基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共19頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)： 審定成績(jī)： 重 慶 郵 電 大 學(xué)自 動(dòng) 化 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位（二級(jí)學(xué)院）： 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011 年 10 月重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院制08級(jí)自動(dòng)化專業(yè)綜合設(shè)計(jì)題目第二組題目： 單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)與制作要求： 設(shè)計(jì)與制作單片機(jī)最小系統(tǒng)，具有鍵盤輸入0 9數(shù)字和功能鍵；LED數(shù)碼管或LCD1602顯示。主要顯示實(shí)際速度值和設(shè)定速度值以及參數(shù)修改的值。 設(shè)計(jì)速度檢測(cè)電路與數(shù)據(jù)處理，速度測(cè)量采用數(shù)字測(cè)量的方式，采用光電式和電磁式測(cè)

2、量方法。實(shí)現(xiàn)速度信號(hào)的檢測(cè)、整形等實(shí)現(xiàn)。 輸出驅(qū)動(dòng)采用PWM脈寬調(diào)制。調(diào)節(jié)周期可以設(shè)定。默認(rèn)值為0.5s。驅(qū)動(dòng)芯片采用L298 直流電機(jī)由實(shí)驗(yàn)室提供。直流電機(jī)的輸入電壓24V。功率50瓦?？刂扑惴ú捎贸Ｓ肞ID算法。 進(jìn)度要求：第一周方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，原理圖設(shè)計(jì)等。元器件清單提交到指導(dǎo)老師處。第二周至第五周系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及調(diào)試相關(guān)準(zhǔn)備。第六周系統(tǒng)調(diào)試和撰寫綜合設(shè)計(jì)報(bào)告。進(jìn)行答辯。摘 要本文介紹了基于 STC12C5412AD單片機(jī)作為微控制芯片，利用紅外傳感器或霍爾傳感器測(cè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用了芯片L298N作為直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，完成了在主電路中對(duì)直流電機(jī)的控制，利用PWM調(diào)速方式控制直流電

3、機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，同時(shí)可以通過(guò)矩陣鍵盤隨意設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，并由LCD顯示速度的變化值，采用PID算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)速度至預(yù)先設(shè)定的速度，整個(gè)系統(tǒng)的電路邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)。關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 紅外傳感器 霍爾傳感器 PWM調(diào)速 直流電機(jī)專心-專注-專業(yè)1 引言最基本的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是調(diào)速系統(tǒng)：即通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)。測(cè)速裝置在控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間(采樣周期)。電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方案可分成兩類：用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)或用脈沖發(fā)生器檢測(cè)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠，但體積大、精度低，

4、且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過(guò) A/ D 轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的工作原理是按電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測(cè)。如選用旋轉(zhuǎn)編碼器做脈沖發(fā)生器，使用簡(jiǎn)單，但價(jià)格較貴。所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件和光電傳感器的脈沖發(fā)生器成本低、構(gòu)造容易、性能好。它成功地嵌入目前在國(guó)內(nèi)大學(xué)中普遍采用的DCS- 1 型直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中，已可靠運(yùn)作兩年以上。而且有關(guān)用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以照常進(jìn)行，硬件上無(wú)須做任何改動(dòng)。若采用旋轉(zhuǎn)編碼器則只能與測(cè)速發(fā)電機(jī)替換使用，反復(fù)卸下一個(gè)、裝上另一個(gè)，才能進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 硬件方案論證要控制

5、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，硬件電路要求比較高，它決定直流電機(jī)調(diào)速的精度。采用PID控制器，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速，使電機(jī)速度等于設(shè)定值，并且實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)功能分解，設(shè)計(jì)方案論證可以分為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測(cè)量方案論證，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證，鍵盤顯示方案論證，PWM軟件實(shí)現(xiàn)方案論證。2.1.1 微處理器的選擇方案一：采用一片單片機(jī)（AT89S52）完成系統(tǒng)所有測(cè)量、控制運(yùn)算，并輸出PWM控制信號(hào)，但是其造成CPU資源緊張，程序的多任務(wù)處理難度增大，不利與提高和擴(kuò)展系統(tǒng)性能，也不利于向其他系統(tǒng)移植。方案二：采用兩片單片機(jī)（AT89S52）,其中一片做成PID

