PID控制PWM調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度[教學(xué)應(yīng)用]

1、教育 a1 模板 本次設(shè)計主要研究的是PID控制技術(shù)在運動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，縱所周知運動 控制系統(tǒng)最主要的控制對象是電機(jī)，在不同的生產(chǎn)過程中，電機(jī)的運行狀態(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)計主要是利用 PID控制技術(shù)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。其設(shè)計思路為：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脈沖實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同 時利用光電傳感器將電機(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)，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采12864LCD顯示器作為顯示部件， 通過44鍵盤設(shè)置P、I、D、V四個參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟

2、動后通過顯示部件了 解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運行時間。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動 模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機(jī)交互模塊。軟件部分采用C語言進(jìn)行程序設(shè) 計，其優(yōu)點為：可移植性強、算法容易實現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。 本次設(shè)計系統(tǒng)的主要特點： （1）優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補償； （2）使用光電傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，從而與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，實現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無 靜差調(diào)節(jié)的目的； （3）使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開，使系統(tǒng)更加安全可靠； 教育 a2 比 例 微 分 積 分執(zhí)行機(jī)構(gòu)對象 r(

3、t) + - + + u(t)c(t)e(t) （4）12864LCD顯示模塊提供一個人機(jī)對話界面，并實時顯示電機(jī)運行速 度和運行時間； （5）利用Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)整體仿真，從而進(jìn)一步驗證電路和程序的正確 性，避免不必要的損失； （6）采用數(shù)字PID算法，利用軟件實現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點； （7）系統(tǒng)性能指標(biāo)：超調(diào)量8； 調(diào)節(jié)時間4s； 轉(zhuǎn)速誤差1r/min。 1 PID算法及PWM控制技術(shù)簡介 1.1 PID算法 控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由 控制算法來實現(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

4、）進(jìn)行的控制，稱為PID控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能 夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。 下面分別介紹模擬PID、數(shù)字PID及其參數(shù)整定方法。 1.1.1 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1.1所示，系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對象組成。 教育 a3 圖1.1 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)給定值與實際輸出值構(gòu)成的)(tr)(tc 控制偏差： = )(te)(tr)(tc （1.1） 將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，

5、對控制對象進(jìn)行控制，故稱 為PID調(diào)節(jié)器。在實際應(yīng)用中，常根據(jù)對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)到對被控對象進(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 （1.2） 式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。 P K I T D T 簡單的說，PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號,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

6、，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決 于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強； I T I T （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。 由式1.2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 （1.3） 由于本設(shè)計主要采用數(shù)字PID算法，所以對于模擬PID只做此簡要介紹。 1.1.2 數(shù)字PID 教育 a4 在DDC系統(tǒng)中，用計算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機(jī)軟件 來完成的。因此，

7、系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計，實際上是計算機(jī)算法的設(shè)計。 由于計算機(jī)只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運算，故在計算 機(jī)控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計。 為將模擬PID控制規(guī)律按式（1.2）離散化，我們把圖1.1中、)(tr)(te 、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式)(tu)(tc)(nr)(ne)(nu)(nc （1.1）變?yōu)?： = )(ne)(nr)(nc （1.4） 當(dāng)采樣周期T很小時可以用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 T nene dt tde) 1()()( （1.5） t n

8、 i Tiedtte 0 1 )()( （1.6） 這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 0 1 )1()()()()(unene T T ne T T neKnu n i D I P （1.7） 上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項 0 u ,即 )(nuP )()(neKnu Pp （1.8） 第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即)(nuI n i I PI ie T T Knu 1 )()( （1.9） 第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項即)(nuD 教育 a5 )1()()(nene T T Knu D PD （1.10） 這三種作用可單

9、獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用,常用的組合有: P控制: 0 )()(ununu P （1.11） PI控制: 0 )()()(unununu IP （1.12） PD控制: 0 )()()(unununu DP （1.13） PID控制: 0 )()()()(ununununu DIP （1.14） 式（1.7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時)(nu 刻應(yīng)達(dá)到的位置。因此,式（1.7）又稱為位置型PID算式。 由（1.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,不)(ie 僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（1.7）進(jìn)行改進(jìn)。

10、 根據(jù)式（1.7）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 （1.15） 將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為 ) 1()()(nununu )2() 1(2)()()1()(neneneKneKneneK DIP （1.16） 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 （1.17） 式中： 稱為比例增益； P K 教育 a6 PID 位置算法 控制器被控對象 r(t) + -

