畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）門禁出入管理控制系統(tǒng)

1、第1章 緒論1.1概述門禁，又稱出入管理控制系統(tǒng)，是一種管理人員進(jìn)出的數(shù)字化管理系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)最主要的保安系統(tǒng)之一，和傳統(tǒng)的保安設(shè)備不同，它變被動(dòng)的監(jiān)控和報(bào)警為主動(dòng)的控制，起到更高的安全作用，因此門禁系統(tǒng)在保安設(shè)備眾多領(lǐng)風(fēng)騷。常見的門禁系統(tǒng)有：密碼門禁系統(tǒng)，非接觸ic卡（感應(yīng)式ic卡）門禁系統(tǒng)，生物識(shí)別門禁系統(tǒng)等。密碼門禁系統(tǒng)由于其本身的安全性弱和便捷性差已經(jīng)面臨淘汰，而生物識(shí)別門禁系統(tǒng)安全性高,但成本高，由于拒識(shí)率和存儲(chǔ)容量等應(yīng)用瓶頸問(wèn)題而沒(méi)有得到廣泛的市場(chǎng)認(rèn)同。利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)不用像其他方式一樣需要觸摸，具有方便、安全、準(zhǔn)確、信息完整、獨(dú)立性強(qiáng)、反應(yīng)速度快

2、等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)有著非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。在任何門禁系統(tǒng)中都需要電機(jī)控制大門的開啟和關(guān)閉，而且在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C(jī)是最常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)有較好的控制特性，它的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力較強(qiáng)，熱動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。雖然由于存在換向器制造復(fù)雜，價(jià)格較高，但是它較高的控制特性仍然使它在控制領(lǐng)域占有重要地位。隨著電力電子技術(shù)、單片機(jī)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，外圍電路元件專用集成電路的不斷出現(xiàn)，使得直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)有了顯著進(jìn)步。這些技術(shù)領(lǐng)域的高速發(fā)展，可以很容易的構(gòu)成

3、高精度、快響應(yīng)的直流系統(tǒng)，因而近年來(lái)世界各國(guó)在高精度、速度和位置控制場(chǎng)合，受到了人們的越來(lái)越多的關(guān)注，從而得到迅速的發(fā)展和廣泛的用。在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，數(shù)字pid是一種比較成熟的算法。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，將它移植到電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)軟件予以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于大多數(shù)控制對(duì)象都能獲得滿意的控制效果。因此，數(shù)字pid控制算法是電機(jī)微機(jī)控制中常用的一種基本控制算法。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。而且對(duì)pid算法的學(xué)習(xí)和研究可以更好的理解工程實(shí)際中的控制技術(shù)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)有很大幫

4、助。1.2電機(jī)及驅(qū)動(dòng)介紹電機(jī)是電動(dòng)機(jī)（俗稱馬達(dá)）的簡(jiǎn)稱，是一種將電能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能的裝置。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主要用作執(zhí)行部件。它的基本工作原理是利用電流通過(guò)一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)力。常用的電機(jī)有直流電機(jī)交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)是由磁極電樞繞組電刷和換向器組成的。通過(guò)控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。它具有控制簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，體積小，質(zhì)量輕，效率高等優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多，其中很常用的一種叫做脈寬調(diào)制。脈寬調(diào)制（pwm）通常稱為pwm伺服放大技術(shù)，它是利用改變電壓脈沖寬度來(lái)達(dá)到變壓的目的的一種控制技術(shù)。調(diào)速范圍寬

5、，效率高是它的主要優(yōu)勢(shì)。1.3pid控制簡(jiǎn)介pid控制是迄今為止最通用的控制方法，大多數(shù)反饋回路用該方法或其較小的變形來(lái)控制。pid調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見的控制器(至今在全世界過(guò)程控制中用的84%仍是純pid調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過(guò)90%)。我們今天所熟知的pid控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但pid控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易被理解和實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用中不需要精確的系統(tǒng)模型的預(yù)先知識(shí)，對(duì)模型誤差具有易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。pid有如下幾個(gè)重要的功能：1、提供反饋控制；2

6、、通過(guò)積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差；3、通過(guò)微分作用預(yù)測(cè)將來(lái)。pid控制器歷史悠久，生命力旺盛，并以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中發(fā)揮巨大作用。1.4系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由單片機(jī)核心、電機(jī)控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊語(yǔ)音模塊和鍵盤輸入模塊構(gòu)成，spce061a單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)i/o端口來(lái)控制spgt62c19b電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。電機(jī)上的光柵轉(zhuǎn)盤和紅外對(duì)管將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)針對(duì)測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)spgt62c19b的控制狀態(tài)，從而使轉(zhuǎn)速趨近預(yù)設(shè)置。同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可由4位數(shù)碼管顯示出來(lái)。通過(guò)按鍵對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速等進(jìn)行設(shè)定。并利用凌陽(yáng)單片機(jī)擅長(zhǎng)的語(yǔ)音

7、功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播報(bào)轉(zhuǎn)速功能。各部分之間的功能結(jié)構(gòu)框圖見圖1.1。spce061a單片機(jī)數(shù)碼管顯示模塊轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊鍵盤輸入語(yǔ)音模塊電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊圖1.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖1.5本設(shè)計(jì)的主要工作對(duì)于硬件部分，論文主要研究了直流電機(jī)及利用spgt62c19b進(jìn)行pwm調(diào)速的原理，電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法，并設(shè)計(jì)了一套直觀而又簡(jiǎn)潔的直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路。對(duì)于軟件部分，論文研究了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思想和軟件實(shí)現(xiàn)方法，討論了數(shù)字pid在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用。論文結(jié)構(gòu)安排采取先硬件后軟件，最后調(diào)試分析結(jié)果的順序。系統(tǒng)利用四個(gè)按鍵以及電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度測(cè)量和調(diào)節(jié)，具有下列功能：1、可通過(guò)按鍵設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

8、方向、轉(zhuǎn)速；2、可實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并在led數(shù)碼管上顯示出來(lái)；3、可對(duì)電機(jī)進(jìn)行pid轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使其轉(zhuǎn)速趨近于設(shè)定值；4、具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音播報(bào)實(shí)際轉(zhuǎn)速的功能。第2章硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路主要由單片機(jī)核心鍵盤輸入模塊led顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)及測(cè)速模塊和語(yǔ)音模塊五部分組成，下面分別介紹各部分的電路的原理及實(shí)現(xiàn)。2.1 單片機(jī)選擇近些年來(lái)，隨著單片機(jī)需求的增多，功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用也逐漸由單純的控制擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理及數(shù)字信號(hào)處理（dsp）等領(lǐng)域。通用16位單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、片內(nèi)集成度高等優(yōu)點(diǎn)，使其在信號(hào)處理、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、圖像處理、通訊、儀器儀表，自動(dòng)控制、汽車電子、

