基于單片機的直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計-精品

XXX學校XXX屆畢業(yè)設計說明書畢業(yè)設計說明書基于單片機的直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計學生姓名：學號：學院：系名：專業(yè)：指導教師：2012年6月XXX學校XXX屆畢業(yè)設計說明書基于單片機的直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計摘要：在運動控制系統(tǒng)中，電機轉速控制占有至關重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結構，并且參數整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬PID控制系統(tǒng)中，參數一旦整定好后，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實際中，由于現場的系統(tǒng)參數、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達到最佳的控制效果，因此采用模擬PID控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計算機技術與智能控制理論的發(fā)展，數字PID技術漸漸發(fā)展起來，它不僅能夠實現模擬PID所完成的控制任務，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點，應用面越來越廣。本設計以上面提到的數字PID為基本控制算法，以AT89S51單片機為控制核心，產生占空比受數字PID算法控制的PWM脈沖實現對直流電機轉速的控制。同時利用霍爾傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現轉速閉環(huán)控制，達到轉速檢測目的。在系統(tǒng)中采用LCD1602顯示器作為顯示部件，通過5個按鍵來實現正反轉和加減速控制，啟動后可以通過顯示部件了解電機當前的轉速。電機驅動部分采用的是專門的驅動芯片來實現正反轉控制。關鍵詞：數字PID,PWM脈沖,直流電機DCmotorclosed-loopspeedcontrolsystembasedonsingle-chipdesignAbstract：Inthemotioncontrolsystem,thecontrolofelectromotor'srotatespeedisofgreatimportance,therearealotofspeedcontrolarithmeticsandmethods,theanalogPIDcontrolisoneoftheearliestdevelopedcontrolpolicieswhichhasformedtypicalstructure,itsparametricsettingisconvenientandit'seasytomeetnormalcontrol'sdemand,butasthewholecontrolprocessisfixedoncetheparameterhasbeensetwhilepracticallythechangesofthoseconditionslikethesystemparametersandtemperatureoftheenvironmentprohibitthesystemfromreachingitsbestcontroleffect,sotheanalogPIDcontrollerbarelyhassatisfiedeffect.Withthedevelopmentofcomputertechnologyandintelligentcontroltheory,thedigitalPIDtechnologyisthrivingwhichcanachievetheanalogPID'scontroltasksandconsistsofmanyadvantageslikeflexiblecontrolarithmeticsandhighreliability,itiswidelyusednow.ThisdesignisbasedonthedigitalPIDmentionedaboveasbasiccontrolarithmeticandAT89S51SCMascontrolcore,thesystemproducesPWMimpulsewhosedutyratioiscontrolledbydigitalPIDarithmetictomakesuretherunningofdirectcurrentmachine'srotatespeed.AtthesametimeusingHolzersensorswillbeconvertedintopulsefrequencymotorspeedfeedbacktotheMCU,realizethespeedclosed-loopcontrol,toachievespeeddetection.InasystememployingaLCD1602monitorasadisplaypart,throughthe5keystoachievepositiveandaccelerationdecelerationcontrol,canstartthedisplaypartunderstandingthemotorcurrentspeed.Themotordrivepartisusedinspecializeddrivechiptoachievepositivecontrol.Keywords:digitalPID,PWMimpulse,DCmotor第Ⅰ頁共Ⅱ頁目錄1引言…………………………12PID算法及PWM控制技術簡介……………22.1PID算法…………………22.1.1模擬PID2.1.2數字PID………………32.1.3數字PID參數整定方法………………52.2PWM脈沖控制技術……………………….2直流電機的PWM控制技術……………103硬件電路設計部分………………………123.1系統(tǒng)設計方案…………123.2控制器模塊設計方案…………………123.3電機驅動模塊設計方案………………123.4電源模塊設計方案……………………133.5速度采集設計模塊……………………143.6顯示模塊設計方案…………………….2LCD4軟件設計部分……………174.1驅動電力程序流程……………………174.2直流電機的中斷鍵盤控制模塊……….2外部中斷擴展4.3顯示程序流程圖………………………205系統(tǒng)功能調試……………215.1Proteus使用…………215.2電路仿真………………22第Ⅱ頁共Ⅱ頁6結論………………………25附錄A系統(tǒng)總電路圖………………………26附錄B源程序………………27參考文獻……………………35致謝…………………………37第頁共37頁1引言21世紀，科學技術日新月異，科技的進步帶動了控制技術的發(fā)展，現代控制設備的性能和結構發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已進入高速發(fā)展的信息時代，控制技術成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應用工程等各個領域?？