直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速

1、吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)第1章 前言1.1 課題的研究意義現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，幾乎無(wú)處不使用電力傳動(dòng)裝置，尤其是在石油、化工、電力、冶金、輕工、核能等工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制更是起著舉足輕重的作用。因此調(diào)速系統(tǒng)成為當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使得越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速，而且，當(dāng)今控制系統(tǒng)已進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，在許多領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了智能化控制。對(duì)傳統(tǒng)的過(guò)程工業(yè)而言，利用先進(jìn)的自動(dòng)化硬件及軟件組成工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化調(diào)速系統(tǒng)，大大提高了生產(chǎn)過(guò)程的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率

2、，企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，也大大促進(jìn)了綜合國(guó)力的增強(qiáng)。對(duì)可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過(guò)載能力大、動(dòng)態(tài)性能好、易于控制以及良好的起、制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。本次設(shè)計(jì)是基于51系列單片機(jī)對(duì)直流電動(dòng)

3、機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的功能，實(shí)現(xiàn)控制目的同時(shí)還配有顯示裝置，能實(shí)時(shí)反映當(dāng)下直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的完整性。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，可以使我對(duì)51系列單片機(jī)的應(yīng)用和直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)知識(shí)的整合度使相關(guān)知識(shí)融匯貫通，為以后的工作奠定一定的知識(shí)基礎(chǔ)。1.2 直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)動(dòng)性能和控制特性，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場(chǎng)合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但是就目

4、前來(lái)看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國(guó)許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動(dòng)場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此加強(qiáng)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展有利于更進(jìn)一步發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng)，促進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。首先直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調(diào)速到可逆調(diào)速的不斷豐富完善的過(guò)程。不僅存在從單一調(diào)速方式向多種調(diào)速方式的縱向發(fā)展過(guò)程，而且每一種調(diào)速系統(tǒng)本身也都在發(fā)展完善之中。如開(kāi)環(huán)閉環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、

5、三環(huán)、有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)和無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)都在不斷的完善和發(fā)展之中。單閉環(huán)不僅是轉(zhuǎn)速閉環(huán)一種，根據(jù)應(yīng)用要求不同可以采用電壓負(fù)反饋、電流補(bǔ)償?shù)忍娲胧?。有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有兩種，無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有三種，它們都在不斷完善和發(fā)展之中。其次，直流調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展都與其他學(xué)科存在緊密聯(lián)系。第一它與電機(jī)學(xué)有緊密地聯(lián)系，因?yàn)閷?duì)于調(diào)速來(lái)說(shuō)，電機(jī)是控制對(duì)象，對(duì)控制對(duì)象的研究越深入控制效果才會(huì)越好。第二與半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展密不可分，電力電子技術(shù)元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調(diào)速系統(tǒng)的性能才會(huì)越好。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，尤其是微控制器的發(fā)展為直流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展插上了翅膀。微控制器在這里的應(yīng)

6、用，改變了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改變了傳感元件的檢測(cè)技術(shù)，并且使各種先進(jìn)控制算法得以實(shí)現(xiàn)。任何設(shè)計(jì)都不是終極設(shè)計(jì)，都在隨著其他科技的發(fā)展而不斷完善。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)內(nèi)容根據(jù)課題要求研制以單片機(jī)為核心的直流電機(jī)測(cè)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含以下任務(wù)：1、實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量；2、通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速值，在電機(jī)轉(zhuǎn)速的可控范圍內(nèi)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；3、實(shí)時(shí)顯示直流電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際測(cè)量值；4、利用控制電機(jī)定子電壓接通和斷開(kāi)的占空比（PWM），即脈寬調(diào)速；本設(shè)計(jì)采用紅外對(duì)射傳感器將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率與速度一一對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，最終計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用四位一體八段數(shù)碼管顯示器，顯示測(cè)量值。對(duì)

7、于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，選擇合適的PWM方式驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的總體模塊化方案如圖1-1所示，整個(gè)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)、分布調(diào)試、整體組合的方法。AT89S52單片機(jī)（測(cè)速、調(diào)速、顯示、計(jì)算、按鍵輸入及系統(tǒng)控制）顯示器按鍵測(cè)速電路直流電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PWM圖1-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體模塊化方案第2章 系統(tǒng)組成模塊原理概述2.1 直流電機(jī)概述2.1.1 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換

