《机电传动控制》模块化实验装置设计

1、摘 要在机电传动控制系统中，电机控制算法和手段有很多，最早开发的模拟PID控制早已形成了典型的结构。但是它的参数一旦设定，系统在运行过程当中无法改变 ，但实际上，一般系统由于参数、温度等的变化，难以获得理想的控制效果。伴随电子计算机的崛起，出现了许多智能控制，数字PID技术也迅速发展起来，其不仅满足了模拟PID的控制任务，还具有灵活的控制算法和高可靠性的优点。本系统的各功能单元独立模块化，主要以数字PID为核心控制算法、51单片机作为系统控制器，产生受数字PID控制的占空比的PWM脉冲，从而实现对直流电机转速或者位移的控制，组成一个位移随动系统。同时，利用霍尔器件将电机的当前速度转换成脉冲频率

2、反馈到单片机中，实现闭环控制并达到转速检测目的。系统中还采用了LCD1602作为显示器件，通过独立按键来实现电机正反转和加减速控制，以及P、I、D参数的设置，系统在启动后可以通过显示部件了解电机当前的状态。关键词：模块化；PID；控制；机电传动Abstract Intheelectromechanicaldrivecontrolsystem,therearemanymotorcontrolalgorithmsandmeans,theearliestdevelopedsimulationPIDcontrolhasalreadyformedatypicalstructure.However,onc

3、eitsparametersareset,thesystemcannotbechangedintheprocessofoperation.However,infact,itisdifficulttoobtaintheidealcontroleffectforthegeneralsystemduetothechangesofparametersandtemperature.Withtheriseofelectroniccomputers,therearemanyintelligentcontrol,digitalPIDtechnologyhasalsodevelopedrapidly,which

4、notonlymeetsthesimulationPIDcontroltask,butalsohastheadvantagesofflexiblecontrolalgorithmandhighreliability.Eachfunctionalunitofthesystemisindependentandmodularized.ThedigitalPIDasthecorecontrolalgorithmand51singlechipmicrocomputerasthesystemcontrollergeneratethePWMpulseofdutycyclecontrolledbydigita

5、lPID,soastorealizethecontrolofdcmotorspeedordisplacement,andconstituteadisplacementfollowupsystem.Atthesametime,halldeviceisusedtoconvertthecurrentspeedofthemotorintopulsefrequencyandfeedbacktothesinglechipmicrocomputertorealizetheclosedloopcontrolandachievethepurposeofspeeddetection.LCD1602isalsous

6、edasthedisplaydeviceinthesystem.Thepositiveandnegativerotationandaccelerationanddecelerationcontrolofthemotorarerealizedthroughindependentkeys,andtheparametersofP,IandDareset.Thecurrentstateofthemotorcanbeunderstoodthroughthedisplaycomponentsafterthesystemisstarted. Key Words：modularity;PID;control;

7、electromechanicaldrive- 35 -目 录摘 要 ABSTRACTI1 绪论- 2 -1.1 研究背景- 2 -1.2 研究价值- 2 -1.3 研究内容- 3 -1.4 小结- 3 -第二章 PID算法及PWM控制简介- 4 -2.1 PID算法- 4 -2.1.1 模拟PID- 4 -2.1.2 数字PID- 5 -2.1.3 数字PID参数整定方法- 7 -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- 9 -2.3 小结- 10 -第三章 系统模块设计方案- 11 -3.1 系统总体设计方案- 1

8、1 -3.2 控制器模块设计方案- 11 -3.3 电机驱动模块设计方案- 12 -3.4 速度采集模块设计方案- 12 -3.5 显示模块设计方案- 12 -3.6 键盘模块设计方案- 13 -3.7 电源模块设计方案- 13 -3.8 小结- 13 -第四章 模块化电路设计- 14 -4.1 硬件资源分配- 14 -4.2 电源模块电路设计- 14 -4.3 电机驱动模块电路设计- 15 -4.4 速度采集模块电路设计- 16 -4.5 显示模块电路设计- 16 -4.6 键盘模块电路设计- 18 -4.7 小结- 18 -第五章 软件模块设计- 19 -5.1 算法实现- 19 -5.1

