1、畢業設計說明書基于單片機的直流電機閉環調速系統的設計學生姓名： 學號： 學 院： 系 名： 專 業： 指導教師： 2012 年 6 月XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書基于單片機的直流電機閉環調速系統的設計摘要：在運動控制系統中，電機轉速控制占有至關重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬 PID 控制是最早發展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結構，并且參數整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬 PID 控制系統中，參數一旦整定好后，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實際中，由于現場的系統參數、溫度等條件發生變化，使系統很難達到最佳的控制效果，因此采用模擬 PID 控制器

2、難以獲得滿意的控制效果。隨著計算機技術與智能控制理論的發展，數字 PID 技術漸漸發展起來，它不僅能夠實現模擬 PID 所完成的控制任務，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優點，應用面越來越廣。本設計以上面提到的數字 PID 為基本控制算法，以 AT89S51 單片機為控制核心，產生占空比受數字 PID 算法控制的 PWM 脈沖實現對直流電機轉速的控制。同時利用霍爾傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現轉速閉環控制，達到轉速檢測目的。在系統中采用 LCD1602 顯示器作為顯示部件，通過 5 個按鍵來實現正反轉和加減速控制，啟動后可以通過顯示部件了解電機當前的轉速。電機驅動部分采用的

3、是專門的驅動芯片來實現正反轉控制。關鍵詞：數字 PID,PWM 脈沖,直流電機XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書DC motor closed-loop speed control system based on single-chip designAbstract：In the motion control system, the control of electro motors rotate speed is of great importance, there are a lot of speed control arithmetics and methods , the anal

4、og PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure, its parametric setting is convenient and its easy to meet normal controls demand, but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those cond

5、itions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect, so the analog PID controller barely has satisfied effect. With the development of computer technology and intelligent control theory , the digital PID technology is thrivin

6、g which can achieve the analog PIDs control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability, it is widely used now.This design is based on the digital PID mentioned above as basic control arithmetic and AT89S51 SCM as control core, the system produces PWM

7、 impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to make sure the running of direct current machines rotate speed. At the same time using Holzer sensors will be converted into pulse frequency motor speed feedback to the MCU, realize the speed closed-loop control, to achieve speed de

8、tection. In a system employing a LCD1602 monitor as a display part, through the 5 keys to achieve positive and acceleration deceleration control, can start the display part understanding the motor current speed. The motor drive part is used in specialized drive chip to achieve positive control.Keywo

9、rds: digital PID, PWM impulse, DC motorXXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第頁 共頁目 錄1 引言12 PID 算法及 PWM 控制技術簡介22.1 PID 算法22.1.1 模擬 PID22.1.2 數字 PID32.1.3 數字 PID 參數整定方法52.2 PWM 脈沖控制技術92.2.1 PWM 控制的基本原理92.2.2 直流電機的 PWM 控制技術103 硬件電路設計部分123.1 系統設計方案123.2 控制器模塊設計方案123.3 電機驅動模塊設計方案123.4 電源模塊設計方案133.5 速度采集設計模塊143.6 顯示模塊設計方案1

10、43.6.1 引腳分布和接口信號說明143.6.2 LCD 液晶電路154 軟件設計部分174.1 驅動電力程序流程174.2 直流電機的中斷鍵盤控制模塊174.2.1 外部中斷設置174.2.2 外部中斷擴展184.3 顯示程序流程圖205 系統功能調試215.1 PROTEUS 使用21XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第頁 共頁5.2 電路仿真22XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第頁 共頁6 結論25附錄 A 系統總電路圖26附錄 B 源程序27參考文獻35致 謝37XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 1 頁 共 37 頁1 1 引言引言21 世紀，科學技術日新月異，科技

11、的進步帶動了控制技術的發展，現代控制設備的性能和結構發生了翻天覆地的變化。我們已進入高速發展的信息時代，控制技術成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應用工程等各個領域。1控制理論的發展經歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個階段。其控制系統包括控制器傳感器變送器執行機構輸入輸出接口。不同的控制系統、傳感器變送器執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器。電加熱控制系統的傳感器是溫度傳感器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用。受益于數十年來全球經濟高速成長所獲得的 PID 控制成果,在中國市場，一大批機器設備制造

