[工学]基于单片机的直流电机闭环调速系统的设计.doc

毕业设计说明书 基于单片机的直流电机闭环调速 系统的设计 学生姓名： 学号： 学 院： 系 名： 专 业： 指导教师： 2012 年 6 月 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 基于单片机的直流电机闭环调速系统的设计 摘要：在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有 很多，模拟 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构， 并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟 PID 控制系统中，参数 一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参 数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟 PID 控制 器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字 PID 技术 渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟 PID 所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、 可靠性高等优点，应用面越来越广。 本设计以上面提到的数字 PID 为基本控制算法，以 AT89S51 单片机为控制核心， 产生占空比受数字 PID 算法控制的 PWM 脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用 霍尔传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转 速检测目的。在系统中采用 LCD1602 显示器作为显示部件，通过 5 个按键来实现正反 转和加减速控制，启动后可以通过显示部件了解电机当前的转速。电机驱动部分采用 的是专门的驱动芯片来实现正反转控制。 关键词：数字 PID,PWM 脉冲,直流电机 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 DC motor closed-loop speed control system based on single-chip design Abstract：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 analog 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 conditions 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 thriving 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 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 detection. 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. Keywords: digital PID, PWM impulse, DC motor XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第页 共页 目 录 1 引言1 2 PID 算法及 PWM 控制技术简介2 2.1 PID 算法2 2.1.1 模拟 PID2 2.1.2 数字 PID3 2.1.3 数字 PID 参数整定方法5 2.2 PWM 脉冲控制技术9 2.2.1 PWM 控制的基本原理9 2.2.2 直流电机的 PWM 控制技 术10 3 硬件电路设计部分12 3.1 系统设计方案12 3.2 控制器模块设计方案12 3.3 电机驱动模块设计方案12 3.4 电源模块设计方案13 3.5 速度采集设计模块14 3.6 显示模块设计方案14 3.6.1 引脚分布和接口信号说明14 3.6.2 LCD 液晶电路15 4 软件设计部分17 4.1 驱动电力程序流程17 4.2 直流电机的中断键盘控制模块17 4.2.1 外部中断设置17 4.2.2 外部中断扩展18 4.3 显示程序流程图20 5 系统功能调试21 5.1 PROTEUS 使用21 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第页 共页 5.2 电路仿真22 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第页 共页 6 结论25 附录 A 系统总电路图26 附录 B 源程序27 参考文献35 致 谢37 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 1 页 共 37 页 1 1 引言引言 21 世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备 的性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成 为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。 1 控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 其控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。不同的控制系统、传 感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制 系统的传感器是温度传感器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已经很多， 产品已在工程实际中得到了广泛的应用。 受益于数十年来全球经济高速成长所获得的 PID 控制成果,在中国市场，一大批机 器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国 际市场，参与国际竞争也成为现实需求。在应用方面，这种控制技术已经渗透到了医 疗、汽车制造、铁道运输、航天航空、钢铁生产、物流配送、饮料生产等多个方面。 但是由于中国科技落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技 术与解决方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。在国外，尤其在运动控制及过 程控制方面 PID 控制技术的应用更是越来越广泛和深入。随着科技的进步，人们对 3 生活舒适性的追求将越来越高，PID 控制技术作为一项具有发展前景和影响力的新技术， 正越来越受到国内外各行业的高度重视。 本次设计主要研究的是 PID 控制技术在运动控制领域中的应用，众所周知运动控 制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产 要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用 PID 控 制技术对直流电机转速的控制。