9、.1 数字PID算法- 19 -5.2 系统程序流程- 20 -5.2.1 主程序流程图- 20 -5.2.2 速度采集模块算法- 21 -5.2.3 键盘模块程序流程- 22 -5.2.4 定时程序流程- 22 -5.2.5 显示模块程序流程- 23 -5.2.6 驱动模块程序流程- 25 -5.3 Keil uVision4软件简介- 25 -5.4 系统Proteus仿真- 26 -5.5小结- 28 -第六章 系统测试与分析- 29 -结 论- 32 -致 谢- 33 -参考文献- 34 -附 录- 36 -1 绪论1.1 研究背景在这个时代，高速发展的科技条件下，各方面都在快速的崛起

10、，当然机电传动控制技术也在迅速的发展；在这个数字化时代下，首当其冲的是智能控制技术在各行业的深层次的应用，因此在这个快速的社会背景之下，掌握机电传动控制的行动，才能立足于这个时代。根据中国的基本国情，是从一个制造业大国一步一步地向创新型大国的进军，这个社会的前提下，对于机电复合型人才的需要越来越大，并且要求越来越高。那么我们就应该了解一下，机电传动控制的基本情况，在人才培养方面是机电传动控制发展根本。当然理论是离不开实践的检验，因此课程实验室人才培养过程的必不可少的重要环节。在当下，只要讲到机电传动控制，都是自动控制系统，更加自动控制系统来控制机电传动，才是一个完整的机电传动系统的体现，在各行

11、各业都是这样的机制。因此，奠定了机电传动控制的社会机械地位，进一步讲就是机电控制系统的实验装置在社会进程的过程中，作为一个支柱。这就充分的体现了机电控制的教学实验的重要性，而在实验控制系统的演示其控制原理必须让初学者能够简单明了地理解并且能够运用。那么就要求在现有的教学机制的基础上，必须以创新型为理念，以控制实验过程为指导，以实验安全为准则，以实验功能为目标，全面提高并发展创新性实验教学质量，这对我们一个工业大国的发展非常重要。1.2 研究价值在全球经济高速增长的基础之下，推动了全面的科技发展，中国机械制造业也在与时俱进，不断创新，进而出现了一大批机器设备制造商的迅速发展。看到了未来机电传动控

12、制系统的广阔市场，我们也要跟进步伐，对机电传动控制的学习刻不容缓。我们想要学好这门课，必须从实际出发，建立创新性的理念，理论联系实际，用学以致用的态度来做好准备。这样我们学习的机电传动控制系统的知识，通过我们的学以致用的学习理念，让其知识成为解决实际工程问题的一把利剑。经查询相关资料，在国外，在机电控制系统方面，采用PID控制技术来解决工程实际问题，那么这就意味着在机电传动控制方面的PID控制的战略地位。科技的发展，人们的创新思维的进步，更要求工程要解放大量劳动力，采用机械来完成，那么机电控制系统的社会要求更加严峻，这一要求就要PID控制技术作为一项发展前景和社会影响力的新技术，正越来越受到国

13、内外各行各业的高度重视。因此，该系统在我们了解学习机电传动控制和自控的原理显得特别重要。1.3 研究内容本论文主要是机电控制系统的体现，那么PID技术必须要在机电传动控制领域的应用得到全面的体现，具体设计思路如下：首先调研学习国内外自动控制教学演示装置的发展，掌握机电传动控制和自动控制的基本原理，然后对系统进行分析，以STC89C52为控制核心，通过PID控制调节PWM脉冲的占空比，从而实现电机的速度或位移控制。同时，利用霍尔传感器采集电机转速，然后将电机信号转换为脉冲频率，最后通过通讯线路反馈到单片机中进行处理，从而形成一个闭环位移随动系统，达到无静差调节的目的。本论文的系统，采用了化整为零

14、的设计思路，采用分模块化设计，整个系统的设计要求，通过各个模块来分任务来实现，这样根据系统的设计要求，分模块进行功能体现，在把各个模块有机地结合在一起，体现了整个系统的所有功能。在模块化的实现下，系统中采用LCD1602和独立式键盘来实现人机对话，可以通过键盘来修改P，I，D和V的参数，在系统的软件编程使用了C语言进行程序设计编译，实现智能型的PID控制技术，使得系统响应更加敏捷。这样的系统，在人工操作方面，更加人性化，系统的机电传动的自动控制完美的体现出来，不仅在自动控制方面的加强，而且在操作人员的施工体验满足当代的工程要求。1.4 小结本章内容主要是对机电传动控制的发展做了阐述，对本系统的