12、商正處于蓬勃發展階段，除滿足本土市場龐大的機器設備需求外，走向國際市場，參與國際競爭也成為現實需求。在應用方面，這種控制技術已經滲透到了醫療、汽車制造、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產、物流配送、飲料生產等多個方面。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進一步的學習、掌握與應用先進的控制技術與解決方案，以提升設備性能、檔次與市場競爭力。在國外，尤其在運動控制及過程控制方面 PID 控制技術的應用更是越來越廣泛和深入。隨著科技的進步，人們對3生活舒適性的追求將越來越高，PID 控制技術作為一項具有發展前景和影響力的新技術，正越來越受到國內外各行業的高度重視。本次設計主要研究的是 PID 控制技術在運

13、動控制領域中的應用，眾所周知運動控制系統最主要的控制對象是電機，在不同的生產過程中，電機的運行狀態要滿足生產要求，其中電機速度的控制在占有至關重要的作用，因此本次設計主要是利用 PID 控制技術對直流電機轉速的控制。其設計思路為：以 AT89S51 單片機為控制核心，產生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脈沖實現對直流電機轉速的控制。同時利用霍爾傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，構成轉速閉環控制系統。在系統中采LCD1602 顯示器作為顯示部件，通過 5 個按鍵實現正反轉控制和速度預置功能，啟動后可以了解當前速度。因此該系統在硬件方面包括：電源模塊、電機驅動模塊、控制模塊、速度

14、檢測模塊、人機交互模塊。XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 2 頁 共 37 頁比 例微 分積 分執行機構對象r(t)+-+u(t)c(t)e(t)2 2 PIDPID 算法及算法及 PWMPWM 控制技術簡介控制技術簡介2.12.1 PIDPID 算法算法控制算法是微機化控制系統的一個重要組成部分，整個系統的控制功能主要由控制算法來實現。目前提出的控制算法有很多。根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為 PID 控制。實際經驗和理論分析都表明，PID 控制能夠滿足相當多工業對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。下面分4別介紹模擬 PID、數字 PI

15、D。2.1.1 模擬 PID在模擬控制系統中，調節器最常用的控制規律是 PID 控制，常規 PID 控制系統原理框圖如圖 2.1 所示，系統由模擬 PID 調節器、執行機構及控制對象組成。 圖 2.1 模擬 PID 控制系統原理框圖PID 調節器是一種線性調節器，它根據給定值與實際輸出值構成的控制)(tr)(tc偏差:= （2.1）)(te)(tr)(tc將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制，故稱為 PID 調節器。在實際應用中，常根據對象的特征和控制要求，將 P、I、D 基本控制規律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。例如，P 調節器，PI調節器，

16、PID 調節器等。模擬 PID 調節器的控制規律為 )()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIp（2.2）XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 3 頁 共 37 頁式中，為比例系數，為積分時間常數，為微分時間常數。PKITDT簡單的說，PID 調節器各校正環節的作用是：（1）比例環節：即時成比例地反應控制系統的偏差信號,偏差一旦產生，調)(te節器立即產生控制作用以減少偏差；（2）積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強；ITIT（3）微分環節：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

17、太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。5由式 2.2 可得，模擬 PID 調節器的傳遞函數為 )11 ()()()(STSTKSESUSDDIP（2.3）由于本設計主要采用數字 PID 算法，所以對于模擬 PID 只做此簡要介紹。2.1.2 數字 PID在 DDC 系統中，用計算機取代了模擬器件，控制規律的實現是由計算機軟件來完成的。因此，系統中數字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。由于計算機只能識別數字量，不能對連續的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統中，首先必須對控制規律進行離散化的算法設計。為將模擬 PID 控制規律按式（2.2）離

18、散化，我們把圖 2.1 中、)(tr、在第 n 次采樣的數據分別用、表示，于)(te)(tu)(tc)(nr)(ne)(nu)(nc是式（2.1）變為 ： = )(ne)(nr)(nc（2.4）當采樣周期 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XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 4 頁 共 37 頁 （2.5）Tnenedttde) 1()()( （2.6）tniTiedtte01)()(這樣，式（2.2）便可離散化以下差分方程 （2.7）01)1()()()()(uneneTTneTTneKnuniDI

