毕业设计基于光电传感器的单片机控制直流电机

1、毕业论文（设计）题目：直流电机多级调速控制系统实现学生：专业：机械设计制造与其自动化班级：学号：指导老师：目录摘要IABSTRACTII1.绪论11.1研究背景11.1.1开发背景11.1.2选题的目的和意义11.2 直流电机调速原理简介21.3 PID算法简介31.2.1模拟PID31.2.2数字PID51.2.3数字PID参数整定方法62.系统硬件设计与实现72.1系统设计方案72.2 单片机模块82.2.1单片机设计方案82.2.2 AT89S52引脚功能92.3电机驱动模块112.3.1电机驱动设计方案112.3.2 L298N芯片简介132.3.3电机驱动电路142.4测速模块152

2、.4.1 测速设计方案152.4.2 光电对管原理162.4.3 LM339N芯片简介172.4.4测速模块电路182.5显示模块192.5.1显示设计方案192.5.2 LCD1602液晶简介202.5.3显示电路212.6 键盘模块222.6.1键盘设计方案222.6.2键盘消抖232.6.3键盘电路232.7电源模块242.7.1电源模块设计方案242.7.2 LM7805芯片252.7.3电源电路253.基于PWM的控制软件设计与实现273.1 PWM脉冲控制技术273.1.1 PWM脉宽调制的基本工作原理273.1.2 PWM实现方式293.2定时器/计数器293.3 PWM产生程序

3、303.4系统程序流程323.4.1主程序流程323.4.2按键扫描程序流程333.4.3按键扫描程序354.系统的调试与分析384.1硬件调试与分析384.1.1硬件的调试384.1.2烧入程序384.1.3 硬件电路焊接总结404.2软件调试与分析404.2.1延时程序404.2.2 PID算法程序404.2.3液晶显示动态数据程序414.2.4电机正反转程序444.2.5系统主函数程序445.总结46致47参考文献48附录49附录A 硬件电路图49附录B 系统程序代码501 / 67摘要本设计的重点是采用AT89S52型号的单片机控制产生PWM调制信号的输出，以此来进行对直流电机的转速实

4、现控制，本文简要的介绍了AT89S52型号单片机的有关参数，而且还对PWM脉冲信号的基本原理、信号的产生方式和怎么样实现利用软件编程调节PWM信号的占空比等作了一系列的论述。本设计使用独立按键进行速度设定以与直流电机的正反转，通过LCD1602液晶显示器作为显示速度设定值和速度测量值的器件。除此之外，本设计还运用L298芯片组成直流电机的正、反转以与控制速度的驱动电路，并且相对详细的说明了PID算法、系统初始化等子程序的编程以与程序的实现，本设计利用光电感应器对射式MOC70T4和比较器LM339芯片来实现直流电机转速的相对精确测量，而且以此作为反馈值传回到单片机实现PID补偿运算，从而实现了

5、对直流电机速度的控制。关键词： PWM技术；PID算法；AT89S52；直流电机ABSTRACTThe focus of this design is the use of AT89S52 type PWM MCU control signal output, so as to realize to control the speed of DC motor, this paper introduces the parameters of AT89S52 model of SCM, but also the basic principle of the pulse signal, PWM si

6、gnal generation method and how to achieve regulation of PWM signal using the software programming of the duty ratio for a series of discussion. This design uses independent key speed setting and reversible DC motor, through the LCD1602 LCD as the display speed setting device and speed measurement. I

7、n addition, the design of driving circuit uses the L298 chip of the DC motor, inversion and speed control, and a detailed description of the implementation of the PID algorithm, the system initialization subroutine programming and program, relatively accurate measurement of the design of the photoel

8、ectric sensor for type moc70t4 and LM339 chip to realize the speed of DC comparator the motor, but also as a feedback value back to the MCU PID compensation operation, so as to realize the speed control of a DC motor.Keywords: PWM; PID algorithm; AT89S52; DC motor 1.绪论1.1研究背景1.1.1开发背景直流伺服电机在调速方面所拥有的

9、起动、制动性能非常优越，在平滑调速的很大围都能够很好得到的使用，广泛的应用在很多需要调速或者是需要快速正反向的电子电力技术方面中。由控制的角度出发，交流拖动技术还是基于直流调速系统的，以前直流电动机的控制通常都是基于模拟电路的，一般由运算放大器、非线性集成电路和少量的数字电路组成，控制系统的硬件方面特别的繁杂，目的性很单一，并且控制系统的灵活性很低、难以调试，成为直流电动机控制技术发展的阻碍和应用围得到推广的屏障。但是由于单片机技术发展与运用，实现了非常多的控制功能以与算法基本都能利用软件技术来解决，很大程度上增强了直流电动机控制的灵活性，而且还为系统带来了更好的性能。此外，运用单片机所构建成

