直流電機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院：專業(yè)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：目錄第一章pid簡(jiǎn)介.1第二章直流電機(jī)工作原理.62.1工作原理.62.2、直流電機(jī)pid控制原理方框圖.7第三章控制系統(tǒng)方案選擇.103.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.103.2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì).12第四章硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).174.1硬件設(shè)計(jì).174.2系統(tǒng)面板圖.25第五章流程設(shè)計(jì).275.1軟件設(shè)計(jì)流程圖.27第六章程序說(shuō)明.306.1直流電機(jī)部分程序.306.2溫度檢測(cè)部分程序.38第七章說(shuō)明及調(diào)試.487.1調(diào)試過(guò)程.487.2運(yùn)行結(jié)果.49第八章課程設(shè)計(jì)體會(huì).51第一章pid簡(jiǎn)介pid（比例積分微分，英文全稱為proportionin

2、tegrationdifferentiation）控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它

3、是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)

4、行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行pid控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到pid控制器的參數(shù)。1pid（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。pid控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為u(

5、t)=kp(e(t)+1/tie(t)dt+td*de(t)/dt)式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：g(s)=u(s)/e(s)=kp(1+1/(ti*s)+td*s)其中kp為比例系數(shù)；ti為積分時(shí)間常數(shù)；td為微分時(shí)間常數(shù)。本次課程設(shè)計(jì)就是應(yīng)用數(shù)字pid模型作單片機(jī)控制編程，其中p、i、d參數(shù)可按鍵輸入并用led數(shù)碼顯示；單片機(jī)pwm調(diào)寬輸出，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)、電子濾波控制模擬電機(jī)（壓控振蕩器）實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的pid調(diào)壓調(diào)速功能。80c51單片機(jī)屬于mcs-51系列單片機(jī)，由intel公司開(kāi)發(fā)，其結(jié)構(gòu)是8048的延伸，改進(jìn)了8048的缺點(diǎn)，增加了如乘（mul）、除（div）、減（s

6、ubb）、比較（push）、16位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù)運(yùn)算等指令，以及串行通信能力和5個(gè)中斷源。采用40引腳雙列直插式dip（dualinlinepackage），內(nèi)有128個(gè)ram單元及4k的rom。80c51有兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)外中斷，兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)中斷，及一個(gè)串行中斷，并有4個(gè)8位并行輸入口。80c51內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用12mhz的晶振頻率。由于80c51的系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時(shí)間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來(lái)源廣，應(yīng)用也很成熟，故采用來(lái)作為控制核心。mcs-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請(qǐng)參照-單片機(jī)引腳圖：lp0

7、.0p0.7p0口8位雙向口線（在引腳的3932號(hào)端子）。lp1.0p1.7p1口8位雙向口線（在引腳的18號(hào)端子）。lp2.0p2.7p2口8位雙向口線（在引腳的2128號(hào)端子）。2lp3.0p3.7p3口8位雙向口線（在引腳的1017號(hào)端子）。p0口有三個(gè)功能1、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的d0d7為數(shù)據(jù)總線接口）2、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖1中的a0a7為地址總線接口）3、不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的i/o使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。p1口只做i/o口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。p2口有兩個(gè)功能：1、擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用2、做一

8、般i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；p3口有兩個(gè)功能：，除了作為i/o使用外（其內(nèi)部有上拉電阻）還有一些特殊功能，由特殊寄存器來(lái)設(shè)置，具體功能請(qǐng)參考我們后面的引腳說(shuō)明。有內(nèi)部eprom的單片機(jī)芯片（例如8751），為寫(xiě)入程序需提供專門(mén)的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的，即：編程脈沖：30腳（ale/prog）編程電壓（25v）：31腳（ea/vpp）這就是單片機(jī)的備用電源，當(dāng)外接電源下降到下限值時(shí)，備用電源就會(huì)經(jīng)第二功能的方式由第9腳（即rst/vpd）引入，以保護(hù)內(nèi)部ram中的信息不會(huì)丟失。在介紹這四個(gè)i/o口時(shí)提到了一個(gè)“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個(gè)什么東東呢？他起什