19、P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）0u項,即 )(nuP （2.8）)()(neKnuPp第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即)(nuI （2.9）niIPIieTTKnu1)()(第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項即)(nuD （2.10）)1()()(neneTTKnuDPD這三種作用可單獨使用(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: （2.11）0)()(ununuPPI 控制: 0)()()(unununuIP（2.12）PD 控制: （2.13）0)()()(unununuDPPID 控制: （2.14）0)()()

20、()(ununununuDIP式（2.7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執行機構每次采樣時刻)(nu應達到的位置。因此,式（2.7）又稱為位置型 PID 算式。XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 5 頁 共 37 頁PID位置算法控制器被控對象r(t)+-e(t)uc(t)PID增量算法控制器被控對象r(t)+-e(t)uc(t)由（2.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,不僅要)(ie占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（2.7）進行改進。根據式（2.7）不難看出 u(n-1)的表達式，即 011)2() 1()() 1() 1(uneneTTne

21、TTneKnuniDIP（2.15）將式（2.7）和式（2.15）相減，即得數字 PID 增量型控制算式為) 1()()(nununu （2.16）)2() 1(2)()()1()(neneneKneKneneKDIP 從上式可得數字 PID 位置型控制算式為 )(nu0)2() 1(2)()()1()(uneneneKneKneneKDIP（2.17）式中： 稱為比例增益；PK 稱為積分系數；IPITTKK 稱為微分系數1。TTKKDPD數字 PID 位置型示意圖和數字 PID 增量型示意圖分別如圖 2.2 和 2.3 所示：圖 2.2 數字 PID 位置型控制示意圖 圖 2.3 數字 PI

22、D 增量型控制示意圖2.1.3 數字 PID 參數整定方法XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 6 頁 共 37 頁如何選擇控制算法的參數，要根據具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調量小，在不同干擾下系統輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統和環境參數發生變化時控制應保持穩定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID 調節器的參數整定方法有很多，但可歸結為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調節器的前提是能獲得被控對象準確的數學模型，這在工業過程中一般較難做到。

23、因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優點就是整定參數時不依賴對象的數學模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，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。6（1）擴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字調節器參數的步驟是：選擇一個足夠小的采樣周期，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工作：工作時，去掉積分作用和微分作用，使調節器成為純比例調節器，逐漸減小比例度（）直至系統對階躍輸入的響應達到PK/1臨界振蕩狀態，記下此時的臨界比例度及系統的臨界振蕩周期。KkT選

24、擇控制度：所謂控制度就是以模擬調節器為基準，將 DDC 的控制效果與模擬調節器的控制效果相比較。控制效果的評價函數通常用誤差平方面積表示。02)(te 控制度 模擬)()(0202dttedtteDDC（1.18）實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當控制度為 1.05 時，就可以認為 DDC 與模擬控制效果相當；當控制度為2.0 時，DDC 比模擬控制效果差。XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 7 頁 共 37 頁根據選定的控制度，查表 2.1 求得 T、的值PKITDT表 2.1 擴充臨界比例度法整定參數（2）經驗法經驗法是靠工作人員的經驗

25、及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調整 P、I、D 三者參數的大小的，具體操作可按以下口訣進行：參數整定找最佳，從小到大順序查；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；曲線偏離回復慢，積分時間往下降；控制度控制規律TPKITDT1.05PI0.03KT0.53K0.88KT1.05PID0.014KT0.63K0.49KT0.14KT1.20PI0.05KT0.49K0.91KT1.20PID0.043KT0.047K0.47KT0.16KT1.50PI0.14KT0.42K0.99KT1.50PID0.09KT0.34K