10、的控制系统，不仅能够节省人力资源以与减少系统成本，还对工作效率的提高有帮助。直流电机广泛运用于在冶金技术、矿山机械、化学工业、交通运输业、机械自动化、纺织业、航天航空等领域中，早期直流电机控制的运用通常都是相对简单的，要实现调速很困难，无法满足智能化。更为传统的控制系统一般是利用模拟元器件，即使能够某种程度上解决了生产要求，可是由于元器件非常易于老化并且在运用的过程中经常受外界环境的干扰，还有电路线路冗杂、不适合通用，元器件的性能、湿度等因素常常使控制效果得到偏离，因此发生事故，就仅仅因为不能确定系统的运行可靠性和准确性。目前，具有小体积、轻重量、功能强大、抗干扰性强、灵活性高以与方便应用和便

11、宜价格等优点的单片机在各种控制与自动化方面的领域得到广泛应用。单片机显然已经成为直流电机调速控制的不可分割的一部分，自动控制技术的发展也因为单片机的应用技术发展迈向一个新的里程碑，推动社会发展步入一个新的时代。1.1.2选题的目的和意义如今，由于电子技术发展的不断深入，直接地带动了直流电机调速控制系统由以前模拟化朝着现代数字化的高技术水平不断进步，尤其是单片机运用技术的发展，更是促进了直流电机调速技术迈向一个新的高峰，并向着智能化、可靠性强的方向不断完善，所以直流电机调速系统的数字化已经相当成熟了，已经走向实用化，因此，该研究具有重要意义。早在上世纪七十年代就孕育而生的直流电机脉冲宽度调制(P

12、ulse Width Modulation-简称PWM)技术在调速系统就展现了其优越的效果。至上世纪末以来，因为电路技术的提高以与晶体管器件水平的发展和宽调速永磁直流电机的产生，这几者之间的相互结合发展，推动了PWM技术的飞快发展，也将电气驱动技术发展到一种新的高峰。在国外，军事工业和空间技术最先得到了PWM技术的运用，这些需要高速度、高精度的跟踪系统也因为PWM技术性能的优越性得到了实现，十年来，PWM技术的运用不断的覆盖一些民用工业中，尤其是像机床生产、自动化生产和机器人发展等。今天，电机控制系统的主流也显现了电机控制技术和电力电子技术、计算机技术相结合的优势，这些都不断催促着电机控制技术

13、必须要用更快的速度发展着，伴随着市场的发展，人们也用更高的要求来要求电机驱动控制，不仅要它的功能强大、没有噪声、更为复杂的算法，还要有很高的系统可靠性与系统操作安全，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。1.2 直流电机调速原理简介直流电机的模型如下图1-1所示，有一个能够转动的圆柱体铁磁在磁极N、S之间，一个线圈固定在铁磁的表面上，如果有电流流过线圈的时候，电磁力作用于线圈上，由此铁磁发生旋转，根据左手定则可知，如果流过线圈的电流突然发生方向变化，也就使得线圈的方向发生变化，所以可以利用变化线圈的方向来达到变化电机的方向。图1-1 直流电机模型有两大类可以控

14、制直流电机转速的方法，分别是：励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法也就是通过对磁通的控制，优点是控制功率很小，但是在电机低速运转时会被磁场饱和所限制，在电机高速运转时会被换向火花和转向器结构强度所限制，此外，励磁线圈所具有较大电感会使系统的动态响应差，因此一般所使用的方法是通过变化电枢端电压的电枢电压控制法1。电枢电压控制也就是在励磁电压不变的条件下，在电机电枢上通过控制电压信号的输入，用来实现对电机转速的控制，像脉冲宽度调制就是利用这点。脉冲宽度调制常常被运用于工业生产上，脉冲宽度调速通过在一个不变的频率上来对电源的“打开”或“关闭”进行控制，并利用对一个周期“打开”和“关闭”时间长短的改

15、变，也就是通过改变电枢电压上的“占空比”来改变电机的平均电压大小，以此达到对电机转速控制的目的。1.3 PID算法简介在过程控制中，依据偏差的比例（Proportion）、积分（integral）和微分（differential）来实现控制的PID控制器，是迄今为止最为广泛应用于实际工程中的一种自动控制器，PID控制规律对连续系统动态品质校正非常有效，对于参数整定方式简单方便，结构变化灵活。PID控制器的产生距今已经有七十年了，由于它所具有的结构简单、便于实现、良好的稳定性、适用围广、控制参数相互独立等优越性，成为现代工业控制的主要技术之一。如果我们无法全部掌握被控对象的结构和参数时，或者是无