15、设计背景和价值进行了总结，还对本设计的内容和思路做出了解释。 2 PID算法及PWM控制简介2.1 PID算法PID控制是基于偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的控制。而近几年智能控制发展越来越快，被应用到很多工程领域和和实际生活中，解决了很多人力无法处理的难题，而这些大多数都要靠先进的控制算法来实现。下面进行简单介绍一下模拟PID和数字PID的原理及其参数整定的方法。2.1.1 模拟PID在社会发展进程中，人们常常采用如图2.1所示的模拟控制： 图2.1 模拟PID控制原理图PID控制器中的偏差控制由输入与输出的差值来决定，即得出如下式子： e(t) =r(t)c(t) 式（2.1）在

16、实际应用中，经常满足P、I和D的基本控制规则及对象的属性和控制要求相结合，以实现最优控制。对应的模拟PID调节器的控制规律为 ut=Kpet+1TI&0tetdt+TDdetdt 式（2.2）式中，KP为比例增益；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。对式2.2进行拉普拉斯变换可得传递函数为 D(S)=U(S)E(S)=KP(1+1TIS+TDS) 式（2.3）所以我们就可以得出系统的输入与输出间的因果关系，这不但使得运算变得简单方便，而且还方便用图形表示和进行软件设计。2.1.2 数字PID自从计算机和各类微控制器芯片应用在控制系统中以来，越来越多的计算机或微控制器取代了模拟PID控制。因

17、此，数控系统的设计实际上也是计算机算法的设计，利用软件设计来实现系统控制，这就是数字PID控制。由于采样控制无法直接处理连续的控制算式，所以要将控制算法进行离散化设计，然后再将此算法进行编程设计下载到单片机里。所以对式（2.2）进行离散化处理得到：e(n) =r(n)c(n) 式（2.4）当采样周期T特别小时可作如下代换： de(t)dte(n)-e(n-1)T 式（2.5）0te(t)dti=1ne(i)T 式（2.6）这样一来，式（2.2）便可离散化得到以下差分方程：u(n)=KPe(n)+TTIi=1ne(n)+TDTe(n)-e(n-1)+u0 式（2.7）式（2.7）中u0是指不存在

18、偏差时的值,而式（2.7）中的第一项的作用是比例控制,称为比例（P）项uP(n),即 up(n)=KPe(n) 式（2.8）第二项的作用是积分控制,称为积分（I）项uI(n)即 uI(n)=KPTTIi=1ne(i) 式（2.9）第三项称为微分（D）项uD(n)即 uDn=KPTDTen-en-1 式（2.10）上面所述的三种作用一般都是组合使用，常见组合有:P控制: u(n)=uP(n)+u0 式（2.11） PI控制: u(n)=uP(n)+uI(n)+u0 式（2.12） PD控制: u(n)=uP(n)+uD(n)+u0 式（2.13） PID控制: u(n)=uP(n)+uI(n)+

19、uD(n)+u0 式（2.14）式（2.7）的输出量u(n)为全量输出称为位置型PID。由式（2.7）可看出，这种位置型控制算式比较复杂，一个重要原因是要对偏差e(i)进行累加，这样的话就会大量占用单片机的存储空间，而且程序语言编写较为复杂，因此我们根据式（2.7）来计算求得u(n-1)的表达式，即。u(n-1)=KPe(n-1)+TTIi=1n-1e(n)+TDTe(n-1)-e(n-2)+u0 式（2.15）综上所述，我们用式（2.7）减去式式（2.15）即得到增量型控制算式为：u(n)=u(n)-u(n-1)=KPe(n)-e(n-1)+KIe(n)+KDe(n)-2e(n-1)+e(n

20、-2) 式（2.16）所以位置型控制算式为：un=KPen-en-1+KIen+KDen-2en-1+en-2+u0 式（2.17） 位置型和增量型数字PID示意图分别如图2.2和2.3所示：图2.2 位置型示意图图2.3 增量型示意图2.1.3 数字PID参数整定方法PID参数对于一个闭环控制系统是否能够达到控制要求至关重要，而它的具体参数需要需要根据具体系统和工艺来确定，并能够持续跟踪设定值。系统输出能够在不同环境干扰下依旧稳定，系统运行时变量尽可能小。很明显要同时满足上述要求很难，但是我们有必要尽可能的满足系统平稳运行的要求。 自从智能控制问世以来，出现了很多调节器调节法，但主要还是理论