8、的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.1.2 直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)模型如圖2-2所示，磁極N,S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面固定著線圈abcd。當(dāng)線圈流過(guò)電流的時(shí)候，線圈受到電磁力的作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的受力方向也將改變，因此通過(guò)改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。圖2-2 直流電機(jī)工作原理模型2.1.3 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機(jī)的負(fù)載能力。額定電壓Ue：長(zhǎng)期運(yùn)行的最高電壓。額定電流Ie：長(zhǎng)期運(yùn)行的

9、最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：?jiǎn)挝粫r(shí)間里面電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。勵(lì)磁電流If：施加到電極線圈上的電流。2.1.4 直流電機(jī)的調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)1.調(diào)速范圍 調(diào)速范圍是指最低可控轉(zhuǎn)速到最高可控轉(zhuǎn)速的范圍，最低可控轉(zhuǎn)速對(duì)最高可控轉(zhuǎn)速的比值，叫電機(jī)的調(diào)速比。2.調(diào)速的相對(duì)穩(wěn)定性和靜差度 所謂相對(duì)穩(wěn)定性，是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩在給定的范圍里面變化所引起的速度的變化，它決定于機(jī)械特性的斜率。靜差度（又稱靜差率）是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)在一條機(jī)械特性上運(yùn)行時(shí)，由理想空載到滿載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速n0的比值。用百分?jǐn)?shù)表示，即 （2-1）在一般的情況下，取額定轉(zhuǎn)矩下的速度落差，有 （2-2）3.調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性是在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，相

10、鄰兩極速度變化的程度，用平滑系數(shù)表示，即 (2-3)式中和相鄰兩極，即i級(jí)與i-1級(jí)的速度4.調(diào)速時(shí)的容許輸出 調(diào)速時(shí)的容許輸出是指電動(dòng)機(jī)在得到充分利用的情況下，在調(diào)速的過(guò)程中軸能夠輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。2.2 單片機(jī)概述2.2.1 單片機(jī)的簡(jiǎn)介單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2.2.2 單片機(jī)的發(fā)展史1.四位單片機(jī)1975年，美國(guó)德克薩斯

11、公司首次推出4位單片機(jī)TMS-1000，此后各個(gè)計(jì)算機(jī)公司競(jìng)相推出4位單片機(jī)。日本松下公司的MN1400系列。美國(guó)洛克威爾公司的PPS/1系列等。4位單片機(jī)的主要的應(yīng)用的領(lǐng)域有：PC機(jī)的輸入裝置、電池的充電器、運(yùn)動(dòng)器材、帶液晶顯示器的音/視頻產(chǎn)品控制器、一般家用電器的控制及遙控器、電子玩具、鐘表、計(jì)算器、多功能電話等。2.八位單片機(jī)1972年，美國(guó)Intel公司首先推出8位微處理器8008，并與1976年9月率先推出MCS-48系列單片機(jī)。在這以后，8位單片機(jī)紛紛面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生產(chǎn)的3870系列，摩托羅拉公司生產(chǎn)的6801系列等。隨著集成電路工藝水平的提高，一些高性能的8位單

12、片機(jī)相繼問(wèn)世，例如1978年摩托羅拉公司的MC6801。這類單片機(jī)的尋址能力達(dá)到64KB，片內(nèi)ROM的容量達(dá)4-8KB，片內(nèi)除帶有并行I/O口，甚至還有A/D轉(zhuǎn)換器的功能。8位單片機(jī)由于性能強(qiáng)大，被廣泛用于自動(dòng)化裝置，智能接口，過(guò)程控制等各領(lǐng)域。3.十六位單片機(jī)1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)幾十萬(wàn)只管/片，各系列16位單片機(jī)紛紛面世，這一階段的代表產(chǎn)品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出了80C96 ，美國(guó)半導(dǎo)體公司推出了HPC16040。16位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，智能儀器儀表等場(chǎng)合。4.三十二位單片機(jī)隨著高新技術(shù)智能機(jī)器人，激光打印機(jī)，圖像

13、與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，復(fù)雜實(shí)時(shí)控制，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，20世紀(jì)80年代末，推出了32位單片機(jī)，如摩托羅拉公司的MC683XX系列。32位單片機(jī)是單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著技術(shù)的發(fā)展和開(kāi)發(fā)成本的降低，將會(huì)和8位單片機(jī)并駕齊驅(qū)。5.六十四位單片機(jī)近年來(lái)，64位單片機(jī)在引擎控制，智能機(jī)器人，磁盤控制，算法密集的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)所已有應(yīng)用。如英國(guó)的Inmos 公司的Transputer T800是高性能的64位單片機(jī)。2.2.3 單片機(jī)的特點(diǎn)1.高集成度，體積小，高可靠性 單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音