9、么作用呢？都說(shuō)了是電阻那當(dāng)然就是一個(gè)電阻啦，當(dāng)作為輸入時(shí)，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果p0口如果作為輸入時(shí)，處在高阻抗?fàn)顟B(tài)，只有外接一個(gè)上拉電阻才能有效。3ale/prog地址鎖存控制信號(hào)：在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ale用于控制把p0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關(guān)于擴(kuò)展的課程中我們就會(huì)看到8051擴(kuò)展eeprom電路，在圖中ale與74ls373鎖存器的g相連接，當(dāng)cpu對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí)，用以鎖住地址的低位地址，即p0口輸出。ale有可能是高電平也有可能是低電平，當(dāng)ale是高電平時(shí)，允許地址鎖存信號(hào)，當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale信

10、號(hào)負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將p0口上低8位地址信號(hào)送入鎖存器。當(dāng)ale是低電平時(shí)，p0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。關(guān)于鎖存器的內(nèi)容，我們稍后也會(huì)介紹。在沒(méi)有訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器期間，ale以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里我們可以看到，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)ale會(huì)以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時(shí)鐘，或者外部定時(shí)脈沖使用。porg為編程脈沖的輸入端：我們已知道，在8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)4kb或8kb的程序存儲(chǔ)器（rom），rom的作用就是用來(lái)存放用戶需要執(zhí)行的程序的，那么我們是怎樣把編寫(xiě)好的程序存入進(jìn)這個(gè)rom中的呢？實(shí)際上

11、是通過(guò)編程脈沖輸入才能寫(xiě)進(jìn)去的，這個(gè)脈沖的輸入端口就是prog。psen外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)：在讀外部rom時(shí)psen低電平有效，以實(shí)現(xiàn)外部rom單元的讀操作。1、內(nèi)部rom讀取時(shí)，psen不動(dòng)作；2、外部rom讀取時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)動(dòng)作兩次；3、外部ram讀取時(shí)，兩個(gè)psen脈沖被跳過(guò)不會(huì)輸出；4、外接rom時(shí)，與rom的oe腳相接。ea/vpp訪問(wèn)和序存儲(chǔ)器控制信號(hào)1、接高電平時(shí)：cpu讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（rom）擴(kuò)展外部rom：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器超過(guò)0fffh（8051）41fffh（8052）時(shí)自動(dòng)讀取外部rom。2、接低電平時(shí)：cpu讀取外部程序存儲(chǔ)器（rom）。在前面的學(xué)習(xí)

12、中我們已知道，8031單片機(jī)內(nèi)部是沒(méi)有rom的，那么在應(yīng)用8031單片機(jī)時(shí)，這個(gè)腳是一直接低電平的。3、8751燒寫(xiě)內(nèi)部eprom時(shí)，利用此腳輸入21v的燒寫(xiě)電壓。rst復(fù)位信號(hào)：當(dāng)輸入的信號(hào)連續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作，當(dāng)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器pc=0000h，即復(fù)位后將從程序存儲(chǔ)器的0000h單元讀取第一條指令碼。xtal1和xtal2外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。vcc：電源+5v輸入5第二章直流電機(jī)工作原理2.1工作原理本設(shè)計(jì)中的電子鐘的核心是at89c51。硬件電路主

13、要由六部分構(gòu)成：pid控制電路、復(fù)位電路、鍵盤(pán)電路、顯示電路、串行通信電路以及溫度檢測(cè)電路。pid控制電路是電子鐘硬件電路的核心，沒(méi)有pid控制電路，直流電機(jī)無(wú)法正常穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)電路采用的晶振11.0592mhz，一號(hào)單片機(jī)定時(shí)器采用的是定時(shí)器0工作在方式2定時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間的計(jì)時(shí)，定時(shí)時(shí)間為10ms。復(fù)位電路可使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。鍵盤(pán)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定及啟動(dòng)的操作。溫度檢測(cè)是通過(guò)ds18b20芯片實(shí)現(xiàn)，在溫度顯示中還要注意數(shù)的轉(zhuǎn)換。在該設(shè)計(jì)中還用到定時(shí)器1工作在方式2用來(lái)產(chǎn)生9600的波特率，用在兩片單片機(jī)之間串行傳送數(shù)據(jù)。1、外部中斷int1當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈時(shí)向外部中斷進(jìn)行