刂评碚摰陌l(fā)展經歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個階段。其控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構﹑輸入輸出接口。不同的控制系統(tǒng)、傳感器﹑變送器執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用。受益于數十年來全球經濟高速成長所獲得的PID控制成果,在中國市場，一大批機器設備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段，除滿足本土市場龐大的機器設備需求外，走向國際市場，參與國際競爭也成為現實需求。在應用方面，這種控制技術已經滲透到了醫(yī)療、汽車制造、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產、物流配送、飲料生產等多個方面。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進一步的學習、掌握與應用先進的控制技術與解決方案，以提升設備性能、檔次與市場競爭力。在國外，尤其在運動控制及過程控制方面PID控制技術的應用更是越來越廣泛和深入。隨著科技的進步，人們對生活舒適性的追求將越來越高，PID控制技術作為一項具有發(fā)展前景和影響力的新技術，正越來越受到國內外各行業(yè)的高度重視。本次設計主要研究的是PID控制技術在運動控制領域中的應用，眾所周知運動控制系統(tǒng)最主要的控制對象是電機，在不同的生產過程中，電機的運行狀態(tài)要滿足生產要求，其中電機速度的控制在占有至關重要的作用，因此本次設計主要是利用PID控制技術對直流電機轉速的控制。其設計思路為：以AT89S51單片機為控制核心，產生占空比受PID算法控制的PWM脈沖實現對直流電機轉速的控制。同時利用霍爾傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，構成轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中采LCD1602顯示器作為顯示部件，通過5個按鍵實現正反轉控制和速度預置功能，啟動后可以了解當前速度。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機驅動模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機交互模塊。2PID算法及PWM控制技術簡介2.1PID算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現。目前提出的控制算法有很多。根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實際經驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬PID、數字PID。2.1.1在模擬控制系統(tǒng)中，調節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示，系統(tǒng)由模擬PID調節(jié)器、執(zhí)行機構及控制對象組成。圖2.1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它根據給定值與實際輸出值構成的控制偏差:=－（2.1）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制，故稱為PID調節(jié)器。在實際應用中，常根據對象的特征和控制要求，將P、I、D基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。例如，P調節(jié)器，PI調節(jié)器，PID調節(jié)器等。模擬PID調節(jié)器的控制規(guī)律為（2.2）式中，為比例系數，為積分時間常數，為微分時間常數。簡單的說，PID調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強；（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。由式2.2可得，模擬PID調節(jié)器的傳遞函數為（2.3）由于本設計主要采用數字PID算法，所以對于模擬PID只做此簡要介紹。2.1.2數字PID在DDC系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。由于計算機只能識別數字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設計。為將模擬PID控制規(guī)律按式（2.2）離散化，我們把圖2.1中、、、在第n次采樣的數據分別用、、、表示，于是式（2.1）變?yōu)椋?－（2.4）當采樣周期T很小時可以用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似（2.5）（2.6）這樣，式（2.2）便可離散化以下差分方程（2.7）上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項,即（2.8）第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即（2.9）第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項即（2.10）這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用,常用的組合有:P控制:（2.11）PI控制:（2.12）PD控制:（2.13）PID控制:（2.14）式（2.7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時刻應達到的位置。