數(shù)控專業(yè)畢業(yè)論文

1、 zhejiang water conservancy and hydropower college畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 基于單片機(jī)的直流電機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng) 系 （部）： 機(jī)械電子工程系 專業(yè)班級： 數(shù)控09-1 姓 名： 學(xué) 號： 200933016 指導(dǎo)教師： 2012年 5月 23 日基于單片機(jī)的直流電機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)摘 要本課題設(shè)計是以51系列單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)產(chǎn)生占空比由數(shù)字pid算法控制的pwm脈沖信號實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的供電電源進(jìn)行控制從而達(dá)到調(diào)速目的。同時利用光電編碼器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號反饋到單片機(jī)中，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。人機(jī)界面采用1

2、2864lcd顯示器顯示電機(jī)當(dāng)前的參數(shù)、正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行時間；通過44鍵盤實(shí)現(xiàn)：數(shù)字pid參數(shù)設(shè)置、速度、電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動、停止。關(guān)鍵字 數(shù)字pid；無靜差調(diào)節(jié)；pwm脈沖dc motor pwm speed control system based on microcontrollerabstractthis thesis design is 51 series microcontroller as control core，the system produces pwm impulse whose duty ratio is controlled by digital

3、pid arithmetic to control the power of dc motor,to make sure the running of dc motors rotate speed. at the same time the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to microcontroller as speed closed loop control system to attain the p

4、urpose of rotate speeds astatic modulation.in this system , 12864lcddisplay shows the current parameters of the motor、the direction of rotation、speed and running time. through the 44 keyboard realized: digital pid parameters settings、the direction of rotation settings、speed setting、start and stop.ke

5、y words digital pid; astatic modulation; pwm impulse目錄摘 要iiabstractiii目錄iv前言11調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計211系統(tǒng)總體設(shè)計說明212系統(tǒng)總體設(shè)計框圖22調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計與原理321基于單片機(jī)的電機(jī)控制設(shè)計3211 單片機(jī)簡介3212 單片機(jī)在電機(jī)控制方面的應(yīng)用522電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計5221 驅(qū)動電路原理介紹5222 驅(qū)動電路的專用芯片選用及設(shè)計7223 調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計及分析823電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計9231 速度采集的原理及方法9232電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計1024顯示模塊設(shè)計10241 顯示模塊的原理與方法102

6、42 顯示模塊電路設(shè)計1225鍵盤輸入模塊設(shè)計12251鍵盤輸入模塊的原理與方法12252 鍵盤輸入模塊電路設(shè)計133調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字部分的設(shè)計與原理1331 pid控制器13311 pid控制的原理與方法13312 數(shù)字pid算法的實(shí)現(xiàn)1632 數(shù)字測速模塊17321 數(shù)字測速模塊的設(shè)計思想與算法17322 數(shù)字測速系統(tǒng)流程圖1833 12864lcd顯示模塊18331 12864lcd顯示器的控制方法18332 12864lcd顯示器的顯示子程序流程圖2034 行列式鍵盤輸入模塊20341 行列式鍵盤輸入模塊的設(shè)計思想20342 行列式鍵盤輸入模塊的程序流程圖2135 pwm調(diào)速方法設(shè)計213

7、51對pwm控制的介紹21352 pwm脈沖的產(chǎn)生24353 pwm脈沖產(chǎn)生模塊的程序流程圖254總結(jié)與展望25參考文獻(xiàn)26致謝4027前言隨著生產(chǎn)需求的日新月異，我們對控制系統(tǒng)的要求也越來越高。而對生產(chǎn)而言，電機(jī)調(diào)速是人們一直在研究的課題。直到目前為止，電機(jī)調(diào)速方法十分多樣、普遍。其中，對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵磁控制與電樞電壓控制。勵磁控制調(diào)速法是通過控制磁通，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這類方法，控制功率小；轉(zhuǎn)速較低時，收到磁飽和的限制；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，收到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；而且，由于勵磁線圈存在較大電感，導(dǎo)致了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較差。所以，此法應(yīng)用較少。電樞電壓控制方式也可分為