16、法建立出准确的数学模型时，甚至是无法利用控制理论的其它技术时，那么系统控制器的结构和参数的确定就只能凭借经验和现场调试，此时最简单的方法就是应用PID控制技术，也就是在我们无法完全了解系统和被控对象时，或者是系统参数无法运用目前的测量手段来得到时，那就使用PID控制技术解决问题，因为PID控制器能够在很大程度上满足一般控制系统的大部分要求。1.2.1模拟PID在模拟控制系统中，一般控制器所使用的控制规律通常都是PID控制，普通的PID控制器的系统原理框架如图1-2所示，由模拟PID控制器部分、执行部分和被控对象部分所组成，图中的r(t)表示系统的输入值，c(t)表示实际的输出值，u(t)表示P

17、ID的控制量14。c(t)r(t)+e(t)比例u(t)控制对象积分+-微分+图1-2 模拟PID的原理框架图PID控制器属于线性的调节器，控制偏差是由系统输入值r(t)和实际输出值c(t)两者之间的差值所构成的：et=rt-c(t)（1-1）图1-2所示的模拟PID控制器的数学表达式为：ut=kpet+1Ti0te蟿d蟿+Tddetdt（1-2）上式中，kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。式（1-2）也可以写成：（1-3）上式中，kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数；大概的说明一下PID控制器中各个校正部分的作用：比例部分：利用比例控制，系统的输出与误差量是成正

18、比，当有误差量产生，控制器马上就会产生一个修正的量，以促使误差量的减少，但不能使误差为零；积分部分：积分控制所产生的恢复力是与过去误差的累积量和时间的乘积成正比例，积分控制的介入能消除系统的稳态误差，但是系统整体的稳定性会降低；微分部分：微分控制无法单独使用，只是改变系统响应时间，即在变化初期提供一个相当大的修正信号来加快系统的响应速度，并且能够有效解决过冲问题。由上式可知，模拟PID控制器的转换函数表达式为：DS=U(S)E(S)=Kp(1+1TiS+TdS)（1-4）1.2.2数字PID由于计算机能够识别的只是数字量，无法将连续的控制算式直接拿来做运算，因此在计算机控制系统中没有办法对前面

19、所提到的模拟PID控制器的表达式执行处理，所以我们必须先将模拟PID控制器的表达式做一个处理。也就是在一个采集周期T变得非常小的时候，将积分部分和微分部分的算法用数值计算去接近它，这样的方法可以做到很小的误差，即可以实现数字PID控制了13。我们将式（1-2）进行离散化处理，如图1-2所示我们可以使用不同的r(n)、e(n)、u(n)、c(n)作为计算机在第N次采集r(t)、e(t)、u(t)、c(t)时的数据，因而偏差表达式就为：en=rn-c(n)（1-5）假定采集的周期T取得足够小，那么微分部分的dt就能够用T来表示，则e(n)-e(n-1)就可以取代de(t)，积分部分就能够使用累计和

20、的方式进行取代，便有了下式：Detdt鈮?en-en-1T（1-6）（1-7）这样，式（1-2）就可以离散化为以下差分方程： (1-8)上式中输出结果u(n)称作全量输出结果，与控制对象部分的执行部分每一次的采集时间应该具有的位置相对应，所以，上式也可以叫做位置式PID算法。式中：kp称为比例系数；kI=kpTTI称为积分系数；kD=kpTdT称为微分系数；式（1-8）即为本系统所使用的位置式PID控制器的数学模型。数字PID位置型示意图如图1-3所示：-+e(t)r(t)控制器被控对象PID位置算法c(t)u(t)图1-3 数字PID位置型示意图1.2.3数字PID参数整定方法要怎么去设定控

21、制算法的具体参数，都是根据实际过程的要求去分析，通常而言，我们想要得到控制的过程是趋于稳定的，而且可以快速与精确的追踪设定值，使其超调量很小，能够在任何干扰因素影响下维持系统输出与设定值相当，相对较小的操作变量。然而，要在一次整定中实现上述全部要根本不可能的，所以我们要依据实际，在实现主要方面的功能，同时又可以照顾到其他方面4。下面以PID控制器为例，具体说明一般的整定步骤：I.确定比例系数kp想要得到比例系数kp通常的方法都是将PID控制器转化成纯比例控制，这样的必须先把PID控制器的积分部分和微分部分置零，然后将系统输入保持在系统输出的65%到75%之间，此时将kp从零慢慢加大，等到系统发