11、 e(t)uc(t) PID 增量算法 控制器被控對象 r(t) + - e(t)uc(t) 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1.2和1.3所示： 圖1.2 數(shù)字PID位置型控制示意圖 圖1.3 數(shù)字PID增量型控制示意圖 1.1.3 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(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，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制 應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，

12、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(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)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)時不依賴對象的數(shù)學(xué)模型，簡單易行。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時 可能略嫌粗糙，但相當(dāng)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(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象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù) 的步驟是： 教育 a7 選擇一個足

13、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。 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（）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng) P K/1 達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時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。控制效果的評價函數(shù)通常用誤差平方面積表 0 2 )(te 示。 控制度 模擬 )( )( 0 2 0 2 dtte dtte DDC （1.18） 實際應(yīng)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

14、效果的物理 概念。通常，當(dāng)控制度為1.05時，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，DDC比模擬控制效果差。 根據(jù)選定的控制度，查表1.1求得T、的值1。 P K I T D T 表1.1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) （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(shè)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(jìn)行： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查； 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 T

15、0.14 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 教育 a8 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，

16、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。 下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟： 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行， I K D K 由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿 P K 意的控制過程為止。 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 P K I K 動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。 積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改 I K P K 善則繼續(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 P K

17、 數(shù)，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系 I K P K 數(shù)為止。 I K 引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù) D K D T 和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過 P K I K 程滿意為止。 PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一 般P可在10以上,I在（3、10）之間,D 在 1左右。小慣量如：一個小電機(jī)閉環(huán) 控制，一般P在（1、10）之間,I在（0、5）之間,D在（0.1、1）之間,具體 參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進(jìn)行修正。 1.2 PWM脈沖控制技術(shù) PWM(Pulse Wid

18、th Modulation)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即 通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 1.2.1 PWM控制的基本原理 教育 a9 a b c d ab i i(t) i(t) e(t) R L 0 在采樣控制理論中有一個重要的結(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，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本 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1.4中a、b、c所示的三個窄 脈沖形狀不同，其中圖1.4的a為矩形脈沖，圖1.

19、4的b為三角脈沖，圖1.4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，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4的d所示的單 位脈沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。)(t 圖1.4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖1.5a的電路是一個具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如)(te 圖1.4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1.5b給出了不同窄波時的響應(yīng)波形。)(ti)(ti 從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時的形狀也略有不同，但其)(ti)(

20、ti 下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上)(ti 述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各在低頻)(ti)(ti 段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2。 圖1.5 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 1.2.2 直流電機(jī)的PWM控制技術(shù) f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t a b c d 教育 a10 U(t) 0tTt0 U 直流電動機(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，過載能力大， 能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過 程自動化系統(tǒng)各種不同的

21、特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動 系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流電動機(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、減弱勵磁磁通 和改變電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。 例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(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：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可 獲得平

22、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，由于開關(guān)頻 率高,快速響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作 在開關(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，電網(wǎng) 功率因數(shù)比相控整流器高。正因為直流PWM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力 電子器件開關(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。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代， 這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能。目前，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制 技術(shù)。電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。 采用微機(jī)控

23、制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維 護(hù)方便,電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動態(tài)各項指標(biāo)均能較好地滿 足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。下面主要介紹直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的算 法實現(xiàn)。 根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈 沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時間T內(nèi) 脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： 0 t 教育 a11 U(t) 0tTt0 U 2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0 圖1.6 PWM脈沖 ，若令，即為占空比，則上式可化為： T Ut

24、U 0 0 T t0 (U為脈沖幅值) UU 0 （1.19） 若 PWM 脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電 壓的計算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） U T Ut nT Unt U 00 0 （1.20） 圖1.7 周期性PWM 矩形脈沖 由式1.20可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占 空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制 占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用PWM 控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。 教育 a12 鍵盤模塊控制器模塊 顯示模塊 電機(jī)驅(qū)動模塊直流電機(jī)

25、速度檢測模塊 PWM脈沖 2 設(shè)計方案與論證 2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)計系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示。圖中控制器模塊 為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè) 置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中 控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機(jī)驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時 利用速度檢測模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變 PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實時控制的目的。 教育 a13 圖2.1 系統(tǒng)方案框圖 2.2 控制器模塊設(shè)計方案 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字PI

26、D算法控制的PWM脈 沖，并對電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。 對于控制器的選擇有以下三種方案。 方案一：采用FPGA（現(xiàn)場可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA可以實 現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能3，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少 了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。 FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系 統(tǒng)的控制核心。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給FPGA，F(xiàn)PGA通過程序設(shè)計控制 PWM脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高，F(xiàn)PGA的高 速處理的優(yōu)勢得不到充