21、计算方法和工程设定方法。一般理论算法设计控制器在工业控制中最难的是要获得准确的数学模型。因此，大多数系统实际使用仍然是工程调整方法。工程调整方法简单易行，可以解决一般的实际问题，其最大优点是在设置参数时，它不依赖于被控对象的数学模型。接下来大概介绍一下常用的两种整定方法。（1）扩充临界比例度法 这种方法一般没必要测试过程的动态特性，又由于临界比例度法简单方便，因此在工程中获得了广泛的应用。具体方法如下：首先选择一个合适的采样周期T，越小越好；工作时控制器先变为纯比例控制，也就是说去掉积分微分的作用，然后慢慢降低比例度（=1/KP），直至到系统的响应达到临界振荡状态，记录此时K以及 Tk；选择合

22、适的控制度，而控制效果通常用0e2t来表示；控制度0e2tdtDDC0e2tdt模拟 式（2.18）在一般的实际应用中，不需要计算出0e2t，控制度仅仅用来判断控制效果的物理效果。根据控制度的选定，查表2.1求得T、KP、TI、TD的值。表2.1 扩充临界比例度法整定参数 （2）经验试凑法在实际机电传动控制工程当中，由于难以确定电机传动的动态特性，即使能够确定，其不仅计算量大还比较复杂，得到的结果与实际结果往往相差较大，甚至事倍功半。而试凑法是一般是靠现场工作人员积累的多年经验，以及对工艺方法的熟悉程度，根据测量值跟踪和设定点曲线进行对比，不断调整P，I和D的参数。因此，为了选择最佳参数，有必

23、要在生产现场进行测试以制作记录曲线。具体操作可以按照以下规则进行：首先找到一个比较理想的参数，然后按照从小到大的顺序来查表，我们先变化比例项，积分和微分项归零；紧接着在变化积分项，最后变化微分。要使得曲线变化大而频繁，此时的比例系数首先要放大，如曲线上下变化比较大，这是比例要往下调；若曲线偏离回复变慢的话我们则需要把积分时间降一降；如果曲线在横向方向变长也就是周期变大的话，积分时间则需要延长一些了；如果曲线振荡的速度变快，我们要先把微分时间降下来；如果振荡的幅度越来越慢的话我们这时需要适当的把微分时间加长。 按照上述的方法便可实现对PID参数的整定，但是具体参数一直需要在现场调试，并不断进行修

24、正，从而逐渐达到系统控制的理想要求。这样一来的话，在我们设计系统开始时，必须对各个参数进行验证处理，才能够确保我们设计的系统能够平稳安全的运行，从而也证明我们设计的合理性。而且经验试凑法在设计过程当中有助于我们更加深入的了解机电传动控制及相关知识的原理，尤其是对于一个不理解其基本原理的人来说百利而无一害。2.2 PWM脉冲控制技术PWM(Pulse Width Modulation)控制技术实际上就是对脉冲的宽度进行调制的一种技术。该技术目前应用于各种控制工程领域中，并取得了非常好的效果。2.2.1 PWM控制的基本原理根据采样控制理论，脉冲量相等而形状不同的窄脉冲加在同一惯性的环节上时，效果

25、基本差不多。如下图2.4中的前三个图的形状虽不同但阴影部分面机相等，也就表示当他们分别加在同一控制系统中时作用效果基本相同。并且脉冲的宽度越窄，它们的输出差异越小。当脉冲变为图2.4中的d图时，则该响应该环节的过渡函数。 一般这几种脉冲加在同一环节时，其作用结果虽然相差无几，但响应时间不同。图2.4 冲量相同而形状不同的脉冲2.2.2 直流电机的PWM控制技术直流电机具有出色的速度控制特性，平稳舒适的速度控制，可以实现无级启动和停止。能够满足机电控制系统的特定操作要求，并且广泛用于需要速度控制或快速位移控制的前进和后退行驶的电驱动系统等许多领域。直流电动机转速n的表达式为：n=(U-IR)/K