22、生振荡时，将kp慢慢的往零减小，等到系统发生振荡时，就可以确定kp值为现在kp值的65%左右。II.确定积分时间常数Ti当完成第一步kp的确定后，我们可以输入相对大的Ti，再将Ti慢慢的调小，等到系统发生振荡时，再将Ti慢慢的调大，等到系统发生振荡时，这个Ti值的1.5倍至1.8倍就可以用来确定为Ti值。III.确定微分时间常数Td通常情况下，PID控制器的Td值为零，假如系统对PID控制器的微分部分有需求，那么可以参考kp确定的方法，将不发生振荡时的三分之一值作为Td。IV.系统空载、带载联调最后根据系统的性能，将各系数做一些调整。2.系统硬件设计与实现2.1系统设计方案由之前设计任务书中所

23、提到的主要要求，本系统的结构框架图如图2-1所示，此次设计的控制核心为单片机控制模块，并且加入了按键系统和液晶显示系统来进行人机交互，这里的按键可以设定速度、电机工作状态传进控制中心，而且设定的速度与测量的速度可以通过液晶显示系统中实时显示出来。而由单片机控制模块所发射出来的脉冲宽度调制信号传入直流电机驱动模块，并由测量速度模块检测电机的转速，将检测回来的信号由放大器整波后传入单片机控制模块进行PID算法补偿，使得传出的脉冲宽度调制信号发生变化，从而实现对直流电机速度的控制。本设计所得到的系统包含了硬件方面和软件方面的两大设计，总体而言，所有的硬件电路的设计、各类元器件的选择和功用都是为了本系

24、统功能的实现，是本设计具体形式表现的基础，并且也是软件程序得以运行的一个重要保障。软件方面上，依据实际的情况，我们采用单片机能识别的C语言程序进行编程，拥有对所有硬件方面上所使用到的端口进行执行的能力，更为具体的表现形式就是对所有产生的信号进行识别、采集、解析、处理等，以此来实现单片机所需要的功用。PID模型电机电机驱动模块测速模块单片机键盘模块显示模块电源模块图2-1系统方案框图2.2 单片机模块2.2.1单片机设计方案鉴于本系统的控制核心应当具备产生信号输出并且能够采集信号回来进行PID算法补偿，以与按键和液晶显示器端口信号的发射、接收、处理等的功能，使用单片机作为控制核心比较适合，下列对

25、两种型号进行比较。方案一：使用型号为AT89S52的单片机作为核心控制模块。AT89S52所具备的强大的算法计算、逻辑识别功用，灵活多样、自由空间广的软体程序编写等优良性，其实物引脚数量为40脚，整个体积小、重量轻和低廉的价格，在运用方面上的技术完善，并且使用简单与低耗能7。方案二：使用型号为AT89C51的单片机作为核心控制模块。AT89C51属于传统使用的单片机类型，它一样拥有AT89S52所具备的特点，但是传统型的必然有一些它的相对劣性，与AT89S52比较起来，它的频率相对于低、计算速率缓慢，存空间不足已实现本系统所需要的大量计算。图2-2 AT89S52实物图2-3 AT89C51实

26、物依据上述两个方案的论证，使用型号为AT89S52作为控制核心模块完全可以满足本系统的要求，能够非常有效的处理数据并能达到控制的功能，因此在本次设计选用方案一。2.2.2 AT89S52引脚功能如下图2-4所示，在这里就不对AT89S52单片机的所有引脚进行介绍了，就具体的对我们所使用到的一些引脚做一下介绍。图2-4 AT89S52引脚图P0口：P0口的最基本功用是拥有8位I/O口，然后当P0口用来当作输出口时，每一个P0口都可以驱动标准的TTL逻辑电平。在本系统中，P0.0口作为液晶LCD1602的RS端口，P0.1口作为液晶LCD1602的EN端口，用来实现液晶LCD1602的一些功能实现

27、。P0.2口作为可以设置速度百位数加一的独立按键端口，P0.3口作为可以设置速度十位数加一的独立按键端口，P0.4口作为可以设置速度个位数加一的独立按键端口，P0.5口作为可以设置速度百位数减一的独立按键端口，P0.6口作为可以设置速度十位数减一的独立按键端口，P0.7口作为可以设置速度个位数减一的独立按键端口。P1口：P1口的最基本功用是拥有部上拉电阻的8位双向I/O 口，并且P1口的输出缓冲器能够驱动4个TTL逻辑电平。在本系统中，P1.0口作为定时器/计数器2连接到驱动电路L298芯片的使能端上，P1.1口和P1.2口分别连接到驱动电路L298芯片的两个输入端口上，用来实现通过单片机产生

