毕业设计（论文）-基于单片机的直流电机调速系统的设计1.doc

摘摘 要要 直流电机是通电线圈在磁场的作用下产生一电磁力，电磁力产生 一个作用于电枢的力矩 (即电磁转矩 )，使电机转动。电机转动的速 度与电机两端施加的电压成正比，输出转矩则与电流成正比，其通 -断比率对应于所需速度。根据题目要求，系统可分为控制部分和速度 检测部分。本系统采用两片at89s52 单片机作为核心控制器，通过 红外对接管组成的自制传感器对电机转速进行测量。单片机采样单位 时间的电机转速后，通过pid 控制算法校正 pwm（脉冲宽度调制） 控制电机驱动电路（ h 桥）驱动直流电动机完成转向和速度的控制。 然后由两个 4 位数码管来显示直流电机当前的欲设速度和实际转速。 关关键键字字 ：at89s52 直流电机 pid pwm 电机驱动电路 abstract dc motor is made.put coil in magnetic field under the action of produce a electromagnetic force, electromagnetic force produced a role in the armature torque, namely electromagnetic torque motor rotation, making. motor rotation speed and motor applied voltage is proportional to the ends, the output torque is proportional to its current on-and-off broken rate corresponding to the required speed. according to the topic request, the system can be divided into the control part and speed detection parts. the system uses at89s52 scm as core controller, through infrared to tube composed of homemade sensors to motor speed measuring, microcontroller sampling, through the pid control algorithm produces pwm (pulse width modulation) control motor driver circuit driver for dc complete dc motor speed control of steering and. then by eight digital tube to display the single-chip microcomputer control with measurement results. key word: at89s52 dc motor pid pwm motor driver circuit 目目 录录 摘摘 要要1 abstract 1 目目 录录 2 引引 言言 4 第第一一章章 总总体体方方案案的的选选择择 .5 1.1 方案一：pwm 波调速 .5 1.2 方案二：晶闸管调速 .5 第第二二章章 各各单单元元硬硬件件方方案案论论证证 .6 2.1 微处理器的选择7 2.2 测速传感器的选择7 2.3 键盘显示方案论证8 2.4 输入输出通道8 2.5 pwm 实现方案论证8 第第三三章章 系系统统结结构构框框图图设设计计 .8 第第四四章章 单单元元模模块块设设计计 .8 4.1 h 桥驱动电路设计方案.8 4.2 调速设计方案.8 第第五五章章 系系统统硬硬件件电电路路设设计计 .8 5.1 电源电路.8 5.2 h 桥驱动电路8 5.3 电机测速电路的设计 .8 5.4 数码管显示模块.8 第第六六章章 核核心心控控制制算算法法 .8 第第七七章章 软软件件设设计计模模块块 .8 7.1 总的程序流程图.8 7.2 pwm 波软件设计8 7.3 测速软件设计.8 7.4 pid 控制流程.8 7.5 数码管移位显示.8 第八章第八章 系统功能调试系统功能调试.8 8.1 调试软件介绍.8 8.2 直流电机的调速功能仿真 .8 8.3 电机速度的测量并显示功能仿真8 8.4 系统的电路原理图 .8 设计总结设计总结8 致致 谢谢8 参考文献参考文献8 附附 录录 8 引引 言言 随着生活的日新月异，电气产品在生活中的应用越来越广泛，各种类 型的电机更是层出不穷，然而在自动控制系统、电子仪器设备、家用电器、 电子玩具等方面，直流电机的应用还是占有突出地位。比如大家熟悉的录 音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。 直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大， 最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速 后效率很高。相对于交流电机而言，直流电机的调速是比较简单，而且它 的利用价值更高。本系统就是对直流电机调速的一个阐释！ 