直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

1、I直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)摘摘 要要在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，運(yùn)行維護(hù)困難，在轉(zhuǎn)速控制中，直流電機(jī)的穩(wěn)速指標(biāo)一般很難達(dá)到要求。本文針對(duì)直流電機(jī)的特點(diǎn)，根據(jù)自動(dòng)控制原理，采用 PWM 控制方式，設(shè)計(jì)了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)以更好地控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以 89S52 單片機(jī)為控制核心，以小直流電機(jī)為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)控制速度控制，用鍵盤輸入有關(guān)控制信號(hào)及參數(shù),采用單片機(jī)接口輸出 PWM 脈沖和 H 橋驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正方轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)，并使用光電開關(guān)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在 LED

2、上實(shí)時(shí)顯示有關(guān)參數(shù)。本系統(tǒng)軟件部分采用模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先畫出主要模塊，即主程序模塊、按鍵掃描模塊、中斷處理模塊和 PID 算法模塊的流程框圖，再采用 C 語言編寫出相關(guān)程序，然后調(diào)試程序，使其完成相應(yīng)功能。最終通過系統(tǒng)測(cè)試，電機(jī)經(jīng)過約 5 秒鐘進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，沒有出現(xiàn)過大的超調(diào)或欠調(diào)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差在3 轉(zhuǎn)/秒。由于轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置晃動(dòng)大，由此引起的測(cè)量值會(huì)意外發(fā)生錯(cuò)誤，使電機(jī)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的瞬間飆升或驟減，但不會(huì)引起系統(tǒng)失調(diào)，系統(tǒng)會(huì)迅速自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)關(guān)鍵詞：單片機(jī) 直流電機(jī)調(diào)速直流電機(jī)調(diào)速 PWMPWM PIDPID 控制控制 II III 目目 錄錄摘

3、要.IABSTRACT.II前 言.11.直流電機(jī)概述.21.1 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu) .21.1.1 定子部分.21.1.2 轉(zhuǎn)子部分.31.1.3 氣隙.31.2 直流電機(jī)的特性 .31.3 本章小結(jié) .42. PWM 控制和 PID 調(diào)節(jié) .52.1 PWM 控制.52.2 PID 調(diào)節(jié).62.3 本章小結(jié) .83.系統(tǒng)方案論證.103.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證 .103.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案論證 .103.3 電機(jī)調(diào)速控制方案論證 .113.4 鍵盤及顯示方案論證 .113.5 PWM 的調(diào)速工作以及軟件實(shí)現(xiàn)方案論證.113.5.1 PWM 調(diào)速工作方式 .113.5.2 PWM 的軟件實(shí)現(xiàn) .

4、123.6 本章小結(jié) .124.控制部分設(shè)計(jì).134.1 AT89S52 單片機(jī)簡介.134.1.1AT89S52 單片機(jī)的引腳功能 .134.1.2 AT89S52 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) .164.2 AT89S52 單片機(jī)的中斷系統(tǒng).19 IV4.2.1 中斷申請(qǐng)與控制.194.2.2 中斷響應(yīng).204.3 AT89S52 單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù).214.4 本章小結(jié) .225.硬件電路設(shè)計(jì).235.1 系統(tǒng)原理框圖.235.2 各模塊電路 .235.2.1 電源模塊.235.2.2 電機(jī)速度檢測(cè)模塊.245.2.3 按鍵模塊.245.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.255.2.5 速度顯示模塊.265.

5、3 本章小結(jié) .276.軟件設(shè)計(jì).286.1 主程序設(shè)計(jì) .286.2 鍵盤中斷處理程序 .296.3 PID 算法程序.306.4 本章小結(jié) .31結(jié)論.32致謝.33參考文獻(xiàn).33附錄一：系統(tǒng)原理圖.34附錄二：PCB 圖 .35附錄三：源程序代碼.361前前 言言直流電機(jī)是最常見的一種電機(jī)，具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)等各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，運(yùn)行維護(hù)困難。但是直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過載能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)。因此在許多行業(yè)中仍有應(yīng)用，因此具有很好的發(fā)展前景。工業(yè)生產(chǎn)中

6、，電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與控制占有很大的比重，它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能都有著至關(guān)重要的影響，因此具有高分辨率的快捷而準(zhǔn)確的測(cè)速系統(tǒng)是必不可少的。在對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的過程中單片機(jī)和傳感技術(shù)的應(yīng)用目前已經(jīng)相當(dāng)重要和成熟。單片機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要分支，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器以及過程控制方面，甚至電子玩具等各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)都扮演著越來越重要的角色。它具有體積小、功能多、價(jià)格低廉、使用方便、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。采用單片機(jī)技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量，既簡單易行、開發(fā)方便，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的在線檢測(cè)，對(duì)提高電機(jī)的運(yùn)行，改善其性能起到一定的作用。在與單片機(jī)相結(jié)合的應(yīng)