因此,式（2.7）又稱為位置型PID算式。由（2.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（2.7）進行改進。根據式（2.7）不難看出u(n-1)的表達式，即（2.15）將式（2.7）和式（2.15）相減，即得數字PID增量型控制算式為（2.16）從上式可得數字PID位置型控制算式為（2.17）式中：稱為比例增益；稱為積分系數；稱為微分系數[1]。數字PID位置型示意圖和數字PID增量型示意圖分別如圖2.2和2.3所示：圖2.2數字PID位置型控制示意圖圖2.3數字PID增量型控制示意圖2.1.3數字PID參數整定方法如何選擇控制算法的參數，要根據具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID調節(jié)器的參數整定方法有很多，但可歸結為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數時不依賴對象的數學模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，可解決一般實際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。（1）擴充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數字調節(jié)器參數的步驟是：①選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。②用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時，去掉積分作用和微分作用，使調節(jié)器成為純比例調節(jié)器，逐漸減小比例度（）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應達到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。③選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調節(jié)器為基準，將DDC的控制效果與模擬調節(jié)器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數通常用誤差平方面積表示。控制度＝（1.18）實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當控制度為1.05時，就可以認為DDC與模擬控制效果相當；當控制度為2.0時，DDC比模擬控制效果差。④根據選定的控制度，查表2.1求得T、、、的值表2.1擴充臨界比例度法整定參數控制度控制規(guī)律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22（2）經驗法經驗法是靠工作人員的經驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調整P、I、D三者參數的大小的，具體操作可按以下口訣進行：參數整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢，微分時間應加長。下面以PID調節(jié)器為例，具體說明經驗法的整定步驟：讓調節(jié)器參數積分系數=0，實際微分系數=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。②取比例系數為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。③積分系數保持不變，改變比例系數，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數增大一些，再調整積分系數，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數和積分系數為止。④引入適當的實際微分系數和實際微分時間，此時可適當增大比例系數和積分系數。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。2.2PWM脈沖控制技術PWM(PulseWidthModulation)控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。2.2.1在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖2.4中a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖2.4的a為矩形脈沖，圖2.4的b為三角脈沖，圖2.4的c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變?yōu)槿鐖D2.4的d所示的單位脈沖函數時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數。圖2.4形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖2.5a的電路是一個具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖2.4的a、b、c、d所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上，設其電流為電路的輸出。圖2.5b給出了不同窄波時的響應波形。從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應也是周期性的。用傅立葉級數分解后將可看出，各在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同。 圖2.5沖量相同的各種窄脈沖的響應波形2.2.2直流電機的PWM直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無級快速起動、制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領域中得到了廣泛的應用。