8、兩種：一為調(diào)節(jié)電壓，二為調(diào)節(jié)電流。過去傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)是采用模擬電子電路來實(shí)現(xiàn)其功能，這種電路優(yōu)勢在于響應(yīng)快，但是靈活性較差，難易維修。然而單片機(jī)作為一種可編程控制器，已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用。而且基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注，且已有多樣的成果。單片機(jī)具有性能高、體積小、速度快、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用廣泛、高通用性等優(yōu)點(diǎn)。隨著單片機(jī)性能的日益提高與完善，與此同時，電子電力器件及驅(qū)動技術(shù)也更加成熟，在前者的基礎(chǔ)上，伴隨著pwm控制技術(shù)及電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，pwm技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動控制中的應(yīng)用逐漸受到人們更多的關(guān)注。由于pwm控制技術(shù)的控制簡單、靈活和較好的動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，而成為電力電子技術(shù)最

9、廣泛應(yīng)用的控制方式。pwm控制的基本思想很早就已被提出，但受制于電力電子器件的發(fā)展水平，在上世紀(jì)80年代之前一直未能得到實(shí)現(xiàn)。直到邁進(jìn)上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展，pwm控制技術(shù)終于得到了真正的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展以及各種新的控制理論方法的提出，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想等。pwm控制技術(shù)獲得了空前發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種pwm控制技術(shù)。在如此多樣的pwm控制技術(shù)中spwm控制技術(shù)是其中最為成熟的控制方法，而本課題也將采用此種控制方法。在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是一個至關(guān)重要的領(lǐng)域。它的控制手段、算法和方

10、法很多樣，作為最早發(fā)展起來的控制策略，模擬pid控制長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且在參數(shù)整定較方便，能夠滿足一般控制的要求。但其缺點(diǎn)是一旦參數(shù)整定完畢后，在整個控制過程中將無法改變，然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場的系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度等客觀條件都會發(fā)生變化，這樣就是的控制系統(tǒng)難易達(dá)到最佳的控制效果。隨著計算機(jī)技術(shù)和終能控制理論的逐步發(fā)展，以軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字pid控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來。數(shù)字pid控制技術(shù)不但能完成模擬pid的控制任務(wù)，而且控制算法靈活、可靠性高，所以應(yīng)用面越來越廣。本課題設(shè)計是以51系列單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比由數(shù)字pid算法控制的pwm脈沖信號實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時利

11、用光電編碼器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號反饋到單片機(jī)中，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，以達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)。人機(jī)界面采用12864lcd顯示器顯示電機(jī)當(dāng)前的參數(shù)、正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行時間，通過44鍵盤實(shí)現(xiàn)：數(shù)字pid參數(shù)設(shè)置、電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動、停止。本調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計到的控制算法與指令均通過c語言編輯完成。1調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計11系統(tǒng)總體設(shè)計說明本文設(shè)計了一個直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為控制核心產(chǎn)生pwm信號對直流電機(jī)的供電電源進(jìn)行控制從而達(dá)到調(diào)速目的。采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，以軟件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字pid，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速，應(yīng)具備必要的人機(jī)界面可對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，并可以手動調(diào)整控制器

12、的pid參數(shù)，具備堵轉(zhuǎn)保護(hù)等必要的保護(hù)手段。其中總體設(shè)計中設(shè)計如下模塊：pwm產(chǎn)生及控制、功率放大及驅(qū)動電路、電機(jī)測速、閉環(huán)速度反饋電路、pid控制器、速度顯示、鍵盤控制、保護(hù)性電路。12系統(tǒng)總體設(shè)計框圖圖1.2-1調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計框圖2調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計與原理21基于單片機(jī)的電機(jī)控制設(shè)計211 單片機(jī)簡介單片機(jī)是指cpu、ram、rom、定時器/計數(shù)器以及基本輸入/輸出（i/o）借口電路等部件集成在一塊芯片上，這樣組成的芯片及微型計算機(jī)，稱之為單片微型計算機(jī)（single chip microcomputer），簡稱為單片微機(jī)或單片機(jī)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)都是按工業(yè)控制的要求

13、設(shè)計制作的，常用作于工業(yè)的檢測、控制裝置中，因此也稱作微控制器（micro-controller）或嵌入式控制器（embedded-controller）。我國目前廣泛使用的mcs-51系列單片機(jī)，性價比較好，8031、875、8051都屬于51系列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：中央處理器、只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器、并行輸入/輸出口、定時/計時器、中斷系統(tǒng)。圖2.2-1 mcs-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖mcs-51系列單片機(jī)為哈佛結(jié)構(gòu)，就是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，相互獨(dú)立。它的性能特點(diǎn)有：1內(nèi)部程序存儲器：4kb；3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：128kb；3外部程序存儲器：可擴(kuò)展到64kb；4外部數(shù)據(jù)存儲器：可擴(kuò)展

