題　　目

學(xué)生姓名

專業(yè)名稱

指導(dǎo)教師

第一章 緒論

1.1 本文研究的目的

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3 論文設(shè)計(jì)內(nèi)容

第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.2 各模塊選型

第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2測(cè)速模塊電路

3.2.1 速度測(cè)量方法

3.2.2測(cè)速模塊電路設(shè)計(jì)

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.3.1 L298N簡(jiǎn)介

3.3.2 L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.4 按鍵電路

3.5 LCD1602顯示電路

3.5.1 LCD1602引腳功能介紹

3.5.2 LCD1602驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PID算法簡(jiǎn)介

4.1.1模擬PID

4.1.2數(shù)字PID

4.2系統(tǒng)主程序流程

4.3 定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序流程

4.4 按鍵掃描程序流程

4.5 LCD1602寫(xiě)控制

致  謝

參考文獻(xiàn)

附錄 A  系統(tǒng)大圖

附錄 B 系統(tǒng)程序代碼

寶雞文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告（任務(wù)書(shū)）

寶雞文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）結(jié)題報(bào)告

寶雞文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）答辯評(píng)分表

基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流電機(jī)控制系統(tǒng)的好壞直接影響電機(jī)性能的發(fā)揮。本文設(shè)計(jì)了一套直流電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速，使系統(tǒng)精確地輸出速度值。直流電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)速度傳感器對(duì)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，系統(tǒng)將這個(gè)采樣值和設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，檢查速度是否偏離，如果有速度差，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)算法輸出控制信號(hào)去減小這個(gè)差值，直到最后速度達(dá)到設(shè)置值。這種基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，而且易于編程控制，具有非常好的調(diào)速性能。因此，這種基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)被大規(guī)模應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

本系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為主控制器，采用L298驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)的速度利用光電對(duì)管進(jìn)行檢測(cè)，反饋回來(lái)的速度在單片機(jī)中完成PID算法計(jì)算，輸出可變占空比的脈沖波（PWM）對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，從而使電機(jī)的速度穩(wěn)定到設(shè)置值大小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)置，液晶顯示器可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和設(shè)置的轉(zhuǎn)速。

第一章 緒論

1.1 本文研究的目的

由于直流電機(jī)具有非常好的機(jī)械性能，多種多樣的控制方式，以及非常好的環(huán)境適應(yīng)性，因此，直流電機(jī)在很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-2]。直流電機(jī)控制系統(tǒng)的好壞直接影響電機(jī)性能的發(fā)揮。在上世紀(jì)七八十年代，由于電子技術(shù)的落后，很多的直流電機(jī)還是依賴復(fù)雜的模擬電路進(jìn)行控制，這種模擬電路采用分離原件搭建，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能單一，而且一個(gè)控制電路智能適應(yīng)某一型號(hào)的直流電機(jī)，這也導(dǎo)致了這種控制系統(tǒng)的通用性比較差，正是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)控制系統(tǒng)存在這些缺點(diǎn)，所以，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用具有很大的局限性[3-5]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，雖然后來(lái)的模擬點(diǎn)電路具有比較好的性能，能夠滿足某些方面的基本需求，但是模擬元件在大功率電機(jī)運(yùn)行強(qiáng)干擾的環(huán)境下，很容易受到干擾，造成性能下降，甚至發(fā)生事故。[6-8]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，很多功能都可以封裝在集成電路中實(shí)現(xiàn)，而且隨著微型計(jì)算機(jī)的普及，很多復(fù)雜算法和控制功能都可以通過(guò)微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，所以電機(jī)控制系統(tǒng)的到了飛速發(fā)展，不僅具有非常好的控制性能，而且抗干擾能力更強(qiáng)，大大推動(dòng)了直流電機(jī)的普及和應(yīng)用[9]。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的直流電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)由模電控制往數(shù)字控制方向發(fā)展，特別是單片機(jī)的普及，大大促進(jìn)了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展[10]。未來(lái)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)正在往智能化方向發(fā)展，本文正是在這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，選擇了基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)研究課題，具有比較大的研究意義。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著電子元器件設(shè)計(jì)加工技術(shù)成熟和節(jié)能環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，電機(jī)的控制技術(shù)也隨之發(fā)生了巨變化。電力電子技術(shù)以及微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)電機(jī)控制方法產(chǎn)生了巨大影響[11-13]。直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。最初由開(kāi)關(guān)控制使電機(jī)工作在通斷模式，這個(gè)開(kāi)關(guān)后來(lái)逐漸被雙向可控硅替換，半控型功率器件電機(jī)控制成為發(fā)展主流[14]。八十年代，出現(xiàn)了全控型功率器件，比如：晶閘管、GTR、IGBT等高性能開(kāi)關(guān)器件，這種具有自關(guān)斷能力器件不斷發(fā)展，基本上已經(jīng)全部取代了普通晶閘管，由于普通晶閘管使用必需有換相電路相配套，而全控型功率器件不需要，因此使電路得到大大的簡(jiǎn)化；除此之外，這些器件還具有很高的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高了電機(jī)工作頻率，降低了噪聲，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的的體積也得到了很好的控制[15-17]。上個(gè)世紀(jì)八十年代，基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)被研發(fā)出來(lái)，最早利用在驅(qū)動(dòng)功率較小、不可逆的控制系統(tǒng)中。近期，由于電路技術(shù)的不發(fā)展和晶體管器件性能不斷提高，市場(chǎng)上出現(xiàn)了以脈寬進(jìn)行調(diào)速的永磁直流電動(dòng)機(jī)，這大大加快了脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)產(chǎn)生了推力。早期的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是被用在軍事領(lǐng)域，它的優(yōu)異性能，能夠滿足那些對(duì)速度和精度都有高要求的跟蹤系統(tǒng)里。近些年，該技術(shù)不斷被應(yīng)用在各種工業(yè)上[18]。