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其 固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直 流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，微处 理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器 以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流 调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直 流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的 阶段。 随着科技水平的提高，越来越多的直流电机需要它在正常工作的同时， 对它的转速也要能够精确的进行控制，这就要求直流电机的转速不仅要能 够在它允许的范围内转动，还要能够通过系统能够自动的调节电机的转速。 第第一一章章 总总体体方方案案的的选选择择 1.1 方方案案一一： pwm 波波调调速速 采用由达林顿管组成的 h 型 pwm 电路（h 桥） （图 1） 。用单片机控制达 林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种 电路由于工作在管子的饱和、截止状态下，效率非常高。h 桥电路保证了可 以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也极佳， 是一种广泛采用的 pwm 调速技术。在我的论文里面，h 桥采用了定频调宽的 方式，因为采用这种方式电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产 生 pwm 脉冲的软件实现上比较方便，对于直流电机采用软件延时所产生的 定时误差在允许范围内。总之，pwm 从处理器到被控系统信号都是数字形式 的，无需进行数模转换，同时对噪声抵抗能力的增强，不仅经济，而且节 约空间。 图图 1 1 pwmpwm 波调速电路波调速电路 1.2 方方案案二二 ：晶晶闸闸管管调调速速 采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置 供电的直流电动机调速系统。1957 年，晶闸管（俗称“可控硅” ）问世，到 了 60 年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系 统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m 系统） 。如图 2，vt 是 晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 gt 的控制电压来移动触发脉冲的 c u 相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在 d u 经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越 性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用 4 10 晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作 用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提 高系统的动态性能。因此，在 60 年代到 70 年代，晶闸管可控整流器供电 的直流调速系统（v-m 系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（g-m 系统） ，得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流 反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的 与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另 du dtdi dt 外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造 成“电力公害” ，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。 图图 2 晶晶闸闸管管可可控控整整流流器器供供电电的的直直流流调调速速系系统统（v-m 系系统统） 与方案二相比较，方案一的调速特性优良、调整平滑、调速范围广、 过载能力大，因此本设计采用方案一。 第第二二章章 各各单单元元硬硬件件方方案案论论证证 要精确地控制直流电机的转速，硬件电路的要求相对而言是比较高的， 它直接决定直流电机调速的精度。采用 pid 控制器，因此需要设计一个闭 环直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，利用自动控制的原理将电机 的转速误差逐渐的变为零，也就是使电机速度等于设定值，并且实时显示 电极的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：系统结构 方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证， pwm 软件实现方案论证。 2.1 微微处处理理器器的的选选择择 方案一：采用一片单片机（at89s52）完成系统所有测量、控制运算， 并输出 pwm 控制信号。 方案二：采用两片单片机（at89s52）,其中一片做成 pid 控制器，专 门进行 pid 运算、pwm 控制信号输出和电机转速的测定；另一片则系统主 芯片，完成电机速度的键盘设定、预设速度显示，并向 pid 控制器提供设 定值，设定 pid 控制器的控制速度等。 