14、到64kb；5輸入/輸出口線：32根（4個端口，每個端口8根）；6定時/計數(shù)器：2個16位可編程的定時/計數(shù)器；7串行口：全雙工，2根；8寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的128b中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為4個區(qū)，每個區(qū)8個通用寄存器；9中斷源：5個中斷源，2個優(yōu)先級；10堆棧：最深128b；11布爾處理器：就是處理器，對某些單元的某位做單獨(dú)處理；12指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時鐘為12mhz時）：大部分指令執(zhí)行時間為1us，少部分指令執(zhí)行時間為2us，只有乘、除指令的執(zhí)行時間為4us。圖2.2-2 mcs-51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖mcs-51單片機(jī)都采用40腳雙列直插式封裝，40個引腳中有：2個專用于主電

15、源，2個外接晶振，4跳控制或與其他電源復(fù)用的引腳，32個i/o引腳。圖2.2-3 mcs-51單片機(jī)的引腳圖212 單片機(jī)在電機(jī)控制方面的應(yīng)用從20世紀(jì)80年代起，微處理器、單片機(jī)得到了飛速發(fā)展，其運(yùn)行速度增快、運(yùn)算精度增高、處理能力加強(qiáng)、功能更加多樣、結(jié)構(gòu)更加簡單、可靠性也得到提高，已有足夠的能力完成具有強(qiáng)實(shí)時性的電動機(jī)控制要求。20世紀(jì)80年代中、后期，已經(jīng)有全數(shù)字控制的交流調(diào)速系統(tǒng)，并應(yīng)用在工業(yè)中。到了20世紀(jì)90年代，單片機(jī)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了32位的單片機(jī)，它強(qiáng)大的功能已經(jīng)能使單片機(jī)全數(shù)字控制的交流調(diào)速系統(tǒng)性能和精度優(yōu)于模擬控制，功能更加完善，具有很強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，使電動機(jī)傳

16、動系統(tǒng)成為工廠自動化系統(tǒng)中的一級執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前。工業(yè)先進(jìn)的國家所應(yīng)用的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。在單片機(jī)控制的電機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)的輸入信號一般是：用作頻率或轉(zhuǎn)速設(shè)定的運(yùn)行指令，用作閉環(huán)控制和過電壓、過電流保護(hù)的電機(jī)系統(tǒng)電流、電壓反饋量，用于轉(zhuǎn)速、位置閉環(huán)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角信號，用作缺相或瞬時停電保護(hù)的交流電源電壓信號等。從計算機(jī)輸出地信號主要為：交流裝置功率半導(dǎo)體元器件的觸發(fā)信號，用于控制輸出電壓、電流的頻率、幅值和相位信號，電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和故障狀態(tài)指示信號，及上位機(jī)或系統(tǒng)的通信信號等。單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的主要功能有：邏輯控制功能，運(yùn)算、調(diào)節(jié)和控制功能、自動保護(hù)功能、故障

17、檢測和實(shí)時診斷功能。電動機(jī)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制具有的優(yōu)越性：容易獲得高精度的穩(wěn)態(tài)調(diào)整性能，可獲得優(yōu)化的控制質(zhì)量，能方便靈活地實(shí)現(xiàn)多種控制策略，提高系統(tǒng)工作的可靠性。本調(diào)速系統(tǒng)的總體外圍電路設(shè)計圖見附圖一。22電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計221 驅(qū)動電路原理介紹在直流電機(jī)驅(qū)動方面，普遍應(yīng)用h橋電路來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的調(diào)速，如圖3-1。圖2.2-1 h橋驅(qū)動電路由圖可知，h橋驅(qū)動電路由4個三極管與電機(jī)組成，其形狀與字母h相似，所以被稱為“h橋驅(qū)動電路”。若想要讓電機(jī)運(yùn)行，需要導(dǎo)通對角的兩個三極管，q1與q4或q2與q3。當(dāng)q1與q4導(dǎo)通時，如圖，圖2.2-2 電機(jī)順時針運(yùn)行電流從從電源正極流出后，從q1由左向右流