27、分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯 片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。 方案二：采用AT89S51作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S51單片機(jī)算術(shù)運算功 能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制4。相對于 FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(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，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 方案三：采用傳統(tǒng)的AT89C51單片機(jī)作為運動物體的控制中心。它和 AT89S51一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡單等特點，但是它的 頻率較低、運算速度慢， RAM、ROM空間小等

28、缺點。本題目在確定圓周坐標(biāo)值 時，需要進(jìn)行大量的運算。若采用89C51需要做RAM，ROM來擴(kuò)展其內(nèi)存空間， 其硬件工作量必然大大增多。 綜合上述三種方案比較，采用AT89S51作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電 機(jī)運動較為簡單，可以滿足設(shè)計要求。因此在本次設(shè)計選用方案二。 教育 a14 2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計方案 本次設(shè)計的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動模塊是必不可少，其方 案有一下兩種。 方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本 低、易實現(xiàn)，但由于在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、 抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產(chǎn)實踐過

29、程中可靠性是一個非常 重要的方面。因此此中方案不宜采用。 方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動芯片，例如L298N、L297N等電機(jī)驅(qū)動芯片， 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，所以我們在應(yīng)用時只 需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡 單、抗干擾能力強、可靠性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點 放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率。 基于上述理論分析和實際情況，電機(jī)驅(qū)動模塊選用方案二。 2.4 速度采集模塊設(shè)計方案 本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較， 速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計的

30、，其設(shè)計方案以下三種： 方案一：采用霍爾集成片。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。當(dāng)磁鐵正對金 屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將 霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測。 方案二：采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安 裝，發(fā)射器的光直接對準(zhǔn)接受器，當(dāng)測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示 被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進(jìn)行測量。 方案三：采用測速發(fā)電機(jī)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。該方案的實現(xiàn)原理是將測 速發(fā)電機(jī)固定在直流電機(jī)的軸上，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動測速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動， 因此測速發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生大小隨直

31、流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動勢，因此精度比較 高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計沒有采用此方案。 以上三種方案中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測速原理基本 相同都是將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進(jìn)行測量，但考慮到市場中的霍爾元件比 較難買，而且成本也比較高，所以綜合考慮在設(shè)計中選用第二種方案進(jìn)行設(shè)計。 教育 a15 2.5 顯示模塊設(shè)計方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數(shù)、工作方式以及電機(jī)當(dāng)前運行狀態(tài)的 顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設(shè)計一個顯示模塊，考慮有三種方案： 方案一：使用七段數(shù)碼管（LED）顯示。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功 耗小、易于集成、驅(qū)動

32、簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用BCD編碼 顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡單。但由于在此次設(shè)計中需要設(shè)定的參數(shù)種 類多，而且有些需要進(jìn)行漢字和字符的顯示，所以使用LED顯示器不能完成設(shè)計 任務(wù)，不宜采用。 方案二：采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件 電路簡單、可對字符進(jìn)行顯示，但考慮到1602LCD液晶顯示器的屏幕小，不能顯 示漢字，因此對于需要顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)來說不宜采用。 方案三：采用12864LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連 接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進(jìn)行顯示。 根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計要求，顯示模塊選用

33、方案三。 2.6 鍵盤模塊設(shè)計方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及 電機(jī)起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案： 方案一：采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實現(xiàn)簡單，并且各按鍵相 互獨立，每個按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。按鍵的工作狀態(tài)不會影響 其它按鍵上的輸入狀態(tài)。但是由于獨立式鍵盤每個按鍵需要占用一根輸入口線，所 以在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高 的場合。 方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點是行線、列線分別接輸入線、輸出 線。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣

34、結(jié)構(gòu)只需m根行線和n根列線 就可組成個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。但此nm 種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜6。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對軟件的 運行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進(jìn)行設(shè)計。 教育 a16 2.7 電源模塊設(shè)計方案 電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源，無論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或 缺的，對于該模塊考慮一下兩種方案。 方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機(jī)運行所 需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際 應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。 方案二：通過固定芯片對整流后的

35、電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如7812、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現(xiàn)。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 經(jīng)過上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下： （1）控制模塊： 采用AT89S51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實現(xiàn)； （3）速度采集模塊：采用光電傳感器； （4）顯示模塊： 采用12864LCD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7805、7812芯片實現(xiàn)。 3 單元電路設(shè)計 3.1 硬件資源分配 本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖3.1所示。