7、用中，傳感、檢測(cè)和電子測(cè)量技術(shù)也是影響自動(dòng)控制系統(tǒng)相當(dāng)重要的因素，傳感器件在信息采集和傳輸?shù)臏?zhǔn)確度及即時(shí)性對(duì)于采用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和分析產(chǎn)品性能有著至關(guān)重要的作用，可以說現(xiàn)代感測(cè)技術(shù)中傳感器件的精度是保證產(chǎn)品性能和質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)就是要以單片機(jī)為核心部件，可對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，并利用 PID 調(diào)節(jié)使直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的趨于設(shè)定值，并在數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)包括對(duì)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過這種方式達(dá)到對(duì)相關(guān)知識(shí)的系統(tǒng)掌握，并加強(qiáng)實(shí)際動(dòng)手能力，做到理論與實(shí)際相結(jié)合。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，控制

8、靈活性和適應(yīng)性好，無零點(diǎn)漂移，控制精密高，可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作。隨著現(xiàn)代化步伐的邁進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的需求越來越高，使電動(dòng)機(jī)控制向更復(fù)雜的控制發(fā)展，通過各種方法對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的研究，對(duì)提高直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的精度起著至關(guān)重要的作用。21.1.直流電機(jī)概述直流電機(jī)概述1.11.1 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示是一臺(tái)小型直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖,它是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，還有一部分是氣隙，圖中各個(gè)數(shù)字標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)直流電機(jī)的一部分結(jié)構(gòu)，1換向器；2電刷裝置；3機(jī)座；4主磁極；5換向極；6端蓋；7風(fēng)扇；8電樞繞組；9電樞鐵心。主要組成部分簡述如下：1.11.1 直流電機(jī)

9、結(jié)構(gòu)圖直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.1.11.1.1 定子部分定子部分(1) 主磁極 主磁極的作用是在氣隙中建立磁場,它包含主極鐵芯和勵(lì)磁繞組兩部分。在直流電機(jī)中,主磁鐵也可以采用永久磁鐵,它不需要?jiǎng)?lì)磁繞組,叫做永磁直流電機(jī)。(2) 換向極 換向器又叫附加極,裝在相鄰磁鐵之間的幾何中心線,其作用是改善直流電機(jī)的換向。換向極也由換向及鐵芯和換向極繞組兩部分組成.換向極繞組須與電樞繞組串聯(lián)。在 1KW 以下的容量直流電機(jī)中,有時(shí)換向極的數(shù)目只有主鐵極的一半,或不裝換向極。3(3) 機(jī)座 直流電機(jī)的機(jī)座既是磁的通路又起固定的作用,因此要求機(jī)座既要導(dǎo)磁面積,又要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度.對(duì)于換向要求很高的電機(jī),機(jī)座

10、可以用薄鋼板沖片疊壓而成。 (4) 電刷裝置 電刷與換向器相配合,起到整流或逆變器。1.1.21.1.2 轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子部分(1) 電樞鐵芯 電樞鐵芯是電機(jī)主磁路的一部分,而且用來嵌置電樞繞組.為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵芯中損耗,電樞鐵芯通常用 0.5mm 厚的兩面涂有絕緣的硅鋼片疊加而成。(2) 電樞繞組 電樞繞組是用來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件.現(xiàn)代直流電機(jī)的電樞,在其圓周上均勻地分布有許多個(gè)線圈,每個(gè)線圈可以單匝也可以多匝,稱為元件.每個(gè)元件的兩個(gè)有效邊分別嵌放在相隔一定槽數(shù)的電樞鐵芯的兩個(gè)槽中.每個(gè)元件的首端與尾端,按一定的規(guī)律分別與換向器上的兩個(gè)換向片相連。(3

11、) 換向器 換向器的作用是在電刷見得到直流電動(dòng)勢(shì),并保證每個(gè)磁極下電樞導(dǎo)體電流方向不變,以產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩.電樞繞組有許多元件而組成而每個(gè)元件的兩個(gè)引出端分別連結(jié)兩片換向片,換向器有許多彼此互相絕緣的銅片組成。1 1.1.3.1.3 氣隙氣隙氣隙是定子磁極和電樞之間自然形成的間隙,它是主磁路的一部分,氣隙中的磁場的電機(jī)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的媒介,氣隙的大小對(duì)電機(jī)的運(yùn)行有很大的影響.小容量直流電機(jī)的氣隙約 13mm,大容量電機(jī)的氣隙可達(dá)幾毫米。1.21.2 直流電機(jī)的特性直流電機(jī)的特性直流電機(jī)的基本工作原理，如下所述：4圖圖 1.21.2 直流電機(jī)工作模型直流電機(jī)工作模型如圖 1.2 所示，是一個(gè)