6、控制器，專門進(jìn)行PID運(yùn)算和PWM控制信號(hào)輸出；另一片則系統(tǒng)主芯片，完成電機(jī)速度的鍵盤設(shè)定、測(cè)量、顯示，并向PID控制器提供設(shè)定值和測(cè)量值，設(shè)定PID控制器的控制速度等，但硬件比較復(fù)雜。方案三：采用STC12C5412AD單片機(jī)。它是高速低功耗超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快10倍左右，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合，同時(shí)PID控制算法的實(shí)現(xiàn)可以精益求精，對(duì)程序算法或參數(shù)稍加改動(dòng)即可移植到其他PID控制系統(tǒng)中。綜上所述采用方案三2.1.2 測(cè)速傳感器的選擇方案一：使用測(cè)速發(fā)電機(jī)，輸出電動(dòng)勢(shì)

7、E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即E=kn，其中k是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變，安裝不方便且不常用。方案二：采用霍爾傳感器，霍爾元件是磁敏元件，在被測(cè)的旋轉(zhuǎn)體上裝一磁體，旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)磁體經(jīng)過(guò)霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大整形得到脈沖信號(hào)，送運(yùn)算。不需A/D轉(zhuǎn)換，直接可以被單片機(jī)接收方案三：采用光電傳感器，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸端安裝一個(gè)自制碼盤（32個(gè)黑白相間的扇形弧度），經(jīng)過(guò)紅外發(fā)射接收管，發(fā)射的紅外光一直發(fā)射，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到白色的條紋時(shí)反射回來(lái)被接受管接收，每輸出16個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)過(guò)一圈。在本設(shè)計(jì)方案中采用兩種方法，因此采用方案二和方案三2.1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證 方案一：采用專用小型

8、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，幾乎不添加其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動(dòng)電路功耗相對(duì)較小，而且目前市場(chǎng)上此類芯片種類齊全，價(jià)格也比較便宜。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一

9、種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。 通過(guò)比較和對(duì)市場(chǎng)因素的考慮，本設(shè)計(jì)采用方案一，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心在PID控制上。2.2系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示，是一個(gè)帶矩陣鍵盤輸入和LCD12864顯示的閉環(huán)測(cè)量控制系統(tǒng)。主體思想是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定信息和測(cè)量反饋信息計(jì)算輸出控制信息。單片機(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機(jī)（PID運(yùn)算控制器、PWM模擬發(fā)生器）電機(jī)速度采集電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路鍵 盤顯示器圖2.1 系統(tǒng)原理框圖2.3. 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì)2.3.1速度測(cè)量電路設(shè)計(jì)一理論上，是先將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為某一種可測(cè)電量來(lái)測(cè)量，如電壓，電流等。設(shè)計(jì)中將轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)化為電脈沖頻率的測(cè)量。本系統(tǒng)采用光電

10、傳感器ST188來(lái)檢測(cè)碼盤轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)以此來(lái)測(cè)速度。主要原理是：當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到白色的條紋時(shí)，裝在碼盤旁邊的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào),經(jīng)白色反射后,被接收管接收,一旦接收管接收到信號(hào)，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，收紅外線比較器輸出為低電平；當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到黑色的條紋時(shí)，紅外線信號(hào)被黑色吸收后,光敏三極管截止,比較器輸出高電平,從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口,當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí),表明紅外光被碼盤上的黑色線條吸收了,同理,當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí),表明在白色的條紋上，并使用電壓比較器LM339將I/O口輸出的電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。每檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)碼

11、盤轉(zhuǎn)過(guò)22.5°,當(dāng)檢測(cè)到16次信號(hào)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,電路如圖2.2所示圖2.2轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)化電路2.3.2速度測(cè)量電路設(shè)計(jì)二速度檢測(cè)電路是由開關(guān)型霍爾傳感器和磁鋼組成，其電路圖如圖2.3所示。測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)?；魻柶骷鳛橐环N轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的傳感器，具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。在本次使用中，我們將霍爾傳感器3314固定在離反射式黑白碼盤很近的洞洞板上，碼盤上固定有微型磁鋼，當(dāng)碼