36、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P3.3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12864LCD顯示 器和44鍵盤作為人機(jī)接口。 教育 a17 U7 C2 0.33F C6 0.33F Vin 1 GND 2 +5V 3 U4 7805 Vin 1 GND 2 +12V 3 U3 7812 C3 0.1F C7 0.1F +5v +12v 1 2 3 4 U6 C8 20F C5 3300F C4 20F C1 3300F 1 2 J1 220V 圖3.1 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 3.2 電源電路設(shè)

37、計 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。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1.5A，能夠滿足系統(tǒng)的要求， 其電路如圖3.2所示。 圖3.2 電源電路 3.3 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 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)，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu) 成，四個晶體管分為兩組，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 P0

38、.0P0.7 12864LCD 顯示模塊 P2.7 P2.6 電機(jī)驅(qū)動模塊 P2.0P0.5 5 44鍵盤 P1.0P1.3 P1.4P1.7 4 4 L0L3 H0H3 P3.2/INT0 AT89S51 P3.3/INT1 電機(jī) 轉(zhuǎn)速檢測 四輸入與門 教育 a18 A1 A2 SE N1 1 1Y 1 2 1Y 2 3 Vs 4 1A 1 5 1E N 6 1A 2 7 GN D 8 Vcc 9 2A 1 10 2A 2 12 2E N 11 2Y 1 13 2Y 2 14 SE N2 15 U5 L298N D4 D3 D1 D2 C10 20F C9 20F +5V +12V +12V

39、 R1 470 R2 5K R4 5K R3 470 R5 470 MG 1 P2.7 P2.6 P2.5 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。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。Vs為電機(jī)驅(qū)動電 源。IN1-IN4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信號實現(xiàn)電機(jī) 調(diào)速。其電路如圖3.3所示，利用兩個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。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

40、制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護(hù)作用。 圖3.3 電機(jī)驅(qū)動電路 3.4 電機(jī)速度采集電路設(shè)計 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運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計中應(yīng)用 了比較常見的光電測速方法來實現(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3.5（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， 反之三極管截止，電路如圖3.4（b）所示，從圖中可以得

41、出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在P3.3 的輸出端就會產(chǎn)生N個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機(jī)此時轉(zhuǎn)速了。 例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運行時，P3.3將輸出如圖3.5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。 教育 a19 VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 CS1 CS2 /RST VEE A K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 (a) (b) 圖3.4 電機(jī)速度采集方案 圖3.5 傳感器輸出脈沖波形 3.5 顯示電路設(shè)計 根據(jù)

42、設(shè)計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機(jī)運行狀態(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，它是一種圖形點陣液晶顯示器, 主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及12864全點陣液晶顯示器組成，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3.6，引腳功能 如表3.1所示。 圖3.6 12864LCD引腳分布 表3.1 12864液晶顯示模塊引腳功能 引腳符 號引 腳 功 能引腳符 號引 腳 功 能 圓盤 光敏三極管發(fā)光二極管 +5V P3.3 470 200 R1R2

43、 教育 a20 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0/RX D 10 P3.1/TX D 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GN D 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 RSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34

44、 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U1 89S51 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 LCD PO T1 10K R7 10K R8 47 +5 C15 220F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RN 85K +5v +5v +5v P2.5 P2.6 P2.7 1VSS電源地15CS1 CS1=1芯片選擇左邊64*64 點 2VDD電源正+5V16CS2 CS2=1芯片選擇右邊64*64 點 3VO液晶顯示驅(qū)動電源17/RST復(fù)位（低電平有效） 4RS H：數(shù)

45、據(jù)輸入； L：指令碼輸入 18VEELCD驅(qū)動負(fù)電源 5 R/W H：數(shù)據(jù)讀??； L：數(shù)據(jù)寫入 19A背光電源（+） 6E 使能信號。 20K背光電源（-） 7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線有些型號的模塊19、20腳為空腳 12864液晶顯示器與單片機(jī)的連接電路如圖3.7所示： 圖3.7 顯示模塊電路圖 教育 a21 0123 4567 89 傳傳傳傳傳 傳傳傳傳傳傳傳傳 H0 H1 H2 H3 L0 L1 L2 L3 3.6 鍵盤電路設(shè)計 根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了44鍵盤用以實現(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 4.8所示。圖