28、PWM信号对电机速度进行控制。P1.3口与确定速度设定完成的独立按键连接，P1.4口与对电机转动方向切换的独立按键连接。P2口：P2口最基本的功用与P1口相似。在本系统中，P2.0口P2.7口分别与液晶显示器LCD1602的DB0DB7八个双向数据线端口连接，用以实现液晶显示的功用。P3口：P3口最基本的功用与P1口和P2口一样，但是P3口同时又包含了该单片机的特殊功能，比如在本系统中P3.5口作为定时器/计数器1与测量电路LM393芯片连接，用在测量电路计算电机转速。RST：复位输入。在本系统中，该端口与独立按键连接，实现通过按键按入使系统复位的功能。EA/VPP：在本系统中，将这个端口接在

29、+5V，那么单片机就运行了部程序存储器的指令。XTAL1：该端口接在时钟电路的输入一端，与晶振、小电容构成时钟电路。XTAL2：该端口接在时钟电路的输入另一端，与晶振、小电容构成时钟电路。AT89S52最小应用系统电路如图2-5所示。包括：时钟电路、复位电路、ISP接口下载电路，ISP接口下载电路在本系统中没有使用到，所以就不做解释了。（1）时钟电路：时钟电路为单片机运行提供稳定的时钟源，芯片的工作频率可在033MHz围之间选，这里我们选用比较采用的11.0592MHZ晶振为，两个小电容是晶振的负载电容，我们选用30pF的小电容就可以了；（2）复位电路：复位电路的RST引脚是单片机的复位端，在

30、引脚输入至少两个单片机周期的高电平单片机就可以复位。刚接上电源时，电容充电这时可以给单片机一个高电平，单片机复位，即上电复位；当开关按下时给单片机接通高电平，由于按下的时间至少是毫秒级的远大于单片机复位所需的时间，所以也可以达到的复位的要求，即按键复位。；图2-5 AT89S52最小系统硬件原理图2.3电机驱动模块2.3.1电机驱动设计方案本系统最重要的功能就是实现电机速度的控制，所以电机驱动模块对于本系统来说是至关重要的，对于此模块的设计有下列两种方案。方案一：使用不同种类的功率晶体管组成电路，用此来构成驱动模块，晶体管具有价格低廉、耐压高等特点，所组成的电路结构也相对简单并且容易做到，但是

31、由此构成的驱动模块，需要用到很多晶体管交错连接，会造成硬件电路变得繁杂、容易受到干扰、可靠性得不到保证。方案二：使用专门的电机驱动芯片L298，这种芯片的部电路拥有很高的抗干扰性能、稳定性能，而且该芯片组成的驱动模块使用元件很少、基本没有损耗，所以使用起来只需要顾虑到硬件方面的连接就可以了，对于本系统而言，使用该芯片可以节省很多电路的设计，可以将重心放在软件程序的编写上。图2-6不同种类的晶体管图2-7 L298驱动芯片基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。2.3.2 L298N芯片简介该芯片出产于SGS公司，通常我们买到的都是15个引脚的Multiwatt封装芯片，该芯片有4个

32、输入引脚和4个输出引脚，可以用来控制两个直流电机或者是一个两相步进电机，拥有2个使能输入端口，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或者禁用芯片，该芯片使用方便，能够与单片机控制核心的端口直接连线。图2-8 L298引脚图各引脚功能简介：1、15脚分别是两个H桥的电流反馈脚，在本系统中没有使用到，所以可以直接将这两个引脚接地；2、3脚为一对输出端口，13、14脚为一对输出端口，本系统只用于控制一个直流电机的转速，只需用到2、3脚这一对输出端口；4脚为驱动电压输入，最小值必须必输入的低电平高2；5、7脚为一对输入端口，10、12脚为一对输入端口，本系统只用于控制一个直流电机的转速，只需用到5、7脚

33、这一对输入端口；6、11脚为使能端，在本系统中，使用到了6脚使能端A接于单片机上；8脚为芯片接地端，在本系统中接于电源负极上；9脚为芯片逻辑电源，在本系统中接于电源正极上；表2-1 L298逻辑表电机旋转方式输入端1输入端2控制端3控制端4M1正转高低/反转低高/停止低低/假定输入端1收到高电平时且输入端2收到低电平时，电机发生正转，反之，电机发生反转，当输入端都接到低电平时，电机停止转动。2.3.3电机驱动电路在本系统中由于单片机无法直接控制电机运转，所以驱动模块成为了单片机与直流电机之间的纽带。驱动电路的连接图如图2-9所示，图中的4个IN4007二极管的作用是为了保护芯片L298不被烧坏

34、，单片机产生的PWM信号经由输入端口1、输入端口2和使能端A再通过输出端口1和输出端口2控制电机调速。图2-9驱动电路2.4测速模块2.4.1 测速设计方案本系统实现了电机转速的准确控制，因此必须采集电机转速，所以在本系统中有一个测量速度模块，用于将电机的实时转速反馈回单片机中进行PID算法的补偿，具体的实现方式有下列两种：方案一：使用霍尔传感器为电机转速进行测量，霍尔器件具备很小的体积、很轻的重量、使用寿命久、耐性很强等优良性，在硬件电路方面上，只需要在电机上配上磁片，就能够实现对电机速度的测量，但是霍尔器件的价格稍贵且在市面上不方面购买。方案二：使用光电传感器对射式为电机转速进行测量，相对