9、電機(jī)變頻控制、家用數(shù)字化設(shè)備等方面開辟了又一片廣闊的天地。因此，16位單片機(jī)比8位單片機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域更加寬，是今后發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。眾所周知的mcs-51系列單片機(jī)是intel公司推出的8位單片機(jī)系列，是使用最為普遍的單片機(jī)系列之一，并且atmel、lg、siemens、philips等公司都有與其內(nèi)核相兼容型號(hào)的芯片。mcs-51系列單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)中包括有微處理器cpu、片內(nèi)隨機(jī)存儲(chǔ)器ram、片內(nèi)程序存儲(chǔ)rom/eprom、并行輸入輸出口（p0、p1、p2、p3）、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（sfr）七個(gè)部分組成。片內(nèi)的處理器cpu是一個(gè)8位的處理器，是由運(yùn)算部分和控

10、制部分兩個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)程序的控制和數(shù)據(jù)的運(yùn)算，片內(nèi)的隨機(jī)存儲(chǔ)器有128個(gè)字節(jié)，不夠使用的時(shí)候可以外部擴(kuò)展，片外最多可以擴(kuò)展64k字節(jié)。凌陽(yáng)16位單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)，在功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)8位單片機(jī)，其集成度較高，內(nèi)部集成了ice仿真電路、flash程序存儲(chǔ)器、sram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通用i/o端口、定時(shí)器、中斷控制、cpu時(shí)鐘、a/d轉(zhuǎn)換器、d/a轉(zhuǎn)換器、通用異步串行輸入輸出接口、直接串行輸入輸出接口、低電壓監(jiān)測(cè)/低電壓復(fù)位等若干部分。在unsp的內(nèi)核外，配合不同的接口和輔助部分，就可以構(gòu)成不同功能的單片機(jī)，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因而減少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力。凌陽(yáng)的sp

11、ce061a是16位單片機(jī)，具有dsp功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，最高時(shí)鐘可達(dá)到49mhz，具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)等，這些都無(wú)疑為語(yǔ)音的播放、錄放、合成及辨識(shí)提供了條件。凌陽(yáng)壓縮算法中sacm_a2000、sacm_s480、sacm_s240主要是用來(lái)放音，可用于語(yǔ)音提示，目前常用的16位單片機(jī)中帶語(yǔ)音處理功能的芯片不是很多，多數(shù)都是外掛專用的語(yǔ)音處理芯片，增加了開發(fā)的成本和周期。在做專門語(yǔ)音處理的時(shí)候，這樣的芯片就只有單一的語(yǔ)音處理功能，因此在使用時(shí)具有了一定的局限性，而spce061a不僅可完成單片機(jī)本身的功能，還具有高質(zhì)量的、編程方便的語(yǔ)音處理的功能。因此凌陽(yáng)16位單片機(jī)是本設(shè)計(jì)較為合理

12、的選擇。2.1.1凌陽(yáng)單片機(jī)概述隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域。凌陽(yáng)的16位單片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計(jì)的。它的cpu內(nèi)核采用凌陽(yáng)最新推出的nsp16位微處理器芯片。圍繞nsp所形成的16位nsp系列單片機(jī)（以下簡(jiǎn)稱nsp家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以nsp內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的rom、ram和功能豐富的各種外設(shè)接口部件有以下特點(diǎn):1、體積小、集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展。nsp家族把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因而減少了各功能部件之間的連線，提高了其可靠性和抗干擾能力。另外，模塊化的

13、結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。2、具有較強(qiáng)的中斷處理能力。nsp家族的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量及10余個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。3、高性能價(jià)格比。nsp家族片內(nèi)帶有高尋址能力的rom、靜態(tài)ram和多功能的i/o口。另外，nsp的指令系統(tǒng)提供具有較高運(yùn)算速度的16位16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用增添了dsp功能，使得nsp家族運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理方面既很便利，又比專用的dsp芯片廉價(jià)。4、功能強(qiáng)、效率高的指令系統(tǒng)。nsp指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速,并且其指令結(jié)構(gòu)提供了對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持,這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。5、低功耗、低電壓。nsp家族采用cmos制

14、造工藝，同時(shí)增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗。另外，nsp家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時(shí)正常工作，且能用電池供電。這對(duì)于其在野外作業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有特殊的意義。2.1.2凌陽(yáng)單片機(jī)的輸入輸出接口輸入/輸出接口是單片機(jī)與外設(shè)交換信息的通道。輸入端口負(fù)責(zé)從外界接收檢測(cè)信號(hào)、鍵盤信號(hào)等各種開關(guān)量信號(hào)。輸出端口負(fù)責(zé)向外界傳送由內(nèi)部電路產(chǎn)生的處理結(jié)果、顯示信息、控制命令、驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。凌陽(yáng)單片機(jī)的輸入輸出端口與51系列單片機(jī)不同，它需要先定義再使用。spce061a有兩個(gè)16位的通用并行i/o口：a口和b口。這兩個(gè)端口的每一位都可通過(guò)編程單獨(dú)定義成輸入或輸出口。a

15、口的ioa0ioa7作為輸入端口時(shí)，具有喚醒功能，即當(dāng)輸入電平發(fā)生變化時(shí)，會(huì)觸發(fā)cpu中斷。在電池供電、追求低耗電的應(yīng)用場(chǎng)合，可以讓cpu進(jìn)入睡眠模式（利用軟件控制）以降低功耗，需要時(shí)才以按鍵來(lái)喚醒cpu，使其進(jìn)入工作狀態(tài)。spce061a提供了位控制結(jié)構(gòu)的i/o端口，每一位都可以單獨(dú)用于數(shù)據(jù)輸入或輸出。每個(gè)獨(dú)立的位可通過(guò)以下3種控制向量來(lái)作設(shè)定：1、數(shù)據(jù)向量data2、屬性向量attribution3、方向控制向量direction每3個(gè)對(duì)應(yīng)的控制向量組合在一起，形成一個(gè)控制字，用來(lái)定義相對(duì)應(yīng)i/o端口位的輸入輸出狀態(tài)和方式。與其它的單片機(jī)相比，spce061a除了每個(gè)i/o口可以單獨(dú)定義其