46、中L0L3為44鍵盤的列信號，H0H3為44鍵盤的行信號。 在本系統(tǒng)中，用P1.0P1.3連接鍵盤的列信號L0L3；用P0.4P0.7連接鍵盤 的行信號H0H39。按照要求設(shè)計操作面板如圖3.8所示： 圖3.8 鍵盤模塊 鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，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，此時按1、2、3、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)，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應(yīng)鍵對電機(jī)進(jìn)行暫停、繼續(xù)、 停止運行的控制。 教育 a22 0 )2() 1(2 )()()1()( u

47、nene neKneKneneK DIP t=0.5s? 計算r=n/120 計算v=(r/0.5)*60 返回 N Y 4 軟件設(shè)計 4.1 算法實現(xiàn) 4.1.1 PID算法 本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法為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，對偏差進(jìn))(ne 行P、I、D運算最終利用運算結(jié)果控制PWM脈沖的 占空比來實現(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。其運算公式為： )(nu 因此要想實現(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4.1所示。 4.1.2 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

48、度。在設(shè)計中采用了光 電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： v= r/min 60 tN n 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)的多少決定的，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)計中取凹槽數(shù)N為120，采樣時間t 為0.5s，則速度計算具體程序流程如圖4.2所示。 計算e(n) 計算KIe(n) 計算KP(e(n)- e(n-1) 計算KD(e(n)- 2e(n-1)+e(n-2) 計算u(n) 計算u(n) u(n-1) e(n-1)e(n-2) e(n)e(n-1) u(n)u(n-1) 返回 圖4.1PID程序流程 教育 a23 開始 初始化 調(diào)用清屏子程序

49、 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 計算參數(shù) 啟動鍵 按下？ 調(diào)用清屏子程序 電機(jī)運行 狀態(tài)顯示 PWM脈沖輸出 Y N Y N 圖4.2 測速程序流程 4.2 程序流程 4.2.1 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)運行過程設(shè)計出主程序流程如圖4.3 所示。 圖4.3 主程序流程 教育 a24 延時去抖動 P1口低四位置1 讀P1口低四位 數(shù)據(jù)到KEYL KEYL、KEYH 相與為KEY P1口高四位置1 讀P1口高四位 數(shù)據(jù)到KEYH KEY=0XEE ? KEY=0X

50、EB ? KEY=0XED ? KEY=0XE7 ? KEY=0XDE ? KEY=0XDD ? KEY=0XDB ? KEY=0XD7 ? KEY=0XBD ? KEY=0XBE ? KEY=0XBB ? KEY=0XB7 ? KEY=0X7E ? KEY=0X7D ? KEY=0X7B ? KEY=0X77 ? 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 RETI Y N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y Y Y Y Y Y

51、 Y Y Y Y Y Y Y 4.2.2 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)的運行狀態(tài)，其程 序流程圖如圖4.4所示。 教育 a25 脈沖計數(shù)時 間0.5s? 速度計算 PID運算 顯示數(shù)據(jù)刷新 定時器T0賦初值 RETI 各變量重新賦值 Y N 圖4.4 鍵盤程序流程 4.2.3 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)運行時間和進(jìn)行速度計算和 PID 運算，其程序流程如圖4.5所示。 圖4.5 定時程序流程 4.2.4 顯示程序流程 顯示模塊是實現(xiàn)人機(jī)對話的重要部分，在這里選用12864LCD顯示器可實現(xiàn) 對漢字和字符的顯示，該顯示器的

52、引腳功能在上面已經(jīng)做了說明，下面介紹 12864LCD的相關(guān)指令。 （1）讀取狀態(tài)字 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 教育 a26 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。 狀態(tài)字是了解模塊當(dāng)前工作狀態(tài)的唯一的信息渠道，在每次對模塊操作之前，都要 讀出狀態(tài)字判斷BUSY是否為“0” 。若不為“0” ，則計算機(jī)需要等待，直至 BUSY =0為止。 （2）顯示開關(guān)設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 000011111D D=1：開顯示；D=0關(guān)顯示。 （3）顯示起始行設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB

53、5DB4DB3DB2DB1DB0 0011顯示起始行（063） 指令表中DB5DB0為顯示起始行的地址，取值在03FH（164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。 （4）頁面地址設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0010111Page（07） 頁面地址是DDRAM的行地址。8行為一頁，DDRAM共64行即8頁， DB2-DB0表示0-7頁。 （5）列地址設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0001Yaddress（063） 列地址是DDRAM的列地址。共64列，DB5-DB0取不同值得到0- 3FH