12、直流發(fā)電機(jī)的工作模型，圖中 N，S 是兩個(gè)在空間固定不動(dòng)的磁極，abcd 是一個(gè)裝在可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體上的線圈（合稱線圈） ；線圈的首，末端分別連接到與電樞同軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)圓弧形銅片（稱為換向片）上，換向片之見及換向片與轉(zhuǎn)軸之間是互相絕緣的；A 和 B 是兩個(gè)與換向片相接觸，但在空間上靜止不動(dòng)的銅片（稱為電刷） ，從電刷 A，B 引出即可對(duì)負(fù)載供電。絕大多數(shù)的電動(dòng)機(jī)都須作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，才能構(gòu)成電動(dòng)機(jī)。N、S 為對(duì)固定的磁極(一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵)，兩磁極間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈。當(dāng)線圈中通入直流電流時(shí)，線圈邊上受到電

13、磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞的一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向。若電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈兩邊的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向卻變?yōu)轫槙r(shí)針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉(zhuǎn)矩。種交變的電磁轉(zhuǎn)矩只能使電樞來回?fù)u擺，而不能使電樞連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，要使電樞受到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于，當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時(shí)地加以變換，即進(jìn)行所謂“換向” 。為此必須增添一個(gè)叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，裝在軸上，也和電樞絕緣，這且和電樞一起旋轉(zhuǎn)。換向器又與兩個(gè)固定不動(dòng)的由石墨制成的電刷 A、

14、B 相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時(shí)，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向。這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.31.3 本章小結(jié)本章小結(jié)本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，因此我們首先應(yīng)該對(duì)直流電機(jī)的相關(guān)知識(shí)有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)了解，通過對(duì)直

15、流電機(jī)的學(xué)習(xí)了解，使我對(duì)直流電機(jī)有了更進(jìn)一步的熟悉，特別是對(duì)直流電機(jī)的工作原理有了一個(gè)比較深入的認(rèn)識(shí)，使得我對(duì)設(shè)計(jì)也會(huì)更加的有幫助，也加深了我對(duì)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義認(rèn)識(shí)。52.2. PWMPWM 控制和控制和 PIDPID 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)2.12.1 PWMPWM 控制控制PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制，簡稱脈寬調(diào)制，是一種最初用語無線電通信的信號(hào)調(diào)制技術(shù)，后來在控制領(lǐng)域中（比如電機(jī)調(diào)速）也得到了很好的應(yīng)用，于是形成了獨(dú)特的 PWM 控制技術(shù)。PWM 控制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)

16、域中。PWM 基本原理: PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM 可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和 斷開時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。簡而言之，PWM 是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何適合，滿幅值的直流供電要么完全有，

17、要么完全無。電壓或電流源是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的，通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上去，斷的時(shí)候即是供電被斷開。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)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(shí)，其效果基本相同。PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在

18、20 世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。知道進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)及其迅速發(fā)展，PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。6一般情況下，調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬有兩種方法，一種方法是采用模擬電路中的調(diào)制方法，另一種方法是使用脈沖計(jì)數(shù)法。對(duì)于一般電機(jī)控制，采用第一種方法在控制電壓變化時(shí)濾波的實(shí)現(xiàn)存在較大的困難，這主要是因?yàn)闉V波頻率較低、濾波精度要求高和濾波電路的參數(shù)不易調(diào)整。在脈沖作用

19、下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。占空比是指高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率，設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，設(shè)占空比為 D=t1T 以上公式中 t1 為高電平時(shí)間，T 為 PWM 周期。當(dāng)我們改變當(dāng)我們改變占空比D=t1T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd ,嚴(yán)格地講平均速度 Vd 與占空比 D 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。PWM 特點(diǎn)：(1) 主電路簡單，所用功率元件少，且工作于開關(guān)狀態(tài)，因此電路的導(dǎo)通損耗小，裝置效率比較高。(2) 采用功率比較小的底慣量電機(jī)時(shí)具有高的定位速

20、度和精度。(3)低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。(4)響態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)。2.22.2 PIDPID 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。 PID（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)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID 控制器簡單易懂，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

21、）和微分單元（D）組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ki 和 Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。PID 是周期性地控制操作。假定控制器的執(zhí)行頻率7足夠高，以使系統(tǒng)得到真確控制。誤差信號(hào)是通過將被控參數(shù)的期望設(shè)定值減去該參數(shù)的實(shí)際測(cè)量值來獲得的。誤差的符號(hào)表明控制輸入所需的變化方向。(1) P 項(xiàng)（比例） 由誤差信號(hào)乘以一個(gè) P 增益因子形成，使 PID 控制響應(yīng)為誤差幅值的函數(shù)。當(dāng)誤差信號(hào)增大時(shí)，控制器的 P 項(xiàng)將變大以提供更大的校正量。(2)I 項(xiàng)（積分） 對(duì)全部誤差信號(hào)進(jìn)行