直流電動機的轉速調節(jié)主要有三種方法：調節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。針對三種調速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調速只能實現有級調速，減弱磁通雖然能夠平滑調速，但這種方法的調速范圍不大，一般都是配合變壓調速使用。所以在直流調速系統(tǒng)中，都是以變壓調速為主。其中，在變壓調速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調速系統(tǒng)和直流PWM調速系統(tǒng)兩種。直流PWM調速系統(tǒng)與可控整流式調速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：由于PWM調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調速范圍寬。同樣，由于開關頻率高,快速響應特性好,動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關器件只工作在開關狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時，電網功率因數比相控整流器高。正因為直流PWM調速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關性能的不斷提高，直流脈寬調制(PWM)技術得到了飛速的發(fā)展。根據PWM控制的基本原理可知，一段時間內加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間內沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間T內脈沖寬度為,幅值為U，由圖2.6可求得此時間內脈沖的等效直流電壓為：圖2.6PWM脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為：(U為脈沖幅值)（2.19）若PWM脈沖為如圖2.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即（為矩形脈沖占空比）（2.20）圖2.7周期性PWM矩形脈沖由式2.20可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現，因為在實際系統(tǒng)設計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現等效直流電壓在0～U之間任意調節(jié)，從而達到利用PWM控制技術實現對直流電機轉速進行調節(jié)的目的。3硬件電路設計部分3.1系統(tǒng)設計方案根據系統(tǒng)設計的任務和要求，設計系統(tǒng)方框圖如圖3.1所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現人機交互功能。在運行過程中控制器產生PWM脈沖送到電機驅動電路中，經過放大后控制直流電機轉速，同時利用速度檢測模塊將當前轉速反饋到控制器中，控制器經過數字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現電機轉速實時控制的目的。圖3.1系統(tǒng)方案框圖3.2控制器模塊設計方案根據設計任務要求，采用AT89S51作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S51單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制[4]。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現。并且它還具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領域中應用廣泛。3.3電機驅動模塊設計方案驅動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的I/O口不能直接驅動電機，只有引入電機驅動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298電機驅動芯片驅動電機，由于它內部已經考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設計者不需要對硬件電路設計考慮很多，可將重點放在算法實現和軟件設計中，大大的提高了工作效率。該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài)，通過調整輸入脈沖的占空比，調整電動機轉速。圖3.2驅動電路3.4電源模塊設計方案電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電機需要12V電源，而單片機、顯示模塊等其它電路需要5V的電源，因此電路中選用7805和7812兩種穩(wěn)壓芯片。而本設計電源電路采用78系列芯片產生+5V、+12V。電路圖如圖3.3所示：圖3.3電源電路3.5速度采集設計模塊速度的采集用霍爾傳感器。通過對脈沖的計數進行電機速度的檢測。（1）霍爾傳感器的工作原理霍爾開關集成電路中的信號放大器將霍爾元件產生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH放大后再經信號變換器、驅動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉過了一個齒。脈沖信號的周期與電機的轉速的關系為：n=（n為電機轉速；P為電機轉一圈的脈沖數；T為輸出方波信號周期）。（2）測速電路原理圖圖3.4速度采集電路3.6顯示模塊設計方案采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件電路簡單、可對字符進行顯示。3.6.1引腳分布和接口信號說明(1)引腳分布1602液晶顯示共有16個引腳，其引腳分布如圖3.5所示。