速度和轉(zhuǎn)向送入 LCD 并使其顯示在第二行 一直等待 LJMP 設(shè)置電機(jī)的速度 是否為 0 一直等待 是 否 是否有命令 輸入 否 是 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 37 頁(yè) 5 5 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能調(diào)試調(diào)試 5 15 1 Proteus 使用使用 Proteus 是英國(guó) Labcenter electronics 公司研發(fā)的 EDA 設(shè)計(jì)軟件 是一個(gè)基于 ProSPICE 混合模型仿真器的 完整的嵌入式系統(tǒng)軟 硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái) 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 51 PIC AVR HC11 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(cè)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(guò)程 以下 為本系統(tǒng)在 Proteus 中的仿真流程 1 新建文件 打開(kāi) Proteus 點(diǎn) File 在彈出的下拉菜單中選擇 New Design 在彈出的圖幅選擇對(duì)話框中選 Default 2 設(shè)置編輯環(huán)境 按上述的方法對(duì) Proteus 的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置 3 元器件選取 按設(shè)計(jì)要求 在對(duì)象選擇窗口中點(diǎn) P 彈出 Pickdevices 對(duì)話 框 在 Keywords 中填寫(xiě)要選擇的元器件 然后在右邊對(duì)話框中選中要選的元器件 則 元器件列在對(duì)象選擇的窗口中如圖 5 1 所示 圖 5 1 Proteus 元器件選取界面 4 程序編譯 中斷請(qǐng)求 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 37 頁(yè) 點(diǎn)菜單 Source Add Remove source Files 在出現(xiàn)的對(duì)話框如圖 5 2 中 選擇 ASEM51 編輯器 將上面的匯編源程序 SEKED ASM 添加 再點(diǎn)菜單 Source Build ALL 編譯匯編源程序 生成目標(biāo)代碼文件 SWLED HEX 圖 5 2 程序添加界面 5 程序加載 在編輯環(huán)境左擊單片機(jī)然后右擊 在彈出的對(duì)話框中將編譯生成的 HEX 文件加載 到芯片中 設(shè)單片機(jī)的時(shí)鐘工作頻率為 12MHZ 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 5 25 2 電路仿真電路仿真 LCD 液晶顯示電路的系統(tǒng)仿真與調(diào)試 在 Proteus 運(yùn)行環(huán)境中首先檢驗(yàn) LCD 顯示電 路 添加程序 運(yùn)行 LCD 液晶顯示電路能 系統(tǒng)若運(yùn)行成功將得到如圖 5 3 此后在之 前的電路基礎(chǔ)之上再拓展帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán) 調(diào)試成功后的電路如圖 5 4 所示 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 5 3 LCD 液晶顯示字符初步調(diào)試 圖 5 4 帶中斷控制的 LCD 液晶顯示 調(diào)試用帶中斷的鍵盤(pán)來(lái)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的部分電路 如圖 5 5 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 5 5 用帶中斷的鍵盤(pán)來(lái)控制的電機(jī) 啟動(dòng)目標(biāo)系統(tǒng) 按正轉(zhuǎn) 然后接加速開(kāi)關(guān) 我們觀察到電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn) 每按一次 加速 電機(jī)的速度都要增加 此時(shí)如果按減速 則電機(jī)的轉(zhuǎn)速慢慢地減小 同樣按反 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鍵也看到同樣的結(jié)果 當(dāng)按停止鍵時(shí) 電機(jī)慢慢停下來(lái) 圖 5 6 是在目的電路剛 啟動(dòng)時(shí)未設(shè)置命令之前的狀態(tài) 圖 5 7 是在正轉(zhuǎn)情況下的仿真結(jié)果 圖 5 8 是在反轉(zhuǎn) 情況下的仿真結(jié)果 圖 5 6 未按鍵時(shí)的初始狀態(tài) XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 5 7 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài) 圖 5 8 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài) 6 6 結(jié)論結(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(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 到目 前為止通過(guò)對(duì)控制器模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 LCD 顯示模塊 數(shù)字 PID 算法等進(jìn)行深入的 研究 完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 并且利用 Protel 軟件繪制出電路原理圖 軟件方 面利用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程 并且利用 Proteus 軟件進(jìn)行仿真更加保證了程序的準(zhǔn)確性 歸納起來(lái)主要做了如下幾方面的工作 1 PID 算法與 PWM 控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 37 頁(yè) 2 設(shè)計(jì)了電機(jī)調(diào)速電路 原理圖見(jiàn)附錄 A 3 利用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì) 并通過(guò) 仿真 源程序見(jiàn)附錄 B 根據(jù)上面論述結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出本次設(shè)計(jì)基本完成了設(shè) 計(jì)任務(wù)和要求 通過(guò)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) 附錄附錄 A A 系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總電路圖 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 共 37 