方案一的优点是系统硬件简单，结构紧凑。但是其造成 cpu 资源紧张， 程序的多任务处理难度增大，不利于提高和扩展系统性能，也不利于向其 他系统移植。方案二则与方案一相反，虽然硬件增加，但在程序设计上有 充分的自由去改善速度测量精度，缩短测量周期，优化键盘，显示及扩展 其它功能。与此同时，pid 控制算法的实现可以精益求精，对程序算法或 参数稍加改动即可移植到其他 pid 控制系统中。为了更好的完成直流电机 的调速设计，也为了使电机的转速更加的精准，综合考虑，我还是选择方 案二。 2.2 测测速速传传感感器器的的选选择择 方案一：使用测速发电机，输出电动势 e 和转速 n 成线性关系，即 e=kn，其中 k 是常数。改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。 方案二：采用霍尔传感器，霍尔元件是磁敏元件，在被测的旋转体上 装一磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号， 经放大整形得到脉冲信号，送运算。 方案三：利用一个能够反光的小圆片，在它的径向上开一个小缺口， 利用红外光电耦合器，每转半圈 out 端输出一个上脉冲，然后用单片机在 单位时间里面来采集上升源的个数，这样就完成速度的采集。 经比较，方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便， 准确率也没方案二的高，并且方案二不需要 a/d 转换，直接可以被单片机 接收。但方案二的霍尔传感器的采购不是很方便，价格比较的昂贵，方案 三的硬件电路简单，采购方便，更重要的是它具有方案二的几乎所有的优 点，故选择方案三。 方案三中具体的记数方法是通过单片机记数时间 s（秒）内的脉冲数 n，从而计算得到每分钟的转速：m=n/s60。同事还可以采用定时的方法： 是通过定时器记录脉冲的周期 t，这样每分钟的转速：m=60/t。 比较两个计数方法，方法一的误差主要是1 误差（量化误差） ，假设 电机的最低设计转速为 120 转/分，则记数时间 s=1s，所以其误差的绝对值 |=|(n1)/s60-n/s60=60（转/分） ，误差计算公式表明，增大记数时间可 以提高测量精度，但这样做却增大了速度采样周期，会降低系统控制灵敏 度。而方法二所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短， 误差 =60/（t1）-60/t，设电机速度在 1206000 转/分之间，那么 0.01st0.5s，代入公式得：0.00024|0.6（转/分） 。由此明显看出,方法 二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方法一，所以我在这里采 用方法二进行计数。 2.3 键键盘盘显显示示方方案案论论证证 方案一：采用 44 键盘，可直接输入设定值。显示部分使用两个 4 位 数码管，优点是显示亮度大，显示的比较的完整，能够将电机的转速完整 的显示出来，同时采用 4x4 的矩阵键盘能够充分的利用单片机的有效资源 对直流电机的初值、开始、停止、加速、减速、反向进行设置。 方案二：使用 4 个按键，进行逐位设置。显示部分是使用支持中文显 示的 lcd，优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展； 缺点是成本高，抗干扰能力较差，不利于用在条件相对比较恶劣的环境下 工作。 为了系统的使用范围更加的广阔，也为了使系统的可利用价值更高， 本设计完全采用方案一。 2.4 输输入入输输出出通通道道 由于选用了红外光电耦合器进行测速，故微处理器采集到的信号直接 是脉冲信号，无需经过 a/d 转换就可以输入到单片机中。由于采用 pwm 控制直流电机的电枢电压，故单片机的输出经放大驱动电路就可以直接控 制电机的电枢电压，以此来控制电机的转速。 2.5 pwm 实实现现方方案案论论证证 pwm 信号的产生通常有两种方法:一种是软件的方法；另一种是硬件 的方法。 方案一：基于 ne555、sg3525 等一系列的脉宽调速系统：此种方式采 用 ne555 作为控制电路的核心，用于产生控制信号。ne555 产生的信号要 通过功率放大才能驱动后级电路。ne555、sg3525 构成的控制电路较为复 杂，且智能化、自动化水平较低，在工业生产中不利于推广和应用。 方案二：基于单片机类由软件来实现 pwm：在 pwm 调速系统中占空比是 一个重要参数，在电源电压不变的情况下，直流电机电枢端电压的平均值 取决于占空比的大小，改变占空比的值可以改变电枢端电压的平均值从而 达到调速的目的。改变占空比有三种方法： 图图 3 电枢电压占空比图电枢电压占空比图 a、定宽调频法：保持不变，只改变 t2，这样使周期(或频率)也随之改变。 1 t b、调宽调频法：保持 t2不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。 1 t 单片机（速度的 测量计算、输入 设定及系统控制） 单片机（pid 运算控制器、 pwm 模拟发生器） 电机 速度采集电路 h 桥驱动电路 矩阵键盘 数码管显示 c、定频调宽法：保持周期 t(或频率)不变，同时改变或 t2。 1 t 在这三种方法中，前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)， 当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用 方法 c 来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压是最好的选择。