18、過電機(jī)，再從q4流出回來電源的負(fù)極。此時，電流以從左往右的方向流過電機(jī)，從而使電機(jī)按順時針方向運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)q2與q3導(dǎo)通時，如圖圖2.2-3 電機(jī)逆時針運(yùn)行電流從從電源正極流出后，從q3由右向左流過電機(jī)，再從q2流出回來電源的負(fù)極。此時，電流以從右往左的方向流過電機(jī)，從而使電機(jī)按逆時針方向運(yùn)轉(zhuǎn)。222 驅(qū)動電路的專用芯片選用及設(shè)計為了使驅(qū)動電路更加穩(wěn)定可靠，并且減少布線，決定采用專用芯片來驅(qū)動直流電機(jī)工作。l298n是一款由sgs公司生產(chǎn)的直流電機(jī)控制芯片。它的內(nèi)部包含兩個h橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接受標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號，可以驅(qū)動46v、2a以下的電機(jī)。以l298n構(gòu)造組成的pwm功率

19、放大器的工作形式為單級可逆模式，2個h橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連接在一起。其引腳圖如下圖所示，1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采用電阻器，形成電流傳號。l298可驅(qū)動2個電機(jī)，out1、out2和out3、out4之間分別接2個電動機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ena、enb接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。圖2.2-4 l298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2.2-5 l298引腳圖223 調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計及分析本調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動電路設(shè)計如圖2.2-6所示。圖2.2-6 l298驅(qū)動電路表2.2-1 l298輸入輸出關(guān)系表根據(jù)上表可得，當(dāng)使能控制端ena為高電平時，將pwm控制信號送至輸

20、入端in1與in2，便可以控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。當(dāng)in1端為pwm信號，而in2端為低電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)in2端為pwm信號，而in1端為低電平時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)in1端與in2端都為低電平時，驅(qū)動橋路上的4個晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)，這樣使正在運(yùn)行的電機(jī)的電樞電流反向，電機(jī)便自由停止。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行同時，瞬間導(dǎo)通另一組晶體管，將使電機(jī)快速停止。電機(jī)的在轉(zhuǎn)速上的調(diào)節(jié)由單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的pwm信號來實(shí)現(xiàn)。23電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計231 速度采集的原理及方法本調(diào)速系統(tǒng)中由于要將電機(jī)當(dāng)前采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，計算出偏差，然后進(jìn)行pid運(yùn)算，因此速度采集電路在整個系統(tǒng)中是不可缺少的。目

21、前在速度采集技術(shù)上主要有以下三種方法：方法一：霍爾集成片。這是由三篇霍爾金屬板組成的器件，當(dāng)磁鐵正面朝向金屬板時，便產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，金屬板會產(chǎn)生橫向?qū)ǖ默F(xiàn)象。因此，我們只要把磁片安裝在電機(jī)上，并將霍爾集成片安裝在固定軸上，這樣便可以將電機(jī)的速度以脈沖的形式檢測出來。方法二：測速發(fā)電機(jī)。將測速發(fā)電機(jī)與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，帶動測速發(fā)電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，此時測速發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生大小取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速的感應(yīng)電動勢。方法三：光電編碼器。這是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。其工作原理將在下文詳述。將上訴三種方法進(jìn)行比較，由于高性能的霍爾元件較難購置，且成本較高，所

22、以不采用方法一。測速發(fā)電機(jī)雖然采樣精度較高，但是其實(shí)際的安裝電路較復(fù)雜，而且成本也是三者中最高的，所以也不予采用。因此，本課題將采用方法三光電編碼器來作為電機(jī)轉(zhuǎn)速采集模塊的傳感器。光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一個一定直徑的圓板上等分地裁剪出若干個長方形孔如圖2.4-1(a)所示。光電碼盤與電機(jī)同軸，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，光柵盤與電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，經(jīng)發(fā)光二極管等電子器件組成的檢測裝置檢測的脈沖信號。再通過計算一個周期內(nèi)光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，從而得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速如圖2.4-1(b)所示。而且，編碼盤還可提供相位相差的兩路脈沖信號來判斷旋轉(zhuǎn)方向。 (a) (b)圖2.3-1 光電編碼器原

23、理圖232電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計圖2.3-2 測速模塊電路圖24顯示模塊設(shè)計241 顯示模塊的原理與方法為了使調(diào)速系統(tǒng)能讓人更直觀地觀察到電機(jī)在調(diào)速期間的運(yùn)行狀況，所以，顯示模塊是不可缺少的。目前在顯示模塊主要有以下三種方式：方法一：led數(shù)碼管顯示器。是由發(fā)光二極管作為發(fā)光單位制作而成。通過控制輸入顯示器的段碼信號來控制顯示器。其顯示接口電路分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。方法二：液晶顯示器lcd。其分為點(diǎn)陣型與字符型兩種，點(diǎn)陣型液晶可顯示圖形和文字，字符型液晶只能顯示字符。將上訴兩種方法進(jìn)行比較，led數(shù)碼管顯示器雖然在控制方面較為簡單，但是占用的資源較多，且無法顯示本課題所需的信息量，所以方法