54、（1-64），代表某一頁面上的某一單元地址，列地址計數(shù)器在每一次讀寫數(shù) 據(jù)后它將自動加一。 （6）寫顯示數(shù)據(jù) 01BUSY0ONOFFRST0000 教育 a27 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 10顯 示 數(shù) 據(jù) 該操作將8位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲器的單元內(nèi)。操作完成后列地址 計數(shù)器自動加一。 （7）讀顯示數(shù)據(jù) D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 11顯 示 數(shù) 據(jù) 該操作將12864模塊中的DDRAM存儲器對應(yīng)單位中的內(nèi)容讀出，然后列地 址計數(shù)器自動加一。 根據(jù)上面指令結(jié)合系統(tǒng)要實行的功能，其顯示子程序流程如圖4.6所示。 圖4

55、.6 顯示程序流程 4.3 系統(tǒng)Proteus仿真 4.3.1 Proteus軟件簡介 Proteus是英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA設(shè)計軟件， 是一個 初始化 循環(huán)次數(shù) j2 ? 寫入數(shù)據(jù)字 節(jié)數(shù)i16？ 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;i=0 i=i+1 RETI Y N N Y 初始化 循環(huán)次數(shù) j2 ? 寫入數(shù)據(jù)字 節(jié)數(shù)i8？ 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;i=0 i=i+1 RETI Y N N Y a) 寫入16*16漢字程序流程b)寫入8*16數(shù)字 教育 a28 基于ProSPICE混合模型

56、仿真器的，完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計仿真平臺。 Proteus不僅可以做數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐返姆抡妫€可進(jìn)行多種 CPU的仿真，涵蓋了51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器，真正實現(xiàn)了在 計算機(jī)從原理設(shè)計、電路分析、系統(tǒng)仿真、測試到PCB板完整的電子設(shè)計，實現(xiàn) 了從 概念到產(chǎn)品的全過程。以下為本系統(tǒng)在Protues中的仿真 流程： （1）新建文件：打開Protues點File，在彈出的下拉菜單中選擇New Design，在彈出的圖幅選擇對話框中選Default。 （2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對Protues的設(shè)計環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。 （3）元器件選?。喊丛O(shè)計要求，在對象選擇

57、窗口中點P，彈出Pickdevices對 話框，在Keywords中填寫要選擇的元 器件，然后在右邊對話框中選中要選的元 器件，則元器件列在對象選擇的窗口中如 圖4.7所示。 本設(shè)計所需選用的元器件如下： AT89C51:單片機(jī) RES、RX8、RESPACK-8:電阻、 排阻、上拉電阻 圖4.7 Proteus元器件選取界面 CRYSTAL:晶振 CAP、CAP-ELEC:電容、電解電容 7805、7812:5V、12V三端穩(wěn)壓塊 IN4007：二極管 AMPIRE128 64：液晶顯示器 OPTOCUPLER-NPN：光電耦合器 BOUTTON：按鍵 MOTOR-ENCODER：直流電機(jī)

58、放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄所示的系統(tǒng)整體電路，最后進(jìn) 行電氣檢測。 （4）程序編譯 點菜單SourceAdd/Remove sou 教育 a29 rce Files”在出現(xiàn)的對話框如圖4.8中，選擇ASEM51編輯器，將上面的匯編源 程序SEKED.ASM添加。再點菜單SourceBuild ALL編譯匯編源程序，生成 目標(biāo)代碼文件SWLED.HEX。 （5）程序加載 圖4.8 程序添加界面 在編輯環(huán)境左擊單片機(jī)然后右擊，在彈出的對話框中將編譯生成的HEX文件 加載到芯片中，設(shè)單片機(jī)的時鐘工作頻率為12MHZ。 （6）電路仿真 點仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進(jìn)行仿真。 5

59、 系統(tǒng)測試與分析 為了確定系統(tǒng)與設(shè)計要求的符合程度，需要進(jìn)行系統(tǒng)測試與分析，但是由于試 驗調(diào)節(jié)的制約和時間的限制，不能完成此次制作，只能通過軟件仿真進(jìn)行驗證，在 這里使用的是英國的Proteus軟件進(jìn)行測試，有關(guān)改軟件的使用在前面的章節(jié)已經(jīng) 介紹，在這里不再重復(fù)。 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

60、。 下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟： 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運 I K D K 行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲 P K 得滿意的控制過程為止。 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 P K I K 動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。 積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改 I K P K 善則繼續(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 P K 教育 a30 數(shù)，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分