26、0.43KT0.20KT2.00PI0.22KT0.36K1.05KT2.00PID0.16KT0.27K0.40KT0.22KTXXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 8 頁 共 37 頁曲線波動周期長，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，微分時間應加長。下面以 PID 調節器為例，具體說明經驗法的整定步驟： 讓調節器參數積分系數=0，實際微分系數=0，控制系統投入閉環運行，IKDK由小到大改變比例系數，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的PK控制過程為止。取比例系數為當前的值乘以 0.83，由小到大增加積分系數，同樣讓擾動PKIK信號作階躍變化，

27、直至求得滿意的控制過程。積分系數保持不變，改變比例系數，觀察控制過程有無改善，如有改善IKPK則繼續調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數增大一些，再調整積分系數，PKIK力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數和積分系數為止。PKIK引入適當的實際微分系數和實際微分時間，此時可適當增大比例系數DKDK和積分系數。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程PKIK滿意為止。XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 9 頁 共 37 頁2.22.2 PWMPWM 脈沖控制技術脈沖控制技術PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調制

28、的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。2.2.1 PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，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，是指環節的輸出響應波形基本相同。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 2.4 中 a、b、c 所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 2.4 的 a 為矩形脈沖，圖 2.4 的 b 為三角脈沖，圖 2.4 的 c 為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環

29、節上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變為如圖 2.4 的 d 所示的單位脈沖函數時，)(t環節的響應即為該環節的脈沖過渡函數。7XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 10 頁 共 37 頁abcdabii(t)i(t)e(t)RL0圖 2.4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖 2.5a 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圖 2.4)(te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節的 R-L 電路上，設其電流為電路的輸出。圖 2.5b 給出了不同窄波時的響應波形。從波形可以看)(ti)(ti出，在的上升段，脈沖形狀不同時的形狀也略有不同，但其下降

30、段幾乎完全)(ti)(ti相同。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應)(ti也是周期性的。用傅立葉級數分解后將可看出，各在低頻段的特性非常接近，)(ti)(ti僅在高頻段有所不同。 圖 2.5 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形2.2.2 直流電機的 PWM 控制技術直流電動機具有優良的調速特性，調速平滑、方便，調速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無級快速起動、制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊運行要求，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動系統領域中得到了廣泛的應用。直流電動機的轉速調節主要有三種方法：調節電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通

31、和f(t)0tf(t)0t0tf(t)0tf(t)0t0t a bcdXXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 11 頁 共 37 頁U(t)0tTt0U改變電樞回路電阻。針對三種調速方法，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速只能實現有級調速，減弱磁通雖然能夠平滑調速，但這種方法的調速范圍不大，一般都是配合變壓調速使用。所以在直流調速系統中，都是以變壓調速為主。其中，在變壓調速系統中，大體上又可分為可控整流式調速系統和直流 PWM調速系統兩種。直流 PWM 調速系統與可控整流式調速系統相比有下列優點：由于 PWM調速系統的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩的

32、直流電流，低速特性好、穩速精度高、調速范圍寬。同樣，由于開關頻率高,快速響應特性好,動態抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關器件只工作在開關狀態，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，電網功率因數比相控整流器高。正因為直流 PWM 調速系統有以上優點，并且隨著電力電子器件開關性能的不斷提高，直流脈寬調制( PWM) 技術得到了飛速的發展。8根據 PWM 控制的基本原理可知，一段時間內加在慣性負載兩端的 PWM 脈沖與相等時間內沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間 T 內脈沖寬度為,幅值為 U，由圖 2.6 可求得此時間內脈沖的等效直流電壓為：0t圖 2.6

33、 PWM 脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為： TUtU00Tt0 (U 為脈沖幅值) （2.19）UU0若 PWM 脈沖為如圖 2.7 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XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 12 頁 共 37 頁U(t)0tTt0U2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0鍵盤模塊控制器模塊顯示模塊電機驅動模塊直流電機速度檢測模塊PWM脈沖 （為矩形脈沖占空比） （2.20）UTUtnTUntU000圖 2.7 周期性 PWM 矩形脈沖由式 2.20 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，因為