24、一不予采用。液晶顯示器lcd因其功耗小、體積小等特點(diǎn)，且符合本課題要求，所以予以采用。lcd顯示模塊存在多種不同的型號與規(guī)格，對于不同的規(guī)格和型號的液晶顯示器而言，它們的控制方法是一樣的。針對本課題的要求，對于所需顯示的信息量，在顯示模塊選擇了12864lcd液晶顯示器，它主要是由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器以及12864圈點(diǎn)陣液晶顯示器組成，既能進(jìn)行漢字顯示(1616)以及圖形顯示。12864lcd共有20個引腳，其引腳分布如圖2.4-2所示，其引腳功能如表2.4-1所示圖2.4-2 12864lcd液晶顯示器模塊引腳圖引腳符 號引 腳 功 能引腳符 號引 腳 功 能1vss電源地15cs1cs1=1

25、芯片選擇左邊64*64點(diǎn)2vdd電源正+5v16cs2cs2=1芯片選擇右邊64*64點(diǎn)3vo液晶顯示驅(qū)動電源17/rst復(fù)位（低電平有效）4rsh：數(shù)據(jù)輸入；l：指令碼輸入18veelcd驅(qū)動負(fù)電源5r/wh：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腳為空腳表2.4-1 12864lcd液晶顯示器模塊引腳功能242 顯示模塊電路設(shè)計本調(diào)速系統(tǒng)的顯示模塊電路設(shè)計如圖2.4-3所示。圖2.4-3 12864lcd液晶顯示器模塊電路圖25鍵盤輸入模塊設(shè)計251鍵盤輸入模塊的原理與方法由于本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求通

26、過按鍵形式對直流電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，包括：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止、啟動以及pid控制器的參數(shù)設(shè)定。所以按鍵輸入模塊是本系統(tǒng)的人機(jī)界面部分至關(guān)重要的一部分。目前在鍵盤輸入模塊主要有以下兩種方法：方法一：獨(dú)立式鍵盤。每個鍵占用一個i/o口。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，缺點(diǎn)是所占用端口資源較多。方法二：行列式鍵盤。行列式鍵盤由行線跟列線組成。以對行線和列線進(jìn)行掃描的方法來確認(rèn)鍵值。其優(yōu)點(diǎn)是在鍵盤較多的情況下，占用的i/o口資源較少，缺點(diǎn)是相對于獨(dú)立式鍵盤而言，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。將上訴兩種方法進(jìn)行比較，本課題要求完成電機(jī)的加速、減速、啟動、停止、正反轉(zhuǎn)控制，以及對p、i、d三項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，所以所需的按鍵

27、較多。若采用獨(dú)立式鍵盤勢必占用大量的i/o口資源，所以方法一不予以采用。而行列式恰好滿足了本課題的要求，所以采用方法二。252 鍵盤輸入模塊電路設(shè)計本調(diào)速系統(tǒng)的顯示模塊電路設(shè)計如圖2.5-1所示。圖2.5-1 行列式鍵盤輸入模塊電路圖3調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字部分的設(shè)計與原理31 pid控制器311 pid控制的原理與方法對于一個控制系統(tǒng)，通常要求其具有快速性、穩(wěn)定性的品質(zhì)和性能指標(biāo)，本課題為了提高調(diào)速系統(tǒng)對直流電機(jī)在速度運(yùn)行的上述要求，將采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)來對本直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行優(yōu)化，并采用數(shù)字pid控制器來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無靜差運(yùn)行。速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)可以對直流電機(jī)的調(diào)速范圍以及調(diào)速的精度進(jìn)行提高。在原來開環(huán)形的

28、驅(qū)動器的基礎(chǔ)上，加上速度閉環(huán)，這樣就形成了直流電機(jī)的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。在本直流電機(jī)速度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度控制器的輸出信號，作為脈寬調(diào)制器的控制信號，經(jīng)過傳感器處理后，形成速度反饋信號，反饋信號直接送到電子數(shù)字計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中去。我們采用的pid控制器是通過計算機(jī)基于pid控制算法通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)的。我們需要通過數(shù)值逼近的方法來pid控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，通過求和代替積分，以及查分代替微分，使pid算法離散化，將描述連續(xù)-時間pid算法的微分方程，轉(zhuǎn)化成描述離散-時間pid算法的差分方程。pid控制器的原理框圖如圖3.1-1所示。圖3.1-1 pid控制器的原理框圖pid