22、連續(xù)積分。因此，小的靜態(tài)誤差隨時(shí)間累計(jì)為一個(gè)較大的誤差值。累計(jì)誤差信號(hào)乘以一個(gè) I 增益因子即成為 PID 控制器的 I 輸出項(xiàng)。(3) D 項(xiàng)（微分）D 項(xiàng)輸入是計(jì)算前次誤差值與當(dāng)前誤差值的差來獲得的。該誤差乘以一個(gè) D 項(xiàng)增益因子即成為 D 輸出項(xiàng)。系統(tǒng)誤差變化的越快，控制器的 D 項(xiàng)將產(chǎn)生更大的控制輸出。PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對(duì)其簡化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣 PID 就可控制了。(2)參數(shù)較易整定。也就是，PID 參數(shù) Kp，Ki 和 Kd 可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如

23、可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID 參數(shù)就可以重新整定。PID 調(diào)節(jié)中參數(shù)的選擇方法：在數(shù)字 PID 控制中，如果采樣周期選得比較小，則 PID 控制參數(shù) Kp、Ki 和 K D可按模擬 PID 控制器中的方法來選擇。在對(duì)電動(dòng)機(jī)控制中，首先要求系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在給定值變化時(shí)，被控量應(yīng)能迅速、平穩(wěn)地跟蹤，超調(diào)量要小。在各種干擾下，被控量應(yīng)能保持在給定值附近。另外，控制變量不宜過大，以避免系統(tǒng)過載。顯然，上述要求要都滿足是很困難的，因此，必須根據(jù)具體的實(shí)際情況，抓主要方面，兼顧其他方面。在選擇控制器參數(shù)前，應(yīng)首先確定控制器結(jié)構(gòu)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，一般常用 PI 或 PID 控制器接口，以

24、保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能清楚靜態(tài)誤差。PID 參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設(shè)計(jì)法和試驗(yàn)確定發(fā)。理論設(shè)計(jì)法確定 PID控制參數(shù)的前提，是要有被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在電動(dòng)機(jī)控制中往往很難做到。因此，用下列試驗(yàn)確定法來選擇 PID 控制參數(shù)，就成為目前經(jīng)常采用的，并且8是行之有效的方法,稱作試湊法。湊試法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，來觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，來改變參數(shù)，反復(fù)湊試，直到認(rèn)為得到滿意的響應(yīng)為止。湊試前，要先了解 PID 控制器參數(shù)值對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)有哪些影響。增大比例系數(shù) Kp ，可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜態(tài)誤差；但是，過大的比例系數(shù)會(huì)使

25、系統(tǒng)有較大的超調(diào)，因此產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分常數(shù) Ki ，會(huì)有利于減少超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定；但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除將隨之減慢。增大微分常數(shù) Kd ，也可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減少，穩(wěn)定性增加；但系統(tǒng)的抗干擾能力降低。在考慮了以上參數(shù)對(duì)控制過程的影響后，湊試時(shí)，可按先比例后積分再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)。具體步驟如下：首先只調(diào)節(jié)比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，知道得到響應(yīng)快，超調(diào)量小的響應(yīng)曲線為止。如果這時(shí)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差已在允許范圍內(nèi)，并且達(dá)到 1/4 衰減度的響應(yīng)曲線（最大超衰減到 1/4 時(shí)，已進(jìn)入允許的靜態(tài)誤差范圍） ，那么只需用比例環(huán)節(jié)即可，比

26、例系數(shù)可由此確定。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。積分常數(shù)在湊試時(shí)，先給一個(gè)較大值，并將上一步調(diào)整時(shí)獲得的比例系數(shù)略微減少（例如取原值的 80%） ，然后逐漸減少積分常數(shù)進(jìn)行湊試，并根據(jù)所獲得的響應(yīng)曲線進(jìn)一步調(diào)試比例系數(shù)值和積分常數(shù)值，直到消除靜態(tài)誤差，并且保持良好的動(dòng)態(tài)性能為止。如果使用比例積分環(huán)節(jié)雖然消除了靜態(tài)誤差,但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仍不能令人滿意,這時(shí)可加入微分環(huán)節(jié)。在湊試時(shí)，可先給一個(gè)很小的微分常數(shù)，以后逐漸增大，同時(shí)響應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，知道獲得滿意的效果為止。2.32.3 本章小結(jié)本章小結(jié)本章通過對(duì) PWM 控制的學(xué)習(xí)了解，讓我對(duì)