26、 式（2.19）式中：U电枢端电压（V）；I电枢电流（A）；R电枢电路总电阻（）；一对磁极磁通量（Wb）；K与电动机相关的结构参数。而PWM调速实质是改变其占空比，占空比是指一个周期中高电平所占的比例，高电平所占比例大，电机速度就高；反之高电平所占比例小，电机速度就低。而脉宽调制就是通过微处理器产生可调的脉冲信号，这些脉冲信号作为驱动电路中开关器件的触发信号去控制它的导通时间，以此改变加在直流电机电枢两端的电压，从而实现电机的调速控制。目前我们常用改变占空比的方法有三种：第一种是脉冲宽度保持不变而不断改变其频率；第二种是脉冲的宽度和频率同时发生变化，这种方法实现起来稍微复杂一些，同时也会使得控

27、制变难；第三种方法是脉冲的频率不变也就是周期T不变，而同时改变高低点电平所占时间。在本设计中选用了第三种方法，因为前两种都改变了T，若系统的固有频率与它接近时可能会产生振荡，对系统造成巨大损伤，故不宜采用。 一般PWM软件实现的方式主要有两种，第一种是通过软件延时方法产生PWM方波，但这种方法如果在输出PWM方波的同时，执行其他操作如键盘扫描，显示等的时候，单片机CPU的机器周期将会被占用一部分，影响PWM输出的准确性，并且导致处理器的响应速度减缓，一般不被采用。第二种方法是采用定时器溢出中断的方法，产生一定的脉冲信号，这种方法产生的PWM方波更精确，在程序中很复杂，并且操作较多时也可以输出准

28、确的PWM方波。经过对两种方法的综合考虑，我选择第二种方法去产生PWM方波，第二种方法能够产生较为准确的PWM方波，并且本设计在执行PWM方波的同时，还要去执行按键、显示操作，能够更加贴近我的系统设计要求，采用第一种方法将会产生很大的偏差，因此在PWM直流电机调速系统设计中我采用第二种方法。2.3 小结本章主要对PID和PWM调速原理进行了讲解，以及它们在机电传动控制系统的应用和发展，最重要的是只有了解了这些原理我们才能真正的了解自动控制，才能更进一步的学习和了解机电传动控制的机构和原理，才能够对本系统进行合理的设计。3 系统模块设计方案3.1 系统总体设计方案根据系统设计的任务和要求，在深入

29、研究机电传动控制和自动控制的基本原理后，做出系统方案框图如图3.1所示。在图中，控制器模块是该设计的核心，通过键盘和显示器模块来实现人机对话。我们可以将需要设置的参数值和状态值可以通过键盘上的按键输入，并通过控制器（STC89C52）控制显示在显示器上。在系统运行过程中，可以通过检测模块将当前的速度信号送入到控制器中，经过PID运算后改变PWM脉冲的占空比，从而实现电机速度或位移实时控制的目的。图3.1 系统整体方案图3.2 控制器模块设计方案根据设计任务和要求，我们主要任务是要去解决控制器能够产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并且能够对电机当前速度信号进行采集处理，根据算法比较后得

30、出当前所需输出的占空比脉冲。它就相当于我们的大脑一样，是整个系统的核心，所以我们在选择时一定要经过仔细分析和比较，最后要选择一个既方便操控又简单易懂的控制器。故此模块选用了51系列（AT89C52）单片机。采用传统的AT89C52（51系列）单片机作为本系统的核心控制器。因为我们之前学过51单片机这门课程，对它的编程和功能都比较熟悉，上手比较容易。它具有灵活的编程语言，能够辨别多种程序语言，体积小，一般受环境的影响小，成本低，使用简单等特点，基于上述等各种优点，它被广泛应用于各个工程领域。而AT89S51与它相似，但是控制稍微复杂一些，还有FPGA虽然功能强大，但是其引脚多导致控制比较复杂，会

31、给软件程序的编写带来很大麻烦，尤其在硬件电路的设计上，可能会浪费大量的时间和精力却还达不到控制系统的要求。基于上述的种种影响，最终还是选用了51系列的单片机，它完全可以满足本系统设计的要求。3.3 电机驱动模块设计方案机电传动控制系统中，我们需要解决的就是电机能否正常的运转问题，这样一来我们就必须先解决电机驱动问题。主要考虑了传统晶闸管构成的驱动电路和专用的直流电机驱动芯片。经过详细分析对比之后，本系统采用了专用的直流电机驱动芯片，如最普遍的L298N，L297N等驱动芯片。因为它们不仅考虑了电路的抗干扰能力，实际应用中的安全性，可实现性等，所以我们只需要考虑硬件连接和驱动器应用程序中的芯片。