14、一次中斷計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。2、一號(hào)單片機(jī)轉(zhuǎn)速顯示當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，顯示部分可以把電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速或者是通過(guò)通信由溫度計(jì)算的轉(zhuǎn)速顯示出來(lái)，同時(shí)在右側(cè)部分顯示電機(jī)當(dāng)下的轉(zhuǎn)速。二號(hào)單片機(jī)的溫度顯示與之類似。3、溫度測(cè)量溫度測(cè)量有專門(mén)的芯片ds18b20。ds18b20可編程溫度傳感器有3個(gè)管腳。gnd為接地線，dq為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，通過(guò)一個(gè)較弱的上拉電阻與單片機(jī)相連。vdd為電源接口，6既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可由外部提供電源，范圍3o55v。當(dāng)dsi8b20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的0，1字節(jié)。單片機(jī)可通

15、過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以00625lsb形式表示。4、按鍵選擇一號(hào)單片機(jī)的鍵盤(pán)采用44的按鍵方式檢測(cè)按鍵。p0、p1口不斷掃描按鍵的行和列從而計(jì)算出所選擇的數(shù)值，進(jìn)而執(zhí)行相關(guān)的程序。二號(hào)單片機(jī)原理類似。5、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分一號(hào)單片機(jī)根據(jù)端口采集到的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)pid計(jì)算，通過(guò)另一端口發(fā)送pwm波，從而使電機(jī)改變轉(zhuǎn)速。2.2、直流電機(jī)pid控制原理方框圖7電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)速報(bào)警復(fù)位鍵盤(pán)串行通信89c5189c51鍵盤(pán)顯示顯示測(cè)溫圖2.1直流電機(jī)pid控制電路方框圖89圖接連路電2.圖10第三章控制系統(tǒng)方案選擇3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求總要求：自動(dòng)化工程訓(xùn)練是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生

16、在完成自動(dòng)控制理論、單片機(jī)原理及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等專業(yè)課程學(xué)習(xí)后的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，其目的主要在于使學(xué)生掌握自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用知識(shí)，對(duì)典型控制系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和調(diào)試，進(jìn)一步拓寬知識(shí)面，達(dá)到提高學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的目的。因此，本工程訓(xùn)練必須緊密聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，學(xué)生要著重學(xué)會(huì)面對(duì)一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，收集資料（包括網(wǎng)上檢索），學(xué)習(xí)新的知識(shí)，如何利用已有的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)條件等制定解決問(wèn)題的方案并通過(guò)實(shí)踐不斷地去分析和解決前進(jìn)道路上的問(wèn)題，最終完成課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收。本次設(shè)計(jì)，要求學(xué)生在兩周內(nèi)獨(dú)立設(shè)計(jì)，完成老師所分配的任務(wù)（學(xué)生也可自定設(shè)計(jì)任務(wù)，在設(shè)計(jì)指導(dǎo)

17、教師認(rèn)可的前題下，進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成全部要求的內(nèi)容）。課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，要求每人提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告一份（包括電子稿），并進(jìn)行成果現(xiàn)場(chǎng)演示。選擇實(shí)驗(yàn)的要求：基于sst89e554rc單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)應(yīng)用開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)：要求在掌握相關(guān)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，完成綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并在此基礎(chǔ)上增加鍵盤(pán)輸入功能、數(shù)據(jù)顯示功能和通信功能等。這部分主要介紹工作安排和整體設(shè)計(jì)的思想。工作過(guò)程規(guī)劃如下：11熟悉硬件了解各腳功能分塊設(shè)計(jì)各部分電路完成完整的電路圖將分塊的電路組合認(rèn)真學(xué)習(xí)單片機(jī)匯編語(yǔ)言確定變成結(jié)構(gòu)和思路綜合各個(gè)程序完成整體程序編輯各個(gè)程序模塊調(diào)試程序，進(jìn)行修改用proteus畫(huà)電路圖對(duì)仿真中出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行

18、修改畫(huà)出仿真圖進(jìn)行仿真仿真成功撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)圖3.1直流電機(jī)pid控制工作規(guī)劃流程圖在程序方面，采用分塊設(shè)計(jì)的方法，這樣既減小了編程難度，使程序易于理解，又能便于添加各項(xiàng)功能。程序可分為時(shí)間年月顯示程序、整點(diǎn)報(bào)時(shí)程序、鬧鈴的聲音程序、鬧鈴調(diào)節(jié)程序、調(diào)時(shí)程序、溫度檢測(cè)程序、溫度判斷程序、溫度顯示程序等。運(yùn)用這種方法關(guān)鍵在于各模塊的兼容和配合，若各模塊不匹配會(huì)出現(xiàn)意想不到的錯(cuò)誤。本直流電機(jī)pid控制設(shè)計(jì)主要是依據(jù)圖3.1中的流程做出來(lái)的，時(shí)間分配比較均勻。首先，在編程之前必須了解硬件結(jié)構(gòu)尤其是各引腳的用法，以及內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)單元的用法，否則，編程無(wú)從下手，電路也無(wú)法下筆。這是前期準(zhǔn)備工作。第二部分是