利 用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种 方式可简化硬件电路，操作性强等优点。综合考虑选方案二，采用定频调 宽法。 第第三三章章 系系统统结结构构框框图图设设计计 系统原理框图如图 4 所示，是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系 统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息，然 后通过 pid 控制算法，控制处理器产生 pwm 波，改变它的占空比（主要 是控制延时） 。 图图 4 4 系统原理框图系统原理框图 第第四四章章 单单元元模模块块设设计计 4.1 h 桥桥驱驱动动电电路路设设计计方方案案 达林顿管是由两个三极管接在一起而组成的，极性只认前面的三极管。 两个三极管的连接图如图 5。 图图 5 5 达林管结构图达林管结构图 达林顿管又称复合管。它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只 新的三极管。这只新的三极管的放大倍数是原来的两个三级管放大倍数的 乘积。 达林顿电路有两种种接法：同极性接法（npn+npn，pnp+pnp） ，异 极性接法（npn+pnp,pnp+npn） 。达林管的应用就相当于一只普通的三极 管，在利用它做 h 桥的时候也只需要遵循普通的三极管的使用规则就可以 了。相对于普通的三极管而言，它的主要适用范围是大功率开关电路、电 机调速电路、逆变电路等。 由于达林顿管是特殊的三极管，所以在下面的 论述中我就采用最简单的三极管构成的 h 桥进行论证。 h 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机，如图 6 所示，要使电 机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对电流的导通 情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图图 6 6 h h 桥驱动电路桥驱动电路 如图 7，当 q1 管和 q4 管导通时，电流就从电源正极经 q1 从左至右穿 过电机，然后再经 q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电 流将驱动电机顺时针转动。 图图 7 7 h h 桥驱动电机顺时针转动桥驱动电机顺时针转动 图 8 所示为另一对三极管 q2 和 q3 导通的情况，电流将从右至左流过 电机，从而驱动电机沿相反方向转动。 图图 8 8 h h 桥驱动电机逆时针转动桥驱动电机逆时针转动 4.2 调调速速设设计计方方案案 调速采用 pwm（pulse width modulation）脉宽调制，为了使系统的工 作稳定我们选择了输出 pwm 波采用定频调宽的方法。 pwm 脉宽调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种 非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域 中。而我们采用的定频调宽是利用微处理器对采集回来的转速值与设定的 转速值进行比较，利用 pid 算法，将这个差值的变化变成 pwm 波脉宽的变 化，也就是增大或者是减小占空比，从而纠正电机的转速，使电机的转速 无限的趋近于设定的转速值，这样就实现了一个自动控制的环节。利用这 种闭环自动控制原理我们就轻松实现了电机的转速的控制。 第第五五章章 系系统统硬硬件件电电路路设设计计 5.1 电电源源电电路路 5.1.1 芯片介绍 在设计这个系统的时候，各种各样的电源芯片让人眼花缭乱，但是经过 仔细的考究，我还是选择了 78 系列的电源芯片。 用 78 系列三端稳压 ic 来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部 还有过流、过热及调整管的保护电路。该系列集成稳压 ic 型号中的 78 后 面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 7806 表示输出电压为正 6v。 有时在电源芯片的数字 78 后面还有一个 m 或 l，如 78m12,用来区别输 出电流和封装形式等，其中 78l 调系列的最大输出电流为 100ma，78m 系列 最大输出电流为 1a，78 系列最大输出电流为 1.5a。在我的这个电路调速的 应用中，应在三端集成稳压电路上安装一个散热器，这是因为温度过高， 芯片的稳压管的性能将变差，甚至损坏，从而导致整个系统的崩溃。 5.1.2 电路原理图 电源电路采用 78 系列芯片产生+5v、+15v。电路图如图 9： 图图 9 9 7878 系列的电源电路系列的电源电路 5.2 h 桥桥驱驱动动电电路路 基于达林顿管的使用机理和特性，在驱动电机中采用 h 桥（图中用最简 单的三极管代替）功率驱动电路，h 桥功率驱动电路可应用于步进电机、交 流电机及直流电机等的驱动。直流电机控制使用 h 桥驱动电路（图 10） ，当 pwm1 为低电平,通过对 pwm2 输出占空比不同的矩形波使三极管 q1、q6 同时 导通 q5 截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当 pwm2 为 高电平,通过对 pwm1 输出占空比不同的矩形波使三极管 q2、q5 同时导通， q6 截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。 