其设计思路为：以 AT89S51 单片机为控制核心，产生 占空比受 PID 算法控制的 PWM 脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用霍尔传感器 将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统。在系统中采 LCD1602 显示器作为显示部件，通过 5 个按键实现正反转控制和速度预置功能，启动后 可以了解当前速度。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模 块、速度检测模块、人机交互模块。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 2 页 共 37 页 比 例 微 分 积 分执行机构对象 r(t) + - + + u(t)c(t)e(t) 2 2 PIDPID 算法及算法及 PWMPWM 控制技术简介控制技术简介 2.12.1 PIDPID 算法算法 控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控 制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微 分（D）进行的控制，称为 PID 控制。实际经验和理论分析都表明，PID 控制能够满足 相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分 4 别介绍模拟 PID、数字 PID。 2.1.1 模拟 PID 在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是 PID 控制，常规 PID 控制系统原 理框图如图 2.1 所示，系统由模拟 PID 调节器、执行机构及控制对象组成。 图 2.1 模拟 PID 控制系统原理框图 PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制)(tr)(tc 偏差: = （2.1）)(te)(tr)(tc 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故 称为 PID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将 P、I、D 基本控 制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P 调节器，PI 调节器，PID 调节器等。 模拟 PID 调节器的控制规律为 )( )( 1 )()( 0dt tde Tdtte T teKtu D t I p （2.2） XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 3 页 共 37 页 式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。 P K I T D T 简单的说，PID 调节器各校正环节的作用是： （1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号,偏差一旦产生，调)(te 节器立即产生控制作用以减少偏差； （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强； I T I T （3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间。 5 由式 2.2 可得，模拟 PID 调节器的传递函数为 ) 1 1 ( )( )( )(ST ST K SE SU SD D I P （2.3） 由于本设计主要采用数字 PID 算法，所以对于模拟 PID 只做此简要介绍。 2.1.2 数字 PID 在 DDC 系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完 成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能 识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必 须对控制规律进行离散化的算法设计。 为将模拟 PID 控制规律按式（2.2）离散化，我们把图 2.1 中、)(tr 、在第 n 次采样的数据分别用、表示，于)(te)(tu)(tc)(nr)(ne)(nu)(nc 是式（2.1）变为 ： = )(ne)(nr)(nc （2.4） 当采样周期 T 很小时可以用 T 近似代替，可用近似代替，dt)(tde) 1()(nene “积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 4 页 共 37 页 （2.5） T nene dt tde) 1()()( （2.6） t n i Tiedtte 0 1 )()( 这样，式（2.2）便可离散化以下差分方程 （2.7） 0 1 )1()()()()(unene T T ne T T neKnu n i D I P 上式中是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P） 0 u 项,即 )(nuP （2.8） )()(neKnu Pp 第二项起积分控制作用,称为积分（I）项即)(nuI （2.9） n i I PI ie T T Knu 1 )()( 第三项起微分控制作用,称为微分（D）项即)(nuD （2.10） )1()()(nene T T Knu D PD 这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有: P 控制: （2.11） 0 )()(ununu P PI 控制: 0 )()()(unununu IP （2.12） PD 控制: （2.13） 0 )()()(unununu DP PID 控制: （2.14） 0 )()()()(ununununu DIP 式（2.7）的输出量为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻)(nu 应达到的位置。因此,式（2.7）又称为位置型 PID 算式。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 5 页 共 37 页 PID 位置算法 控制器被控对象 r(t) + - e(t)uc(t) PID 增量算法 控制器被控对象 r(t) + - e(t)uc(t) 由（2.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差,不仅要)(ie 占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（2.7）进行改进。 