19、硬件部分：依據(jù)想12要的功能分塊設(shè)計(jì)。第三部分是軟件部分：先學(xué)習(xí)理解c語(yǔ)言的編程方法再根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行分塊的編程調(diào)試，最終完成程序設(shè)計(jì)。第四部分是軟件仿真部分：軟硬件設(shè)計(jì)好后將軟件載入芯片中進(jìn)行仿真。第六部分：連接電路并導(dǎo)入程序檢查電路。最后進(jìn)行功能擴(kuò)展。3.2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)可以分為五個(gè)功能：pid控制功能、顯示功能、鍵盤(pán)設(shè)定功能、溫度檢測(cè)功能、串行通訊功能。鍵盤(pán)設(shè)定功能是通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)的，因此鍵盤(pán)設(shè)定功能和顯示功能可以合并為一個(gè)功能，即鍵盤(pán)/顯示功能。因此該系統(tǒng)可分成四個(gè)模塊：pid控制模塊、鍵盤(pán)/顯示模塊、溫度檢測(cè)模塊、串行通訊模塊。由于增加了溫度檢測(cè)，為了避免用一片單片機(jī)數(shù)據(jù)繁

20、多，因此選用了兩片單片機(jī)，一片用于pid控制、設(shè)定值/轉(zhuǎn)速顯示、鍵盤(pán)設(shè)定、主體功能，另一片專門(mén)用于溫度檢測(cè)，并且通過(guò)串行通訊接口把溫度檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳送給第一片單片機(jī)得以調(diào)整轉(zhuǎn)速?？紤]到實(shí)驗(yàn)室資源和本設(shè)計(jì)任務(wù)繁重，我們決定用proteus實(shí)現(xiàn)仿真而不用硬件實(shí)現(xiàn)。下面介紹各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方式。3.2.1電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)及控制方案電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量采用的時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)送給單片機(jī)的外部中斷進(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)會(huì)向單片機(jī)發(fā)送脈沖，使單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。同時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，單片機(jī)會(huì)通過(guò)另一端口輸出pwm脈沖，從而控制單片機(jī)轉(zhuǎn)速。13pwm生成電路80c51m測(cè)速電路圖3.2電機(jī)控制

21、方案圖3.2.2電子鐘鍵盤(pán)/顯示方案鍵盤(pán)/顯示分為鍵盤(pán)、顯示兩部分。顯示有l(wèi)cd數(shù)碼管液晶顯示、點(diǎn)陣顯示、led數(shù)碼管靜態(tài)顯示、led數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，下面比較這四種顯示的優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇一種最合適的顯示方案一：lcd顯示lcd數(shù)碼管液晶顯示，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，它主要用來(lái)顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清洗多樣、美觀，但同時(shí)液晶顯示器的編寫(xiě)程序復(fù)雜，價(jià)格昂貴，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比，故不采用此種方案。顯示方案二：點(diǎn)陣顯示點(diǎn)陣顯示是由八行八列的發(fā)光二極管集成在一塊電路上組成，主要用來(lái)顯示漢字，同時(shí)也能顯示數(shù)字和少量圖像，但是它的焊接較麻煩，價(jià)格高，鑒于所涉及的題目要求它不切實(shí)際

22、，所以排除此方案。顯示方案三：led數(shù)碼管靜態(tài)顯示led數(shù)碼管靜態(tài)顯示，電路容易理解且驅(qū)動(dòng)的程序簡(jiǎn)單，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)i/o口，也給電路的焊接帶來(lái)一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。顯示方案四：led數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示14led數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，價(jià)格低廉，不僅減少了對(duì)i/o口的浪費(fèi)，而且能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管，其驅(qū)動(dòng)程序容易編寫(xiě)和理解。經(jīng)過(guò)四種方案的比較，排除了前三種方案之后，最終選擇方案四：led數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。鍵盤(pán)有兩種方案。鍵盤(pán)方案一：陣列式按鍵選取陣列式按鍵，減少了i/o口的使用，而且掃描mn個(gè)按鍵只需要占用m+n個(gè)i/o口即