16、狀態(tài)外，每個(gè)對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的i/o端口性質(zhì)電路都是內(nèi)置的，在實(shí)際的電路中不需要再外接。方向向量_dir、屬性向量_attrib和數(shù)據(jù)向量_data分別代表三個(gè)控制口。這三個(gè)端口中每個(gè)對(duì)應(yīng)的字節(jié)合在一起，形成一個(gè)控制字，來(lái)定義相對(duì)應(yīng)i/o端口位的輸入/輸出狀態(tài)和方式。2.1.3凌陽(yáng)單片機(jī)的中斷系統(tǒng)中斷是指在執(zhí)行某一程序的過(guò)程中，由于單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)、外的某種原因，而必須終止原程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理結(jié)束之后，再回來(lái)繼續(xù)執(zhí)行被終止的原程序過(guò)程。中斷是為處理器對(duì)外界異步事件具有處理能力而設(shè)置的，中斷技術(shù)的引入把單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用大大地推進(jìn)一步。因此中斷功能的強(qiáng)弱已成為衡量一種微控制器性能的

17、重要指標(biāo)。spce061a系列單片機(jī)中斷系統(tǒng)，是凌陽(yáng)16位單片機(jī)中中斷功能較強(qiáng)的一種，它可以提供14個(gè)中斷源，具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷嵌套功能。用戶可以用關(guān)中斷指令（或復(fù)位）屏蔽所有的中斷請(qǐng)求，也可以用開中斷指令使cpu接受中斷申請(qǐng)。每一個(gè)中斷源可以用軟件獨(dú)立控制為開或關(guān)中斷狀態(tài)；但中斷級(jí)別不可用軟件設(shè)置。spce061a單片機(jī)的中斷系統(tǒng)有14個(gè)中斷源分為兩個(gè)定時(shí)器溢出中斷、兩個(gè)外部中斷、一個(gè)串行口中斷、一個(gè)觸鍵喚醒中斷、7個(gè)時(shí)基信號(hào)中斷、pwm音頻輸出中斷。時(shí)基信號(hào)發(fā)生器的輸入信號(hào)來(lái)自實(shí)時(shí)時(shí)鐘32768hz；輸出有通過(guò)選頻邏輯的tmb1、tmb2信號(hào)和直接從時(shí)基計(jì)數(shù)器溢出而來(lái)的各種

18、實(shí)時(shí)時(shí)基信號(hào)。當(dāng)開啟時(shí)基信號(hào)中斷后，有時(shí)基信號(hào)到來(lái)，發(fā)出時(shí)基信號(hào)中斷申請(qǐng)，cpu查詢到有中斷請(qǐng)求后，允許中斷并置位p_int_ctrl中相應(yīng)的中斷請(qǐng)求位，在中斷服務(wù)程序中通過(guò)測(cè)試p_int_ctrl來(lái)確定是那個(gè)頻率時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生的中斷，可以通過(guò)在計(jì)數(shù)不同頻率的時(shí)基信號(hào)來(lái)做長(zhǎng)時(shí)間或短時(shí)間的定時(shí)控制。2.1.4凌陽(yáng)單片機(jī)硬件系統(tǒng)spce061a硬件系統(tǒng)包括芯片及其外圍基本模塊，外圍基本模塊有：晶振輸入模塊、鎖相環(huán)外圍電路、復(fù)位電路、指示燈等。如圖2.1所示圖2.1凌陽(yáng)單片機(jī)硬件系統(tǒng)2.2 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)是電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱，是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。電機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主要用作執(zhí)行部件。它的基

19、本工作原理是利用電流通過(guò)一個(gè)恒定磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)力。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的電機(jī)類型有：直流電機(jī)交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。直流電機(jī)由永磁定子線圈轉(zhuǎn)子電刷和換向器構(gòu)成。通過(guò)電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速控制采用電壓控制方式，控制電壓和轉(zhuǎn)速成正比；轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，控制電流和轉(zhuǎn)矩成正比。交流電機(jī)按結(jié)構(gòu)分為同步電機(jī)和異步電機(jī)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子由線圈繞組構(gòu)成。無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和同步電機(jī)相同，特性和直流電機(jī)相同。交流電機(jī)控制方式分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機(jī)通常采用電壓控制方式。步進(jìn)電機(jī)按照產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式分

20、為永磁體式可變磁阻式和混合式。步進(jìn)電機(jī)的控制方式分為單相勵(lì)磁雙相勵(lì)磁和單-雙勵(lì)磁。帶有負(fù)反饋的直流電機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行電機(jī)得到廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、良好的可控性，即直流電機(jī)的啟動(dòng)停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向可控；2、其轉(zhuǎn)速雖控制信號(hào)改變時(shí)，具有良好的調(diào)速性；3、調(diào)速范圍寬線性度好；4、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)本身慣量小，啟動(dòng)迅速；5、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性好。步進(jìn)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率低，容易丟步。與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)在控制方便工作特性的線性度好等方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)。而且交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。因此，目前在要求較高的調(diào)速裝置的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，都選用直流電機(jī)與整流型調(diào)速裝置組合使用。2.

21、2.1直流電機(jī)直流電機(jī)是由磁極電樞繞組電刷和換向器組成的。其中，磁極在工作中固定不動(dòng)，故又稱定子，定子磁極用于產(chǎn)生磁通的磁場(chǎng)。根據(jù)磁極的結(jié)構(gòu)，可分為永磁式直流電機(jī)和電磁式電機(jī)兩種。在永磁式直流電機(jī)中，磁極采用永磁材料制成，充磁后可產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。在電磁式直流電機(jī)中，磁極硅鋼片疊成，外繞線圈，靠外加勵(lì)磁電流才能產(chǎn)生磁場(chǎng)。電樞繞組是直流電集中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故又稱轉(zhuǎn)子，它由硅鋼片疊成，表面嵌有線圈，通過(guò)電刷和換向器和外加電源相連。當(dāng)電樞繞組中通過(guò)直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)的作用下就會(huì)在電樞繞組得到提上產(chǎn)生電磁力，并形成帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。所以簡(jiǎn)單而言，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子電樞轉(zhuǎn)子和換向器組成