十九世紀(jì)三十年代，法拉第最早發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為電機(jī)的提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在后來(lái)的十年時(shí)間里，世界上第一臺(tái)直流電機(jī)就被研制出來(lái)，在隨后的幾十年里，直流電機(jī)不斷完善，技術(shù)不斷成熟。隨著直流電機(jī)的發(fā)展，直流電機(jī)控制器也不斷進(jìn)步[19]。1918年，美國(guó)人Lamgnal就開(kāi)發(fā)出最早的水銀整流器，并成功開(kāi)發(fā)出由電機(jī)調(diào)速用的逆變裝置；二十世紀(jì)三十年代，有部分研究人員提出采用離子設(shè)備對(duì)定子繞組進(jìn)行控制，但是最終實(shí)驗(yàn)表明，這種裝置的可靠性不高、控制的效率非常低、設(shè)備非常笨重，因而很快被放棄了[20]。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)取得前所未有的進(jìn)步。開(kāi)關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型電機(jī)——無(wú)刷直流電機(jī)帶來(lái)了生機(jī)。D.Hanrisanz在1950年第一次申請(qǐng)了用晶體管換向代替電刷進(jìn)行換向的專利，為無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[21]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的土匪猛進(jìn)，美國(guó)人在1962年利用霍爾效應(yīng)成功研發(fā)出了無(wú)刷直流電機(jī)[22]。隨后霍爾元件在電機(jī)控制中的利用取得重大突破，開(kāi)始迅速普及，由于它的靈敏度比二極管高出很多倍，因此電機(jī)的控制性能也非常好。1965年德國(guó)人Mieslonler第一次提出電容移相對(duì)電機(jī)進(jìn)行換流的控制方法，在這個(gè)理論提出后不久，德國(guó)人第一次研制出了利用環(huán)形分配器以及過(guò)零鑒別器無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行換向操作的控制器。到上個(gè)世紀(jì)八十年代，晶閘管技術(shù)取得飛速發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始逐漸取代了傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制裝置，直流得控制方式得到了進(jìn)步[23]。