35、于霍尔器件而言，光电传感器也具备很小的体积、很轻的重量等的特点，虽然测量原理有所不同，但是在光电传感器后面加上一个LM339比较器芯片就能使测量精度达到要求，并且在硬件上也只需在电机上接上一个扇叶就实现测量功能，而且价格低廉方便购买。根据上面方案的说明，在不影响本系统功能的实现，考虑性价比等因素，我们选择了方案二的设计。图2-10霍尔传感器图2-11光电传感器对射式2.4.2 光电对管原理光电传感器对射式，也叫光电开关，其部结构为一个红外发射二极管和一个红外接收二极管，分为反射式和直射式的，利用集聚光线来控制光敏二极管的打开与关闭。无论如何，原理都是光电的转化。当对管以近似直线的位置相对时，接

36、收管才会有一个比较明显的阻值变化。本系统的测速模块是由一个对射式光电管来作为转换元件的，经过一个比较放大器整波后实现的。图2-12 光电对管原理图红外发射二极管：普通的红外发射二极管其外形结构都与发光二极管LED非常相似，发出红外光，管压降大概是1.4V，工作电流小于20mA，一般串联限流电阻。红外发射二极管发出的红外光强度会根据不同方向而进行变化，当红外光发出的角度为零时，我们以此角度的光线强度为最大值1，然后改变红外光发出的角度，使其慢慢变大，当光轴为方向角度的0.5倍时，此时的光线强度为最大值的二分之一，并依此做为方向半值角，如果这个角度很小则表示该元件的指向性很灵敏。一般情况下，发光二

37、极管都会配有透镜，目的是使元件更为灵敏。红外接收二极管:红外接收二极管可以叫光敏二极管，也可称为光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的，光电二极管的外表面装带着能够通过光线的玻璃透镜，发出的红外光能过进入透镜准确的直射到管芯，管芯位于管部，是带有光敏特性的PN结10。光敏二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以与管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高

38、了管子的稳定性，减少了暗电流8。2.4.3 LM339N芯片简介产自于美国的LM339N芯片是一种非常不错的检测器件，放在测量电路中使用的效果是可观的。该芯片的含电路是拥有四个电压比较放大器，准确度和可靠性都非常优良。在本系统中，因为使用光电传感器进行对电机速度的测量，在光电信号的转换时，产生的电信号并不是标准的矩形波信号，因此使用到了该芯片中的一个电压比较放大器，对电信号进行比较放大，使其输出的矩形波信号能被单片机控制核心所识别、采集、处理。图2-13 LM339引脚图图2-14 LM339实物图2.4.4测速模块电路测速模块电路如图2-15所示。R13作为光电对管发光二极管的限流电阻，R1

39、2为光电对管发光敏二极管的上拉电阻，由于码盘在光电对管中随电机转动，会实现对光路的遮挡，光敏二极管在感光和不感光时电阻会发生明显变化，通过上拉电阻将电阻的变化转换成电压的变化，由于这时得输出高、低电压并不是+5V和0V，所以在后端再加上一个比较器，比较器的另一端基准电压由R15精密电位器分压得到，调节电位器选取合适的基准电压，这时我们就能得到一个脉冲信号，方便单片机读取。图2-15测速模块电路2.5显示模块2.5.1显示设计方案本系统作为对直流电机转速的控制，必须要将电机的设定速度与电机的实时速度体现出来，不然就没有任何意义，所以需要设计一个显示模块，将电机的实际用数字、符号表现出来，因此有下

40、列两种方案：方案一：使用七段数码管（LED）作为显示模块，数码管的优点非常多，拥有良好的亮度、工作电压低、器件的耗能低、性能比较稳定，在本系统中如果使用数码管作为显示器，那么数码管的数量会相对较多，不方便。方案二：使用LCD1602液晶显示器作为显示模块，该器件屏幕背光可以调节，耗能方面也较低，LCD1602液晶显示器的屏幕能够同时显示16*2个字符即2行16列，对于本系统来说非常的适合，并且硬件电路连接也不会复杂。根据本次设计的设计要求，显示模块选用方案二。图2-16 7段数码管（LED）图2-17 LCD1602液晶显示器2.5.2 LCD1602液晶简介本系统选用LCD1602作为显示模