34、在實際系統設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等效直流電壓在 0U 之間任意調節，從而達到利用 PWM 控制技術實現對直流電機轉速進行調節的目的。3 3 硬件電路設計部分硬件電路設計部分3.13.1 系統設計方案系統設計方案根據系統設計的任務和要求，設計系統方框圖如圖 3.1 所示。圖中控制器模塊為系統的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現人機交互功能。在運行過程中控制器產生 PWM脈沖送到電機驅動電路中，經過放大后控制直流電機轉速，同時利用速度檢測模塊將當前轉速反饋到控制器中，控制器經過數字 PID 運算后改變 PWM 脈沖的占空比，實現電機轉速實時控制的目的。XXX 學校

35、 XXX 屆畢業設計說明書第 13 頁 共 37 頁圖 3.1 系統方案框圖3.23.2 控制器模塊設計方案控制器模塊設計方案根據設計任務要求，采用 AT89S51 作為系統控制的方案。AT89S51 單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現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。并且它還具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點，在各個領域中應用廣泛。3.33.3 電機驅動模塊設計方案電機驅動模塊設計方案驅動模塊是控制器與執行器之間的橋梁，在本系統中單片機的 I/O 口不能直接驅動電機，只有引入電機驅動模塊才能保證電機按照控制要求

36、運行，在這里選用 L298 電機驅動芯片驅動電機，由于它內部已經考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設計者不需要對硬件電路設計考慮很多，可將重點放在算法實現和軟件設計中，大大的提高了工作效率。該芯片是由四個大功率晶體管組成的 H 橋電路構成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態，通過調整輸入脈沖的占空比，調整電動機轉速。XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 14 頁 共 37 頁圖 3.2 驅動電路3.43.4 電源模塊設計方案電源

37、模塊設計方案電源是整個系統的能量來源，它直接關系到系統能否運行。在本系統中直流電機需要 12V 電源，而單片機、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 兩種穩壓芯片。而本設計電源電路采用 78 系列芯片產生+5V、+12V。電路圖如圖 3.3 所示：圖 3.3 電源電路3.53.5 速度采集設計模塊速度采集設計模塊速度的采集用霍爾傳感器。通過對脈沖的計數進行電機速度的檢測。（1）霍爾傳感器的工作原理霍爾開關集成電路中的信號放大器將霍爾元件產生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH 放大后再經信號變換器、驅動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號

38、輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉過了一個齒。脈沖信號的周期與電機的轉速的關系為：n= （n 為電機轉速；P 為電機轉一圈的脈沖數；T 為輸出方PT60波信號周期） 。（2）測速電路原理圖XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 15 頁 共 37 頁圖 3.4 速度采集電路3.63.6 顯示模塊設計方案顯示模塊設計方案采用 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、可對字符進行顯示。3.6.1 引腳分布和接口信號說明(1)引腳分布1602 液晶顯示共有 16 個引腳，其引腳分布如圖 3.5 所示。 圖 3.5 1602 液晶顯示模塊引腳分布(2)引腳功能1602

39、 引腳功能如表 3.1 所示表 3.1 1602 引腳功能編號符號引腳說明編號符號引腳說明XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 16 頁 共 37 頁1VSSVSS 為地電源9D2Data I/O2VDDVDD 接 5V 正電源10D3Data I/O3VEE液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS0 輸入指令，1 輸入數據12D5Data I/O5R/W0 寫入指令或數據，1 讀信息13D6Data I/O6E1 讀取信息，10 執行指令14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極3.6.2 LCD 液晶電路圖 3.6

40、 1602 液晶顯示模塊組成XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 17 頁 共 37 頁4 4 軟件設計部分軟件設計部分4.14.1 驅動電路程序流程驅動電路程序流程電機驅動電路是專用的驅動芯片 L298，單片機給驅動芯片輸出脈沖來控制電機，程序流程圖如下：初始化設置周期將從鍵盤（中斷）讀取的數據送到 TH0 中，從而設計脈沖給電機驅動芯片輸出脈沖開始count=256?count=count+1恢復現場是否返回XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 18 頁 共 37 頁圖 4.1 定時中斷服務流程圖4.24.2 直流電機的中斷鍵盤控制模塊直流電機的中斷鍵盤控制模塊4.2.1 外部中斷