我國(guó)在直流電機(jī)控制器方面的研究，起步比歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家晚，在上個(gè)世紀(jì)六十年代才開(kāi)始進(jìn)行硅晶閘管研制，在隨后的幾十年里，以晶閘管為基礎(chǔ)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也得到大規(guī)模的應(yīng)用[24]。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和需求的不斷提高，用戶對(duì)電機(jī)性能和控制要求也越來(lái)越高，除了要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、安全性高等特性，還要考慮電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和環(huán)保性，這些都必須遵守嚴(yán)格環(huán)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，更高性能電力電子器件一定會(huì)出現(xiàn)，已有的成熟的電力電子器件還會(huì)不斷地升級(jí)改進(jìn)。

1.3 論文設(shè)計(jì)內(nèi)容

本文設(shè)計(jì)了一套直流電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速，使系統(tǒng)精確地輸出速度值。直流電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)速度傳感器對(duì)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，系統(tǒng)將這個(gè)采樣值和設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，檢查速度是否偏離，如果有速度差，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)算法輸出控制信號(hào)去減小這個(gè)差值，直到最后速度達(dá)到設(shè)置值。這種基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，而且易于編程控制，具有非常好的調(diào)速性能。本系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為主控制器，采用L298驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)的速度利用光電對(duì)管進(jìn)行檢測(cè)，反饋回來(lái)的速度在單片機(jī)中完成PID算法計(jì)算，輸出可變占空比的脈沖波（PWM）對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，從而使電機(jī)的速度穩(wěn)定到設(shè)置值大小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)置，液晶顯示器可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和設(shè)置的轉(zhuǎn)速。

第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)包括六大部分：電源電路、測(cè)速電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路和顯示電路。直流電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)速度傳感器對(duì)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，系統(tǒng)將這個(gè)采樣值和設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，檢查速度是否偏離，如果有速度差，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)算法輸出控制信號(hào)去減小這個(gè)差值，直到最后速度達(dá)到設(shè)置值。系統(tǒng)工作原理圖如下圖2.1所示。

圖2.1系統(tǒng)工作原理圖

2.2 各模塊選型

• 單片機(jī)模塊：STC89C52單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一款主流單片機(jī)，它是8位的單片機(jī)，具有8K字節(jié)的可編程存儲(chǔ)空間。該型號(hào)的單片機(jī)的可反復(fù)擦除次數(shù)高達(dá)1000多次，該型單片機(jī)輸入輸出口非常多，中斷功能也比較豐富，單片機(jī)具有兩個(gè)定時(shí)器，每一個(gè)定時(shí)器都是16的。
  

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：L298是SGS公司生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。它不僅可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，也可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。L298N的控制信號(hào)使標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，該款芯片可以接受的電壓范圍很廣，可以驅(qū)動(dòng)最大電流為3A的電機(jī)負(fù)載。

（4）電源模塊：通過(guò)電源適配器為系統(tǒng)低筒電能，正常工作的電壓為5V。

（5）顯示模塊：液晶顯示器可以顯示字母、數(shù)字以及符號(hào)，在本文的直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，可以通過(guò)液晶顯示器來(lái)顯示直流電機(jī)工作過(guò)程中的速度值和設(shè)置值。

第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC89C52單片機(jī)引腳如下圖3.1所示：

圖3.1  STC89C52芯片引腳圖

各個(gè)引腳的功能如下：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：它是一個(gè)雙向輸入輸出口，一共有八位，全部都是開(kāi)漏極形式。當(dāng)某一位管腳被置高電平時(shí)，就相當(dāng)于這個(gè)位被設(shè)置為高阻。該端口除了可以當(dāng)做普通輸入輸出口用之外，還可以用來(lái)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，當(dāng)這個(gè)端口用來(lái)擴(kuò)展16位的外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是低八位的輸出地址，通過(guò)外界擴(kuò)展存儲(chǔ)器可以提高單片機(jī)的存儲(chǔ)性能。

P1口：它是一個(gè)雙向輸入輸出口，一共有八位，這個(gè)口需要內(nèi)部提供上拉電阻才能實(shí)現(xiàn)一些功能。

P2口：它是一個(gè)雙向輸入輸出口，一共有八位，這個(gè)口需要內(nèi)部提供上拉電阻才。當(dāng)該端口某一管腳被置高電平后，內(nèi)部的上拉電阻將改為強(qiáng)行拉高后再輸入，當(dāng)該端口某一管腳被置低電平后，因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部上拉電阻的存在，會(huì)有電流輸出。當(dāng)這個(gè)端口用來(lái)擴(kuò)展16位的外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是高八位的輸出地址。