图图 1010 h h 桥的电机驱动电路桥的电机驱动电路 5.3 电电机机测测速速电电路路的的设设计计 理论上，是先将转速转化为某一种可以方便测量的电量来进行测量，如 电压、电流等。在我的设计中我采用了另外的一种方法，就是将直流电机 的转速测量转化换为电机脉冲频率的测量。基于这一思想，我采用了三极 管输出型红外光电耦合器。如图 11 所示，在电机转轮一处开一条宽度大约 为 5mm 的缝，这样，每转一圈，三级管（红外接收头）透光导通一次，out 端输出一个上脉冲，然后用单片机来计数单位时间上升沿的个数，这样就 完成了直流电机转速的测量。 图图 1111 电机测速电路电机测速电路 5.4 数数码码管管显显示示模模块块 在这里我采用两块数码管进行显示，一块数码管用来显示外部在最开 始输入的电机转速，也就是预设电机转速（如图 12） ，而另一块数码管就是 用来显示电机的当前转速，这样我们就会非常直观的观察电机转速的变化 （如图 13） 。 图图 1212 数码管显示预设速度电路数码管显示预设速度电路 图图 1313 时时显示电机转速时时显示电机转速 第第六六章章 核核心心控控制制算算法法 根据测速电路的反馈，得知电机的转速。此转速是与电机两端的电压 呈正比，通过比较它与预设转速的大小，我们可以通过 pwm 控制电平的占 空比来调节电机的转速。占空比越大，速度越快，反之亦然。为了实现直 流电机的转速的自动控制，因此在这里我必须采用 pid 控制算法。 pid 算法是本程序中的核心部分。采用 pid 模糊控制技术,通过 pvar、ivar、dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊 控制来解决惯性误差问题。 pid 算法大致可分为置位式和增量式两种。两种都用于模糊控制技术。 其原理就是当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增 量时，需要用 pid 的“增量算法” 。 图图 1414 增量式增量式 pidpid 控制算法控制算法 增量式 pid 控制算法可以通过（1）式推导出。由(1)可以得到控制器 的第 k-1 个采样时刻的输出值为： 将（1）与（2）相减并整理，就可以得到增量式 pid 控制算法公式为： （3） 其中 由（3）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期 t，一旦 确定 a、b、c，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（3）求出控制 量。 增量式 pid 控制算法与位置式 pid 算法（1）相比，计算量小得多，因 此在实际中得到广泛的应用。 位置式 pid 控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式： （4） （4）就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推 pid 控制算法 比例系数 p 对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏， 速度加快，稳态误差减小；p 偏大，振荡次数加多，调节时间加长；p 太大 时，系统会趋于不稳定；p 太小，又会使系统的动作缓慢。p 可以选负数， 这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果 p 的符号 选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的 情况 p 的符号就一定要取反。 积分控制 i 对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，i 小 （积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精 度。 微分控制 d 对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，d 偏大 时，超调量较大，调节时间较短；d 偏小时，超调量也较大，调节时间也较 长；只有 d 合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 第第七七章章 软软件件设设计计模模块块 7.1 总的程序流程图总的程序流程图 7.2 pwm 波软件设计波软件设计 程序流程图 ： 通过控制总中断使能 ea 控制电机的开关，同时使能对红外对接头输出 的方波在单位时间内脉冲个数的计数。其中定时器 t0,t1分别对脉冲的宽度、 红外对接头输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改 变高电平的定时长度，由变量 high 控制。变量 swap、 sub_speed 、add_speed 分别实现电机的转向、加速、减速。 /*通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序 */ void motor_control() if(open = 1) ea = 1; if(close = 1) ea = 0; if(swap = 1) change = change; while(swap != 0) if(sub_speed = 1) high+; if(high = 30) ea=0; while(sub_speed != 0) if(add_speed = 1) high-; if(high = 5) high = 5; while(add_speed != 0) 7.3 测速软件设计测速软件设计 初始化 定时器 t1 开始计时 对单位时间内的脉冲计数 n 根据公式计算出电机的速度 数码管显示转速和预设速度 add/sub/swap 是否按下 开始 n y 图 12 软件测速的方框图 /*t1中断服务程序*单位时间（s）方波的个数*/ void time1_int(void) interrupt 3 count_speed+; if(count_speed = 20) count_speed = 0; num_display = num_medium; num_medium = 0; 7.4 pid 控制流程控制流程 开始 pid参数初始 化 取给定值r(k) 和测量值c（k ） e(k)=r(k)-c(k) |e(k)|setpoint - nextpoint; /* 计算当前偏差 */ pp-sumerror += error; /* 积分总偏差*/ derror = pp-lasterror - pp-preverror; /* 当前微分 */ pp-preverror = pp-lasterror; pp-lasterror = error; /* 三个误差值移位 */ return(nextpoint+pp-proportion*error+pp-integral*pp-sumerror +pp- derivative*derror); /*返回总的误差值*/ 7.5 数数码码管管移移位位显显示示 数数码码管管显显示示程程序序：见见附附录录 第八章第八章 系统功能系统功能调试调试 8.1 调调试试软软件件介介绍绍 altium designer 6.9是应用于 windowsxp 等各种操作系统下的 eda 设 计软件，它的一体化设计结构将硬件、软件和可编程硬件集合在一个单一 的环境中，让用户自由地探索新的设计构想。在整个设计构成中，每个人 都使用同一个设计界面，同时包括了增加更多的机械层设置、增强的原理 图网络类定义。新版本中更关注于改进测试点的分配和管理、精简嵌入式 软件开发、软设计中智能化调试和流畅的 license 管理等功能。按照系统 功能来划分，altium designer 6.9主要包含6个功能模块：电路工程设计 部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程 逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。存储器和特殊功能寄存器的存 取、中断功能、灵活的指针 keilc51是标准 c 编译器为8051微控制器的软件开发提供的 c 语言环境,同 时保留了汇编代码高效,快速的特点。c51编译器的功能不断增强，使你可 以更加贴近 cpu 本身，及其它的衍生产品。c51已被完全集成到 uvision2的 集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系 统，项目管理器，调试器。uvision2 ide 可为它们提供单一而灵活的开发 环境。 keilc51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工 具，全 windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代 码，就能体会到 keilc51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇 编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 proteus 软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和 模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。proteus 软件提供 多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，proteus 还提供图形显示功能，可以 将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表 具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减 少仪器对测量结果的影响，proteus 软件提供丰富的测试信号用于电路的测 试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供 schematic drawing、spice 仿真与 pcb 设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备， 可以仿真51系列、avr、pic 等常用的 mcu，并提供周边设备的仿真，例如 373、led、示波器等。proteus 提供了大量的元件库，有 ram、rom、键盘、 马达、led、lcd、ad/da、部分 spi 器件、部分 iic 器件，编译方面支持 keil 和 mplab 等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚 拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬， 就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数 字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。