23、可實(shí)現(xiàn)，但給編程帶來(lái)了一定的困難，雖然節(jié)省了很多的口線，降低了成本，但在此設(shè)計(jì)中所用的按鍵要盡量少，因此排除此方案。鍵盤(pán)方案二：獨(dú)立式按鍵獨(dú)立式按鍵，每個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，易于控制且編寫(xiě)程序簡(jiǎn)單，容易理解，雖然會(huì)占用一定的單片機(jī)i/o口資源，但是題目中要求使用的按鍵要盡量少。通過(guò)以上兩種方式比較，采用方案二。以上通過(guò)對(duì)顯示和鍵盤(pán)方案進(jìn)行選擇，選擇了最合適的顯示、鍵盤(pán)功能實(shí)現(xiàn)的方案。89c51驅(qū)動(dòng)電路led動(dòng)態(tài)掃描顯示44位獨(dú)立式按圖3.3方案一鍵盤(pán)/顯示方框圖153.2.3溫度檢測(cè)方案?jìng)鹘y(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻，需要很多硬件支持并且電路復(fù)雜，軟件復(fù)雜，因而選用溫度傳感器ds18b20進(jìn)行溫

24、度采集。ds18b單片機(jī)顯示20圖3.4溫度檢測(cè)方案3.2.4串行通訊方案由于該系統(tǒng)有很多數(shù)據(jù)需要傳送顯示，一片單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要一片單片機(jī)，由于單片機(jī)接口較少，要用串行方式在兩片單片機(jī)之間傳遞數(shù)據(jù)。串行通訊是兩片單片機(jī)間使用一根數(shù)據(jù)信號(hào)線，數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)信號(hào)線上一位一位地進(jìn)行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸慢。要使兩片單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)通訊，需要用到compim與虛擬串口連接調(diào)試。3.2.5直流電機(jī)pid控制整體方案系統(tǒng)方框圖經(jīng)過(guò)方案論證與比較，選擇89c51作為主控，采用獨(dú)立式按鍵控制，led數(shù)碼管動(dòng)

25、態(tài)掃描顯示，ds18b20溫度檢測(cè)，選擇出最優(yōu)方案的系統(tǒng)框圖如圖圖3.3。16設(shè)定模塊速度檢測(cè)模塊復(fù)位電路時(shí)間控制模塊設(shè)定轉(zhuǎn)速顯示模塊實(shí)際轉(zhuǎn)速顯示模塊pwm模塊串行通訊口ds18b20溫度檢測(cè)上下限設(shè)定溫度測(cè)量模塊溫度顯示圖3.5總方案系統(tǒng)框圖17第四章硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1硬件設(shè)計(jì)直流電機(jī)pid控制電路的核心是兩塊89c51，用兩塊89c51作控制是為了電機(jī)控制和溫度檢測(cè)互不干擾，其中一塊控制電機(jī)，另一塊實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。4.1.1按鍵電路設(shè)計(jì)根據(jù)功能需要，本控制電路需要設(shè)置一下功能鍵：按鍵設(shè)定轉(zhuǎn)速。在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少i/o口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖1所示。在矩陣式鍵盤(pán)

26、中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如p1口）就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤(pán)顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一0123a04567a189確定清除a2運(yùn)行a3a4a5a6a718些，下圖中，列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的i/o口作為輸出端，而列線所接的i/o口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸入端都是高電平

27、，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。圖4.1按鍵電路參見(jiàn)表4.1。按鍵09確定清除運(yùn)行鍵名設(shè)定確定清除運(yùn)行功能設(shè)定轉(zhuǎn)速值確定設(shè)定值去除設(shè)定值開(kāi)始運(yùn)行屬性自動(dòng)復(fù)位自動(dòng)復(fù)位自動(dòng)復(fù)位自動(dòng)復(fù)位表4.1按鍵功能表按鍵操作說(shuō)明如下：09鍵：通過(guò)此按鍵設(shè)定要求電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。設(shè)定過(guò)程中數(shù)值依次左移，實(shí)現(xiàn)百十個(gè)位的設(shè)定。確定鍵：該鍵為自動(dòng)復(fù)位鍵，當(dāng)設(shè)定完成后按確定鍵就可以使設(shè)定值賦給相應(yīng)變量。清除鍵：清除已經(jīng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。運(yùn)行鍵：設(shè)定值完畢則可以點(diǎn)此鍵進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行。4.1.2復(fù)位電路19復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，以便使cpu