12、盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，霍爾傳感器就輸出電平信號(hào)，經(jīng)電壓比較器lm339放大后輸入單片機(jī) 處理。所謂磁鋼，就是磁鋼就是一種有磁性的鋼鐵。在傳感檢測(cè)電路中將磁鋼安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器則放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當(dāng)磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，由開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理知，此時(shí)將輸出一個(gè)低電平信號(hào)；而當(dāng)磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個(gè)高電平。這樣通過(guò)高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機(jī)后就可以測(cè)量它的轉(zhuǎn)速。圖2.3 霍爾傳感器部分2.3.3串行通信接口電路 單片機(jī)的串行口是非常有用的，通過(guò)它我們可以把單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳回電腦處理或者接受電腦傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。微控制器有許多標(biāo)準(zhǔn)

13、的通信方法,但在主/從嵌入式系統(tǒng)中,最常用的是RS232串行接口、SPI和I2C。單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口。圖2.4串行通信接口電路本次課程設(shè)計(jì)，采用的是RS232出行接口方式。電路中串行端口的本質(zhì)功能是作為單片機(jī)和電腦端的通信，完成51單片機(jī)ISP程序下載的功能。當(dāng)數(shù)據(jù)從單片機(jī)經(jīng)過(guò)串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在Windows環(huán)境（Windows NT、Win98、Windows2000）下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。

14、本次課程設(shè)計(jì)串行通信接口，電路如圖2.4所示。2.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用目前市場(chǎng)上較容易買到的L298N直流或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它采用單片集成塑裝，是一個(gè)高電壓、大電流全雙橋驅(qū)動(dòng)器，由標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平控制。L298N支持50V以內(nèi)的電機(jī)控制電壓，在直流運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，可以通過(guò)高達(dá)2A的電流，因此它滿足了一般小型電機(jī)的控制要求。圖中二極管的作用是消除電機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)電路，因此采用整流二極管比較合適。PWM控制信號(hào)由in1、in2輸入。如果in1為高電平，in2為低電平時(shí)電機(jī)為正向轉(zhuǎn)速，反之in1為低電平，in2為高電平時(shí)，電機(jī)為反向轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)將in2直接接地，即采用單向制動(dòng)的方

15、式。電路圖如圖2.5所示。圖2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.3.5 LCD顯示電路與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中采用的LCD12864是一種內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字庫(kù)和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/ 列驅(qū)動(dòng)器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示7.5×2個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字，與外部CPU接口采用并行或串行方式控制。本設(shè)計(jì)采用并行方式控制，LCD與單片機(jī)的通訊接口電路如圖2.6所示,采用直連的方法，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在不影響性能的條件下還不用添加其它硬件，簡(jiǎn)化了電路，降低了成本。圖2.6 LCD顯示電

16、路與單片機(jī)的接口2.3.6.矩陣鍵盤電路本設(shè)計(jì)采用4*3矩陣鍵盤，它們分別與P1口相連，作為設(shè)定速度的輸入。12個(gè)按鍵功能描述：09的10個(gè)數(shù)字鍵，next和ok兩個(gè)功能鍵。連接在P1端口進(jìn)行掃描，ok鍵就是確認(rèn)鍵，功能是將設(shè)置好參數(shù)后退出設(shè)置模式，next鍵按下后就是將光標(biāo)切換到下一個(gè)要設(shè)置的位值。其電路如圖2.7所示。圖2.7 鍵盤電路2.3.7電源模塊線性三端穩(wěn)壓器件7805由于內(nèi)部電流的限制，以及過(guò)熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使得它基本上不會(huì)損壞。提供足夠的散熱片，能夠保證輸出最大電流為1.5A，電路簡(jiǎn)單,穩(wěn)定.調(diào)試方便，價(jià)格便宜,適合于對(duì)成本要求苛刻的產(chǎn)品，電路中幾乎沒有產(chǎn)生高頻或者低