41、块，该显示器的做动原理是基于液晶物理方面的特性，一旦有电进入显示器，屏幕就会显示出来，然后利用电压的方式对显示部分执行操作。在本系统中，该显示器一行进行对速度设定值的显示，另外一行进行对速度测量值的显示，使我们可以很直接了解电机的实时情况。图2-18 LCD1602液晶显示器引脚图各引脚功能介绍：第1脚：Vss为地电压。第2脚：Vcc接5V正电压。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，在本系统中采用10K的电位器来进行调节屏幕的对比度。第4脚：RS为寄存器选择，在本系统中与单片机的P0.0口连接，由单片机控制。第5脚：R/W为读写信号线，在本系统中将这个引脚接地，用来实现液晶显示功能。第6脚：

42、E端为使能端，在本系统中与单片机的P0.1口连接，受单片机控制。第714脚：D0D7为8位双向数据线，在本系统中分别于单片机P2.0P2.7口连接。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。表2-2 LCD1602液晶读写状态表操作输入输出读状态RS=L,RW=H,E=HD0D7=状态字写命令RS=L,RW=L,D0D7=指令码，E=高脉冲无读数据RS=H,RW=H,E=HD0D7=数据写数据RS=H,RW=L,D0D7=数据，E=高脉冲无2.5.3显示电路LCD1602液晶显示器的电路连接如图2-15所示，电位器R14用来调节液晶背光。图2-15 显示电路2.6 键盘模块2.6.1键盘设计

43、方案在本系统中，要有按键将速度的设定值、电机正反转的设定和电机调速启动输入进系统里，所以键盘模块成为本系统的一个重要设计，对此有两种方案选用：方案一：选用独立按键作为键盘模块，独立按键只有4个引脚，而且两两是互通的，因此在硬件电路上易于操作，并且每一个按键都不会互相影响，在软件编程上的实现也相对容易。方案二：选用行列式键盘作为键盘模块，该键盘的特点在于其结构为矩阵形态，按键的数量为行数乘以列数，而且该键盘的行线全部接输入端，列线全部接输出端，在那些需要像计算器这么多按键的系统中非常好用，但是对于本系统来说，并没有必要使用这种键盘。根据上面两种方案的论述，由于本系统单片机的I/O口有剩余，所以采

44、用方案一独立键盘进行设计。图2-16 4X4矩阵键盘图2-17 独立式按键2.6.2键盘消抖本系统选用独立式按键作为键盘模块，这种按键属于常开型按键，需要人为按下才能够导通，所以在我们按下按键或者是放开按键的同时，都会有一个很微小的抖动，但是我们的手指并没有那么的灵敏，所以察觉不到这种现象，但是单片机属于微机化的控制系统，它的处理时间非常的低，对这种现象非常的敏感，所以我们必须消除这种抖动现象。图2-18键盘抖动在工程实际中对按键消除抖动可以用硬件方式和软件方式。硬件去抖动的方法有很多，但是我们一般不采用硬件方法，而使用软件去抖动方法。软件去抖动其实不困难，可以当单片机接受到按键端口的低电平信

45、号时，使得系统没有马上认为按键已经按下，而是等段一段时间后再次检查该端口信号，假如还是低电平信号，那就说明此按键已经被按下。事实上这样子做就能消除按键按下的抖动时间，在检测到按键释放后进行延时，就能够去掉后延抖动，再将按键处理。2.6.3键盘电路按键连接如图2-19所示，按键接上一个10K上拉电阻，用来对电路的保护。图2-19键盘电路2.7电源模块2.7.1电源模块设计方案无论是什么样的直流电机调速系统都需要有能量，而这种能量来自于电源，因此对于电源的选用有以下两种方案选择：方案一：使用电阻通过电阻分摊电压，以此来降低输入电压的值使其变为单片机和直流电机能使用的电压值，但是这种方式损失了大部分

46、能量，在工程实际应用中也基本不使用。方案二：使用专门的稳压芯片LM7805对系统电源进行整流、稳压处理，相比于第一种方案而言，这种方法对电源的利用率非常高，而且LM7805的硬件电路连接很方便，其电路可靠性、安全性都异常优越。根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。2.7.2 LM7805芯片简介LM7805稳压芯片有三个引脚，一个引脚接到电源端，对电源电压进行整流、降压，一个引脚为整流、降压后的电压输出，与系统硬件电路的其他模块连接，对它们供电，最后一个引脚接地，此外，该芯片含有一些保护措施，像是过流、过热等，而且，该芯片的使用方法简单，价格低廉，具有非常强的可靠性。图2-20 L