27、PWM 的基本原理有了一個(gè)大致的了解，對(duì)于 PWM 的控制技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，也熟悉了輸出的 PWM 是怎樣去控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過對(duì) PID 控制器的學(xué)習(xí)，我對(duì) PID 調(diào)節(jié)有了一個(gè)更加深入的了解，對(duì) PID 的各項(xiàng)參數(shù)，即比例項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)各自對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象所起到的明確作用有了一定9的掌握，并且學(xué)會(huì)了用有效地方法，試湊法來確定 PID 的控制參數(shù)，從而達(dá)到利用PID 算法提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度。本設(shè)計(jì)主要就是利用 PID 調(diào)節(jié)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度，因此對(duì) PID 控制算法的了解學(xué)習(xí)，加強(qiáng)了完成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信心。3.3.系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案論證3.13.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論

28、證方案一：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)。 方案二：采用兩片單片機(jī)（AT89S52）,其中一片做成 PID 控制器，專門進(jìn)行PID 運(yùn)算和 PWM 控制信號(hào)輸出；另一片則作為系統(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。 方案一的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)硬件簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。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。方案二則與方案一相反，雖然硬件增加，但在程序設(shè)計(jì)上有充分的自由去改善速度測(cè)量精度，縮短測(cè)量周期，優(yōu)化鍵盤，顯

29、示及擴(kuò)展其它功能。與此同時(shí)，PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)可以更加精確，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。因此通過比較，顯然方案二更加好，但是由于就我而言，不用去考慮的那么復(fù)雜，只要能夠滿足要求，應(yīng)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且更為經(jīng)濟(jì)，方案一已經(jīng)可以滿足所實(shí)現(xiàn)的功能，所以我選擇方案一。3.23.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案論證轉(zhuǎn)速測(cè)量方案論證方案一：采用記數(shù)的方法。具體是通過單片機(jī)記錄單位時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S60。方案二：采用定時(shí)的方法。是通過定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=60/T。比較兩個(gè)方案，方案一的誤差主要是1 誤差（量化誤差） ，設(shè)電機(jī)的

30、最低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 120 轉(zhuǎn)/分，則記數(shù)時(shí)間 S=1s，所以其誤差得絕對(duì)值|=|(N1)/S60-N/S60|=60（轉(zhuǎn)/分） ，誤差計(jì)算公式表明，增大記數(shù)時(shí)間可以提高測(cè)量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會(huì)降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方案二所產(chǎn)生的誤差主要10是標(biāo)準(zhǔn)誤差，并且使采樣時(shí)間降到最短，誤差 =60/（T1）-60/T，設(shè)電機(jī)速度在 1206000 轉(zhuǎn)/分之間，那么 0.01sT0.5s，代入公式得：0.00024|0.6（轉(zhuǎn)/分） 。由此明顯看出,方案二在測(cè)量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方案一，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。3.33.3 電機(jī)調(diào)速控制方案論證電機(jī)調(diào)速控制方案論證方案一：采用

31、電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。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，通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(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單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控

32、制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。3.43.4 鍵盤及顯示方案論證鍵盤及顯示方案論證方案一：采用 44 鍵盤，可直接輸入設(shè)定值。顯示部分是使用支持中文顯示的 LCD，優(yōu)點(diǎn)是美觀大方，有利于人與系統(tǒng)的交互，及顯示內(nèi)容的擴(kuò)展,顯示部分也使用為了系統(tǒng)容易擴(kuò)展、操作以及美觀，缺點(diǎn)是成本較高。方案二：使用 4 個(gè)獨(dú)立按鍵，進(jìn)行逐位設(shè)置。顯示部分使用 4 位數(shù)碼管，優(yōu)點(diǎn)是顯示亮度大，缺點(diǎn)是功耗大，不符合智能化趨勢(shì)而且不美觀。本設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)及其實(shí)用價(jià)值考慮，選用方案二。113.53.5 PW

33、MPWM 的調(diào)速工作以及軟件實(shí)現(xiàn)方案論證的調(diào)速工作以及軟件實(shí)現(xiàn)方案論證3.5.13.5.1 PWMPWM 調(diào)速工作方式調(diào)速工作方式方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出 PWM 信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì) PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制電壓中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。3.5.23.5.2 PWMPWM 的軟件實(shí)現(xiàn)的軟

34、件實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。后兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期或頻率，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起震蕩，因此這 2 種方法用得很少。目前在直流電機(jī)的控制中，主要用定頻調(diào)寬法。本設(shè)計(jì)就采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對(duì)于實(shí)現(xiàn)方式則有兩種方案。方案一：采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。方案二：采用軟件延時(shí)方式，這種方式在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所