14、性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機(jī)程序指令，常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故可靠性高。 2.控制功能強(qiáng) 為了滿足對(duì)對(duì)象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件，即分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 3.低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.8V3.6V，而工作電流僅為數(shù)百微安。 4.易擴(kuò)展 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 5.優(yōu)異的性能價(jià)格比 單片機(jī)的性能極高。為了

15、提高速度和運(yùn)行效率，單片機(jī)已開(kāi)始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更使其價(jià)格十分低廉，其性能價(jià)格比極高。2.2.4 AT89S52單片機(jī)介紹AT89S52單片機(jī)是一款低功耗、低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB（可經(jīng)受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM），器件采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)器（NURAM）技術(shù)制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS

16、-51兼容，片內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)編程器來(lái)編程。因此，AT89S52是一種功能強(qiáng)，靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)用在各個(gè)控制領(lǐng)域。AT89S52單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。AT89S52具有以下主要性能：1.8KB可改編程序FLASH存儲(chǔ)器；2.全表態(tài)工作 ：024HZ；3.256X8字節(jié)內(nèi)部RAM；4.32個(gè)外部雙向輸入，輸出（I、O）口；圖2-3 AT89S52引腳說(shuō)明部分引腳功能說(shuō)明如下：VCC：電源電壓。GND：地。P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用口。作為輸出口時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TT

17、L邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗輸入端。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器或程序儲(chǔ)存器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。FLASH編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。FLASH編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的

18、8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序儲(chǔ)存器或16位地址的外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器（例如執(zhí)行MOVXRI指令）時(shí)，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。FLASH編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其他控制信號(hào)。P3口：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O

19、口，P3的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P3除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，具體功能說(shuō)明如表2-1。P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲(chǔ)器編程和程序校的控制信號(hào)。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以是時(shí)鐘振

20、蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此他可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT80C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)

21、據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序儲(chǔ)存器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序儲(chǔ)存器中的指令。FLASH儲(chǔ)存器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12v編程電壓。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端表2-1 P3端口第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸出口)P3.1TXD(串行輸入口)P3.2

22、INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)讀選通)2.3 調(diào)速方案的選擇及PWM概述2.3.1 方案的選擇直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩大類：對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞電壓法。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少，多使用電樞控制法。本設(shè)計(jì)將采用電樞控制方法對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制。某些場(chǎng)合往往要求直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，例如

23、，電車、機(jī)床等，調(diào)節(jié)范圍根據(jù)負(fù)載的要求而定。調(diào)速可以有三種方法：（1）改變電機(jī)兩端電壓；（2）改變磁通；（3）在電樞回路中，串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻。本設(shè)計(jì)采用第一種方法：通過(guò)改變施加于電機(jī)兩端的電壓大小達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。方案一：PWM波調(diào)速采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路（圖2-4）。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。我采用了脈寬調(diào)頻方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單

24、片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。圖2-4 PWM波調(diào)速電路方案二：晶閘管調(diào)速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問(wèn)世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖2-5，VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓U來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位；即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)

25、越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在十的四次方以上，其門極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的du/dt與di/dt都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。另外，由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，因此必須添置無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 圖2-5 晶閘管可控整流器供電的

26、直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）構(gòu)成直流斬波器的開(kāi)關(guān)器件過(guò)去用得較多的是普通晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒(méi)有自關(guān)斷的能力，必須有附加的關(guān)斷電路，增加了裝置的體積和復(fù)雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開(kāi)關(guān)頻率低，輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力電子晶體管（GTR）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PWM調(diào)速系統(tǒng)）近年來(lái)在中小功率直流傳動(dòng)中得到了迅猛的發(fā)展，與V-M

27、調(diào)速相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：采用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開(kāi)關(guān)頻率高，一般在幾kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（1）由于開(kāi)關(guān)頻率高，僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。（2）PWM系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對(duì)交流電網(wǎng)的影響小，沒(méi)有晶閘管整流器對(duì)電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。（3）主電路所需的功率元件少，線路簡(jiǎn)單，控制方便。目前，受到器件容量的限制，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)，

28、兼于方案一調(diào)速特性優(yōu)良；調(diào)整平滑；調(diào)速范圍廣；過(guò)載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案一。2.3.2 直流電機(jī)PWM調(diào)速概述PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)制方法。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)制系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖2-6所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可

29、讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均速度為 Vd=Vmax*D,其中，Vd 為電機(jī)的平均速度；Vmax 為電機(jī)全通電時(shí)的速度(最大)；D=t1/T為占空比。由公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比D時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。圖2-6 脈沖信號(hào)作用下電機(jī)轉(zhuǎn)速變換規(guī)律2.4 軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)使用的軟件是Keil編程軟件。Keil軟件是目前最流行的開(kāi)發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C51編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（Vision