22、。通過(guò)控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。由于直流電機(jī)通常都是采用永磁式的，所以定子磁場(chǎng)中的磁通量始終保持不變，從而使得轉(zhuǎn)速與電壓之間為線性關(guān)系，即直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與所施加的電壓成正比，與磁場(chǎng)磁通量成反比。由于磁場(chǎng)磁通量是不變的常數(shù)，所以此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速僅隨電樞電壓變化。直流電機(jī)具有良好的控制性能和較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還具有相對(duì)功率大和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。盡管直流電機(jī)相對(duì)于交流電機(jī)而言，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，但仍然是目前機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一類電機(jī)。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)作為伺服元件使用，著重考慮的是電機(jī)的高精度和快速響應(yīng)。2.2.1直流電機(jī)的pwm驅(qū)動(dòng)方式現(xiàn)代電機(jī)

23、的驅(qū)動(dòng)放大技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展有著非常密切的關(guān)系。電子技術(shù)電子器件的成就，極大地推動(dòng)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大技術(shù)的進(jìn)步。現(xiàn)代直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)放大都是采用晶體管功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體管放大系統(tǒng)一般可以分為兩類：線性放大器和開關(guān)型放大器。目前線性放大器一般僅在小功率的場(chǎng)合有所應(yīng)用，而大量采用的是開關(guān)型放大器。開關(guān)型放大器通?？煞譃槿N：脈寬調(diào)制（pwm），脈沖頻率調(diào)制（pfm）和可控硅整流（scr）。改變開關(guān)接通時(shí)間和開關(guān)周期的比例亦即改變脈沖的占空比，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。改變占空比有兩種調(diào)制方法：一種是開關(guān)周期恒定，通過(guò)改變導(dǎo)通脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式，即脈沖寬度

24、調(diào)制（pulse width modulation，縮寫為pwm）；另一種方式為導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變開關(guān)頻率來(lái)改變占空比，亦即脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation，縮寫為pfm）。由于pfm控制是依靠脈沖頻率來(lái)改變占空比的，當(dāng)遇到某個(gè)特殊的頻率下的機(jī)械諧振時(shí)，常導(dǎo)致系統(tǒng)震動(dòng)和出現(xiàn)嘯叫聲，這一嚴(yán)重的缺點(diǎn)導(dǎo)致pfm控制在伺服系統(tǒng)中不適用。又由于使用pwm控制的電路中調(diào)速范圍寬，功率元件工作在開關(guān)狀態(tài)，效率高，所以目前在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，以pwm控制方式為主。最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號(hào)以控制放大功率期間的開關(guān)開始，而目前

25、采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的pwm信號(hào)輸出，可以采用軟件發(fā)生方法，配以適當(dāng)?shù)挠布刂菩酒?，pwm控制技術(shù)有了更大的發(fā)展前景。2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片spgt62c19b采用pwm控制方式時(shí)，如果直接將單片機(jī)輸出的pwm加在直流電機(jī)的兩端，驅(qū)動(dòng)能力顯然是不夠的，因此需要選擇一款較為方便的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，本設(shè)計(jì)采用的是spgt62c19b電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。spgt62c19b是低電壓?jiǎn)纹讲竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路芯片，可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)，或者兩臺(tái)直流電機(jī)。它帶有雙路h橋，可分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的pnp功率管。每一個(gè)h橋都有各自獨(dú)立的使能引腳，因此非常適合于需要獨(dú)立控制的步進(jìn)電機(jī)

26、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。spgt62c19b輸出電壓可達(dá)40v，輸出電流可達(dá)750ma，由輸入的邏輯電平來(lái)決定輸出脈沖的寬度及頻率，所以由這款芯片組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、脈沖放大器合為一體，省去了很多外圍器件。spgt62c19的內(nèi)部由兩組完全相同的控制電路組成了兩路輸出通道。其中一路通道的控制電路原理如圖2.2所示。輸入控制信號(hào)經(jīng)前級(jí)緩沖后送入片內(nèi)控制器，然后由控制部分進(jìn)行處理并驅(qū)動(dòng)晶體管，最后由out端口輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制電機(jī)的運(yùn)行。圖2.2spgt62c19的工作原理圖spgt62c19b的控制腳有6個(gè)，見表2.1。表2.1spgt62c19b的控制引腳引腳名稱用途20i01通道1

27、的電流大小控制17i11通道1的電流大小控制16phase1通道1的電流方向控制8i02通道2的電流大小控制9i12通道2的電流大小控制10phase2通道2的電流方向控制以通道1為例，控制口i01與i11的不同邏輯組合可使通道1輸出端產(chǎn)生不同大小的電流輸出，見表2.2。其中imax是電流輸出的最大值，與具體電路有關(guān)。phase1的邏輯電平值決定了該通道的電流輸出方向。phase1與電流方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系是:當(dāng)phase1是低電平時(shí)電流方向是從out1b到out1a當(dāng)phase1為高電平時(shí)，電流方向從out1a到out1b。spgt62c19b的兩個(gè)輸出通道可以分別控制一臺(tái)直流電機(jī)。仍以通道1為例

28、，只需設(shè)定phase1的邏輯電平，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。而電機(jī)調(diào)速可以通過(guò)不斷改變i01和i11的高低電平狀態(tài)，使輸出通道產(chǎn)生pwm波形信號(hào)，從而利用pwm的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。表2.2spgt62c19b的控制腳輸出電平與電流關(guān)系i01邏輯值i11邏輯值用途00imax102/3*imax011/3*imax1102.3.2用spgt62c19b芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制spgt62c19b的兩個(gè)輸出通道可以分別控制一臺(tái)直流電機(jī)。仍以通道1為例，只需設(shè)定phase1的邏輯電平，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。而電機(jī)調(diào)速可以通過(guò)不斷改變i01和i11的高低電平狀態(tài)，使輸出通道產(chǎn)生pwm波形信號(hào)，從而利用

29、pwm的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，見圖2.3。圖2.3輸出pwm控制直流電機(jī)2.414按鍵作為本系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊，在系統(tǒng)中起著重要的作用。我采用的是普通機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵，一端與凌陽(yáng)單片機(jī)的ioa0ioa3連接，另一端直接與vcc連接。端口初始化為下拉電阻，即高電平有效。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)端口輸入為高電平。由于該按鍵是機(jī)械觸電，當(dāng)機(jī)械觸電斷開、閉合時(shí)會(huì)有抖動(dòng)，這種抖動(dòng)對(duì)人來(lái)說(shuō)是感覺(jué)不到的，但對(duì)于計(jì)算機(jī)，則是完全可以感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)。為使單片機(jī)能正確地讀出端口狀態(tài)，對(duì)每一次按鍵只做一次響應(yīng)，就必須采取去抖的方法，本設(shè)計(jì)采用的是軟件去抖，具體流程