41、設置（1） 外部中斷允許設置中斷控制寄存器 IE 的 EX0 對應 INT0，EX1 對應 INT1，EA 為中斷的總開關，若要開放外部中斷，只要將 IE 對應的位和總開關 EA 置 1 即可。如：開放外部中斷 0 的設置：SETB EX0SETB EA開放外部中斷 0 和 1 的設置：SETB EX0SETB EX1SETB EA（2） 外部中斷觸發方式設置單片機外部中斷有兩種觸發方式，一種是電平觸發方式，另一種是脈沖觸發方式，單片機外部中斷觸發方式與 TCON 的 IT 位有關。 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發設置方法：CLR ITX，為低電平觸發方式。脈沖觸發設

42、置方法：SETB ITX1，為脈沖下降沿觸發方式。在使用外部中斷時，如果不進行設置，則為電平觸發方式。（3） 外部優先級設置 外部中斷 IN0、INT1 的中斷優先級的設置是通過設置 IP 寄存器實現的，IP 的 PX0 對應 INT0，PX1 對應 INT1。PX 置 1 為高級中斷，PX 為 0 為低級中斷。XXXPSPT1PX1PT0PX04.2.2 外部中斷擴展在圖 4.2 為外部中斷擴展電路，設 X0、X1、X2、X3、X4 為外部警情信號，X0 代表是加速信號，X0=0 表示加速；X1 代表減速信號，X1=0 表示減速；X2 代表正轉信號，XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第

43、19 頁 共 37 頁X2=0 表示正轉；X3 代表反轉信號，X3=0 表示反轉；X4 代表停止信號，X4=0 表示停止處理。圖 4.2 外部中斷擴展電路當系統檢測到有中斷請求時，響應如下中斷服務流程圖 4.3。中斷請求加速減速正轉 X3=0? 反轉停止 X2=0? X1=0? X0=0? 是是是是否 否 否 X4=0? 否 是 XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 20 頁 共 37 頁圖 4.3 中斷服務流程4.3 顯示程序流程圖顯示模塊是實現人機對話的重要部分，在這里選用 LCD1602 作為顯示器，其工作流程圖如下所示：圖 4.4 顯示程序流程圖開始對 LCD 初始化將已知要提示的

44、內容送入 LCD 并顯示在第一行將讀取的速度和轉向送入 LCD 并使其顯示在第二行一直等待LJMP設置電機的速度是否為 0一直等待是否是否有命令輸入否是XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 21 頁 共 37 頁5 5 系統功能系統功能調試調試5.15.1 Proteus 使用使用 Proteus 是英國 Labcenter electronics 公司研發的 EDA 設計軟件，是一個基于ProSPICE 混合模型仿真器的，完整的嵌入式系統軟、硬件設計仿真平臺。Proteus 不僅可以做數字電路、模擬電路、數模混合電路的仿真，還可進行多種 CPU 的仿真，涵蓋了 51、PIC、AVR、HC

45、11、ARM 等處理器，真正實現了在計算機從原理設計、電路分析、系統仿真、測試到 PCB 板完整的電子設計，實現了從概念到產品的全過程。以下為本系統在 Proteus 中的仿真流程：（1）新建文件：打開 Proteus 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）設置編輯環境：按上述的方法對 Proteus 的設計環境進行設置。 （3）元器件選取：按設計要求，在對象選擇窗口中點 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

46、圖 5.1 所示圖 5.1 Proteus 元器件選取界面（4）程序編譯中斷請求XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 22 頁 共 37 頁點菜單 SourceAdd/Remove source Files”在出現的對話框如圖 5.2 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，生成目標代碼文件 SWLED.HEX圖 5.2 程序添加界面（5）程序加載 在編輯環境左擊單片機然后右擊，在彈出的對話框中將編譯生成的 HEX 文件加載到芯片中，設單片機的時鐘工作頻率為 12MHZ。（6）電路仿真 點仿真按鍵，