圖3.51602液晶顯示模塊引腳分布(2)引腳功能1602引腳功能如表3.1所示表3.11602引腳功能編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSSVSS為地電源9D2DataI/O2VDDVDD接5V正電源10D3DataI/O3VEE液晶顯示偏壓信號11D4DataI/O4RS0輸入指令，1輸入數據12D5DataI/O5R/W0寫入指令或數據，1讀信息13D6DataI/O6E1讀取信息，1→0執(zhí)行指令14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正極8D1DataI/O16BLK背光源負極3.6.2LCD液晶電路圖3.61602液晶顯示模塊組成4軟件設計部分4.1驅動電路程序流程電機驅動電路是專用的驅動芯片L298，單片機給驅動芯片輸出脈沖來控制電機，程序流程圖如下：開始開始初始化初始化設置周期設置周期將從鍵盤（中斷）讀取的數據送到將從鍵盤（中斷）讀取的數據送到TH0中，從而設計脈沖count=256?count=256?否count=count+1count=count+1是是給電機驅動芯片輸出脈沖給電機驅動芯片輸出脈沖恢復現場恢復現場返回返回圖4.1定時中斷服務流程圖4.2直流電機的中斷鍵盤控制模塊4.2.1外部中斷設置（1）外部中斷允許設置中斷控制寄存器IE的EX0對應INT0，EX1對應INT1，EA為中斷的總開關，若要開放外部中斷，只要將IE對應的位和總開關EA置1即可。如：開放外部中斷0的設置：SETBEX0SETBEA開放外部中斷0和1的設置：SETBEX0SETBEX1SETBEA（2）外部中斷觸發(fā)方式設置單片機外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發(fā)設置方法：CLRITX，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設置方法：SETBITX＝1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時，如果不進行設置，則為電平觸發(fā)方式。（3）外部優(yōu)先級設置外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級的設置是通過設置IP寄存器實現的，IP的PX0對應INT0，PX1對應INT1。PX置1為高級中斷，PX為0為低級中斷。XXXPSPT1PX1PT0PX04.2.2外部中斷擴展在圖4.2為外部中斷擴展電路，設X0、X1、X2、X3、X4為外部警情信號，X0代表是加速信號，X0=0表示加速；X1代表減速信號，X1=0表示減速；X2代表正轉信號，X2=0表示正轉；X3代表反轉信號，X3=0表示反轉；X4代表停止信號，X4=0表示停止處理。圖4.2外部中斷擴展電路當系統(tǒng)檢測到有中斷請求時，響應如下中斷服務流程圖4.3。中斷請求中斷請求加速是X0=0加速是X0=0?否否減速是X1=0減速是X1=0?否否是是正轉X2=0正轉X2=0?否否是是X3=0?反轉反轉否否停止是停止是X4=0?圖4.3中斷服務流程4.3顯示程序流程圖顯示模塊是實現人機對話的重要部分，在這里選用LCD1602作為顯示器，其工作流程圖如下所示：開始開始對對LCD初始化將已知要提示的內容送入將已知要提示的內容送入LCD并顯示在第一行設置電機的速度是否為0是設置電機的速度是否為0是一直等待一直等待否否將讀取的速度和轉向送入LCD將讀取的速度和轉向送入LCD并使其顯示在第二行是是否有命令輸入是是否有命令輸入否否一直等待一直等待LJMPLJMP圖4.4顯示程序流程圖中斷請求中斷請求5系統(tǒng)功能調試5.1Proteus使用Proteus是英國Labcenterelectronics公司研發(fā)的EDA設計軟件，是一個基于ProSPICE混合模型仿真器的，完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設計仿真平臺。Proteus不僅可以做數字電路、模擬電路、數?；旌想娐返姆抡?，還可進行多種CPU的仿真，涵蓋了51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器，真正實現了在計算機從原理設計、電路分析、系統(tǒng)仿真、測試到PCB板完整的電子設計，實現了從概念到產品的全過程。以下為本系統(tǒng)在Proteus中的仿真流程：（1）新建文件：打開Proteus點File，在彈出的下拉菜單中選擇NewDesign，在彈出的圖幅選擇對話框中選Default。（2）設置編輯環(huán)境：按上述的方法對Proteus的設計環(huán)境進行設置。（3）元器件選?。喊丛O計要求，在對象選擇窗口中點P，彈出Pickdevices對話框，在Keywords中填寫要選擇的元器件，然后在右邊對話框中選中要選的元器件，則元器件列在對象選擇的窗口中如圖5.1所示圖5.1Proteus元器件選取界面（4）程序編譯點菜單Source→Add/RemovesourceFiles”在出現的對話框如圖5.2中，選擇ASEM51編輯器，將上面的匯編源程序SEKED.ASM添加。再點菜單Source→BuildALL編譯匯編源程序，生成目標代碼文件SWLED.HEX圖5.2程序添加界面（5）程序加載在編輯環(huán)境左擊單片機然后右擊，在彈出的對話框中將編譯生成的HEX文件加載到芯片中，設單片機的時鐘工作頻率為12MHZ。（6）電路仿真點仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進行仿真。5.2電路仿真LCD液晶顯示電路的系統(tǒng)仿真與調試：在Proteus運行環(huán)境中首先檢驗LCD顯示電路，添加程序，運行LCD液晶顯示電路能，系統(tǒng)若運行成功將得到如圖5.3。此后在之前的電路基礎之上再拓展帶中斷的獨立式鍵盤，調試成功后的電路如圖5.4所示。圖5.3LCD液晶顯示字符初步調試圖5.4帶中斷控制的LCD液晶顯示調試用帶中斷的鍵盤來控制直流電機驅動模塊的部分電路，如圖5.5。圖5.5用帶中斷的鍵盤來控制的電機啟動目標系統(tǒng)，按正轉，然后接加速開關，我們觀察到電機開始運轉，每按一次加速，電機的速度都要增加，此時如果按減速，則電機的轉速慢慢地減小。同樣按反轉轉鍵也看到同樣的結果，當按停止鍵時，電機慢慢停下來，圖5.6是在目的電路剛啟動時未設置命令之前的狀態(tài)，圖5.7是在正轉情況下的仿真結果，圖5.8是在反轉情況下的仿真結果。圖5.6未按鍵時的初始狀態(tài)圖5.7電機正轉時的狀態(tài)圖5.8電機反轉時的狀態(tài)6結論本課題的目的在于利用單片機實現PID算法產生PWM脈沖來控制電機轉速。到目前為止通過對控制器模塊、電機驅動模塊、LCD顯示模塊、數字PID算法等進行深入的研究。完成了硬件電路的系統(tǒng)設計，并且利用Protel軟件繪制出電路原理圖。