基于單片機(jī)和pid算法的直流電機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn)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(duì)于需要顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)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(qū)動(dòng)方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案三。 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機(jī)起停的控制，因此鍵盤在整個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案：方案一：采用獨(dú)立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其它按鍵上的輸入狀態(tài)。但是由于獨(dú)立式鍵盤每個(gè)按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O 口浪費(fèi)大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點(diǎn)是行線、列線分別接輸入線、輸出線。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點(diǎn)上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 個(gè)按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。但此nm?種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 [6]。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對(duì)軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。16 電源模塊設(shè)計(jì)方案電源是任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來源，無論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對(duì)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(jī)運(yùn)行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡(jiǎn)單，但對(duì)能量的損耗大，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。方案二：通過固定芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如 7817805等），此種方案可靠性、安全性高，對(duì)能源的利用率高，并且電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 經(jīng)過上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：（1）控制模塊： 采用 AT89S51 單片機(jī)；（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 實(shí)現(xiàn)；（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(biāo)準(zhǔn)的 44 矩陣式鍵盤；（6）電源模塊： 采用 7807812 芯片實(shí)現(xiàn)。 3 單元電路設(shè)計(jì) 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖 所示。采用 AT89S51 單片機(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，通過 AT89S51 的 口將電脈沖信號(hào)送入單片機(jī)處理，L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，利用 12864LCD 顯示器和 44 鍵盤作為人機(jī)接口。17U7C2C6Vin1GND2+5V 3U47805Vin1GND2+12V 3U37812C3C7+5v+12v1234U6C820μFC53300μFC420μFC13300μF12J1~220V圖 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 電源電路設(shè)計(jì)電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。在本系統(tǒng)中直流電機(jī)需要 12V 電源，而單片機(jī)、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，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 所示。圖 電源電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(jī)的 I/O 口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 該芯片是由四個(gè)大功率晶體管組成的 H 橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEAP0.～ 12864LCD顯 示 模 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 ～ 鍵 盤 ～ ～ ～ 3H0～ 3 P3./IT1 電 機(jī)轉(zhuǎn) 速 檢 測(cè)四 輸 入 與 門18A1A2SEN1 11Y12 1Y23Vs4 1A1 51EN61A2 7GND8Vcc92A1 102A2 122EN112Y113 2Y214SEN2 15U5L298ND4D3D1D2C10 20μFC9 20μF+5V+12V+12VR1470R2 5KR45KR3470R5470MG1和 SENSEB）用來連接電流檢測(cè)電阻，Vss 接邏輯控制的電源。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，用來控制 H 橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。其電路如圖 所示，利用兩個(gè)光電耦合器將單片機(jī)的 I/O 與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端 [7]，使電機(jī)在 PWM 脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個(gè)二極管對(duì)芯片起保護(hù)作用。圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，因此速度采集電路是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測(cè)速方法來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 N 個(gè)等分凹槽如圖 （a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)準(zhǔn)凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖 （b）所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在 的輸出端就會(huì)產(chǎn)生 N 個(gè)低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)， 將輸出如圖 所示的脈沖，若知道一段時(shí)間 t 內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 n，則電機(jī)轉(zhuǎn)速 v=r/s。