32、因此，此方法的电路设计相对简单，抗干扰能力强，可靠性好。设计人员不需要考虑很多硬件电路设计，并可以专注于实现算法和软件设计的任务中去，这样一来便大大提高设计人员的工作效率。3.4 速度采集模块设计方案本系统是一个闭环控制系统，我们在调节过程中需要先设定电机的转速，然后与当前的实际转速值进行比较，所以我们需要设计一个速度采集电路。 目前，速度采集的方式有很多种，而且市场上的传感器类型也比较多，但总的来说速度采集方面大概分为光电式传感器采集、测速发电机进行转速测量和霍尔传感器等。在本设计中采用了霍尔传感器来对速度进行采集，该器件的内部由三片霍尔金属板组成。当磁铁正对金属板时，产生霍尔效应，金属板发

33、生横向导通。因此，磁铁片可以安装在电机上，将霍尔集成片安装在电机的固定轴上，控制器通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。并且霍尔传感器的电参量检测系统具有很好的线性度、精确度和良好的反应时间，并且其构造简单、体积小、动态特性好和寿命长等优点。3.5 显示模块设计方案本系统设计的显示模块是基于电机转速控制系统，我们需要对电机的参数、工作方式以及状态进行显示，而目前最主要的显示器有1602LCD、12864LCD、LED等。下面对这三种显示器进行比较: 1602LCD显示器，可对字符进行显示（字符区域16*2），而且价格便宜市场供应量大，最重要的是它控制和线路连接简单且耗能小。而12864LCD这种

34、显示器显示程序代码量比较大，电路比较复杂，故不宜采用。但由于本次设计需要设置各种参数，需要显示字符，使用LED显示器件无法完成设计任务，因此此方法不适合。综合对比之后本系统最终采用了1602LCD。3.6 键盘模块设计方案在机电传动控制系统中，为了使系统更加的人性化，便引入了键盘模块来实现人机交互，有助于我们对机电传动系统的进一步学习。一般键盘有两种，分别是独立键盘和矩阵键盘。而本设计中，我们需要使用按键对电机参数进行输入、工作方式设定以及电机起动、停止及换向的控制。因此键盘模块在整个控制系统中是不可或缺的一部分，因为本系统的输入值比较少，矩阵键盘硬件线路复杂，软件编程量大，控制起来比较复杂，

35、不宜采用。而独立键盘各个按键相互独立，在一个按键作用时不会影响其它按键的状态，并且与单片机的连接简单，占用空间小。综上所述，键盘模块最终使用独立键盘，因为本次设计的系统硬件线路连接比较简单，输入值比较少，对软件的运行速度要求不高。3.7 电源模块设计方案一个完整的系统必须要有能源供给，系统的能源就好比人的心脏一般。我们在设计过程当中必须遵守相应的规则，要能够满足系统运行的要求，符合当今社会主义核心发展观理念，对能源不能浪费，要将利用率达到最高。故此在本系统设计当中首先进行对交流电进行整流和降压，再通过稳压芯片（7812、7805）对整流后的电压进行处理，此方案对能源的利用率高，抗干扰能力强，并

36、且电路电压稳定且易实现，设计人员不用过多考虑消除环境干扰问题。由于实际试验环境的限制，我们在实际系统中的电源模块采用了USB DC5V来实现对电机的供电。3.8 小结本章主要对本设计当中各模块的设计思路做了具体说明，而且各模块的选用都进行了对比和筛选，最后做出最佳选择。只有硬件模块设计合理才能够进行软件设计，才能够顺利执行接下来的设计任务。4 模块化电路设计4.1 硬件资源分配本系统的各模块通过控制器有序的连接在一起，组成一个完整的位移随动系统，硬件资源分配如下图4.1所示。图4.1 系统电路连接及硬件资源分配图4.2 电源模块电路设计在本设计中单片机、显示模块等其它电路都是用5V的电源，因此