30、將在第三章作具體的介紹。2.5轉(zhuǎn)速測(cè)量電路對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量，有很多種方法?？梢允褂靡粋€(gè)直流測(cè)速儀對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行測(cè)定，給控制系統(tǒng)提供速度反饋信號(hào)。一般對(duì)直流電機(jī)的要求是：電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)正比于所施加的電壓，使得直流電機(jī)的速度可以按照人的期望值來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有連接測(cè)速機(jī)時(shí)，直流電機(jī)將以正比于電壓的速度旋轉(zhuǎn)。但由于電路損耗或負(fù)載變化，實(shí)際的電機(jī)速度可能會(huì)逐漸偏離期望的速度。采用一個(gè)測(cè)速機(jī)來(lái)獲取電機(jī)的實(shí)際速度，測(cè)速機(jī)產(chǎn)生一個(gè)正比于電機(jī)實(shí)際速度但方向相反的電壓。通過(guò)獲得施加電壓與所測(cè)電壓之間的偏差值，可以施加控制量使得此偏差越來(lái)越小，最終達(dá)到輸出跟蹤期望輸入的目的。但上述方法需要的硬件較為復(fù)雜，而

31、且測(cè)得的電壓還要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換才可以傳給單片機(jī)處理，不夠方便。較為常用的是采用紅外對(duì)管計(jì)數(shù)的方法。紅外對(duì)管由一個(gè)紅外發(fā)射二極管和一個(gè)紅外接收二極管組成，具體電路圖如圖2.4所示。當(dāng)發(fā)射管與接收管之間沒(méi)有障礙物時(shí),紅外接收二極管由于接收到紅外輻射而導(dǎo)通,輸出電平為低；當(dāng)發(fā)射管與接收管之間有障礙物時(shí)，紅外接收二極管截止,輸出電平為高。因而,利用其輸出電平的高低很容易判斷紅外對(duì)管之間有無(wú)障礙物?？梢酝ㄟ^(guò)查詢的方式在一段時(shí)間內(nèi)記錄下高低電平的轉(zhuǎn)化次數(shù)或者記錄一定的高低電平變化次數(shù)所用的時(shí)間實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸上加裝了光柵轉(zhuǎn)盤，用來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可便于觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。光柵轉(zhuǎn)盤遮擋在紅外發(fā)射管和紅

32、外接收管之間。如圖2.5所示，光柵轉(zhuǎn)盤的圓面上開了4個(gè)通光槽，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，紅外接收管將接收到4次紅外光，從而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)速功能。圖2.4轉(zhuǎn)速測(cè)量電路圖2.5直流電機(jī)的光柵轉(zhuǎn)盤2.6數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管是常用的顯示器件，相對(duì)于液晶而言，數(shù)碼管價(jià)格更低，而且控制更方便。數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)分靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)（掃描）顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再處理，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需更新時(shí)再傳送一次新數(shù)據(jù)。其優(yōu)勢(shì)在于顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的cpu時(shí)間。即每個(gè)led都占用8個(gè)的i/o口，無(wú)需更新數(shù)據(jù)時(shí)不必刷新數(shù)據(jù)。但這樣一來(lái)當(dāng)有多個(gè)led時(shí)，就會(huì)占用大量的i/o口

33、，耗費(fèi)系統(tǒng)資源。動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用廣泛的現(xiàn)實(shí)方式之一。其接口電路是把所有數(shù)碼管的8個(gè)段同名端連在一起，而每個(gè)位的位選則獨(dú)立的受控制。所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指采用分時(shí)的方法，由cpu向字段輸出口送出字形碼，但究竟哪個(gè)位被點(diǎn)亮，則取決于位選控制端，并使各個(gè)位輪流刷新點(diǎn)亮。在輪流掃描的過(guò)程中，每個(gè)位的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的。由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余暉效應(yīng)，盡管實(shí)際上各個(gè)位并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路可以用分立的三極管驅(qū)動(dòng)也可以采用集成芯片驅(qū)動(dòng)。分立三極管驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，穩(wěn)定度不高，而采用集成的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片就方便而且

34、穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)采用的是4位共陰極led數(shù)碼管，數(shù)碼管采用uln2003a為其提供驅(qū)動(dòng)電流。uln2003a是7路達(dá)林頓三極管陣列，這里用到了其中的4路，分別連接到數(shù)碼管的4個(gè)位選腳g1g4，其具體的連接如圖2.6所示。圖2.6數(shù)碼管顯示電路選取單片機(jī)的8位i/o作為數(shù)碼管的“段控制”口，連接到數(shù)碼管的ah這8個(gè)段控制腳；再用4位i/o作為數(shù)碼管的“位控制”口，連接到驅(qū)動(dòng)芯片uln2003a的dig1dig4，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示控制。數(shù)碼管的各段、位與控制引腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2.7所示。圖2.7數(shù)碼管段位于控制口的對(duì)應(yīng)關(guān)系2.7 語(yǔ)音部分語(yǔ)音部分采用凌陽(yáng)開發(fā)板自帶的語(yǔ)音播放電路。spce061a提供

35、的音頻輸出方式為雙通道dac方式。在此方式下，dac1和dac2轉(zhuǎn)化出的模擬量電信號(hào)分別通過(guò)aud1和aud2引腳輸出。dac的輸出范圍從0x0000到0xffff。如果dac的輸出數(shù)據(jù)被處理成pcm數(shù)據(jù)，必須讓dac輸出數(shù)據(jù)的直流電位保持為0x8000，且僅有高10位的數(shù)據(jù)有作用。dac1和dac2的輸出數(shù)據(jù)應(yīng)寫入p_dac1(寫)($7017)和p_dac2(寫)($7016)單元。上電復(fù)位后，兩個(gè)dac均被自動(dòng)打開，此時(shí)會(huì)消耗少量的電流(幾毫安)。所以如不需要用它們，盡量將p_dac_ctrl(寫)($702ah)單元的第1位設(shè)為1，關(guān)閉dac輸出。產(chǎn)生的模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)耳機(jī)或者揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)化