根据式（2.7）不难看出 u(n-1)的表达式，即 0 1 1 )2() 1()() 1() 1(unene T T ne T T neKnu n i D I P （2.15） 将式（2.7）和式（2.15）相减，即得数字 PID 增量型控制算式为 ) 1()()(nununu （2.16） )2() 1(2)()()1()(neneneKneKneneK DIP 从上式可得数字 PID 位置型控制算式为 )(nu 0 )2() 1(2)()()1()(uneneneKneKneneK DIP （2.17） 式中： 称为比例增益； P K 称为积分系数； I PI T T KK 称为微分系数1。 T T KK D PD 数字 PID 位置型示意图和数字 PID 增量型示意图分别如图 2.2 和 2.3 所示： 图 2.2 数字 PID 位置型控制示意图 图 2.3 数字 PID 增量型控制示意图 2.1.3 数字 PID 参数整定方法 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 6 页 共 37 页 如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控 过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输 出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持 稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足 主要方面，并兼顾其它方面。 PID 调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用 理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一 般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参 数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌 粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。下面介绍两种常用的简易工程整定法。 6 （1）扩充临界比例度法 这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。使用这种方法整定数字调节器参数的步骤 是： 选择一个足够小的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时 间的十分之一以下。 用选定的采样周期使系统工作：工作时，去掉积分作用和微分作用，使调节器 成为纯比例调节器，逐渐减小比例度（）直至系统对阶跃输入的响应达到 P K/1 临界振荡状态，记下此时的临界比例度及系统的临界振荡周期。 K k T 选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将 DDC 的控制效果与模拟 调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。 0 2 )(te 控制度 模拟 )( )( 0 2 0 2 dtte dtte DDC （1.18） 实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度仅表示控制效果的物理概 念。通常，当控制度为 1.05 时，就可以认为 DDC 与模拟控制效果相当；当控制度为 2.0 时，DDC 比模拟控制效果差。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 7 页 共 37 页 根据选定的控制度，查表 2.1 求得 T、的值 P K I T D T 表 2.1 扩充临界比例度法整定参数 （2）经验法 经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲 线，来调整 P、I、D 三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行： 参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 控制度控制规律T P K I T D T 1.05PI0.03 K T0.53 K 0.88 K T 1.05PID0.014 K T0.63 K 0.49 K T0.14 K T 1.20PI0.05 K T0.49 K 0.91 K T 1.20PID0.043 K T0.047 K 0.47 K T0.16 K T 1.50PI0.14 K T0.42 K 0.99 K T 1.50PID0.09 K T0.34 K 0.43 K T0.20 K T 2.00PI0.22 K T0.36 K 1.05 K T 2.00PID0.16 K T0.27 K 0.40 K T0.22 K T XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 8 页 共 37 页 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢，微分时间应加长。 下面以 PID 调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 让调节器参数积分系数=0，实际微分系数=0，控制系统投入闭环运行， I K D K 由小到大改变比例系数，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的 P K 控制过程为止。 取比例系数为当前的值乘以 0.83，由小到大增加积分系数，同样让扰动 P K I K 信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 积分系数保持不变，改变比例系数，观察控制过程有无改善，如有改善 I K P K 则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数增大一些，再调整积分系数， P K I K 力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数和积分系数为止。 P K I K 引入适当的实际微分系数和实际微分时间，此时可适当增大比例系数 D K D K 和积分系数。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程 P K I K 满意为止。