P3口：它是一個(gè)雙向輸入輸出口，一共有八位，這個(gè)口需要內(nèi)部提供上拉電阻才能實(shí)現(xiàn)一些功能。當(dāng)該端口某一管腳被置高電平后，內(nèi)部的上拉電阻將改為強(qiáng)行拉高后再輸入。當(dāng)該端口某一管腳被置低電平后，因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部上拉電阻的存在，會(huì)有電流輸出。

一些特殊功能也是通過(guò)P3口實(shí)現(xiàn)的，具體如下：

管腳 備選功能：

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 /INT0（外部中斷0）

P3.3 /INT1（外部中斷1）

P3.4 T0（計(jì)時(shí)器0外部輸入）

P3.5 T1（計(jì)時(shí)器1外部輸入）

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）

P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)RST腳持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。

PSEN：外接的程序存儲(chǔ)器的片選信號(hào)。

XTAL1：內(nèi)部時(shí)鐘工作電路輸入端口。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出端口。

為了使單片機(jī)工作，系統(tǒng)至少會(huì)包含一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路，因此又被稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，至少要讓復(fù)位腳維持至少相當(dāng)于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平，這樣才能完成系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位信號(hào)從單片機(jī)的第九腳輸入，手動(dòng)按下復(fù)位按鍵，復(fù)位腳輸出一個(gè)高電平；當(dāng)松開(kāi)復(fù)位鍵后，電源給電容充電，此時(shí)的復(fù)位腳輸出電平慢慢變小，直到電容充滿電，才輸出一個(gè)低電平，在按鍵按下到輸出高電平這段時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩個(gè)機(jī)械周期，所以可以手動(dòng)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng)的時(shí)鐘電路則為內(nèi)部功能提供時(shí)鐘信號(hào)，考慮到編程的方便性，這里選擇的晶振為12MHz，它通過(guò)兩個(gè)電容并聯(lián)輸入到單片機(jī)的外部時(shí)鐘引腳。單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖如下圖3.2所示，最小系統(tǒng)的外圍電路圖如下圖3.3所示。

圖3.2 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路

單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖如圖3.3所示。

圖3.3STC89C52芯片最小系統(tǒng)圖

3.2測(cè)速模塊電路

3.2.1 速度測(cè)量方法

在一定測(cè)量時(shí)間T內(nèi)，測(cè)量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)m1來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，“M”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖如圖3.4所示，設(shè)在一定時(shí)間T內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度為Xτ，則轉(zhuǎn)速n可以用下式3.1-3表示：

                   n=                             (3.1)

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)Xτ可用下式所示m1

                                               (3.2)

圖3.4“M”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖

將（3.1）式代入（3.2）式得

轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：

n=                                  （3.3）                        

采用T法測(cè)速，轉(zhuǎn)速是根據(jù)兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算。碼盤(pán)有單線和多線可以選擇，當(dāng)選用單線碼盤(pán)時(shí)，只要知道兩次脈沖的時(shí)間間隔就能夠算出轉(zhuǎn)速。當(dāng)選用單線碼盤(pán)時(shí)，測(cè)量的時(shí)間只是每轉(zhuǎn)的1/N（N為碼盤(pán)的線數(shù)）。“T”法脈寬測(cè)量原理如下圖3.5示。定時(shí)器對(duì)時(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，如果在一個(gè)TP內(nèi)計(jì)數(shù)值是m2，則計(jì)算公式為：      

n=                                       （3.4）

即：                                                                      （3.5）

圖3.5“T”法脈寬測(cè)量

所謂M/T法測(cè)速，即是結(jié)合了“M”法和“T”法分別對(duì)轉(zhuǎn)速低和高時(shí)具有的不一樣的精度，結(jié)合它們兩者的優(yōu)點(diǎn)的方法，其方法的精度是介于“M”法和“T”法之間，“M/T”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測(cè)量如圖3.6所示。

圖3.6 “M/T”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測(cè)量

                                                       (3.6)