30、）將這些部分組合在一起。使用Keil Software工具時(shí)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程和其他軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的流程極其相似：創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，從器件庫(kù)中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置。用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言創(chuàng)建源程序。用項(xiàng)目管理器生成應(yīng)用。修改源程序中的錯(cuò)誤。測(cè)試連接應(yīng)用。一個(gè)完整的8051工具集的框圖可以最好地表述上述開(kāi)發(fā)流程，如圖2-7所示。本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。雖然匯編語(yǔ)言在控制底層硬件方面有著良好的性能且執(zhí)行效率高，但是編程效率低，可移植性和可讀性差，維護(hù)極其不便，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也較差。C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相較而言有以下優(yōu)勢(shì)：可以大幅加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，特別是開(kāi)發(fā)一些復(fù)雜的系統(tǒng)，程序量越大，用C語(yǔ)言就越有優(yōu)勢(shì)

31、。可以實(shí)現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程，C語(yǔ)言使得軟件的邏輯結(jié)構(gòu)變得清晰、有條理。省去了人工分配單片機(jī)資源（包括寄存器、RAM等）的工作。在匯編語(yǔ)言中要每一個(gè)子程序分配單片機(jī)的資源，而在C語(yǔ)言中，只要在代碼中聲明一下變量的類型，編譯器就會(huì)自動(dòng)分配相關(guān)資源，從而有效地避免了人工分配單片機(jī)資源可能帶來(lái)的差錯(cuò)。當(dāng)寫好一個(gè)算法后，需要移植到不同的MCU上時(shí)，在匯編語(yǔ)言中只有重新編寫代碼，因而匯編語(yǔ)言的可移植性很差；而用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)時(shí)，符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)的程序基本不必修改，只要將一些與硬件相關(guān)的代碼做適度的修改，就可以移植到其他種類的單片機(jī)上。C語(yǔ)言提供data、idata、pdata、xdata、和code等存儲(chǔ)

32、器類型，針對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序空間自動(dòng)為變量合理地分配空間，而且C語(yǔ)言提供復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，如指針、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等，極大地增強(qiáng)了程序的處理能力和靈活性。C語(yǔ)言較匯編語(yǔ)言的不足之處就是使用C語(yǔ)言寫出來(lái)的代碼會(huì)比用匯編語(yǔ)言占用的空間大5%20%，所以執(zhí)行起來(lái)效率就不及匯編語(yǔ)言。Vision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境C51ANSI C編譯器A51宏編譯器ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)LIB51庫(kù)管理器RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)BL51連接器/定位器Vision2 調(diào)試器高速CPU/外設(shè)模擬器Monitor-51目標(biāo)調(diào)試器仿真器與PROM編程器高級(jí)仿真與目標(biāo)調(diào)試GDI接口圖2-7 Keil Visio

33、n2 軟件開(kāi)發(fā)流程第3章 硬件電路分析與設(shè)計(jì)3.1控制電路的設(shè)計(jì)控制電路主要由單片機(jī)來(lái)控制，編寫一段程序使單片機(jī)發(fā)出的PWM脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的控制。新一代的單片機(jī)增加了很多的功能，其中包括PWM功能。單片機(jī)通過(guò)初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)的發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比的時(shí)候CPU才干預(yù)?？刂齐娐返脑O(shè)計(jì)主要為單片機(jī)的最小系統(tǒng)，其中包括時(shí)鐘電路，復(fù)位電路以及輸入輸出端口。時(shí)鐘電路是指就單片機(jī)內(nèi)部每個(gè)部件要想?yún)f(xié)調(diào)一致地工作，必須在統(tǒng)一口令時(shí)鐘信號(hào)的控制下工作。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)有兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)構(gòu)成振蕩器的增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2

34、分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶振一起構(gòu)成自激振蕩器。在圖3-1中，電容C1和C2取30pf，晶體的振蕩頻率取11.0592MHZ，晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。圖3-1 晶振電路圖復(fù)位電路是指單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使CPU及系統(tǒng)部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)從RST引腳接入到芯片的施密特觸發(fā)器中。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，且振蕩器穩(wěn)定后，在每個(gè)機(jī)器周期都要對(duì)RST引腳的狀態(tài)進(jìn)行采樣。當(dāng)外部通過(guò)按鍵手動(dòng)復(fù)位時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)均變成初始狀態(tài)。如圖3-2所示。圖3-2 復(fù)位電路圖輸入輸出端口是指根