頁(yè) 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的 Protel 原理圖 附錄附錄 B B 源程序源程序 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 28 頁(yè) 共 37 頁(yè) ORG 0000H SJMP DISPLAY ORG 0003H LJMP BUTTON 外部 0 中斷入口地址 ORG 000BH LJMP DINGSHI 定時(shí)中斷 T0 入口地址 RS EQU P3 0 RW EQU P3 1 E EQU P3 4 ORG 0030H 此次直流電機(jī)的設(shè)計(jì)以 LCD 字符夜晶的 顯示程序?yàn)橹鞒绦?DISPLAY SETB EA 打開(kāi)中斷總開(kāi)關(guān) SETB EX0 打開(kāi)外部中斷 0 開(kāi)關(guān) SETB IT0 打開(kāi)外部中斷 0 下降沿觸發(fā) MOV TMOD 01H 設(shè)置定時(shí)工作方式 MOV TL0 0FFH 設(shè)置定時(shí)初值 MOV TH0 0FFH SETB ET0 打開(kāi)定時(shí)中斷 T0 開(kāi)關(guān) CLR P0 5 CLR P0 6 CLR P0 7 SETB TR0 定時(shí)器 T0 開(kāi)始定時(shí) MOV DPTR TAB 夜晶顯示的字符首地址 MOV R0 00H 脈寬的初值 MOV R1 16 SET SPEED PLEASE 的字符個(gè)數(shù) MOV R3 00H MOV R4 00H LP9 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 37 頁(yè) LCALL CHUSHI LP2 ACALL BUSY MOV A 00H MOVC A A DPTR MOV P1 A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1 LP2 LP3 CJNE R3 00H LP4 CJNE R4 00H LP4 SJMP LP3 LP4 MOV R7 00H 中斷的標(biāo)志 MOV R5 09H CURRENT 的字符個(gè)數(shù) ACALL BUSY MOV P1 0C0H ACALL ENABLE MOV DPTR MMTAB ACALL BUSY LP5 MOV A 00H MOVC A A DPTR MOV P1 A INC DPTR ACALL DATAS ACALL BUSY DJNZ R5 LP5 MOV DPTR STAB XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 30 頁(yè) 共 37 頁(yè) MOV A R2 MOV P1 A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A R3 顯示速度的十位 MOVC A A DPTR MOV P1 A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A R4 顯示速度的個(gè)位 MOVC A A DPTR MOV P1 A ACALL DATAS 使夜晶始終顯示當(dāng)前電機(jī)的速度 LP8 CJNE R7 00H LP7 速度不變時(shí)等待 LJMP LP8 速度變時(shí)重新讀入速度 LP7 SJMP LP4 CHUSHI 使夜晶顯示的一些初始設(shè)置 ACALL BUSY MOV P1 00000001B 清屏并光標(biāo)復(fù)位 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1 00111000B 設(shè)置顯示模式 8 位 2 行 5 7 點(diǎn)陣 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1 00001111B 顯示器開(kāi) 光標(biāo)開(kāi) 光標(biāo)允許閃爍 ACALL ENABLE ACALL BUSY XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 31 頁(yè) 共 37 頁(yè) MOV P1 00000110B 文字不動(dòng) 光標(biāo)自動(dòng)右移 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1 80H 寫(xiě)入顯示起始地址 ACALL ENABLE RET ENABLE 寫(xiě)入控制命令的子程序 SETB E CLR RS CLR RW CLR E RET DATAS 寫(xiě)入數(shù)據(jù)子程序 SETB E SETB RS CLR RW CLR E RET BUSY 準(zhǔn)備寫(xiě)入數(shù)據(jù) CLR E MOV P1 0FFH CLR RS SETB RW SETB E JB P1 7 BUSY RET ORG 2000H DINGSHI 定時(shí)中斷服務(wù)程序 CPL P0 7 XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 32 頁(yè) 共 37 頁(yè) JNB P0 7 Z1 周期一定 MOV A 0FFH SUBB A R0 MOV TH0 A SETB TR0 RETI Z1 MOV TH0 R0 脈寬 SETB TR0 RETI BUTTON 從控制鍵盤(pán)中讀取操作命令 PUSH ACC CLR EX0 CLR EA INC R7 MOV A 0FFH MOV P2 A MOV A P2 JNB ACC 0 AA0 JNB ACC 1 KK0 JNB ACC 2 ZZ JNB ACC 3 FF JNB ACC 4 WW0 AJMP QQ AA0 CJNE R0 0FFH AA1 加速操作 AJMP QQ AA1 MOV A R0 ADD A 5 MOV R0 A AJMP QQ XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 33 頁(yè) 共 37 頁(yè) KK0 CJNE R0 00 MM 減速操作 AJMP QQ MM MOV A R0 SUBB A 5 MOV R0 A AJMP QQ QQ MOV A R0 MOV B 5 DIV AB MOV B 10 DIV AB MOV R3 A MOV R4 B SETB EX0 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EA POP ACC RETI ZZ SETB P0 5 正轉(zhuǎn)操作 CLR P0 6 MOV R2 2BH 正轉(zhuǎn)標(biāo)志 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 34 頁(yè) 共 37 頁(yè) POP ACC RETI FF CLR P0 5 反轉(zhuǎn)操作 SETB P0 6 MOV R2 2DH 反轉(zhuǎn)標(biāo)志 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI WW0 CLR P0 5 停止操作 CLR P0 6 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI DELAY 延時(shí)子程序 MOV R5 0E0H MM0 MOV R6 30H MM1 DJNZ R6 MM1 DJNZ R5 MM0 RET TAB DB 53H 45H 54H 20H DB