当电 路设计完成之后，为了减少在电路板上调试时的难度，保证电路设计的正 确性，将 keil c51编译生成的*.hex 文件载入 proteus 软件，实现电路仿 真。 8.2 直直流流电电机机的的调调速速 功功能能仿仿真真 设置完电机的启动转速（预设速度，图14）后，当按下 ready 键时， 电机开始工作，首先直流电机是以单片机最初设定的转速开始设定的 pwm 波控制电机开始转动，当两片单片机之间的数据交流完毕之后，控制产生 pwm 波的单片机（图15）就开始利用计算得到的误差，采用 pid 模糊控制算 法来逐步的减少误差，使其工作在最小误差范围内。若需要在极小的范围 内加快电机的转速（由于本系统转速调整范围小，故不设有连续按键，若 要打范围调整电机转速，可按下 close 键，待数据清零后重新输入转速， 在 ready） ，则按下 add 键，直到达到想要的电机转速（当然是不能超出电 机允许的最大转速）为止；相反，需要减慢电机的转速时，则按下 sub 键， 微小的调节转速。当然，在某种特定的环境下，还需改变电机的转向，此 时，你可以按一下 swap 键，以达到改变电机转向的目的。当电机不工作时， 则按下 close 键。 由于在本系统中采用了两块单片机，故就需要用到单片机之间的通信， 本系统采用的设计思想就是首先分别对两片单片机进行代码的下载，然后 利用两片单片机精确地延时，进行数据交流，待延时结束，两片单片机的 数据交流完成，预设速度传到执行单片机（执行电机接收到 ready 键传来 的高电平之后，电机就以最初始的转速开始转动，同时执行单片机的数码 管开始显示当前电机的转速） ，进行 pid 控制，纠正电机转速，使其工作在 最小的误差范围内。 图图 1515 预设速度显示预设速度显示 图图 1616 执行单片机执行单片机 8.2.1 调速前的波形图 图图 1717 电机启动时的脉冲波形占空比电机启动时的脉冲波形占空比 8.2.2 调速后的波形图 图图 1818 电机减速后的脉冲波形占空比电机减速后的脉冲波形占空比 8.3 电电机机速速度度的的测测量量并并显显示示 功功能能仿仿真真 对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。用户可以根据 数码管上面的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。从显示数字的 稳定程度，也可以判断电机转速的稳定性。若显示数字几乎不变，则说明 电机工作十分稳定；与之相反，显示数字不停地变化，则说明电机工作非 常不稳定。 图图 1919 直流电机系统的直流电机系统的 proteusproteus 仿真仿真 8.4 系系统统的的电电路路原原理理图图 图图 2020 直流电机调速系统的原理图直流电机调速系统的原理图 直流电机调速系统由电源模块、单片机控制单元、电机驱动电路、数 码管显示电路、红外光电耦合器电路构成。 设计总结设计总结 这一段时间过的无比的充实，每天都在忙碌着，查阅资料，翻看文档， 了解相关的知识，每一个设计细节都要仔细的考虑，每一个环节都要查阅 相关的资料，争取做到完美。在这个系统中以前学的很多东西现在都用上 了，数码管的移位显示等等都是在以前学习的基础上慢慢调试出来的，所 以在写这篇论文的时候又让我对以前的知识进行了一次回顾，对单片机的 应用又有了新的认识！真是受益匪浅！ 通过本次课程设计，我学到了许多了东西，知道光靠书本上的东西是 不够的，需额外去查资料。无论是在硬件、软件还是设计思路上，我都遇 到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上 学不到的东西如（pwm） 。也锻炼了我的 protel 画图能力，以前学的时候 元器件都是给定的只要到库里面找出名字就可以，只要连线就可以，而这 次是根据自己的设计需要去画，感觉不同。也知道了 pid 算法的应用，以 前总觉得 pid 就是像做数学一样，不知道实际应用。通过本次设计，让我 很好的锻炼了理论与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让 我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题 怎样用理论去解决。以前总把一个单片机系统想的很简单，由输入通道、 单片机、输出通道、输入显示等各个单元凑一起就完了，但实际需考虑很 多，如如何使投资最小而得到最好的效果，各个单元如何连接等。 致致 谢谢 在本次毕业设计中，不仅自己付出了很多心血，也得到了很多老师和 同学的支持，为我创造了很多有利条件，在这里，我要特别感谢我的指导 老师刘明江老师，在毕业设计的开始，老师给了我很多帮助，指导我了解 了很多单片机的相关知识，并在当我设计遇到困难时，及时的给予帮助和 鼓励，同时，对我其他学科的鼓励也渗透在毕业设计的同时，给了我莫大 的信心，为我顺利完成毕业设计起到了非常重要的作用。同时，还要感谢 帮助我的同学，在我遇到困难时给予我耐心的帮助。再次对在本次毕业设 计中给予过我帮助的老师和同学至上我最真挚的谢意。 参考文献参考文献 1.1 傅丰林模拟电子线路基础 m. 西安：西安电子科技大学出版社，2001.1 2.2 江志红51 单片机技术与应用系统开发案列精选 m. 北京：清华大学出版 社，2008.12 3.3 王选民 智能仪器原理及设计 m. 北京:清华大学出版社，2008.7 4.4 文东 孙鹏飞 c 语言程序设计 m. 北京：中国人民大学出版社，2009.2 5.5 杨加国 单片机原理与应用及 c51 程序设计 m. 北京