35、據(jù)單片機(jī)所要實(shí)現(xiàn)的功能而與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道，此部分電路依據(jù)系統(tǒng)的不同功能而有不同的連接方法，具體依功能而定。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)主要用到的I/O接口如表所示。表3-1 主要I/O接口連接方式I/O接口作用P0.0-P0.7傳遞數(shù)碼管顯示器段選信號(hào)P2.0-P2.3傳遞數(shù)碼管顯示器位選信號(hào)P1.0-P1.2加速按鍵、減速按鍵、正反轉(zhuǎn)按鍵輸入P3.2外部中斷輸入口（P3口第二功能）晶振電路、復(fù)位電路以及電源統(tǒng)稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)，其電路圖如圖3-3所示。圖3-3 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2隔離電路的設(shè)計(jì)隔離電路主要作用是防止因電源短路而在電路中產(chǎn)生的電流過(guò)大，與單片機(jī)直接相連是可能會(huì)燒毀單片機(jī)而加的保護(hù)性

36、電路。正常工作情況下通電后電流經(jīng)限流電阻通過(guò)發(fā)光二極管使其導(dǎo)通發(fā)光，若電源故障或短路，根據(jù)發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦?，阻止了電流?duì)其他各部分電路的損害。其電路圖如下圖3-4所示。電阻起限流左右。電阻阻值為510。圖3-4 隔離電路原理圖3.3 紅外測(cè)速部分電路的設(shè)計(jì)紅外測(cè)速部分，電阻R17用來(lái)限制發(fā)射二極管的電流。發(fā)射管的電流大則發(fā)射功率大，但不能超過(guò)它的極限電流，它的極限輸入正向電流為50mA。原理圖如圖3-5。圖3-5 紅外測(cè)速部分電路原理圖 U3為紅外對(duì)射管，其中左側(cè)為紅外發(fā)射二極管，電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速會(huì)影響右側(cè)的接收，接收到紅外時(shí)二極管導(dǎo)通會(huì)使兩個(gè)二極管的電路內(nèi)的電流變化，當(dāng)電流變化時(shí)，會(huì)通過(guò)

37、Q6的基極，當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，Q6會(huì)導(dǎo)通，當(dāng)接收不到信號(hào)時(shí)，回路中沒(méi)有電流，Q6斷開(kāi)，Q6的導(dǎo)通與斷開(kāi)形成了連續(xù)的脈沖，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，Q6所形成的脈沖的頻率不同，單片機(jī)根據(jù)輸送的脈沖的頻率的不同根據(jù)C語(yǔ)言算法可以測(cè)出不同的速度，通過(guò)顯示電路顯示。3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電壓可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是一般我們?cè)O(shè)計(jì)的電源大都是固定的電壓，而且模擬可調(diào)電源不易于單片機(jī)控制，數(shù)字可調(diào)電源設(shè)計(jì)麻煩。所以這里用脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。方波的有效電壓跟電壓幅值和占空比有關(guān)，我們可以通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)改變有效電壓。一般用軟件模擬PWM可以有延時(shí)和定時(shí)兩種方法，延時(shí)方法占用大量的CPU，所以這

38、里采用定時(shí)方法。在實(shí)際電路板焊接操作中，為了使電路板美觀、走線方便并正常實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，我采用了L293D芯片來(lái)控制電機(jī)PWM輸入，該芯片采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，所有的開(kāi)量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)，電機(jī)可四角限運(yùn)行，電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，低速平穩(wěn)性好等。L293D通過(guò)內(nèi)部邏輯生成使能信號(hào)，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。每1個(gè)電機(jī)需要3個(gè)控制信號(hào)EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信

39、號(hào)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L293D的引腳功能如下： P1：控制M1電機(jī)PWM1輸入引腳。D1：控制M1電機(jī)轉(zhuǎn)向輸入引腳。P2：控制M2電機(jī)PWM2輸入引腳。 D2：控制M2電機(jī)轉(zhuǎn)向輸入引腳。GND：電源地接口。 5V：邏輯電源+5V接口。 VC：輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓接口。 GND： 電源地接口。 M1+：M1電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出引腳正極。M1-：M1電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出引腳負(fù)極。M2+：M2電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出引腳正極。M2-：M2電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出引腳負(fù)極。L293D芯片與直流電機(jī)連接電路原理圖如圖3-