35、產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍，但是方案一得控制精度較高，所以本設(shè)計(jì)從控制精度方面考慮選用方案一。3.63.6 本章小結(jié)本章小結(jié)通過對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)主要模塊方案的提出，并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行分析比較，然后對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行合理的論證，從而選擇出較為合理的方案，這樣通過方案論證以后就會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的大致框架有一個(gè)比較清晰地認(rèn)識(shí)，對(duì)接下來系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)奠定了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使得以后的工作將會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。124.4.控制部分設(shè)計(jì)控制部分設(shè)計(jì)4.14.1 AT89S52AT89S52 單片機(jī)簡介單片機(jī)簡介AT89S52 單片機(jī)是一種低功耗高性能的 CMOS8 位微控制器，內(nèi)置 8KB 可在

36、線編程閃存。該器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51 指令集兼容。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過 SPI 串行口改寫或用同用的非易失性存儲(chǔ)器改寫。通過把通用的 8 位 CPU與可在線下載的 Flash 集成在一個(gè)芯片上，AT89S52 便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)。它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問題，且成本較低。其結(jié)構(gòu)框圖如 4.1 所示。13圖圖 4.14.1 AT89S52AT89S52 結(jié)構(gòu)框結(jié)構(gòu)框4.1.1AT89S524.1.1AT89S52 單片機(jī)的引腳功能單片機(jī)的引腳功能(1)多功能 I/O 口 AT

37、89S52 共有四個(gè) 8 位的并行 I/口：P0、P1、P2、P3 端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是 P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共 32根 I/O 線。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。 AT89S52 的引腳如圖 4.2 所示 14圖圖 4.24.2 AT89S52AT89S52 引腳圖引腳圖P0 端口，該口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。在作為輸出口時(shí)，每根引腳可以帶動(dòng) 8 個(gè) TTL 輸入負(fù)載。當(dāng)把“1”寫入 P0 時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當(dāng)對(duì)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線，在該模式，P

38、0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)，P0 用于接收代碼字節(jié)；在校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié)；此時(shí)需要外加上拉電阻。P1 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P1 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低 8 位地址。另外，P1.0 與 P1.1 可以配置成定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入端（P1.0/T2）與定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2

39、的觸發(fā)輸入端（P1.0/T2EX）。P1 端口管腳復(fù)用功能見下表 4.1。表表 4.14.1 AT89S52AT89S52 單片機(jī)單片機(jī) P1P1 口復(fù)用功能口復(fù)用功能端口引腳復(fù)用功能P1.0T2（定時(shí)器/計(jì)算器 2 的外部輸入端）P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)算器 2 的外部觸發(fā)端和雙向控制）P1.5MOSI（用于在線編程）15P1.6MISO（用于在線編程）P1.7SCK（用于在線編程） P2 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P2 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。

40、P2 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出高 8 位地址，在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不會(huì)改變。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P2 口也接收高位地址或一些控制信號(hào)。P3 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P3 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。P3 口作輸入口

41、使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在 AT89S52 中，同樣 P3 口還用于一些復(fù)用功能，如表 4.2 所示。在對(duì) Flash 編程。和程序校驗(yàn)期間，P3 口還接收一些控制信號(hào)。表表 4.24.2 AT89S52AT89S52 單片機(jī)單片機(jī) P3P3 口復(fù)用功能口復(fù)用功能(2) RST 復(fù)位輸入端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使其單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗定時(shí)器（Watchdog）溢出后，該引腳會(huì)保持 98 個(gè)振蕩周期的高電平。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO 位的默認(rèn)狀態(tài)，是

42、復(fù)位高電平輸出功能使能。(3)ALE/PROG 地址鎖存允許信號(hào)。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖存低字節(jié)地址。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。一般情況端口引腳復(fù)用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷 0）P3.3INT1（外部中斷 1）P3.4T0（定時(shí)器 0 的外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器 1 的外部輸入）P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）16下，ALE 是振蕩器頻率的 6 分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。但是，在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器每次存取中，會(huì)跳過一個(gè) AL

43、E 脈沖。在需要時(shí)，可以把地址 8EH 中的 SFR寄存器的 0 位置為“1”，從而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時(shí)ALE 才被激活。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì) ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。(4)PSEN 程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。它用于讀外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng) AT89S52 在執(zhí)行來自外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期 PSEN 被激活 2 次。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存取中，PSEN 的 2 次激活會(huì)被跳過。(5)EA/Vpp 外部存取允許信號(hào)。為了確保單片機(jī)從地址為 0000HFFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地

44、端。但是，如果鎖定位 1 被編程，則 EA 在復(fù)位時(shí)被鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)，EA 應(yīng)接到 Vcc。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。(6) XTAL1 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。(7) XTAL2 振蕩器的反相放大器輸出。4.1.24.1.2 AT89S52AT89S52 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)所有的 ATMEL Flash 單片機(jī)都將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為不同的存儲(chǔ)空間。89 系列單片機(jī)的典型存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖 4.3 所示。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為不同的邏輯空間，使得可用 8 位地址來訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這樣可提高 8