軟件方面利用匯編語言進行編程，并且利用Proteus軟件進行仿真更加保證了程序的準確性。歸納起來主要做了如下幾方面的工作：1、PID算法與PWM控制技術有機的結合；2、設計了電機調速電路（原理圖見附錄A）；3、利用匯編語言進行程序設計，并通過仿真（源程序見附錄B）。根據上面論述結合測試數據可以看出本次設計基本完成了設計任務和要求。通過此次設計，掌握了數字PID算法的使用及編程方法，學習了如何進行系統(tǒng)設計及相關技巧，為今后的工作和學習奠定了堅實的基礎。附錄A系統(tǒng)總電路圖直流電機調速系統(tǒng)的Protel原理圖附錄B源程序ORG0000HSJMPDISPLAYORG0003HLJMPBUTTON;外部0中斷入口地址ORG000BHLJMPDINGSHI;定時中斷T0入口地址RSEQUP3.0RWEQUP3.1EEQUP3.4ORG0030H;此次直流電機的設計以LCD字符夜晶的;顯示程序為主程序DISPLAY:SETBEA;打開中斷總開關SETBEX0;打開外部中斷0開關SETBIT0;打開外部中斷0下降沿觸發(fā)MOVTMOD,#01H;設置定時工作方式MOVTL0,#0FFH;設置定時初值MOVTH0,#0FFHSETBET0;打開定時中斷T0開關CLRP0.5CLRP0.6CLRP0.7SETBTR0;定時器T0開始定時MOVDPTR,#TAB;夜晶顯示的字符首地址MOVR0,#00H;脈寬的初值MOVR1,#16;"SETSPEEDPLEASE"的字符個數MOVR3,#00HMOVR4,#00HLP9:LCALLCHUSHILP2:ACALLBUSYMOVA,#00HMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATASINCDPTRDJNZR1,LP2LP3:CJNER3,#00H,LP4CJNER4,#00H,LP4SJMPLP3LP4:MOVR7,#00H;中斷的標志MOVR5,#09H;CURRENT:的字符個數ACALLBUSYMOVP1,#0C0HACALLENABLEMOVDPTR,#MMTABACALLBUSYLP5:MOVA,#00HMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AINCDPTRACALLDATASACALLBUSYDJNZR5,LP5MOVDPTR,#STABMOVA,R2MOVP1,AACALLDATASACALLBUSYMOVA,R3;顯示速度的十位MOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATASACALLBUSYMOVA,R4;顯示速度的個位MOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATAS;使夜晶始終顯示當前電機的速度LP8:CJNER7,#00H,LP7;速度不變時等待LJMPLP8;速度變時重新讀入速度LP7:SJMPLP4CHUSHI:;使夜晶顯示的一些初始設置ACALLBUSYMOVP1,#00000001B;清屏并光標復位ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00111000B;設置顯示模式:8位2行5×7點陣ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00001111B;顯示器開、光標開、光標允許閃爍ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00000110B;文字不動，光標自動右移ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#80H;寫入顯示起始地址ACALLENABLERETENABLE:;寫入控制命令的子程序SETBECLRRSCLRRWCLRERETDATAS:;寫入數據子程序SETBESETBRSCLRRWCLRERETBUSY:;準備寫入數據CLREMOVP1,#0FFHCLRRSSETBRWSETBEJBP1.7,BUSYRETORG2000HDINGSHI:;定時中斷服務程序CPLP0.7JNBP0.7,Z1;周期一定MOVA,#0FFHSUBBA,R0MOVTH0,ASETBTR0RETIZ1:MOVTH0,R0;脈寬SETBTR0RETIBUTTON:;從控制鍵盤中讀取操作命令PUSHACCCLREX0CLREAINCR7;MOVA,#0FFHMOVP2,AMOVA,P2JNBACC.0,AA0JNBACC.1,KK0JNBACC.2,ZZJNBACC.3,FFJNBACC.4,WW0AJMPQQAA0:CJNER0,#0FFH,AA1;加速操作AJMPQQAA1:MOVA,R0ADDA,#5MOVR0,AAJMPQQKK0:CJNER0,#00,MM;減速操作AJMPQQMM:MOVA,R0SUBBA,#5MOVR0,AAJMPQQQQ:MOVA,R0MOVB,#5DIVABMOVB,#10DIVABMOVR3,AMOVR4,BSETBEX0LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEAPOPACCRETIZZ:SETBP0.5;正轉操作CLRP0.6MOVR2,#2BH;正轉標志"+"LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIFF:CLRP0.5;反轉操作SETBP0.6MOVR2,#2DH;反轉標志"-"LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIWW0:CLRP0.5;停止操作CLRP0.6LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIDELAY:;延時子程序MOVR5,#0E0HMM0:MOVR6,#30HMM1:DJNZR6,MM1DJNZR5,MM0RETTAB:DB53H,45H,54H,20HDB53H,50H,45H,45H;"SETSPEEDPLEASE"代碼DB44H,20H,50H,4CHDB45H,41H,53H,45HSTAB:DB30H,31H,32H,33HDB34H,35H,36H,37H;"0,1,2,3,4,5,6,7"代碼DB38H,39H,41H,42H;"8,9,A,B,C,D,E,F"DB43H,44H,45H,46HMMTAB:DB43H,4FH,52H,52HDB45H,4EH,54H,20H