40、6所示：圖3-6 驅(qū)動(dòng)電路原理圖3.5 顯示電路設(shè)計(jì)3.5.1 顯示電路方案選擇方案一：采用LCD液晶顯示采用1602液晶顯示，可以顯示數(shù)字還可以形象的顯示字母，能顯示相關(guān)詞組，還能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)編程控制。1602液晶體積較小，工作亮度可調(diào)。但1602編程相對(duì)繁瑣，需要獨(dú)有的液晶取模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，且造價(jià)相對(duì)較高。方案二：采用八段LED數(shù)碼管 采用八段LED數(shù)碼管進(jìn)行速度的測(cè)量值的顯示，省電且易編程、操作和控制都比較簡(jiǎn)單容易。而且八段LED數(shù)碼管成本低廉，使用方便，集成到四位一體的八段LED數(shù)碼管還可以采用動(dòng)態(tài)顯示的方法完成多位數(shù)據(jù)顯示，省時(shí)省力。但八段LED數(shù)碼管在硬件連接時(shí)占用I/O口多。方案論證

41、的結(jié)果：根據(jù)系統(tǒng)預(yù)期完成的要求，顯示部分只做數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，從成本方面考慮選擇八段LED數(shù)碼管即可，故選擇方案二。3.5.2 動(dòng)態(tài)顯示概述LED數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管，通過(guò)對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流，會(huì)使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字?？梢燥@示：時(shí)間、日期、距離等可以用數(shù)字代替的參數(shù)。 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽(yáng)極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管

42、。共陽(yáng)極數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，通過(guò)由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)的P0口輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)P2.0-P2.3位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)

43、數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中采用的四位八段數(shù)碼管，用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)來(lái)顯示測(cè)量的值，如圖3-7所示。圖3-7 顯示電路原理圖第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析4.1 軟件總體設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)中當(dāng)單片機(jī)上電后，單片機(jī)處于上電復(fù)位狀態(tài)，內(nèi)部所有定時(shí)/計(jì)數(shù)器清零。軟件部分設(shè)計(jì)的總體思路如圖4-1所示。在單片機(jī)上電后，首先對(duì)單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行初始化，包括所采用的中斷方式，占用的I/O口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的設(shè)置等。開(kāi)始單片機(jī)初始化軟件變量初始化PWM初始化結(jié)束Y計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定占空比對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速是否相同YPID控制電機(jī)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置N圖4-1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體流程圖對(duì)單片機(jī)初始化完成后定義變

44、量，這些變量是指在單片機(jī)內(nèi)部做數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)的必要數(shù)據(jù)，變量被定義后，根據(jù)其定義的位置，它的作用范圍也隨之確定。對(duì)于PWM的初始化主要是指控制方波高電平產(chǎn)生的時(shí)間，時(shí)間的長(zhǎng)短受被要求轉(zhuǎn)速限制，即受調(diào)節(jié)電機(jī)高電平作用的占空比限制。通過(guò)與轉(zhuǎn)子連接的葉輪在若干秒內(nèi)所測(cè)得出的脈沖數(shù)，計(jì)算出電機(jī)此時(shí)平均每秒轉(zhuǎn)的圈數(shù)，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越快，占空比越大，反之，轉(zhuǎn)速越慢，占空比越小。當(dāng)占空比達(dá)到軟件內(nèi)部規(guī)定的檔位時(shí)，保持當(dāng)前轉(zhuǎn)速，直到有按鍵按下時(shí)執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。4.2按鍵控制軟件設(shè)計(jì)分析按鍵查詢成功加速鍵減速鍵正反轉(zhuǎn)控制鍵復(fù)位鍵增大占空比減小占空比改變正反轉(zhuǎn)標(biāo)示位單片機(jī)初始化圖4-2 按鍵控制軟件設(shè)計(jì)流程圖圖4

45、-2是PWM按鍵控制框圖，硬件中有4個(gè)按鍵分別是加速鍵、減速鍵、正反轉(zhuǎn)控制鍵以及復(fù)位鍵。當(dāng)加速鍵按下時(shí)，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，加速鍵每按下一次，占空比會(huì)相應(yīng)的增加一定值，同時(shí)電機(jī)開(kāi)始加速。根據(jù)PI的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速會(huì)穩(wěn)定在設(shè)定值的附近。當(dāng)減速鍵按下時(shí)，設(shè)定值會(huì)相應(yīng)的減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)減小，同樣根據(jù)PI的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速會(huì)穩(wěn)定在設(shè)定值的附近。按下復(fù)位鍵時(shí)，啟動(dòng)中斷，單片機(jī)復(fù)位。4.3 直流電機(jī)PWM控制軟件分析電機(jī)控制部分在軟件中所用的變量如表4-1。這部分軟件主要通過(guò)switch選擇語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。調(diào)速檔通過(guò)加減速檔固定占空比，即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變高電平持續(xù)時(shí)間PWM-ON的值，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的變換。而要實(shí)現(xiàn)按鍵加速，按鍵減