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 9 页 共 37 页 2.22.2 PWMPWM 脉冲控制技术脉冲控制技术 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对 一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 2.2.1 PWM 控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯 性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同， 是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频 段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图 2.4 中 a、b、c 所示的三个窄脉冲形状不 同，其中图 2.4 的 a 为矩形脉冲，图 2.4 的 b 为三角脉冲，图 2.4 的 c 为正弦半波脉 冲，但它们的面积（即冲量）都等于 1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上 时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如图 2.4 的 d 所示的单位脉冲函数时，)(t 环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 7 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 10 页 共 37 页 a b c d ab i i(t) i(t) e(t) R L 0 图 2.4 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图 2.5a 的电路是一个具体的例子。图中为窄脉冲，其形状和面积分别如图 2.4)(te 的 a、b、c、d 所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的 R-L 电路上，设 其电流为电路的输出。图 2.5b 给出了不同窄波时的响应波形。从波形可以看)(ti)(ti 出，在的上升段，脉冲形状不同时的形状也略有不同，但其下降段几乎完全)(ti)(ti 相同。脉冲越窄，各波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应)(ti 也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各在低频段的特性非常接近，)(ti)(ti 仅在高频段有所不同。 图 2.5 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 2.2.2 直流电机的 PWM 控制技术 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大， 能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程 自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统 领域中得到了广泛的应用。 直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和 f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t a b c d XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 11 页 共 37 页 U(t) 0tTt0 U 改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如 改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法 的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压 调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流 PWM 调速系统两种。直流 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速 特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗 干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、 装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。正因为直 流 PWM 调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽 调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。 8 根据 PWM 控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的 PWM 脉冲与相等 时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间 T 内脉冲宽度为 ,幅值为 U，由图 2.6 可求得此时间内脉冲的等效直流电压为： 0 t 图 2.6 PWM 脉冲 ，若令，即为占空比，则上式可化为： T Ut U 0 0 T t0 (U 为脉冲幅值) （2.19）UU 0 若 PWM 脉冲为如图 2.7 所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方 法与上述相同，即 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 12 页 共 37 页 U(t) 0tTt0 U 2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0 键盘模块控制器模块 显示模块 电机驱动模块直流电机 速度检测模块 PWM脉冲 （为矩形脉冲占空比） （2.20） U T Ut nT Unt U 00 0 图 2.7 周期性 PWM 矩形脉冲 由式 2.20 可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值 U 和占空比 来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比 的大小实现等效直流电压在 0U 之间任意调节，从而达到利用 PWM 控制技术实现对 直流电机转速进行调节的目的。 3 3 硬件电路设计部分硬件电路设计部分 3.13.1 系统设计方案系统设计方案 根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图 3.1 所示。图中控制器模块为 系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能。在运行过程中控制器产生 PWM 脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将 当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字 PID 运算后改变 PWM 脉冲的占空比，实现 电机转速实时控制的目的。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 13 页 共 37 页 图 3.1 系统方案框图 3.23.2 控制器模块设计方案控制器模块设计方案 根据设计任务要求，采用 AT89S51 作为系统控制的方案。