29、控制公式： （1）式（1）中：為比例項(xiàng)，為比例放大系數(shù)；為積分項(xiàng)，為積分放大系數(shù)；為微分項(xiàng)，為微分放大系數(shù)。比例控制的作用是對于當(dāng)前的偏差信號進(jìn)行放大或者衰減后作為輸出的控制信號。系數(shù)越大，控制左右也越強(qiáng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性也越強(qiáng)，即表現(xiàn)為起動快，對階躍設(shè)定跟隨得快。但對于存在慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，過大時會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例控制能夠減小偏差，但是不能消除靜態(tài)偏差。圖3.1-2 比例（p）控制階躍響應(yīng)積分控制的作用是將系統(tǒng)從零開始到當(dāng)前的偏差信號進(jìn)行積累。積分控制的輸出與偏差信號存在的時段有關(guān)，只要時間足夠，積分控制將靜態(tài)偏差消除。其缺點(diǎn)是積分控制不能及時克服擾動

30、的影響。圖3.1-3 積分（i）和比例積分（pi）控制階躍響應(yīng)微分控制的作用是根據(jù)偏差信號當(dāng)前的變化率來判斷隨后的偏差時增大還是減少，以及增大或減少的幅度。微分控制作用正比于偏差信號的變化率，其特點(diǎn)是只對偏差變化的速度起反應(yīng)，對于固定不變的偏差，不會產(chǎn)生微分作用輸出。因?yàn)橹辉谄顒偝霈F(xiàn)時產(chǎn)生很大的控制作用，所以微分控制可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從而達(dá)到提高系統(tǒng)快速性的作用，而且還有助于減小超調(diào)，克服震蕩，達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，但是微分控制不能消除靜態(tài)偏差。值得注意的是，微分控制不能獨(dú)立存在，一般情況下，都要配合比例控制存在,實(shí)現(xiàn)pd控制。圖3.1-3 微分（d）和比例積分（pd

31、）控制階躍響應(yīng)上述對p、i、d控制各項(xiàng)的闡述可由表3.1-1可進(jìn)行直觀的對比增益常數(shù)（系數(shù)）上升時間過沖建立時間穩(wěn)態(tài)誤差kp減少增大很小變化減小ki減少增大增加消除kd很小變化減小減少很小變化圖3.1-2 積分（i）和比例積分（pi）控制階躍響應(yīng)312 數(shù)字pid算法的實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)的應(yīng)用中，可選用的控制方法其實(shí)很多，但最常用的還是數(shù)字pid算法。通過最優(yōu)控制理論可以證明，pid控制能夠滿足非常多工業(yè)控制對象的控制要求。pid算法也存在多種算法，如位置式pid算法、增量式pid算法等。本課題的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用的核心算法是增量式pid算法，它是根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，求出誤差，然后

32、通過p、i、d用算，一步步逼近設(shè)定值，最終輸出運(yùn)算結(jié)果來控制pwm脈沖的占空比來調(diào)節(jié)直流電機(jī)兩端的電壓值，從而達(dá)到控制點(diǎn)自己轉(zhuǎn)速的作用。增量式pid算法公式為：數(shù)字增量式pid程序的流程如圖3.1-4所示圖3.1-4 數(shù)字增量式pid程序流程圖關(guān)于數(shù)字pid控制器的c語言源代碼，見附錄1。32 數(shù)字測速模塊321 數(shù)字測速模塊的設(shè)計思想與算法單片機(jī)接收從光電編碼器的脈沖，然后進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，計算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后將轉(zhuǎn)速值傳送給lcd顯示與pid控制模塊。如圖3.2-1所示圖3.2-1 數(shù)字測速模塊設(shè)計思想利用單片機(jī)的外部中斷來記錄脈沖數(shù)。每當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)一周記為一個脈沖，由脈沖觸發(fā)外部中斷，累計