45、位 CPU 的存儲(chǔ)和處理速度。盡管如此，也可通過數(shù)據(jù)指針（DPTR）寄存器來產(chǎn)生 16 位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。程序存儲(chǔ)器只可讀不可寫，用于存放編好的程序和表格常數(shù)。89 系列單片機(jī)可尋址的程序存儲(chǔ)器總空間為 64KB。外部程序存儲(chǔ)器的讀選通脈沖為 PSEN（程序存儲(chǔ)允許信號(hào)）。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間：一個(gè)內(nèi)部和一個(gè)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間可達(dá) 64KB。訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，CPU發(fā)出讀和寫的信號(hào)RD 和 WR。17將 RD 和 PSEN 兩個(gè)信號(hào)加到一個(gè)與門的輸入端，然后用與門的輸出作為外部程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀選通脈沖。這樣就可將外部程序存儲(chǔ)器空間和外

46、部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間合并在一起。圖圖 4.34.3 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)(1) 程序存儲(chǔ)器89 系列單片機(jī)可尋址的內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器總空間為 64KB。每個(gè)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的可尋址范圍高達(dá) 64KB。它沒有采用程序存儲(chǔ)器分區(qū)的方法，64KB 的地址空間是統(tǒng)一的。EA 引腳接低電平時(shí)，單片機(jī)就從外部程序存儲(chǔ)器中取指。對(duì)于AT89S52，EA 引腳接高電平時(shí)，程序直接從單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中的 0000H 到 1FFFH 單元執(zhí)行，2000H 到 FFFFH 單元到外部存儲(chǔ)器中執(zhí)行。程序存儲(chǔ)器中有幾個(gè)單元專門用來存放特定的程序。 圖圖 4.44.4 存儲(chǔ)存儲(chǔ)器中斷入口配置器中斷入口配置這幾個(gè)單元的配

47、置情況如圖 4.3 所示。由圖 4.4 可知，0000H0002H 單元用于初始化程序。單片機(jī)復(fù)位后，CPU 總是從0000H 單元開始執(zhí)行程序。另外，每個(gè)中斷在程序存儲(chǔ)器中都分配有一個(gè)固定的入18口地址。中斷響應(yīng)后，CPU 便跳到該單元，在這里開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。例如，外部中斷 0 的入口地址被放在 0003H 單元，如果使用外部中斷 0，則它的中斷服務(wù)子程序必須從 0003H 單元開始。如果中斷沒有使用，那么它的服務(wù)單元也可作一般用途的程序存儲(chǔ)器用。每個(gè)中斷入口地址的間隔為 8 個(gè)單元；外部中斷 0 的入口地址為 0003H；定時(shí)器 0 的入口地址為 000BH；外部中斷 1 的入口地

48、址為 0013H；定時(shí)器 1 的入口地址為001BH；以此類推。如果一個(gè)中斷服務(wù)子程序足夠短的話，則可全部存放在這 8 個(gè)單元中。對(duì)較長的服務(wù)子程序，則可利用一條跳轉(zhuǎn)指令跳過后續(xù)的中斷入口地址。程序存儲(chǔ)器最低端的地址可以在片內(nèi) Flash 中，或在外部存儲(chǔ)器中。將外部存?。‥A）引腳接 Vcc 或接地，就可進(jìn)行這種選擇。例如，在帶有 4KB 片內(nèi) Flash 的AT89C51 中，如果把 EA 引腳連到 Vcc，當(dāng)?shù)刂窞?0000H0FFFH 時(shí)，則訪問內(nèi)部Flash；當(dāng)?shù)刂窞?1000HFFFFH 時(shí)，則訪問外部程序存儲(chǔ)器。在 AT89C52（8KB Flash）中，當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)

49、，如果地址不超過 1FFFH，則訪問內(nèi)部 Flash；地址超過 1FFFH（即為 2000HFFFFH）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序存儲(chǔ)器。如果 EA 端接地，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部 Flash 存儲(chǔ)器。外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) PSEN 用于讀取所以的外部程序；讀取內(nèi)部程序時(shí)，不產(chǎn)生 PSEN 信號(hào)。注意，在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，16 條 I/O 線（P0 和 P2）作為總線使用。P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。它先輸出 16 位地址的低 8 位 PCL，然后進(jìn)入懸浮狀態(tài)，等待程序存儲(chǔ)器送出的指令字節(jié)。當(dāng)有效地址 PCL 出現(xiàn)在 P0 總線上時(shí)，ALE（允許地址鎖存）把這個(gè)地址鎖存