46、速。每次按鍵加速鍵時(shí)，PWM-ON占空比會(huì)相應(yīng)的增加，按減速鍵時(shí)占空比相應(yīng)的減少，加速和減速通過(guò)占空比的大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。表4-1 使用變量定義表變量名稱變量作用num數(shù)據(jù)變量PWM-ON高電平持續(xù)時(shí)間Flat正反轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)位電機(jī)加速部分軟件設(shè)計(jì)流程，主要由switch（num）選擇語(yǔ)句完成，通過(guò)賦予PWM-ON不同值（即不同的占空比）實(shí)現(xiàn)檔位調(diào)換。其中規(guī)定PWM周期T為10ms，加速時(shí)占空比檔位定義為10%、40%以及最高轉(zhuǎn)速100%。加速部分軟件設(shè)計(jì)流程如圖4-3所示加速按鍵掃描成功延時(shí)消抖num>3否Ynum+轉(zhuǎn)速保持N圖4-3 加速部分軟件流程圖電機(jī)減速部分軟件設(shè)計(jì)流程同加速部分

47、相同，依舊由switch（num）選擇語(yǔ)句完成，通過(guò)賦予PWM-ON不同值（即不同的占空比）實(shí)現(xiàn)檔位調(diào)換。減速時(shí)占空比檔位定義為40%、10%以及直流電機(jī)停止時(shí)占空比0%。減速部分軟件設(shè)計(jì)流程如圖4-4所示。減速按鍵掃描成功延時(shí)消抖num<0否Ynum-轉(zhuǎn)速保持N圖4-4 減速部分軟件設(shè)計(jì)流程圖電機(jī)正反轉(zhuǎn)部分軟件設(shè)計(jì)流程，主要是通過(guò)判別正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位Flat實(shí)現(xiàn)，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的信號(hào)由51單片機(jī)的P1.3、P1.4引腳提供，產(chǎn)生的信號(hào)在軟件中變量名正轉(zhuǎn)為PWM1，反轉(zhuǎn)為PWM2，這兩個(gè)引腳產(chǎn)生的信號(hào)作用于芯片L293D的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制接口，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。正反轉(zhuǎn)控制軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖

48、4-5所示。正反轉(zhuǎn)按鍵掃描成功延時(shí)消抖flat=0PWM1=0PWM2=1（電機(jī)正轉(zhuǎn)）flat=1PWM1=1PWM2=0（電機(jī)反轉(zhuǎn)）圖4-5 電機(jī)正反轉(zhuǎn)部分軟件設(shè)計(jì)流程圖4.4 PID控制器4.4.1 PID控制的原理PID控制即比例（Proportional）、積分（Integrating）、微分（Differentiation）控制。在PID控制系統(tǒng)中，完成PID控制規(guī)律的部分稱為PID控制器。它是一種線形控制器，用輸出y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合， 比例（P）控制

49、器 (4-1)比例積分（PI）控制器， (4-2)比例+積分+微分（PID）控制器： (4-3)式中，Kp為比例運(yùn)算放大系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間。4.4.2 PID參數(shù)分析通過(guò)使用MATLAB軟件中SIMULINK 的系統(tǒng)仿真功能對(duì)PID算法進(jìn)行仿真，現(xiàn)將結(jié)果作以下概括。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差，屬于“即時(shí)”型調(diào)節(jié)控制。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無(wú)誤差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差，積分調(diào)節(jié)停止，積

50、分調(diào)節(jié)輸出一常值，屬于“歷史積累”型調(diào)節(jié)控制。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差的變化趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，以被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此屬于“超前或未來(lái)”型調(diào)節(jié)控制。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的

51、是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。4.4.3數(shù)字PID算法在單片機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制算法是通過(guò)單片機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商來(lái)代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間PID算法的微積分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間PID算法的差分方程。其算法變換如下。控制量： （4-4）比例比例： （4-5）積分求和： （4-6）微分差商： （4-7） （4-8） 式中，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。T為采樣周期。上式P