3.2.2 測(cè)速模塊電路設(shè)計(jì)

測(cè)速模塊電路如圖3.7所示。電阻R4的作用是限流，保證光電管的穩(wěn)定運(yùn)行，電阻R3的作用是對(duì)光電管輸出進(jìn)行上拉，通過(guò)這個(gè)上拉電阻可以把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。由于輸出的電壓還是不標(biāo)準(zhǔn)，因此，我們?cè)诤蠖诉�設(shè)計(jì)了一個(gè)比較器，信號(hào)變化經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。

圖3.7 測(cè)速模塊電路圖

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.3.1 L298N簡(jiǎn)介

L298是SGS公司生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。它不僅可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，也可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。L298N的控制信號(hào)使標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，該款芯片可以接受的電壓范圍很廣，可以驅(qū)動(dòng)最大電流為3A的電機(jī)負(fù)載。當(dāng)我們用L298同時(shí)驅(qū)動(dòng)2路電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要從兩對(duì)輸出口接線。L298N的控制邏輯如下表3.1所示。

表3.1 L298N功能邏輯圖

3.3.2 L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如下圖3.8所示。我們選用單片機(jī)3.1端口和3.2端口兩個(gè)端口對(duì)電機(jī)的方向進(jìn)行控制，用3.0端口產(chǎn)生脈沖波，通過(guò)控制脈沖波（PWM）可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了阻值電流回流，保證電路可靠運(yùn)行，我們?cè)谳敵龆私佑斜Ｗo(hù)二極管。

圖3.8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.4 按鍵電路

本文設(shè)計(jì)的按鍵電路如下圖3.9所示。為了簡(jiǎn)化編程，節(jié)約單片機(jī)引腳資源，這里采用的是獨(dú)立按鍵。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制功能，這里設(shè)計(jì)5個(gè)按鍵，按鍵從左到右分別是模式按鍵，電機(jī)速度加，減，確定按鍵和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

圖3.9 按鍵電路

3.5 LCD1602顯示電路

3.5.1 LCD1602引腳功能介紹

液晶顯示器引腳說(shuō)明如下：

3腳：VL腳通過(guò)外接一個(gè)滑動(dòng)變阻器，可以對(duì)液晶顯示屏的對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，滑動(dòng)變阻器分壓最小時(shí)，液晶顯示屏的對(duì)比度最低，滑動(dòng)變阻器分壓最大時(shí)，液晶顯示屏的對(duì)比度最高，滑動(dòng)變阻器的阻值一般取為10K。

4腳：RS是指令和數(shù)據(jù)的選擇端口，如果給這個(gè)引腳置位高電平，則表示選取數(shù)據(jù)寄存器功能，如果給這個(gè)引腳設(shè)置低電平，則表示選取指令寄存器功能。

5腳：R/W是讀寫(xiě)控制端口，如果這個(gè)引腳給高電平，則設(shè)置為讀控制，如果這個(gè)引腳給低電平，則設(shè)置為寫(xiě)控制。

6腳：EN是使能控制端口，只有在這個(gè)端口的下降沿，才能實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的各部分功能。

7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

15腳：背光源正極。

16腳：背光源負(fù)極

3.5.2 LCD1602驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

液晶顯示器可以顯示字母、數(shù)字以及符號(hào)，在本文的直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，可以通過(guò)液晶顯示器來(lái)顯示直流電機(jī)工作過(guò)程中的速度值和設(shè)置值。液晶顯示電路如下圖2.6所示，上圖中的電阻R1就是用來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示器背光的。

圖3.10　LCD1602驅(qū)動(dòng)電路

第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PID算法簡(jiǎn)介

為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的準(zhǔn)確測(cè)量，這里選用PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行的速度進(jìn)行閉環(huán)控制。PID算法可以分為模擬PID和數(shù)字PID兩種。

4.1.1模擬PID

在早期的控制系統(tǒng)中，模擬PID控制系統(tǒng)被認(rèn)為最有效，最可靠的控制系統(tǒng)之一。模擬PID控制系統(tǒng)的工作原理如下圖4.1所示。