19VSDORS/WEDB012DB345DB67CS12/RTVEAK 123456789102134516781920 (a) (b)圖 電機(jī)速度采集方案圖 傳感器輸出脈沖波形 顯示電路設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求要對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較都，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(diǎn)陣液晶顯示器,主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及 12864 全點(diǎn)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(gè)引腳 [8]，其引腳名稱及引腳編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)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(hào) 引 腳 功 能 引腳 符 號(hào) 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(fā) 光 二 極 管+5V R220RST9XTAL218XTAL119GND20 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(diǎn)2 VDD 電源正+5V 16 CS2 CS2=1 芯片選擇右邊 64*64點(diǎn)3 VO 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電源 17 /RST 復(fù)位（低電平有效）4 RS H：數(shù)據(jù)輸入；L：指令碼輸入18 VEE LCD 驅(qū)動(dòng)負(fù)電源5 R/W H：數(shù)據(jù)讀??；L：數(shù)據(jù)寫入19 A 背光電源（+）6 E 使能信號(hào)。 20 K 背光電源（）714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號(hào)的模塊 120 腳為空腳12864 液晶顯示器與單片機(jī)的連接電路如圖 所示：圖 顯示模塊電路圖210 1 2 34 5 6 78 9 傳傳傳 傳傳傳傳 傳傳 傳傳 傳傳H0H1H2H3L0L1L2L3 鍵盤電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了 44 鍵盤用以實(shí)現(xiàn)對(duì) P、I、D 三個(gè)參數(shù)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 所示。圖中 L0～L3 為 44 鍵盤的列信號(hào)，H0 ～H3 為 44 鍵盤的行信號(hào)。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號(hào) L0～L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號(hào) H0～H3 [9]。按照要求設(shè)計(jì)操作面板如圖 所示：圖 鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，12864LCD 將顯示開機(jī)界面，若按下設(shè)置鍵顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時(shí)按 4 進(jìn)入相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置的狀態(tài)，輸入相應(yīng)的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置，待所有量設(shè)置完成后按正/反控制鍵設(shè)置正反轉(zhuǎn)，最后按啟動(dòng)鍵啟動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中可按下相應(yīng)鍵對(duì)電機(jī)進(jìn)行暫停、繼續(xù)、停止運(yùn)行的控制。220)]2()1(2)([([uneneKKDIP???t=?計(jì) 算 r=n/120計(jì) 算 v=(r/)*60返 回NY4 軟件設(shè)計(jì) 算法實(shí)現(xiàn) PID 算法本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心算法為 PID 算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差 ，對(duì)偏差進(jìn))(ne行 P、I 、D 運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié) [10]，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為： ?)(nu因此要想實(shí)現(xiàn) PID 控制在單片機(jī)就必須存在上述算法，其程序流程如圖 所示。 電機(jī)速度采集算法本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個(gè)非常重要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制的精度。在設(shè)計(jì)中采用了光電傳感器做為測(cè)速裝置，其計(jì)算公式為： v= r/min60?tNn從這里可以看出速度 v 的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少?zèng)Q定的，為了減少系統(tǒng)誤差應(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設(shè)計(jì)中取凹槽數(shù) N 為 120，采樣時(shí)間 t為 ，則速度計(jì)算具體程序流程如圖 所示。 計(jì) 算 e(n)計(jì) 算 KIe(n)計(jì) 算 KP(en)en1計(jì) 算 KD(en)2e(n1)+2計(jì) 算 Δ u(n)計(jì) 算 Δ u(n)＋ 1e(n1)→ e(n2)→ 1u(n)→ u(n)返 回圖 序 流 程23開 始初 始 化調(diào) 用 清 屏 子 程 序開 始 界 面 顯 示設(shè) 置 鍵按 下 ？調(diào) 用 清 屏 子 程 序設(shè) 置 界 面 顯 示根 據(jù) 設(shè) 置計(jì) 算 參 數(shù)啟 動(dòng) 鍵按 下 ？調(diào) 用 清 屏 子 程 序電 機(jī) 運(yùn) 行狀 態(tài) 顯 示PWM脈 沖 輸 出YNYN 圖 測(cè)速程序流程 程序流程 主流程圖在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運(yùn)行過程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖 所示。圖 主程序流程 鍵盤程序程序流程24延 時(shí) 去 抖 動(dòng)P1口 低 四 位 置 1讀 P1口 低 四 位數(shù) 據(jù) 到 KEYLKEYL、 KEYH相 與 為P1口 高 四 位 置 1讀 P1口 高 四 位數(shù) 據(jù) 到 KEYHKEY=0XE ?KEY=0XEB ?KEY=0XED ?KEY=0XE7 ?KEY=0XDE ?KEY=0XD ?KEY=0XDB ?KEY=0XD7 ?KEY=0XBD ?KEY=0XBE ?KEY=0XB ?KEY=0XB7 ?KEY=0X7E ?KEY=0X7D ?KEY=0X7B ?KEY=0X7 ?數(shù) 字 鍵 0數(shù) 字 鍵 1數(shù) 字 鍵 2數(shù) 字 鍵 3數(shù) 字 鍵 4數(shù) 字 鍵 5數(shù) 字 鍵 6數(shù) 字 鍵 7數(shù) 字 鍵 8數(shù) 字 鍵 9正 /反 功 能 鍵暫 停 功 能 鍵繼 續(xù) 功 能 鍵啟 動(dòng) 功 能 鍵停 止 功 能 鍵設(shè) 置 功 能 鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 鍵盤中斷程序是用來設(shè)在系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，其程序流程圖如圖 所示。 25脈 沖 計(jì) 數(shù) 時(shí)間 ＝ ?速 度 計(jì) 算PID運(yùn) 算顯 示 數(shù) 據(jù) 刷 新定 時(shí) 器 T0賦 初 值RETI各 變 量 重 新 賦 值YN圖 鍵盤程序流程 定時(shí)程序流程 在本系統(tǒng)中定時(shí)器 T0 中斷子程序是用來控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID 運(yùn)算，其程序流程如圖