52、ID算法為非遞推形式稱為全量算法。為了求和，必須將系統(tǒng)偏差的全部過(guò)去值e(j)(j=0,1,2)值都存儲(chǔ)起來(lái)。這種算法得出了控制量的全量輸出u(k)，是控制量的絕對(duì)數(shù)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的位置，比如，在本設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)中，這種算法的輸出對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的速度值。因此，人們將這種算法稱為“位置PID算法”。除了“位置PID算法”以外，常見(jiàn)的還有增量式PID控制算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用PID“增量算法”。此算法可由“位置PID算法”求出。綜合兩種算法，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)去控制直流電機(jī)，PWM信號(hào)的高電平

53、持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的控制量是一個(gè)絕對(duì)值，而不是一個(gè)控制量的增量。但是如果采用“位置PID算法”則需要考慮控制量的基值u0,即Kp=0時(shí)的控制量，而直接用增量式PID算法只能計(jì)算出控制量的增量。所以，設(shè)計(jì)中，先采用增量式控制控制算法計(jì)算出控制量的增量，然后加上上一次的控制量即可以得到本次的控制量，本系統(tǒng)的PID算法是以增量式算法實(shí)現(xiàn)“位置PID算法”的結(jié)果，使控制得到簡(jiǎn)化、容易實(shí)現(xiàn)。4.5 PID算法的實(shí)現(xiàn)4.5.1 PID控制C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)要編寫一個(gè)已知算法的單片機(jī)程序，首先要考慮的就是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式了。因?yàn)樗苯佑绊懙较到y(tǒng)的控制精度，以及PID算法的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量。本系統(tǒng)之所以專門采用一片單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)

54、PID算法，就是因?yàn)閺囊婚_(kāi)始的設(shè)計(jì)思路就是盡可能高的提高系統(tǒng)的控制精度。要提高系統(tǒng)的控制精度，在計(jì)算過(guò)程中僅取整數(shù)或定點(diǎn)小數(shù)是不夠的，所以本設(shè)計(jì)采用三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。對(duì)于AT89S52單片機(jī)而言，有足夠的內(nèi)存去存儲(chǔ)和處理這些數(shù)據(jù)。另外，為了使程序的參數(shù)修改方便，更易于應(yīng)用到其他PID控制系統(tǒng)中去，在一開(kāi)始的參數(shù)賦值程序中，參數(shù)是以十進(jìn)制BCD碼浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)的，參數(shù)賦值完成后接著就是對(duì)參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)的歸一化處理，以及復(fù)合參數(shù)的計(jì)算。這些工作在系統(tǒng)啟動(dòng)后迅速就完成了，之后PID控制器只進(jìn)行PID核心控制算法的計(jì)算。由于本系統(tǒng)采用的是單級(jí)調(diào)速， 所以當(dāng)PID控制算法的輸出結(jié)果的值為負(fù)數(shù)時(shí)就將其清

55、另零了，當(dāng)大于系統(tǒng)飽和值時(shí)，賦值為飽和值。4.5.2 PID算法的改進(jìn)抑制PID算法的“飽和”作用，通常有兩種方法。一種算法是遇限削弱積分法，其基本思想是：一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。具體地說(shuō)，在計(jì)算數(shù)值時(shí)將判斷上一時(shí)刻的控制量的值是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)。另一種算法是積分分離法。減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過(guò)大。第一種修正方法是一開(kāi)始就積分，但進(jìn)入限制范圍后即停止累積。后者介紹的積分分離法正好與其相反，它在開(kāi)始時(shí)不進(jìn)行積分，直到偏差達(dá)到一定的閥值

56、后才進(jìn)行積分累計(jì)。這樣一方面防止了一開(kāi)始有過(guò)大的控制量，另一方面即使進(jìn)入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。 由于本系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)具有慣性或稱其為滯后特性的直流電機(jī)，一方面要求控制要盡可能高的反映速度，另一方面也要盡可能減少超調(diào)。因此，積分分離法比較適合本系統(tǒng)。綜合上面關(guān)于PID算法的研究，已經(jīng)得出一個(gè)針對(duì)本系統(tǒng)的PID算法“增量式積分分離PID控制算法”。在此控制算法中，誤差較大時(shí)采用的是PD算法控制。在PID控制器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不同的電機(jī)除了慣性不同外，還有一個(gè)參數(shù)不容忽略，那就是電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力。由于摩擦力總是阻礙電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以相當(dāng)于額外的給控制量對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩加了一不定量的負(fù)轉(zhuǎn)矩。如果PID的輸出的控制增量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為正，則會(huì)抵消一部分增量，但如果PID輸出的控制增量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，則會(huì)助長(zhǎng)這一增量。如此以來(lái)，如果電機(jī)在加速過(guò)程中使用和減速過(guò)程中同樣的PID參