47、M7805引脚图图2-21 LM7805实物图2.7.3电源电路一个电路如果没有能量输入，那么这个电路根本无法做动，如果能量的输入超过电路的承受围，那么整个电路会烧坏，所以在本系统中使用LM7805稳压芯片为电路的单片机模块、直流电机等模块提供它们所需要的电源。图2-22 电源电路3.基于PWM的控制软件设计与实现3.1 PWM脉冲控制技术3.1.1 PWM脉宽调制的基本工作原理如图3-1所示，我们假设矩形波信号的一个周期为T，然后在这个周期的正方向脉冲宽度的时间为t1，则可以得到导通占空比为： 伪=t1/T（3-1）由上述的定义，占空比就可以理解为在单位周期，正方向脉冲宽度的时间在整个单位周

48、期所占据的比值，其变化围为。t1t2T图3-1 PWM信号的占空比根据上面的论述可知，在系统电压没有发生变化的状态下，直流电机电枢的端电压的平均值为，所以我们只需要变化占空比就能够使端电压的平均值发生变化，因而实现调速的功能，这就是Pulse Width Modulation（PWM）调速的原理。当占空比，Uav=0,电动机转速为零；当伪0.5时，Uav为正，电动机正转，且在时，Uav=Us,正向转速最高；当伪0.5时，Uav为负，电动机反转，且在时，Uav=-Us,反向转速最高。连续地改变脉冲宽度，即可实现直流电机的无级调速。根据PWM控制基本工作原理可知，一段时间加在惯性负载两端的PWM脉

49、冲与相等时间冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间脉冲宽度为t0,幅值为U，由图3-2可求得此时间脉冲的等效直流电压为6：U0=t0*UT（3-2）令伪=t0T，即为占空比，则上式可化为：（U为脉冲幅值）（3-3）U(t)UtT0t0图3-2 PWM脉冲如果PWM脉冲信号是连续性的周期矩形脉冲信号，则跟这个脉冲信号相等的电压表达式跟前面的一样：（3-4）根据上式容易了解到，要使等效直流电压值大小发生变化，能够利用变化脉冲幅值与占空比来达到，但是系统设计的脉冲值通常都是不变的，因此只能变化占空比的大小来达到等效直流电压在0U间随意控制的目的，因此可以使用PWM调制技术对直流电机执

50、行控制。PWM调速方法：根据上面的论述，使用PWM调制技术进行调速时，占空比是非常关键的指标，由上图3-1所示，下列介绍几种变化占空比的方式：1.定宽调频法：维持t1稳定，只调整T，这样周期（频率）就变化了；2.调宽调频法：维持t2稳定，而调整t1，这样也使得周期（频率）变化了；3.定频调宽法：维持周期T（频率）稳定，而在变化t1时也变化t2。因为前面两种方式在调速时变化了脉冲信号的周期（频率），因此如果控制周期和系统固有周期相近的时候，就会导致系统发生振荡，所以这两种方式能够应用的场合不多，故本系统用的是定频调宽法。这种方式就是维持脉冲信号周期的稳定，使占空比发生变化，而占空比的变化会促使电

51、机平均电压发生变化，因此调节了电机的速度。3.1.2 PWM实现方式方案一：使用定时器作为PWM控制的定时方法，由这种方法控制的脉冲信号宽度相当精准，通常误差只有us级别，而且这种方法的软件编程实现也不会很难9。方案二：使用软件延时程序的方法，这种方法虽然在软件编程上非常简单，也非常容易实现，但是准确度没有方案一好，而且在系统中断运行后，产生的误差较大9。与开环控制回路做比较，闭环控制回路具备种种好处，在引入闭环控制回路后，系统中无论发生任何变化，即使是微小的变化量造成控制量不等于设定值，系统就会做出相对映的反应去纠正误差，鉴于此，本系统设计选用闭环控制回路设计。如图3-3所示，利用单片机控制

52、核心发出的PWM信号，将PWM信号传入驱动电路模块，由此模块执行直流电机速度的控制，再利用光电传感器对电机速度执行测量，并且把所测量到的速度返回到单片机控制核心，在控制器部把返回值和设定值进行比较，通过这种手段达到直流电机准确控制的目的2。被控量给定量+PWM信号驱动电路直流电机单片机控制器-速度反馈光电传感器图3-3PWM调制技术结构框架图3.2定时器/计数器本系统控制核心的单片机其部自带的定时器功能是我们利用软件编程来实现产生PWM控制信号的有效手段，但是单片机型号的区别，其自带的定时器特点也会所有差异，并且使用的晶振MHz数的差别会造成到定时器工作模式选用的差异，也会影响定时初值和定时时间之间的关系。如果我们用f来表示单片机的时钟频率，用N表示定时器的位数，那么定时器的定时初值和定时时间之间的关系就可以用下式来表述11：t1=2n-Tw*Nf*106 (3-5)上式：Tw表示定时初值； t1表示定时时间；N表示单位机器周期的时钟数。根据单片机的不同型号，时钟数N也会跟着