圖4.1 模擬PID控制系統(tǒng)工作原理

該P(yáng)ID控制控制器的調(diào)節(jié)過(guò)程非常線性，通過(guò)對(duì)比實(shí)際測(cè)量值和設(shè)定值的值，計(jì)算出系統(tǒng)的誤差：           

                  =－                 （4.1）

計(jì)算出的偏差在控制器中進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，得出控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)化處理最終作用在控制對(duì)象上，使被控對(duì)象按設(shè)定值運(yùn)行，故稱為PID調(diào)節(jié)器。模擬PID控制器的計(jì)算公式4.2：

                  （4.2）

4.1.2數(shù)字PID

=－                           （4.3）

                                    （4.4）

（4.5）

          （4.6）

上面公式中的從左往右依次是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。

這三種作用通常都是單獨(dú)使用或者合并使用，組合使用時(shí)有以下幾種方式：

P控制:                              （4.7）

PI控制:                       （4.8）

PD控制:                     （4.9）

PID控制:             （4.10）

通過(guò)分析4.6，可以得出由于位置式PID算存在偏差累積的缺點(diǎn)，這里對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，具體如下：

  （4.11）

將式2.6和式2.11相減，就會(huì)得到增量式PID的計(jì)算公式如下：

    （4.12）

從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為:

（4.13）

式中：  稱為比例增益；

            稱為積分系數(shù)；

            稱為微分系數(shù)。

位置式PID和增量式PID的控制原理圖分別如圖4.2和4.3所示。

圖4.2 位置式PID控制原理圖

圖4.3 增量式PID控制原理圖

4.2系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)主程序流程如圖4.4所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，然后對(duì)按鍵進(jìn)行描設(shè)，判斷速度按鍵有沒(méi)有被按下，如果速度按鍵被按下了，系統(tǒng)就會(huì)跳到速度設(shè)定程序?qū)λ俣冗M(jìn)行設(shè)定，，如果速度按鍵沒(méi)有被按下，單片機(jī)直接讀取當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)PID算法計(jì)算，輸出控制信號(hào)，使速度穩(wěn)定在設(shè)置值。液晶顯示器顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和設(shè)置的轉(zhuǎn)速。

圖4.4系統(tǒng)主程序流程圖

4.3 定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序流程

定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序流程如圖4.5所示，中斷響應(yīng)后，首先關(guān)閉中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)讀取計(jì)數(shù)器數(shù)值來(lái)計(jì)算速度，然后調(diào)節(jié)PWM來(lái)進(jìn)行調(diào)速，之后將計(jì)數(shù)器清零，重新為定時(shí)器裝初值，在打開(kāi)中斷。

圖4.5 定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序流程圖

4.4 按鍵掃描程序流程

按鍵掃描流工作的程圖如下圖4.6所示，系統(tǒng)完成初始化后，在循環(huán)程序中對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，掃描的目的是實(shí)時(shí)檢測(cè)有沒(méi)有按鍵按下，如果檢測(cè)到有按鍵按下，這是還不能判斷是否真的按下按鍵，還必須進(jìn)行消抖處理，防止抖動(dòng)對(duì)判斷產(chǎn)生誤判，完成消抖處理后，還需要再次對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，如果這次還是檢測(cè)到有鍵按下，那么就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖4.6 鍵盤(pán)掃描流程圖

4.5 LCD1602寫(xiě)控制

液晶顯示器的寫(xiě)控制流程圖如圖4.7所示。液晶顯示器在實(shí)現(xiàn)寫(xiě)控制過(guò)程中，首先會(huì)檢查光標(biāo)有沒(méi)有開(kāi)啟，并完成清除屏幕等初始化操作。然后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置的程序判斷顯示位置在哪里，對(duì)液晶顯示器進(jìn)行地址寫(xiě)操作。最后系統(tǒng)把需要顯示的內(nèi)容通過(guò)送到顯示器中顯示。通常情況下，我們只要掌握如何對(duì)液晶進(jìn)行寫(xiě)操作，就可以實(shí)現(xiàn)各種顯示功能。

圖4.7  LCD1602寫(xiě)控制流程圖

致  謝

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附錄 A  系統(tǒng)大圖