基于單片機和pid算法的直流電機調速設計(原創)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 系統的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設置的參數和狀態輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。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。鍵 盤 模 塊 控 制 器 模 塊顯 示 模 塊 電 機 驅 動 模 塊 直 流 電 機速 度 檢 測 模 塊PWM脈 沖圖 系統方案框圖 控制器模塊設計方案根據設計任務，控制器主要用于產生占空比受數字 PID 算法控制的 PWM 脈沖，并對電機當前速度進行采集處理，根據算法得出當前所需輸出的占空比脈沖。對于控制器的選擇有以下三種方案。方案一：采用 FPGA（現場可編輯門列陣）作為系統的控制器，FPGA 可以實現各種復雜的邏輯功能 [3]，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩定性，并且可應用 EDA 軟件仿真、調試，易于進行功能控制。FPGA 采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。通過輸入模塊將參數輸入給 FPGA，FPGA 通過程序設計控制PWM 脈沖的占空比，但是由于本次設計對數據處理的時間要求不高，FPGA 的高速處理的優勢得不到充分體現，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。方案二：采用 AT89S51 作為系統控制的方案。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點，在各個領域中應用廣泛。方案三：采用傳統的 AT89C51 單片機作為運動物體的控制中心。它和AT89S51 一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡單等特點，但是它的頻率較低、運算速度慢， RAM、ROM 空間小等缺點。本題目在確定圓周坐標值時?，需要進行大量的運算。若采用 89C51 需要做 RAM，ROM 來擴展其內存空間，其硬件工作量必然大大增多。綜合上述三種方案比較，采用 AT89S51 作為控制器處理輸入的數據并控制電機運動較為簡單，可以滿足設計要求。因此在本次設計選用方案二。 電機驅動模塊設計方案本次設計的主要目的是控制電機的轉速，因此電機驅動模塊是必不可少，其方案有一下兩種。方案一：采用大功率晶體管組合電路構成驅動電路，這種方法結構簡單，成本低、易實現，但由于在驅動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：采用專用的電機驅動芯片，例如 L298N、L297N 等電機驅動芯片，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?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，電機驅動模塊選用方案二。 速度采集模塊設計方案本系統是一閉環控制系統，在調節過程中需要將設定與當前實際轉速進行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設計的，其設計方案以下三種：方案一：采用霍爾集成片。該器件內部由三片霍爾金屬板組成。當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，金屬板發生橫向導通 [5]，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數進行電機速度的檢測。方案二：采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：發射器和接受器相互對射安裝，發射器的光直接對準接受器，當測物擋住光束時，傳感器輸出產生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數，對速度進行測量。方案三：采用測速發電機對直流電機轉速進行測量。該方案的實現原理是將測速發電機固定在直流電機的軸上，當直流電機轉動時，帶動測速電機的軸一起轉動，因此測速發電機會產生大小隨直流電機轉速大小變化的感應電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復雜、成本也比較高，在本次設計沒有采用此方案。以上三種方案中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測速原理基本相同都是將電機轉速轉換為電脈沖的頻率進行測量，但考慮到市場中的霍爾元件比較難買，而且成本也比較高，所以綜合考慮在設計中選用第二種方案進行設計。 顯示模塊設計方案在電機轉速控制系統中，系統需要對參數、工作方式以及電機當前運行狀態的顯示，因此在整個系統中必須設計一個顯示模塊，考慮有三種方案：　 方案一：使用七段數碼管（LED）顯示。數碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅動簡單、耐沖擊且性能穩定等特點，并且它可采用 BCD 編碼顯示數字，編程容易，硬件電路調試簡單。但由于在此次設計中需要設定的參數種類多，而且有些需要進行漢字和字符的顯示，所以使用 LED 顯示器不能完成設計任務，不宜采用。方案二：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，但考慮到 1602LCD 液晶顯示器的屏幕小，不能顯示漢字，因此對于需要顯示大量參數的系統來說不宜采用。方案三：采用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。根據本次設計的設計要求，顯示模塊選用方案三。 鍵盤模塊設計方案 在電機轉速控制系統中，系統需要按鍵進行參數的輸入、工作方式的設定以及電機起停的控制，因此鍵盤在整個系統中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案：方案一：采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實現簡單，并且各按鍵相互獨立，每個按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。按鍵的工作狀態不會影響其它按鍵上的輸入狀態。但是由于獨立式鍵盤每個按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數量較多時，I/O 口浪費大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點是行線、列線分別接輸入線、輸出線。按鍵設置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結構只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數量較多的場合。