47、按照前面介紹的系統使用方法進行仿真。5.25.2 電路仿真電路仿真LCD 液晶顯示電路的系統仿真與調試：在 Proteus 運行環境中首先檢驗 LCD 顯示電路，添加程序，運行 LCD 液晶顯示電路能，系統若運行成功將得到如圖 5.3。此后在之前的電路基礎之上再拓展帶中斷的獨立式鍵盤，調試成功后的電路如圖 5.4 所示。XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 23 頁 共 37 頁圖 5.3 LCD 液晶顯示字符初步調試圖 5.4 帶中斷控制的 LCD 液晶顯示調試用帶中斷的鍵盤來控制直流電機驅動模塊的部分電路，如圖 5.5。XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 24 頁 共 37 頁圖

48、 5.5 用帶中斷的鍵盤來控制的電機啟動目標系統，按正轉，然后接加速開關，我們觀察到電機開始運轉，每按一次加速，電機的速度都要增加，此時如果按減速，則電機的轉速慢慢地減小。同樣按反轉轉鍵也看到同樣的結果，當按停止鍵時，電機慢慢停下來，圖 5.6 是在目的電路剛啟動時未設置命令之前的狀態，圖 5.7 是在正轉情況下的仿真結果，圖 5.8 是在反轉情況下的仿真結果。圖 5.6 未按鍵時的初始狀態XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 25 頁 共 37 頁圖 5.7 電機正轉時的狀態圖 5.8 電機反轉時的狀態6 6 結論結論本課題的目的在于利用單片機實現 PID 算法產生 PWM 脈沖來控制電

49、機轉速。到目前為止通過對控制器模塊、電機驅動模塊、LCD 顯示模塊、數字 PID 算法等進行深入的研究。完成了硬件電路的系統設計，并且利用 Protel 軟件繪制出電路原理圖。軟件方面利用匯編語言進行編程，并且利用 Proteus 軟件進行仿真更加保證了程序的準確性。歸納起來主要做了如下幾方面的工作：1、PID 算法與 PWM 控制技術有機的結合；XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 26 頁 共 37 頁2、設計了電機調速電路（原理圖見附錄 A） ；3、利用匯編語言進行程序設計，并通過仿真（源程序見附錄 B） 。根據上面論述結合測試數據可以看出本次設計基本完成了設計任務和要求。通過此次設

50、計，掌握了數字 PID 算法的使用及編程方法，學習了如何進行系統設計及相關技巧，為今后的工作和學習奠定了堅實的基礎。附錄附錄 A A 系統總電路圖系統總電路圖XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 27 頁 共 37 頁直流電機調速系統的 Protel 原理圖附錄附錄 B B 源程序源程序XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 28 頁 共 37 頁ORG 0000HSJMP DISPLAYORG 0003H LJMP BUTTON ; 外部 0 中斷入口地址ORG 000BHLJMP DINGSHI ; 定時中斷 T0 入口地址RS EQU P3.0RW EQU P3.1E EQU P3

51、.4ORG 0030H ; 此次直流電機的設計以 LCD 字符夜晶的 ; 顯示程序為主程序DISPLAY: SETB EA ; 打開中斷總開關SETB EX0 ; 打開外部中斷 0 開關SETB IT0 ; 打開外部中斷 0 下降沿觸發MOV TMOD,#01H ; 設置定時工作方式MOV TL0,#0FFH ; 設置定時初值MOV TH0,#0FFHSETB ET0 ; 打開定時中斷 T0 開關 CLR P0.5 CLR P0.6CLR P0.7SETB TR0 ; 定時器 T0 開始定時MOV DPTR,#TAB ; 夜晶顯示的字符首地址 MOV R0,#00H ; 脈寬的初值MOV R1

52、,#16 ; SET SPEED PLEASE的字符個數MOV R3,#00HMOV R4,#00HLP9: XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 29 頁 共 37 頁LCALL CHUSHILP2:ACALL BUSYMOV A,#00HMOVC A,A+DPTRMOV P1,AACALL DATASINC DPTR DJNZ R1,LP2 LP3: CJNE R3,#00H,LP4CJNE R4,#00H,LP4SJMP LP3 LP4: MOV R7,#00H ; 中斷的標志 MOV R5,#09H ; CURRENT : 的字符個數ACALL BUSYMOV P1,#0C0HAC