37、在电源电路中选用7805稳压芯片，其输出最大电流为1.5A，能够满足系统的要求；但是为了以后系统的扩展还设计了直流12V电源，电路中选用7812稳压芯片。该电路的抗干扰能力比较好，其电路如图4.2所示。图4.2 电源模块电路原理图以上是设计的电源电路，由于试验条件的限制，所以在模型中只选用了USB DC5V电源来给整个系统供电。4.3 电机驱动模块电路设计驱动模块是控制器与电机之间的桥梁，因为MCU的I/O口是不能直接驱动电机，这里选用了L298N芯片来驱动电机。驱动电路如图3.3所示表4.1 L298N芯片引脚功能表引脚符号功能 图4.3 电机驱动模块电路原理图4.4 速度采集模块电路设计本

38、系统通过利用霍尔器件来获得直流电机的转速，然后将转速转换成脉冲信号，将测量转速的霍尔传感器和电机固定在同一电路板上，然后在霍尔探头相对的电机轴上固定一小磁铁，这样一来电机每转一圈霍尔传感器就会输出一个脉冲信号，将此信号接到单片机的IO口上，单片机计算一定时间内的脉冲个数便获得电机速度。如图4.4获得脉冲信号，图4.5为传感器输出信号波。 (a) (b)图4.4 电机的速度采集方法图4.5 传感器输出的脉冲波形4.5 显示模块电路设计 根据设计要求要对电机运行的转态及控制参数要进行显示。综合考虑选用了1602LCD作为显示模块，其引脚名称及对应关系如图4.6所示，引脚功能如表4.1所示。图4.6

39、 1602引脚分布图表4.2 1602液晶显示模块引脚功能引脚符 号引 脚 功 能引脚符 号引 脚 功 能1VSS电源地9DB2数据2VDD电源正+5V10DB3数据3VL液晶显示偏压11DB4数据4RSH:数据输入；L:指令码输入12DB5数据5R/W H:数据读取；L:数据写入13DB6数据6E使能信号14DB7数据7DB0数据15BL+ 背光电源（+）8DB1数据16BL- 背光电源（-）1602液晶显示器与单片机的连接电路如图4.7所示：图4.7 显示模块电路原理图4.6 键盘模块电路设计根据设计需求，本系统中使用了独立键盘来实现人机交互，其电路原理图如图4.8所示。图4.8 键盘模块

40、电路原理图使用说明：系统每次开始初运行时，1602处于待机界面，若按下修改按键则进入速度设定界面或者直接使用转速“+”或“-”来实现速度的设置，若按下换页按键之后便可对P、I、D的参数通过“增加”、“减小”按键分别进行设置，一切设置完之后再次按下修改按键就可以了，此时我们可通过“换页”键返回速度显示界面。4.7 小结 本章主要通过使用模块化的设计方法，对电源、驱动、显示、键盘和速度采集模块进行了电路设计，而且对各个模块的电路做了详细的说明，使得更加的简洁明了，对于系统的设计思路和原理进行了实践验证。5 软件模块设计5.1 算法实现5.1.1 数字PID算法本设计的核心算法为数字PID，想要实现

41、对直流电机速度的控制，先要根据速度采集模块每次采样的信号值进行处理，然后再与设定值先进行比对，接着计算得出偏差e(n)，再对e(n)进行P、I、D运算，最后得到运算结果。然后利用该结果控制脉冲的输出，从而控制电机转速。其过程运算公式为：un=Kpen-en-1+KIen+KDen-2en-1+en-2+u0式（5.1） 因此，必须编程实现该公式的功能并下载到单片机当中，其程序流程如图5.1所示，详细代码见附录。图5.1 单片机处理公式流程5.2 系统程序流程 5.2.1 主程序流程图按照系统的控制要求和运行过程设计出主程序流程如图5.2所示。本设计主要要实现电机的控制和显示，首先在程序运行时我

42、们得先初始化，然后调用子程序对显示界面进行清显示；然后判断是否有按键作用，若判断有的话进入显示界面开始操作；然后根据程序判断是那个按键作用，再接着根据程序的设计进行相应的电机控制，并将当前的状态进行显示。图5.2 主程序的整体流程图5.2.2 速度采集模块算法本系统是基于机电传动控制系统，而其中最重的就是能够实现电机的控制，本设计则采用霍尔器件来获取电机转速信号，其计算公式为： v=60PT r/min 式（5.2）式中: v电机转速; P电机转一圈的脉冲数; T输出方波信号周期。根据式( 5.2) 带入各参数的值便可计算出直流电机的转速，相应的我们则应该在程序中加入该算式。图5.3 速度采集