但此nm?種鍵盤的軟件結構較為復雜 [6]。根據上面兩種方案的論述，由于本次設計的系統硬件連接比較復雜，對軟件的運行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進行設計。 電源模塊設計方案電源是任何系統能否運行的能量來源，無論那種電力系統電源模塊都是不可或缺的，對于該模塊考慮一下兩種方案。方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應用系統同一般不宜采用。方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進行降壓、穩壓處理（如 7817805等），此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現。根據系統的具體要求，采用方案二作為系統的供電模塊。 經過上述的分析與論證，系統各模塊采用的方案如下：（1）控制模塊： 采用 AT89S51 單片機；（2）電機驅動模塊：采用直流電機驅動芯片 L298N 實現；（3）速度采集模塊：采用光電傳感器；（4）顯示模塊： 采用 12864LCD 液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用標準的 44 矩陣式鍵盤；（6）電源模塊： 采用 7807812 芯片實現。 3 單元電路設計 硬件資源分配本系統電路連接及硬件資源分配見圖 所示。采用 AT89S51 單片機作為核心器件，轉速檢測模塊作為電機轉速測量裝置，通過 AT89S51 的 口將電脈U7C2C6Vin1GND2+5V 3U47805Vin1GND2+12V 3U37812C3C7+5v+12v1234U6C820μFC53300μFC420μFC13300μF12J1~220V沖信號送入單片機處理，L298 作為直流電機的驅動模塊，利用 12864LCD 顯示器和 44 鍵盤作為人機接口。圖 系統電路連接及硬件資源分配圖 電源電路設計電源是整個系統的能量來源，它直接關系到系統能否運行。在本系統中直流電機需要 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 兩種穩壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統的要求，其電路如圖 所示。圖 電源電路 電機驅動電路設計驅動模塊是控制器與執行器之間的橋梁，在本系統中單片機的 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L298N 電機驅動芯片驅動電機， 該芯片是由四個大功率晶體管組成的 H 橋電路構P0.～ 12864LCD顯 示 模 電 機 驅 動 模 ～ 鍵 盤 ～ ～ ～ 3H0～ 3 P3./IT1 電 機轉 速 檢 測四 輸 入 與 門A1A2SEN1 11Y12 1Y23Vs4 1A1 51EN61A2 7GND8Vcc92A1 102A2 122EN112Y113 2Y214SEN2 15U5L298ND4D3D1D2C10 20μFC9 20μF+5V+12V+12VR1470R2 5KR45KR3470R5470MG1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，通過調整輸入脈沖的占空比，調整電動機轉速。其中輸出腳（SENSEA和 SENSEB?）用來連接電流檢測電阻，Vss 接邏輯控制的電源。Vs 為電機驅動電源。IN1IN4 輸入引腳為標準 TTL 邏輯電平信號，用來控制 H 橋的開與關即實現電機的正反轉，ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM 信號實現電機調速。其電路如圖 所示，利用兩個光電耦合器將單片機的 I/O 與驅動電路進行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機產生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端 [7]，使電機在 PWM 脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。圖 電機驅動電路 電機速度采集電路設計在本系統中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較，通過偏差進行 PID 運算，因此速度采集電路是整個系統不可缺少的部分。本次設計中應用了比較常見的光電測速方法來實現，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 N 個等分凹槽如圖 （a）所示，在圓盤的一側固定一個發光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側和發光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉到凹槽處時，發光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導通，反之三極管截止，電路如圖 （b）所示，從圖中可以得出電機每轉一圈在 的輸出端就會產生 N 個低電平。這樣就可根據低電平的數量來計算電機此時轉速了。例如當電機以一定的轉速運行時， 將輸出如圖 所示的脈沖，若知道一段時間 t 內傳感器輸出的低脈沖數為 n，則電機轉速 v=r/s?。VSDORS/WEDB012DB345DB67CS12/RTVEAK 123456789102134516781920 (a) (b)圖 電機速度采集方案圖 傳感器輸出脈沖波形 顯示電路設計 根據設計要求要對系統各項參數和電機運行狀態進行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。在系統運行過程中需要顯示的數據比較多，而且需要漢字顯示，在這里選用 12864 液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點陣液晶顯示器,主要由行驅動器/列驅動器及 12864 全點陣液晶顯示器組成，可完成漢字（1616）顯示和圖形顯示共有 20 個引腳 [8]，其引腳名稱及引腳編號的對應關系如圖 ，引腳功能如表 所示。 圖 12864LCD 引腳分布表 12864 液晶顯示模塊引腳功能引腳 符 號 引 腳 功 能 引腳 符 號 引 腳 功 能1 VSS 電源地 15 CS1 CS1=1 芯片選擇左邊 64*64圓 盤 光 敏 三 極 管發 光 二 極 管+5V R2RST9XTAL218XTAL119GND20 21 22 23 24 25 26 27 28RSEN 29ALE 30EA 31 32 33 34 35 36 37 38 39VCC 40U189S511234567891011121314151617181920LCDPOT110KR710KR847+5C15220μF1 2 3 4 5 6 7 8 9RN8 5K+5v+5v+5v點2 VDD 電源正+5V 16 CS2 CS2=1 芯片選擇右邊 6