33、外部中斷的次數(shù)，除以編碼盤上的總開口數(shù)，便可得到編碼器旋轉(zhuǎn)地圈數(shù)。再利用單片機(jī)的定時器，利用軟件定時產(chǎn)生1秒的定時時間，在1秒定時時間到達(dá)時，所記錄的外部中斷發(fā)生中斷的次數(shù)，便是電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/s)。轉(zhuǎn)速計算公式： 322 數(shù)字測速系統(tǒng)流程圖（a） （b） （c）圖3.2-2 (a)系統(tǒng)主程序流程圖 (b)外部中斷流程圖 (c)定時器中斷流程圖關(guān)于數(shù)字測速模塊的c語言源代碼，見附錄1。33 12864lcd顯示模塊331 12864lcd顯示器的控制方法在前面的章節(jié)已經(jīng)對12864lcd顯示器的引腳分布以及引腳功能做了說明，下面我們來介紹下12864lcd顯示器的控制方法。(1) 讀狀態(tài)d/i

34、r/wedb7db6db5db4db3db2db1db0011busy0onoffrst0000如果busy=1，表示系統(tǒng)正忙，不能操作；只有busy=0時，才能操作。(2) 寫指令d/ir/wedb7db6db5db4db3db2db1db000下降沿指令(3) 寫數(shù)據(jù)d/ir/wedb7db6db5db4db3db2db1db010下降沿顯示數(shù)據(jù)將8位數(shù)據(jù)寫入已確定的顯示存儲器的單元內(nèi)。操作每完成一個列地址，列地址計數(shù)器加1.(4) 顯示開關(guān)設(shè)置d/ir/wdb7db6db5db4db3db2db1db0000011111d當(dāng)d=1時，開顯示；當(dāng)d=0時，關(guān)顯示。(5) 顯示起始行設(shè)置d/

35、ir/wdb7db6db5db4db3db2db1db00011顯示起始行（063）有上表可知，db5至db0為顯示起始行的地址，取值在0至3fh(1至64行)之間，它所規(guī)定的是顯示器屏幕上顯示內(nèi)容的最頂一行所對應(yīng)的顯示存儲器的行地址。(6) 頁面地址設(shè)置d/ir/wdb7db6db5db4db3db2db1db00010111page（07）頁面地址是ddram的行地址。8行為一頁，ddram共有64行，即8頁，db2至db0表示0至7頁。(7) 列地址設(shè)置d/ir/wdb7db6db5db4db3db2db1db00001yaddress（063）列地址是ddram的列地址。ddram共有

36、64列，db5至db0取不同的值得到0至3fh(1至64)，即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)后將自動加1。(8) 讀數(shù)據(jù)d/ir/wdb7db6db5db4db3db2db1db011顯示數(shù)據(jù)該操作時將12864lcd模塊中的ddram存儲器對應(yīng)單位中的內(nèi)容獨(dú)處，然后列地址計數(shù)器自動加1。332 12864lcd顯示器的顯示子程序流程圖 （a） （b）圖3.3-2 (a)寫入1616漢字程序流程圖 (b)寫入816程序流程圖關(guān)于顯示模塊的c語言源代碼，見附錄1。34 行列式鍵盤輸入模塊341 行列式鍵盤輸入模塊的設(shè)計思想單片機(jī)讀取行線和連線當(dāng)前的電平高低，確認(rèn)是否有按

37、鍵按下，然后通過內(nèi)部運(yùn)算確定鍵值，輸出鍵值，用于：改變電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，12864lcd顯示相關(guān)參數(shù)，設(shè)定pid參數(shù)。如圖3.4-1所示。圖3.4-1 鍵盤輸入模塊設(shè)計思想行列式鍵盤編程要實(shí)現(xiàn)以下三個目標(biāo)：(1) 鍵的正確判斷。先使某行值為“0”。再讀取列值，如果讀取得到的列值是“0”，則說明所在行和列的交叉處的鍵被按下。(2) 鍵去抖動。當(dāng)掃描到有鍵按下時，延時10ms再判斷該鍵是否仍是按下的，若不是，則將它當(dāng)做誤操作處理。這樣可以有效對按鍵動作進(jìn)行消抖。(3) 鍵值確定。根據(jù)行號、列號建立一個鍵值數(shù)據(jù)表，鍵值存于數(shù)據(jù)表中，當(dāng)相應(yīng)的按鍵按下時，再從中取鍵值。通過相應(yīng)的鍵值執(zhí)行其對應(yīng)的代碼。342