53、ALL ENABLEMOV DPTR,#MMTABACALL BUSYLP5: MOV A,#00HMOVC A,A+DPTRMOV P1,AINC DPTRACALL DATASACALL BUSYDJNZ R5,LP5 MOV DPTR,#STABXXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 30 頁 共 37 頁MOV A,R2MOV P1,AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R3 ; 顯示速度的十位MOVC A,A+DPTRMOV P1,AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R4 ; 顯示速度的個位MOVC A,A+DPTRMOV P1,A ACALL

54、 DATAS ; 使夜晶始終顯示當前電機的速度LP8: CJNE R7,#00H,LP7 ; 速度不變時等待LJMP LP8 ; 速度變時重新讀入速度LP7:SJMP LP4CHUSHI: ; 使夜晶顯示的一些初始設置ACALL BUSY MOV P1,#00000001B ; 清屏并光標復位ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ; 設置顯示模式:8 位 2 行 57 點陣ACALL ENABLEACALL BUSY MOV P1,#00001111B ; 顯示器開、光標開、光標允許閃爍ACALL ENABLEACALL BUSYXXX 學校 XX

55、X 屆畢業設計說明書第 31 頁 共 37 頁MOV P1,#00000110B ; 文字不動，光標自動右移ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P1,#80H ; 寫入顯示起始地址ACALL ENABLE RETENABLE: ; 寫入控制命令的子程序SETB ECLR RSCLR RWCLR ERETDATAS: ; 寫入數據子程序SETB ESETB RSCLR RWCLR ERETBUSY: ; 準備寫入數據CLR EMOV P1,#0FFHCLR RSSETB RWSETB EJB P1.7,BUSYRETORG 2000HDINGSHI: ; 定時中斷服務程序CPL

56、P0.7 XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 32 頁 共 37 頁JNB P0.7,Z1 ; 周期一定MOV A,#0FFHSUBB A,R0 MOV TH0,ASETB TR0RETIZ1: MOV TH0,R0 ; 脈寬SETB TR0RETI BUTTON: ; 從控制鍵盤中讀取操作命令PUSH ACC CLR EX0CLR EAINC R7 ;MOV A,#0FFHMOV P2,AMOV A,P2JNB ACC.0,AA0 JNB ACC.1,KK0JNB ACC.2,ZZJNB ACC.3,FFJNB ACC.4,WW0AJMP QQAA0: CJNE R0,#0FFH, A

57、A1 ; 加速操作AJMP QQ AA1: MOV A,R0ADD A,#5MOV R0,AAJMP QQXXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 33 頁 共 37 頁KK0: CJNE R0,#00,MM ; 減速操作AJMP QQ MM: MOV A,R0SUBB A,#5MOV R0,AAJMP QQQQ: MOV A,R0 MOV B,#5 DIV ABMOV B,#10DIV ABMOV R3,AMOV R4,BSETB EX0LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EAPOP ACCRETIZZ: SETB P0.5 ;

58、正轉操作CLR P0.6 MOV R2,#2BH ; 正轉標志 +LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EA XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 34 頁 共 37 頁POP ACCRETIFF: CLR P0.5 ; 反轉操作 SETB P0.6 MOV R2,#2DH ; 反轉標志 -LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EAPOP ACCRETIWW0: CLR P0.5 ; 停止操作CLR P0.6LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB

59、EX0SETB EA POP ACCRETIDELAY: ; 延時子程序MOV R5,#0E0HMM0: MOV R6,#30H MM1: DJNZ R6,MM1DJNZ R5,MM0RETTAB: DB 53H,45H,54H,20H DB 53H,50H,45H,45H ; SET SPEED PLEASE 代碼XXX 學校 XXX 屆畢業設計說明書第 35 頁 共 37 頁DB 44H,20H,50H,4CHDB 45H,41H,53H,45H STAB: DB 30H,31H,32H,33HDB 34H,35H,36H,37H ; 0,1,2,3,4,5,6,7 代碼DB 38H,39H,41H,42H ; 8,9,A,B,C,D,E,FDB 43H,44H,45H,46HMMTAB: DB 43H,4FH,52H,52H