AT89S51 单片机算术运算 功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制4。相对 于 FPGA 来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、 技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。 3.33.3 电机驱动模块设计方案电机驱动模块设计方案 驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的 I/O 口不能直接驱 动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用 L298 电 机驱动芯片驱动电机，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行， 所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种 方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑 很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。 该芯片是由四个大功率晶体管组成的 H 桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替 导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空 比，调整电动机转速。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 14 页 共 37 页 图 3.2 驱动电路 3.43.4 电源模块设计方案电源模块设计方案 电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机 需要 12V 电源，而单片机、显示模块等其它电路需要 5V 的电源，因此电路中选用 7805 和 7812 两种稳压芯片。 而本设计电源电路采用 78 系列芯片产生+5V、+12V。电路图如图 3.3 所示： 图 3.3 电源电路 3.53.5 速度采集设计模块速度采集设计模块 速度的采集用霍尔传感器。通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。 （1）霍尔传感器的工作原理 霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压 UH 放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波 信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。脉冲信号的周期与电 机的转速的关系为：n= （n 为电机转速；P 为电机转一圈的脉冲数；T 为输出方 PT 60 波信号周期） 。 （2）测速电路原理图 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 15 页 共 37 页 图 3.4 速度采集电路 3.63.6 显示模块设计方案显示模块设计方案 采用 1602LCD 液晶显示器，该显示器控制方法简单，功率低、硬件电路简单、可 对字符进行显示。 3.6.1 引脚分布和接口信号说明 (1)引脚分布 1602 液晶显示共有 16 个引脚，其引脚分布如图 3.5 所示。 图 3.5 1602 液晶显示模块引脚分布 (2)引脚功能 1602 引脚功能如表 3.1 所示 表 3.1 1602 引脚功能 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 16 页 共 37 页 1VSSVSS 为地电源9D2Data I/O 2VDDVDD 接 5V 正电源10D3Data I/O 3VEE液晶显示偏压信号11D4Data I/O 4RS0 输入指令，1 输入数据12D5Data I/O 5R/W0 写入指令或数据，1 读信息13D6Data I/O 6E1 读取信息，10 执行指令14D7Data I/O 7D0Data I/O15BLA背光源正极 8D1Data I/O16BLK背光源负极 3.6.2 LCD 液晶电路 图 3.6 1602 液晶显示模块组成 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 17 页 共 37 页 4 4 软件设计部分软件设计部分 4.14.1 驱动电路程序流程驱动电路程序流程 电机驱动电路是专用的驱动芯片 L298，单片机给驱动芯片输出脉冲来控制电机， 程序流程图如下： 初始化 设置周期 将从键盘（中断）读取的数据送到 TH0 中，从而设计脉冲 给电机驱动芯片输出脉冲 开始 count=256? count=count+1 恢复现场 是 否 返回 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 18 页 共 37 页 图 4.1 定时中断服务流程图 4.24.2 直流电机的中断键盘控制模块直流电机的中断键盘控制模块 4.2.1 外部中断设置 （1） 外部中断允许设置 中断控制寄存器 IE 的 EX0 对应 INT0，EX1 对应 INT1，EA 为中断的总开关，若要开放 外部中断，只要将 IE 对应的位和总开关 EA 置 1 即可。 如：开放外部中断 0 的设置： SETB EX0 SETB EA 开放外部中断 0 和 1 的设置： SETB EX0 SETB EX1 SETB EA （2） 外部中断触发方式设置 单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单 片机外部中断触发方式与 TCON 的 IT 位有关。 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 电平触发设置方法：CLR ITX，为低电平触发方式。 脉冲触发设置方法：SETB ITX1，为脉冲下降沿触发方式。 在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。 （3） 外部优先级设置 外部中断 IN0、INT1 的中断优先级的设置是通过设置 IP 寄存器实现的，IP 的 PX0 对 应 INT0，PX1 对应 INT1。PX 置 1 为高级中断，PX 为 0 为低级中断。 XXXPSPT1PX1PT0PX0 4.2.2 外部中断扩展 在图 4.2 为外部中断扩展电路，设 X0、X1、X2、X3、X4 为外部警情信号，X0 代表 是加速信号，X0=0 表示加速；X1 代表减速信号，X1=0 表示减速；X2 代表正转信号， XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 19 页 共 37 页 X2=0 表示正转；X3 代表反转信号，X3=0 表示反转；X4 代表停止信号，X4=0 表示停止 处理。 图 4.2 外部中断扩展电路 当系统检测到有中断请求时，响应如下中断服务流程图 4.3。 中断请求 加速 减速 正转 X3=0? 反转 停止 X2=0? X1=0? X0=0? 是 是 是 是 否 否 否 X4=0? 