17、頻輻射信號(hào)的元件,工作頻率低,EMI等方面易于控制.并采用磁珠對(duì)模擬地與數(shù)字地進(jìn)行隔離，電路如圖2.8所示。圖2.8電源模塊3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序框圖如圖3.1所示。 圖3.1 系統(tǒng)主單片機(jī)總程序框圖 當(dāng)系統(tǒng)被啟動(dòng)后，主從單片機(jī)初始化。主單片機(jī)檢測(cè)是否有鍵按下，再執(zhí)行按鍵子程序，將輸入的值傳送到PID控制器，PID控制器經(jīng)PID計(jì)算處理，再計(jì)算出PWM的定時(shí)值，PID再送出相應(yīng)的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，主單片機(jī)將傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，再將得出的值輸出到PID控制器，PID控制器經(jīng)計(jì)算輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于設(shè)定的轉(zhuǎn)速。依次循環(huán)使電機(jī)趨于穩(wěn)定值。3

18、.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中考慮到電機(jī)的工作環(huán)境一般比較惡劣，因此除了硬件外，從程序上除了要更高的精確度也需要進(jìn)行更多的抗干擾設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)軟件的大范圍檢錯(cuò)、糾錯(cuò)或丟棄錯(cuò)誤等。在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)嚴(yán)重不符合要求的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了丟棄處理，而對(duì)于正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤采用了采5取3求平均的算法（即采集5個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值一個(gè)最小值，然后將剩余3個(gè)數(shù)據(jù)求平均）。實(shí)驗(yàn)表明，此方法降低了系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法，是通過(guò)速度脈沖信號(hào)下降沿觸發(fā)單片機(jī)的外中斷，中斷服務(wù)子程序在某一個(gè)脈沖的下降沿開啟定時(shí)器記時(shí)，然后在下一個(gè)下降沿關(guān)閉定時(shí)器，通過(guò)對(duì)定時(shí)器數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理可以得到信號(hào)周

19、期進(jìn)而得到速度值。其程序框圖如圖3.2?？梢钥闯觯朔椒ㄏ碌牟蓸又芷谑请S轉(zhuǎn)速變化的，轉(zhuǎn)速越高采樣越快。通過(guò)這種非均勻的速度采樣方式可以使電機(jī)在高速情況下，實(shí)現(xiàn)高速度高精度的控制。圖3.2 外中斷程序框圖3.3鍵盤程序設(shè)計(jì) 鍵盤程序設(shè)計(jì)的任務(wù)是賦予各按鍵相應(yīng)的功能，完成速度設(shè)定值的輸入和向STC12C5412AD的PWM控制器控制頻率的設(shè)定。4*3矩陣鍵盤的12個(gè)按鍵兩個(gè)為功能鍵，十個(gè)為09的數(shù)值鍵。其中功能鍵NEXT用來(lái)位循環(huán)選擇所要設(shè)置的數(shù)值位，切換單片機(jī)要調(diào)整的是設(shè)定值的個(gè)位、還是十位；功能按鍵OK用來(lái)在設(shè)置完成后退出設(shè)定狀態(tài)；數(shù)值鍵09用作改變當(dāng)前參數(shù)的作用，僅當(dāng)在參數(shù)設(shè)定模式下才會(huì)起作

20、用，未在參數(shù)設(shè)定模式下不會(huì)引起誤觸發(fā)；參數(shù)設(shè)定是實(shí)時(shí)更新的，每次設(shè)定后就反饋到單片機(jī)處理，可迅速觀察到運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定控制。按鍵驅(qū)動(dòng)子程序框圖如圖3.3。圖3.3 鍵盤程序框圖3.4 LCD顯示子程序的設(shè)計(jì) LCD 使用的關(guān)鍵是根據(jù)顯示需要正確地對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，而我們必須清楚那些初始化設(shè)置之間的關(guān)系，以及它是如何利用設(shè)置讀取、顯示數(shù)據(jù)字符的，不然就會(huì)發(fā)生一些不可預(yù)料的錯(cuò)誤。LCD128X64點(diǎn)陣LCD的顯示原理:模塊的用戶指令集分為基本指令集（RE=0）和擴(kuò)充指令集（RE=1）兩種，分別可以實(shí)現(xiàn)清除顯示、地址歸位、進(jìn)入點(diǎn)設(shè)定等基本功能及待命模式、反白選擇、睡眠模式等擴(kuò)充功能。具體指令