38、 行列式鍵盤輸入模塊的程序流程圖圖3.4-2 行列式鍵盤程序流程圖關(guān)于鍵盤輸入模塊的c語言源代碼，見附錄1。35 pwm調(diào)速方法設(shè)計351對pwm控制的介紹由電機(jī)原理可得一下公式： （2-1）在確定的調(diào)速系統(tǒng)中，i、r、k及都是確定，則由式（2-1）可知，轉(zhuǎn)速n與直流電機(jī)的電樞電壓存在一定關(guān)系，只要調(diào)節(jié)點(diǎn)數(shù)電壓u，就能改變轉(zhuǎn)速n，此法稱為調(diào)壓調(diào)速法。對于直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速方法，常見的有以下三種：晶閘管調(diào)速、發(fā)電機(jī)電動機(jī)調(diào)速以及直流斬波調(diào)速（脈寬調(diào)制（pwm）。由于全空性功率電子器件的逐步發(fā)展，pwm控制技術(shù)與開關(guān)功率電路已經(jīng)成為主流技術(shù)，以其能減小功率器件導(dǎo)通損耗、提高驅(qū)動效率等優(yōu)點(diǎn)，所以在功

39、率應(yīng)用方面已經(jīng)基本取代了現(xiàn)行功率放大電路。在pwm控制技術(shù)中，讓功率器件按一個固定頻率工作在“開”與“關(guān)”兩個狀態(tài)，即開關(guān)飽和和導(dǎo)通狀態(tài)。通過這種方式來改變公路器件的驅(qū)動脈沖信號的通、斷的時間，來改變負(fù)載兩端的平均電壓的大小。當(dāng)這個負(fù)載為直流電機(jī)時，就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。為什么pwm控制技術(shù)能改變負(fù)載兩端電壓呢？在采樣控制理論中存在一個重要的結(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。沖量指窄脈沖的面積，效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。這個結(jié)論就是面積等效原理，它是pwm控制技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論。由這個原理我們可以用

40、一些等幅不等寬的脈沖來等效代替一個正弦半波。我們把一個正弦半波分成n份，看做n個相連的脈沖序列，等寬但不等幅；我們再用等幅不等寬的矩形脈沖來表示代替這個正弦半波，有圖3.7-1可知，它們面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。圖3.5-1 pwm替換正弦半波原理圖下面舉例說明下，pwm的工作原理，如下圖所示：圖3.5-2 pwm波形圖設(shè)t為脈沖的周期，t1為電樞兩端高電平時電壓為ud所用的時間，為占空比，得：因此，我們可得電樞兩端電壓的平均值 如圖2-7，若電壓幅值，周期，脈寬，則占空比，得：電樞兩端的平均電壓。通過proteus仿真，我們可以得到電樞兩端的平均電壓不同時的pwm波形，平均電壓較

41、高時圖3.5-3 pwm波形圖（電壓高）平均電壓一般時圖3.5-4 pwm波形圖（電壓一般）平均電壓較低時圖3.5-5 pwm波形圖（電壓低）352 pwm脈沖的產(chǎn)生目前在鍵盤輸入模塊主要有以下四種方法：方法一：分立電子元件組成的pwm信號發(fā)生元件。該法是以分立的邏輯電子元件組成pwm信號電路。它是最早期的方式。方法二：專業(yè)pwm集成芯片。制造商生產(chǎn)的專用于pwm控制的集成電路芯片，如ti公司的tl494芯片，東芝公司的2sk3131芯片等。這些芯片一般都還具有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過流過壓保護(hù)功能等。方法三：軟件模擬法。采用軟件編程的方法讓單片機(jī)的一個i/o引腳不間斷地輸出高低電平來實(shí)現(xiàn)pwm波。方法四：單片機(jī)的pwm口。新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括pwm功能。在這些單片機(jī)中我們只要通過初始化設(shè)置，就能使其pwm輸出口自動輸出pwm脈沖波，只有在改變占空比時cpu才進(jìn)行干預(yù)。將上訴四種方法進(jìn)行比較，為了減少硬件電路的復(fù)雜性，減少成本，以及為了鍛煉自己的編程能力，本設(shè)計采用軟件模擬法來完成pwm脈沖波的產(chǎn)生。本設(shè)計通過延時程序來控制pwm脈沖的占空比。353 pwm脈沖產(chǎn)生模塊的程序流程圖圖3.5-6 pwm脈沖程序流程圖關(guān)于pwm脈沖產(chǎn)生模塊的c語言源代碼，見附錄1。4總結(jié)與展望本設(shè)計對基于單片機(jī)的pwm