36、為聲音信號(hào)。dac的直流電壓必須保證平穩(wěn)地變化，否則會(huì)由于電壓的突變引起揚(yáng)聲器產(chǎn)生雜音。2.8本章小結(jié)本章重點(diǎn)討論了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的外圍硬件電路，包括各個(gè)模塊的方案論證以及所選方案的實(shí)現(xiàn)方法。spce061a模塊是系統(tǒng)的核心，它具有體積小、集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊式本設(shè)計(jì)的主要執(zhí)行部件和反饋的來(lái)源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用spgt62c19b芯片控制，轉(zhuǎn)速測(cè)量采用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)。鍵盤及顯示模塊的是本設(shè)計(jì)的人機(jī)交互接口。這些電路是軟件能夠正確運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，有著十分重要的作用。第3章軟件設(shè)計(jì)3.1概述本方案的軟件系統(tǒng)主要包含下列模塊：主控程序：主控程序負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)

37、的工作流程，判斷按鍵值、控制數(shù)碼管顯示，以及控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等。按鍵掃描：掃描14鍵盤，獲取鍵值。數(shù)碼管顯示：led數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)程序。直流電機(jī)控制：該模塊通過(guò)控制spgt62c19b芯片，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)。語(yǔ)音播報(bào)：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播報(bào)轉(zhuǎn)速功能。上述功能模塊組成了兩層單向調(diào)用結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能模塊之間的調(diào)用關(guān)系如圖3.1所示。 主控程序數(shù)碼管顯示直流電機(jī)控制按鍵掃描語(yǔ)音播報(bào)轉(zhuǎn)速圖3.1各模塊之間的調(diào)用關(guān)系本章首先介紹了主程序的流程，各個(gè)子程序的實(shí)現(xiàn)方法以及各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思路，之后介紹了pid控制的基本理論以及調(diào)速方法。重點(diǎn)是程序的編寫思路，核心程序段在附錄中給出。3.2主程序流程主程序

38、在系統(tǒng)初始化（初始化時(shí)鐘、中斷、變量等）之后，顯示默認(rèn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并等待按鍵輸入。當(dāng)有鍵按下后，調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序，完成特定的功能。其流程如圖3.2所示。在系統(tǒng)初始化之后等待按鍵輸入，第一個(gè)鍵調(diào)用轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序，通過(guò)鍵盤輸入想要設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速；第二個(gè)鍵調(diào)用轉(zhuǎn)向設(shè)定子程序，用于設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)向；第三個(gè)鍵調(diào)用電機(jī)啟動(dòng)子程序，開啟電機(jī)，并在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；第四個(gè)鍵調(diào)用播報(bào)轉(zhuǎn)速子程序，可以語(yǔ)音播報(bào)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)初始化顯示當(dāng)前設(shè)定的轉(zhuǎn)速等待按鍵key1鍵按下key2鍵按下key3鍵按下key4鍵按下nnnn調(diào)用轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序調(diào)用方向設(shè)定子程序調(diào)用電機(jī)啟動(dòng)子程序調(diào)用播報(bào)轉(zhuǎn)速子程序yyyy開始圖3.2

39、總體設(shè)計(jì)流程圖3.2.1轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序在轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序中，數(shù)碼管閃爍顯示當(dāng)前設(shè)定轉(zhuǎn)速，并通過(guò)key1和key2鍵對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行增減設(shè)置，可以設(shè)定最高轉(zhuǎn)速最低轉(zhuǎn)速和步進(jìn)值。當(dāng)按下key3后返回主程序。具體流程圖如圖3.3所示。閃爍顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速設(shè)定值等待按鍵轉(zhuǎn)速設(shè)定值減2轉(zhuǎn)速設(shè)定值加2key1按下key2按下key3按下nnnyyy開始返回圖3.3轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序流程圖3.2.2方向設(shè)定子程序方向設(shè)定子程序與轉(zhuǎn)速設(shè)定類似，數(shù)碼管顯示滾動(dòng)的“-”，滾動(dòng)方向代表當(dāng)前設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。key1與key2鍵分別設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)椤罢D(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”。按key3鍵返回主程序。具體流程圖見圖3.4。顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)方向

40、等待按鍵設(shè)定為反向轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定為正向轉(zhuǎn)動(dòng)key1按下key2按下key3按下nnnyyy開始返回圖3.4方向設(shè)定子程序流程圖3.2.3電機(jī)啟動(dòng)子程序電機(jī)啟動(dòng)子程序控制電機(jī)按照設(shè)定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可按key1和key2鍵對(duì)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行增減，key4鍵實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音播報(bào)轉(zhuǎn)速的功能，key3鍵使電機(jī)停止，并返回主程序。具體程序流程見圖3.5。3.3各功能模塊流程本節(jié)主要介紹個(gè)模塊程序的設(shè)計(jì)思路和功能，主要包括鍵盤掃描程序，完成一次測(cè)速？顯示測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)用pid子程序，更新電機(jī)速度等級(jí)設(shè)定獲取按鍵值key1按下key2按下key4按下key3按下電機(jī)停止nnnn轉(zhuǎn)速設(shè)定值加2轉(zhuǎn)速設(shè)定值減2語(yǔ)音

41、播報(bào)轉(zhuǎn)速yyynyy開始返回圖3.5電機(jī)啟動(dòng)子程序流程圖數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)速測(cè)量程序，語(yǔ)音播報(bào)程序。3.3.1按鍵掃描按鍵掃描是在tmb_128hz中斷服務(wù)程序中進(jìn)行的，首先初始化端口為下拉電阻，再讀端口狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)有鍵按下要經(jīng)過(guò)消抖之后才判斷。具體流程圖如圖3.6。初始化端口為下拉電阻讀端口電平狀態(tài)端口不全為0按鍵抬起變量置0獲取按鍵值去抖計(jì)數(shù)器加1與上次鍵值相同按鍵抬起變量置1去抖計(jì)數(shù)器清0保存新鍵值nyn開始返回圖3.6按鍵掃描子程序流程圖獲取鍵值時(shí)，只需調(diào)用key_get()函數(shù)即可，該函數(shù)的程序流程如圖3.7。讀取去抖計(jì)數(shù)值小于4大于64按鍵抬起各狀態(tài)變量清0，返回鍵值返