28、和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于思索狀態(tài)時(shí)，也可按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。復(fù)位后，pc內(nèi)容初始化為0000h，使單片機(jī)從0000h單元開(kāi)始執(zhí)行程序。89c51單片機(jī)復(fù)位信號(hào)的輸入端是rst引腳，高電平有效。rst端的外部復(fù)位電路有兩種操作方式：上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵c3rst1ufr11k手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本設(shè)計(jì)用的是按鍵電平復(fù)位時(shí)相當(dāng)于rst端接高電平。如圖4.2所示。需要注意的是單片機(jī)連接了8255a，復(fù)位電路也需與8255a的reset相連。電路為上電復(fù)位電路，它是利

29、用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間，reset端的電位與vcc相同，隨著充電電流的減少，reset的電位逐漸下降。只要保證reset為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)20位，只需按reset鍵，此時(shí)電源vcc經(jīng)電阻r1、r2分壓，在reset端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。4.1.3顯示電路本設(shè)計(jì)中使用led數(shù)碼管顯示電機(jī)的設(shè)定和實(shí)際轉(zhuǎn)速以及溫度值。電路設(shè)計(jì)如下：rp1123456789u2:aa0respack-8246811113151719a0a1a2a3oeu2:b74hc240a1a2a3oey0y1y2y3y0y1y2y318161412975374

30、hc240圖4.3轉(zhuǎn)速的顯示電路溫度的顯示電路在另一個(gè)單片機(jī)中完成，圖相似。214.1.4溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置了一路溫度檢測(cè)在該系統(tǒng)中，圖4.6是一路溫度硬件圖。p1.1+5v圖4.4ds18b20測(cè)溫原理框圖u2321u3vccdqgndds18b201938.3189xtal1p0.0/ad0p0.1/ad1p0.2/ad2xtal2p0.3/ad3p0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6rstp0.7/ad7393837363534333258d1p1.2gndd2p1.3293031psenaleea2c9tap2.0/a8p2.1/a9p2.2/a10p2.3/a11p2.4/a

31、12p2.5/a13p2.6/a14p2.7/a152122232425262728+p1.6vp1.75p1.0p1.1p1.2p1.3p1.4p1.5p1.6p1.712345678p1.0/t2p1.1/t2exp1.2p1.3p1.4p1.5p1.6p1.7p3.0/rxdp3.1/txdp3.2/int0p3.3/int1p3.4/t0p3.5/t1p3.6/wrp3.7/rd1011121314151617圖4.5溫度檢測(cè)的硬件圖4.1.5串行通訊22該系統(tǒng)用到兩片單片機(jī)，因此單片機(jī)還需要連接串行接口，電路略。4.1.6晶振電路設(shè)計(jì)在at89s51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其

32、輸入端為芯片引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2。而在芯片內(nèi)部，xtal1和xtal2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。其電路如圖4.7。x1crystalc11nfc21nf圖4.7晶振電路4.1.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)端口采集電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而輸出pwm波完成電機(jī)控制。23pwm（pulsewidthmodulation）控制技術(shù)就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）；面積等效原理是pwm技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論；一種典型的pwm控制波

33、形spwm：脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形稱為spwm波。u12(vs)94u12571012611in1in2in3in4enaenbvccvsout1out2out32313+88.8115sensasensbgndout4148l298u?:aint113274ls386圖4.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.1.8報(bào)警電路當(dāng)溫度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，報(bào)警電路會(huì)自動(dòng)報(bào)警。24.10p+5vr3470q12n3393buz1buzzer圖4.8報(bào)警電路4.2系統(tǒng)面板圖時(shí)間控制模塊面板圖如圖4.8，溫度測(cè)量模塊面板圖如圖4.9。25x1crystal0123c11nfc21nfa04567u119xtal1p0.0/ad0p0.2/ad218xtal2運(yùn)行p0.3/ad3p0.4/ad4p0.5/ad59rstu2:ap0.7/ad7c3rstrstp0.1/ad1p0.6/ad63923743653563473291rp1a1383a2338a389確定清除1ufr11ka0a1a2a3a4a5a6a729303112345678psenaleeap1.0p1.1p1.2p1.3p1.4p1