21、碼及說(shuō)明可參照詳細(xì)用戶手冊(cè)上的用戶指令表。在具體調(diào)用指令時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： 1、當(dāng)模塊在接受指令前，微處理順必須先確認(rèn)模塊內(nèi)部處于非忙碌狀態(tài)，即讀取BF 標(biāo)志時(shí)BF 需為0，方可接受新的指令；如果在送出一個(gè)指令前并不檢查BF 標(biāo)志，那么在前一個(gè)指令和這個(gè)指令中間必須延遲一段較長(zhǎng)的時(shí)間，即是等待前一個(gè)指令確實(shí)執(zhí)行完成。2、“RE”為基本指令集與擴(kuò)充指令集的選擇控制位元，當(dāng)變更“RE”位元后，往后的指令集將維持在最后的狀態(tài)，除非再次變更“RE”位元，否則使用相同指令集時(shí)，不需每次重設(shè)“RE”位元。 3、模塊提供硬體游標(biāo)及閃爍控制電路，由地址計(jì)數(shù)器（address counter）的值來(lái)指定DDRA

22、M 中的游標(biāo)或閃爍位置。4 數(shù)字PID算法4.1.PID基本原理PID全稱比例-積分-微分控制器，是自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中最經(jīng)典應(yīng)用最廣泛的一種算法。為了達(dá)到最佳的控制效果，我們?cè)陂]環(huán)控制系統(tǒng)的中間加入PID控制器，改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，并且調(diào)整比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小達(dá)到最佳控制效果，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)快準(zhǔn)的控制特點(diǎn)。根據(jù)改變P可提高響應(yīng)速度，減小靜態(tài)誤差，但太大會(huì)增大超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間。使用積分可以消除靜態(tài)誤差，提高無(wú)差度。積分D與P,I的作用相反，主要是為了減小超調(diào)，減小穩(wěn)定時(shí)間。調(diào)試時(shí)，三個(gè)參數(shù)綜合考慮，首先將I,D設(shè)0，調(diào)好P，達(dá)到基本的響應(yīng)速度和誤差，再加上I，使誤差為0，這時(shí)再加上D，三個(gè)參數(shù)

23、要反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到較好的結(jié)果。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量時(shí)，需要用PID增量算法。 PID增量算法直流電機(jī)受控對(duì)象 圖4.1 增量式PID控制算法的簡(jiǎn)化示意圖由位置算法求出：再求出： 兩式相減，得出控制量的增量算法：式···稱為增量式PID算法。對(duì)增量式PID算法···歸并后，得：其中由此可以看出各次誤差量對(duì)控作用的影響。數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠了。4.2 PID控制算法的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)要編寫一個(gè)已知算法的單片機(jī)程序，首先要考慮的就是數(shù)據(jù)的

24、結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式了。因?yàn)樗苯佑绊懙较到y(tǒng)的控制精度，以及PID算法的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量。本系統(tǒng)之所以專門采用一片單片來(lái)實(shí)現(xiàn)PID算法，就是因?yàn)閺囊婚_始的設(shè)計(jì)思路就是盡可能高的提高系統(tǒng)的控制精度。要提高系統(tǒng)的控制精度，在計(jì)算過(guò)程中僅取整數(shù)或定點(diǎn)小數(shù)是不夠的，所以本設(shè)計(jì)采用三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。對(duì)于AT89S52單片機(jī)而言，有足夠的內(nèi)存去存儲(chǔ)和處理這些數(shù)據(jù)。另外，為了使程序的參數(shù)修改方便，更易于應(yīng)用到其他PID控制系統(tǒng)中去，在一開始的參數(shù)賦值程序中，參數(shù)是以十進(jìn)制BCD碼浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)的，參數(shù)賦值完成后，緊接著就是對(duì)參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)的歸一化處理，以及復(fù)合參數(shù)q0,q1,q2等的計(jì)算。這些工作在系統(tǒng)啟動(dòng)后迅速就完成