43、程序流程图5.2.3 键盘模块程序流程键盘模块是用来设定本系统控制的相应参数，使得系统电机进入相应的状态，能够实现人机对话，使得处理器能够捕捉到这个信息，所以键盘的设计至关重要。其具体程序流程如图5.4所示。图5.4 键盘模块程序流程图5.2.4 定时程序流程本系统的定时程序是用来控制电机的运行状态，进行在PID运算，以STC89C52中的T0作为中断，其程序流程如图5.5所示。图5.5 定时程序流程图5.2.5 显示模块程序流程显示模块是本系统唯一能够明确显示电机各项参数，以及运行状态和PID参数设定的窗口，能够准确表明人机对话的结果。本设计系统选用了1602LCD显示器，下面是1602LC

44、D的相关指令如表5.1所示。表5.1 1602LCD的11条指令集序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4开/关显示控制0000001DCB5光标或字符移动000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符存储器地址0001字符发生器存储地址（AGG）下一页续续表5.1序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D08置数据存储器地址0011显示数据存储器地址（ADD）9读忙标志或地址01BF计数器地址（AC）10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM

45、或DDRAM读数11读出的数据内容下面是该系统的显示模块具体程序流程框图，如图5.6所示。图5.6 显示模块程序流程图5.2.6 驱动模块程序流程本系统中电机驱动模块电路采用了驱动芯片L298N，我们主要任务是能够通过控制器控制脉冲来给驱动供电，实现电机控制。其程序流程图5.7如下所示： 图5.7 电机驱动模块流程图5.3 Keil uVision4软件简介 Keil Vision软件是由Keil Software制造的多种语言开发系统，。并且Keil提供完整的开发解决方案，包括C编译器，宏汇编和库管理等。而Keil Vision4引入了多变的窗口管理系统，设计人员可以使用多个监视器并且可以直

46、观地查看窗口的整个位置，而且新添了新的用户界面，设计者可以更好地利用屏幕空间，可以组织多个窗口来提高工作效率。最新的版本支持ARM芯片，还添加了新功能，能够使得用户获得完美的体验。Keil Vision4还为设计员创建了一个干净、高效的应用程序的开发环境。5.4 系统Proteus仿真在一切设计完成后，选用了Proteus对系统进行仿真验证。因为它既可以对硬件电路进行仿真，更重要的是它里面元件丰富，有各种处理器，操作简单，所以在验证原理时优先选择。下面为本设计系统在Proteus中的仿真设计流程：（1）新建工程 软件打开后找到File选项，左击后在弹出的对话框里选择“New Design”，然

47、后在选择Default，这样新建工程就完成了。（2）设置编辑环境 按照第一步的方法对Proteus软件进行环境设置，选择自己设计需要的图纸大小和风格等。（3）元件的选取 在软件中找到P这个标志后双击，然后再接下来弹出的对话框里选择“Key Words”将光标放到此处，然后输入需要的元件符号，即元件的对象选择窗口中如下图5.8所示。图5. 8 Proteus元器件选取界面最后在Protues软件中的左边工具栏找到源后分别放置电源和地，然后将整个系统部件进行连线，便得到系统整体电路，在仿真开始时我们最好能够进行自我检查一下，最后运行验证，如附录所示。本系统设计所需选用的元器件如下表5.2所示：表5

48、.2 系统仿真Proteus元件表序号符号名称1AT89C52单片机2RES、RESPACK-8电阻、上拉电阻3CRYSTAL晶振器4IN4007二极管5LM016L（1602LCD）液晶162显示器6BOUTTON按键开关7MOTOR-ENCODER直流电机8SW-SPDT单刀双掷开关（4）对程序进行编译 首先在keil软件中新建一个工程，点击菜单中“ProjectNew uvision project”在出现的CPU对话框中选择“AtmelAT89C51”，然后再接下来的对话框中选择确认就行，在程序编译完成后鼠标选择元组右击后弹出如图5.9所示的对话框，选择Output,然后选择Cerate HEX File,最后点击确定便可，即生成了单片机使用的HEX文件。 图5.9 生成HEX文件界面图（5）程序加载 在编辑环境的条件下，先使用鼠标选中单片机后双击进入如图5.1