42、回0yynnn開始返回圖3.7鍵值獲取程序流程圖3.3.2數(shù)碼管顯示led數(shù)碼管采用逐位動(dòng)態(tài)顯示方式，利用4khz時(shí)基中斷進(jìn)行逐位動(dòng)態(tài)掃描，使每個(gè)數(shù)碼管的顯示亮度均勻且感覺(jué)不到閃爍。需要改變數(shù)碼管顯示內(nèi)容時(shí)，只需向各數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)寫入相應(yīng)的編碼即可，流程圖如圖3.8所示。清除所有顯示通過(guò)位指針獲取當(dāng)前位的緩沖區(qū)內(nèi)容在當(dāng)前位上顯示緩沖區(qū)中的內(nèi)容位指針處于最后一位位指針指向下一位位指針指向第一位y開始返回圖3.8數(shù)碼管顯示流程圖3.3.3直流電機(jī)控制與測(cè)速根據(jù)第二章的spgt62c19b控制原理，只需利用單片機(jī)i/o端口向spgt62c19b的i01和i11引腳輸出不同占空比的pwm信號(hào)即可控

43、制電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然spce061a具有兩路pwm輸出功能，但這要占用timera和timerb兩個(gè)定時(shí)器，浪費(fèi)了寶貴的定時(shí)器資源，因此這里采用軟件生成pwm的方法，利用4khz時(shí)基中斷，改變i/o端口的電平狀態(tài)，從而模擬出特定占空比的pwm波形。其流程如圖3.9所示。電機(jī)測(cè)速工作也是利用4khz時(shí)基中斷完成的。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤的挖空部分經(jīng)過(guò)紅外對(duì)管時(shí)，與之連接的單片機(jī)i/o口將輸入低電平；而光柵轉(zhuǎn)盤阻隔紅外對(duì)管時(shí)，該i/o口將輸入低電平。以4khz為采樣頻率，檢測(cè)該i/o端口的電平狀態(tài)并計(jì)數(shù)，可通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。pwm計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)定數(shù)值輸出低電平pwm計(jì)數(shù)值加1輸出高電

44、平n開始返回圖3.9pwm生成流程圖3.3.4利用pid算法進(jìn)行調(diào)速按偏差的比例微分和積分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱為pid調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期的應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，將它移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)軟件予以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于大多數(shù)控制對(duì)象都能獲得滿意的控制效果。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬pid是一種線性控制方式，模擬pid控制原理圖如圖3.10所示。比例、積分和微分環(huán)節(jié)的作用如下:1、比例環(huán)節(jié)的作用:比例環(huán)節(jié)對(duì)偏差瞬間作出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)

45、弱取決于比例系數(shù)kp，kp越大，控制越強(qiáng)，但過(guò)大的kp會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例積分微分被控對(duì)象r(t)e(t)u(t)y(t)圖3.10模擬pid控制系統(tǒng)原理圖對(duì)大部分被控制對(duì)象要加上適當(dāng)?shù)呐c轉(zhuǎn)速和機(jī)械負(fù)載有關(guān)的控制常量u0，否則，比例環(huán)節(jié)將產(chǎn)生靜態(tài)誤差。2、積分環(huán)節(jié)的作用:積分環(huán)節(jié)把偏差的積累作為輸出。只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)不斷增大。直到偏差e(t)=0，輸出的u(t)才可能維持在某一常量，使系統(tǒng)在給定值r(t)不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。積分環(huán)節(jié)雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但是也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)ti越大，積分的積累作用越弱。增大積分常數(shù)ti會(huì)減慢

46、靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3、微分環(huán)節(jié)的作用:微分環(huán)節(jié)阻止偏差的變化。根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)進(jìn)行控制，偏差變化得越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)高階系統(tǒng)非常有利。但是，微分作用對(duì)輸入信號(hào)噪聲非常敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或者在微分作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。在電機(jī)控制中，首先要求系統(tǒng)是穩(wěn)定的。在給定值變化時(shí)，被控量應(yīng)當(dāng)能夠迅速平穩(wěn)的跟蹤，超調(diào)量要小。在各種干擾下，被控量應(yīng)能保持在給定值附近。此外，控制量不宜過(guò)大，避免系統(tǒng)經(jīng)常過(guò)載。在選擇pid控制器參數(shù)前，應(yīng)

47、首先確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能消除穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)而言，一般常選用pi或pid控制器結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用pid控制結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的pid控制都是使用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是微機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，只要對(duì)模擬控制規(guī)律作適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)pid控制。這樣就提供了更大的靈活性，從而在微機(jī)控制中得到廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槲C(jī)是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)其控制算法。必須對(duì)模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行離散化處理，這樣它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，不能對(duì)積分和微分項(xiàng)直接準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。用離散的差分方程來(lái)代替連續(xù)的微分方程。根據(jù)輸出量的形式可分為位置式pid控制算法和增量式pid控制

48、算法。模擬pid表達(dá)式為：將積分項(xiàng)和微分項(xiàng)離散化：將上兩式代入模擬表達(dá)式中得到離散pid表達(dá)式：上式的輸出與閥門開度位置一一對(duì)應(yīng)，也稱為位置型pid算式。用位置型pid算式計(jì)算p(k)，需要用到各采樣時(shí)刻的偏差值，計(jì)算復(fù)雜，且需要占用內(nèi)存。(k-1)時(shí)刻的輸出：兩式相減：這種形式的數(shù)字pid控制器稱為增量式數(shù)字pid控制器。增量式算法只需保留現(xiàn)時(shí)以前三個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。與位置式算法相比，增量式pid算法的計(jì)算量小得多。增量式pid控制起訴和與計(jì)算機(jī)計(jì)算，而且這種形式在一定程度上能夠避免控制器產(chǎn)生積分飽和，本系統(tǒng)采用的就是增量式控制算法。只需確定、和的值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)的控制。在本系統(tǒng)中，可作為控制

49、電機(jī)轉(zhuǎn)速的pwm信號(hào)的占空比。、和可通過(guò)實(shí)際測(cè)試調(diào)整獲得，程序流程圖如圖3.11所示。計(jì)算當(dāng)前速度偏差輸出超過(guò)上限套用pid公式計(jì)算輸出輸出低于下限輸出等于上限輸出等于下限重新賦值yynn開始返回圖3.11pid計(jì)算流程圖pid控制參數(shù)的選擇有兩種可用的方法：理論設(shè)計(jì)法和試驗(yàn)確定法。理論設(shè)計(jì)法確定pid控制參數(shù)的前提是要有被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在電機(jī)控制中很難做到。因此，用實(shí)驗(yàn)確定來(lái)選擇pid控制參數(shù)是行之有效的方法。先根據(jù)他人已取得的經(jīng)驗(yàn)得到基準(zhǔn)參數(shù)，然后通過(guò)觀察參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響來(lái)確定最終的控制參數(shù)。湊試參數(shù)前，先要了解pid控制器參數(shù)值對(duì)系統(tǒng)的影響。增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的