25、了，之后PID控制器只進(jìn)行PID核心控制算法的計(jì)算。PID算法的程序框圖如圖5.2 所示算法。由于本系統(tǒng)采用的是單級(jí)單向調(diào)速， 所以當(dāng)PID控制算法的輸出結(jié)果u（k）為負(fù)數(shù)時(shí)就將其清另零了，當(dāng)大于系統(tǒng)飽和值時(shí)，賦值u(k)為飽和值。5.總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)是基于 STC12C5412單片機(jī)作為微控制芯片，在這次設(shè)計(jì)中我們將書中的理論知識(shí)付之實(shí)踐，具體情況如下：利用紅外傳感器測(cè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用了芯片L298作為直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，完成了在主電路中對(duì)直流電機(jī)的控制，利用PWM調(diào)速方式控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，同時(shí)可以通過(guò)矩陣鍵盤隨意設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，并由LCD顯示速度的變化值，采用PID算法實(shí)現(xiàn)

26、自動(dòng)調(diào)節(jié)速度至預(yù)先設(shè)定的速度，我負(fù)責(zé)的是鍵盤輸入的程序編寫，算是本次設(shè)計(jì)中較容易的模塊，基本思路就是根據(jù)電路圖編寫程序，使用的是矩陣式鍵盤，在程序的編寫過(guò)去中遇到的最大的問題應(yīng)該就屬于輸入消抖的問題，當(dāng)時(shí)未能夠理解到輸入的信號(hào)的不規(guī)則性，導(dǎo)致了調(diào)試中出現(xiàn)一定的問題，但是在趙同學(xué)的提醒下，找到了問題的關(guān)鍵，終于完成了這一環(huán)節(jié)的基本過(guò)程。本次設(shè)計(jì)最大的收獲，首先是團(tuán)隊(duì)意識(shí)的提高，在設(shè)計(jì)中我們遇到的問題都能夠及時(shí)的得到處理，其次是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面了解，在此之前也有很多類似的設(shè)計(jì)，但是有感覺到頗有生疏，本次能夠系統(tǒng)全面的理解了整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程，有了個(gè)宏觀的視野，也算是收獲頗豐了。第三就是，還是那句話，紙

27、上得來(lái)終覺淺，方知此事要恭行，很多器件的使用，理論的理解在之前都是停留在書本理解上，而這次在動(dòng)手實(shí)際中，不但加深了理解，還有提高了動(dòng)手能力，解決問題的能力，我相信這些收獲是本次最大的收獲。也應(yīng)該是本次設(shè)計(jì)的目的所在。參考文獻(xiàn)【1】控制理論與設(shè)計(jì)M 上海交大出版社 ， 200374-82 【2】L298N芯片手冊(cè) ，200605【3】 吳守箴，戚英杰.電氣傳的脈寬調(diào)制控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.【4】 賈玉瑛，王臣.基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng).包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2005年.【5】康華光，鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分第四版).北京：高等教育出版社，2004年.【6】浦龍梅，李私.單片

28、機(jī)控制的直流PWM調(diào)速裝置的研究.變頻器世界，2006年3月附錄1 原理圖：附錄2 程序設(shè)計(jì)：（鍵盤掃描）#include"C51_public.h"#define key_pad P1void KEY_delay(void) unsigned char j; for (j=0;j<250;j+); uint KEYSCAN()uint temp=0,num=0xff;P1=0xef;temp=P1;temp=temp&0xe0;if(temp!=0xe0)KEY_delay();P1=0xef;temp=P1;temp=temp&0xe0;if(temp!=0xe0)temp=P1;switch(temp)ca