否 是 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 20 页 共 37 页 图 4.3 中断服务流程 4.3 显示程序流程图 显示模块是实现人机对话的重要部分，在这里选用 LCD1602 作为显示器，其工作 流程图如下所示： 图 4.4 显示程序流程图 开始 对 LCD 初始化 将已知要提示的内容送入 LCD 并显示在第一行 将读取的速度和转向送入 LCD 并使其显示在第二行 一直等待 LJMP 设置电机的速度 是否为 0 一直等待 是 否 是否有命令 输入 否 是 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 21 页 共 37 页 5 5 系统功能系统功能调试调试 5.15.1 Proteus 使用使用 Proteus 是英国 Labcenter electronics 公司研发的 EDA 设计软件，是一个基于 ProSPICE 混合模型仿真器的，完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。Proteus 不 仅可以做数字电路、模拟电路、数模混合电路的仿真，还可进行多种 CPU 的仿真，涵 盖了 51、PIC、AVR、HC11、ARM 等处理器，真正实现了在计算机从原理设计、电路分 析、系统仿真、测试到 PCB 板完整的电子设计，实现了从概念到产品的全过程。以下 为本系统在 Proteus 中的仿真流程： （1）新建文件：打开 Proteus 点 File，在弹出的下拉菜单中选择 New Design， 在弹出的图幅选择对话框中选 Default。 （2）设置编辑环境：按上述的方法对 Proteus 的设计环境进行设置。 （3）元器件选取：按设计要求，在对象选择窗口中点 P，弹出 Pickdevices 对话 框，在 Keywords 中填写要选择的元器件，然后在右边对话框中选中要选的元器件，则 元器件列在对象选择的窗口中如图 5.1 所示 图 5.1 Proteus 元器件选取界面 （4）程序编译 中断请求 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 22 页 共 37 页 点菜单 SourceAdd/Remove source Files”在出现的对话框如图 5.2 中，选择 ASEM51 编辑器，将上面的汇编源程序 SEKED.ASM 添加。再点菜单 SourceBuild ALL 编译汇编源程序，生成目标代码文件 SWLED.HEX 图 5.2 程序添加界面 （5）程序加载 在编辑环境左击单片机然后右击，在弹出的对话框中将编译生成的 HEX 文件加载 到芯片中，设单片机的时钟工作频率为 12MHZ。 （6）电路仿真 点仿真按键，按照前面介绍的系统使用方法进行仿真。 5.25.2 电路仿真电路仿真 LCD 液晶显示电路的系统仿真与调试：在 Proteus 运行环境中首先检验 LCD 显示电 路，添加程序，运行 LCD 液晶显示电路能，系统若运行成功将得到如图 5.3。此后在之 前的电路基础之上再拓展带中断的独立式键盘，调试成功后的电路如图 5.4 所示。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 23 页 共 37 页 图 5.3 LCD 液晶显示字符初步调试 图 5.4 带中断控制的 LCD 液晶显示 调试用带中断的键盘来控制直流电机驱动模块的部分电路，如图 5.5。 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 24 页 共 37 页 图 5.5 用带中断的键盘来控制的电机 启动目标系统，按正转，然后接加速开关，我们观察到电机开始运转，每按一次 加速，电机的速度都要增加，此时如果按减速，则电机的转速慢慢地减小。同样按反 转转键也看到同样的结果，当按停止键时，电机慢慢停下来，图 5.6 是在目的电路刚 启动时未设置命令之前的状态，图 5.7 是在正转情况下的仿真结果，图 5.8 是在反转 情况下的仿真结果。 图 5.6 未按键时的初始状态 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 25 页 共 37 页 图 5.7 电机正转时的状态 图 5.8 电机反转时的状态 6 6 结论结论 本课题的目的在于利用单片机实现 PID 算法产生 PWM 脉冲来控制电机转速。到目 前为止通过对控制器模块、电机驱动模块、LCD 显示模块、数字 PID 算法等进行深入的 研究。完成了硬件电路的系统设计，并且利用 Protel 软件绘制出电路原理图。软件方 面利用汇编语言进行编程，并且利用 Proteus 软件进行仿真更加保证了程序的准确性。 归纳起来主要做了如下几方面的工作：1、PID 算法与 PWM 控制技术有机的结合； XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 26 页 共 37 页 2、设计了电机调速电路（原理图见附录 A） ；3、利用汇编语言进行程序设计，并通过 仿真（源程序见附录 B） 。根据上面论述结合测试数据可以看出本次设计基本完成了设 计任务和要求。 通过此次设计，掌握了数字 PID 算法的使用及编程方法，学习了如何进行系统设 计及相关技巧，为今后的工作和学习奠定了坚实的基础。 附录附录 A A 系统总电路图系统总电路图 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 27 页 共 37 页 直流电机调速系统的 Protel 原理图 附录附录 B B 源程序源程序 XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 28 页 共 37 页 ORG 0000H SJMP DISPLAY ORG 0003H LJMP BUTTON ; 外部 0 中断入口地址 ORG 000BH LJMP DINGSHI ; 定时中断 T0 入口地址 RS EQU P3.0 RW EQU P3.1 E EQU P3.4 ORG 0030H ; 此次直流电机的设计以 LCD 字符夜晶的 ; 显示程序为主程序 DISPLAY: SETB EA ; 打开中断总开关 SETB EX0 ; 打开外部中断 0 开关 SETB IT0 ; 打开外部中断 0 下降沿触发 MOV TMOD,#01H ; 设置定时工作方式 MOV TL0,#0FFH ; 设置定时初值 MOV TH0,#0FFH SETB ET0 ; 打开定时中断 T0 开关 CLR P0.5 CLR P0.6 CLR P0.7 SETB TR0 ; 定时器 T0 开始定时 MOV DPTR,#TAB ; 夜晶显示的字符首地址 MOV R0,#00H ; 脉宽的初值 MOV R1,#16 ; “SET SPEED PLEASE“的字符个数 MOV R3,#00H MOV R4,#00H LP9: XXX 学校 XXX 届毕业设计说明书 第 29 页 共 37 页 LCALL CHUSHI LP2: ACALL BUSY MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1,LP2 LP3: CJNE R3,#00H,LP4 CJN