50、響應(yīng)速度，有利于減少穩(wěn)態(tài)誤差，但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并可能產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分常數(shù)有利于減少超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜態(tài)差的消除將隨之減慢。增大微分常數(shù)有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。在湊式時(shí)，可以對(duì)參數(shù)按先比例后微分再積分的次序反復(fù)調(diào)試。具體的整定步驟如下：首先只整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)。如果系統(tǒng)靜差已小到允許范圍內(nèi)，且超調(diào)小，那么只需用比例控制器即可，比例系數(shù)可由此確定。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則必須加

51、入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分常數(shù)唯一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微減小，然后逐步減小積分常數(shù)，使在保持系統(tǒng)良好性能的情況下，穩(wěn)態(tài)誤差得到消除，由此得到相應(yīng)的整定參數(shù)。若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不令人滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。整定時(shí)，先置微分常數(shù)為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，逐步增大微分常數(shù)，同時(shí)相應(yīng)的改變比例常數(shù)和積分常數(shù)，已獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和相應(yīng)的參數(shù)。滿意的參數(shù)不是唯一的，這是由于pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響不十分敏感，在比例微分和積分三部分產(chǎn)生的控制作用中，某部分的減少往往可由其他部分的增大來(lái)補(bǔ)償。3.3.5凌陽(yáng)音頻

52、算法及語(yǔ)音播報(bào)轉(zhuǎn)速我們所說(shuō)的音頻是指頻率在20hz20khz的聲音信號(hào)，分為波形聲音、語(yǔ)音和音樂(lè)三種，其中波形聲音就是自然界中所有的聲音，是聲音數(shù)字化的基礎(chǔ)。語(yǔ)音也可以表示為波形聲音，但波形聲音表示不出語(yǔ)言、語(yǔ)音學(xué)的內(nèi)涵。音樂(lè)與語(yǔ)音相比更規(guī)范一些，是符號(hào)化了的聲音。壓縮編碼的目的是通過(guò)對(duì)資料的壓縮，達(dá)到高效率存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換資料的結(jié)果，即在保證一定聲音質(zhì)量的條件下，以最小的資料率來(lái)表達(dá)和傳送聲音信息。實(shí)際應(yīng)用中，未經(jīng)壓縮編碼的音頻資料量很大，進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)是不現(xiàn)實(shí)的。所以要通過(guò)對(duì)信號(hào)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和冗余信息處理，進(jìn)行資料的壓縮，這樣就可以使我們用較少的資源建立更多的信息。凌陽(yáng)音頻壓縮算法根據(jù)不同的壓縮比

53、分為以下幾種：sacm-a2000：壓縮比為8:，8:1.25，8:1.5；sacm-s480：壓縮比為80:3，80:4.5；sacm-s240：壓縮比為80:1.5；按音質(zhì)排序：a2000s480s240。sacm-s480壓縮算法壓縮比較大，為80:3,存儲(chǔ)容量大,音質(zhì)介于a2000和s240之間,適用于語(yǔ)音播放,如“文曲星”詞庫(kù)，本設(shè)計(jì)也是為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能，因此選擇該算法。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播報(bào)轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速為58轉(zhuǎn)每秒，首先要播報(bào)“當(dāng)前轉(zhuǎn)速”語(yǔ)音段，之后將“58”處理為“五”“十”“八”三個(gè)語(yǔ)音段，再加上“轉(zhuǎn)每秒”語(yǔ)音段即可實(shí)現(xiàn)一次語(yǔ)音播報(bào)。所以需要錄入的語(yǔ)音段一共有13個(gè)語(yǔ)音段，

54、分別是“當(dāng)前轉(zhuǎn)速為”“轉(zhuǎn)每秒”和“零”到“十”。錄制語(yǔ)音的過(guò)程分為以下幾步：第一步，將上述的13個(gè)語(yǔ)音段錄制成wav格式；第二步，用windows的錄音機(jī)工具將其轉(zhuǎn)化成pcm8.000khz16位單聲道比特率為15kb/秒格式的語(yǔ)音文件；第三步，使用北陽(yáng)音頻壓縮軟件將上述語(yǔ)音段壓縮成凌陽(yáng)單片機(jī)可以識(shí)別并使用的語(yǔ)音文件。語(yǔ)音播報(bào)轉(zhuǎn)速子程序的流程圖見圖3.12。開始計(jì)算出轉(zhuǎn)速的十位和個(gè)位播放“當(dāng)前轉(zhuǎn)速為”播放十位數(shù)播放“十”播放個(gè)位數(shù)播放“轉(zhuǎn)每秒”返回圖3.12語(yǔ)音播報(bào)流程圖3.4系統(tǒng)的功能與操作方法本系統(tǒng)操作方法比較簡(jiǎn)單，主要通過(guò)外接的四個(gè)按鍵完成。具體操作方法如表3.1所示。表3.1系統(tǒng)功能與

55、操作方法狀態(tài)key1key2key3key4數(shù)碼管顯示電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)速設(shè)置方向設(shè)置啟動(dòng)電機(jī)播報(bào)轉(zhuǎn)速當(dāng)前設(shè)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速設(shè)定狀態(tài)轉(zhuǎn)速加2轉(zhuǎn)速減2確定播報(bào)轉(zhuǎn)速當(dāng)前設(shè)定轉(zhuǎn)速方向設(shè)置狀態(tài)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)確定播報(bào)轉(zhuǎn)速“-”正向或反向滾動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)速加2轉(zhuǎn)速減2電機(jī)停止播報(bào)轉(zhuǎn)速當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速3.5本章小結(jié)本章主要討論了設(shè)計(jì)的軟件部分。先從整體的思路出發(fā)，將整個(gè)程序分成一個(gè)主程序和轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序，轉(zhuǎn)向設(shè)定子程序，電機(jī)啟動(dòng)子程序和語(yǔ)音播報(bào)子程序，并一一介紹了各個(gè)程序段的編寫思路以及軟件流程圖。之后又介紹了基本功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法，包括鍵盤，數(shù)碼管，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)速測(cè)量以及語(yǔ)音播報(bào)的實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)敘述了pid控制的原理和軟件實(shí)現(xiàn)方法。第4章調(diào)試4.1