50、到地址鎖存器中。同時(shí)，P2 端口輸出地址的高 8 外 PCH。然后 PSEN 選通外部程序存儲(chǔ)器，使指令送到 P0 總線上，由 CPU 取入。即使所用的程序存儲(chǔ)器的實(shí)際空間可能小于 64KB，程序存儲(chǔ)器的地址總是為 16 位的。在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，要用到兩個(gè) 8 位端口P0 和 P2 來產(chǎn)生程序存儲(chǔ)器的地址。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上邏輯上都分為兩個(gè)地址空間：一個(gè)為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間；一個(gè)為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。訪問外部 RAM 期間，CPU 根據(jù)需要發(fā)送 RD 和 WR 信號(hào)。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間可達(dá) 64KB。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址可以是 8 位或 16 位的。使用 8 位地址

51、時(shí)，19要連同另外一條或幾條 I/O 線作為 RAM 的頁地址，這時(shí) P2 的部分引線可作為為通用的 I/O 線。若采用 16 位地址，則由 P2 端口傳送高 8 位地址。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址是 8 位的，也就是說其地址空間只有 256 字節(jié)，但內(nèi)部RAM 的尋址方式實(shí)際上可提供 384 字節(jié)。高于 7FH 的直接地址訪問同一個(gè)存儲(chǔ)空間，高于 7FH 的間接地址訪問另一個(gè)存儲(chǔ)空間。這樣，雖然高 128 字節(jié)區(qū)與專用寄存器，即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)的地址是重合的（80HFFH），但實(shí)際上它們是分開的。究竟訪問哪一區(qū)，是通過不同的尋址方式加以區(qū)分的。訪問高 128 字節(jié)區(qū)時(shí)，采用間接尋址方式；

52、訪問 SFR 區(qū)時(shí)，采用直接尋址方式；訪問低 128 字節(jié)區(qū)時(shí)，兩種尋址方式都可采用。4.24.2 AT89S52AT89S52 單片機(jī)的中斷系統(tǒng)單片機(jī)的中斷系統(tǒng)單片機(jī)與外部設(shè)備交換信息可以采用兩種方式，即查詢方式和中斷方式。由于中斷方式具有 CPU 效率高、適合于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，因而更為常用。中斷系統(tǒng)也就是中斷管理系統(tǒng)。所謂“中斷” ，即 CPU 暫時(shí)終止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。常見的中斷類型有種：（1）屏蔽中斷，也稱直接中斷。它是通過指令使中斷系統(tǒng)與外界隔開，使外界發(fā)來的中斷請(qǐng)求不起作用，不引起中斷。這是常見的一種中斷方式。（2）非評(píng)比中斷。它是計(jì)算機(jī)一定要處理的中

53、斷方式，不能用軟件來加以屏蔽。這種中斷方式一般用于掉點(diǎn)等緊急情況。（3）軟件中斷。它是一種用指令系統(tǒng)中專門的中斷指令來實(shí)現(xiàn)的一種中斷，一般用語程序中斷點(diǎn)的設(shè)置，以便于程序的調(diào)試4.2.14.2.1 中斷申請(qǐng)與控制中斷申請(qǐng)與控制89S52 單片機(jī)的中斷系統(tǒng)從面向用戶的角度來看，就是若干個(gè)功能寄存器：(1)定時(shí)器控制寄存器 TCON；(2)中斷允許寄存器 IE；(3)中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP；(4)串行口控制寄存器 SCON。其中 TCON 和 SCON 只有一部分位是用于中斷控制。通過對(duì)以上各特殊功能寄存20器中相應(yīng)位的置 1 或清 0，可實(shí)現(xiàn)各種中斷控制功能。89S52 單片機(jī)是個(gè)多中斷源的系統(tǒng)

54、，有 6 個(gè)中斷源，即兩個(gè)外部中斷、三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行口中斷。對(duì)于 51 單片機(jī)來說，它還多一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T2 中斷。兩個(gè)外部中斷源分別從（P3.2）和（P3.3）引腳輸入。外部中斷0_INT1_INT請(qǐng)求信號(hào)可以有兩種方式，即電平輸入方式和負(fù)邊沿輸入方式。若是電平輸入方式，則在或引腳上檢測(cè)到低電平即為有效的中斷申請(qǐng)。若是邊沿輸入方式，0_INT1_INT則需要在或引腳上檢測(cè)到從 1 到 0 的負(fù)脈沖跳變，才屬于有效申請(qǐng)。0_INT1_INT三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷是當(dāng) T0 或 T1 或 T2 溢出（有全 1 進(jìn)入全 0）時(shí)發(fā)出中斷申請(qǐng)，屬于一種內(nèi)部中斷。串行口中斷也屬于內(nèi)

55、部中斷，它是在串行口每接收或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)后自動(dòng)發(fā)出的中斷申請(qǐng)。CPU 在檢測(cè)到中斷申請(qǐng)后，使某些相應(yīng)的標(biāo)志位置 1，CPU 在下一個(gè)機(jī)器周期檢測(cè)這些標(biāo)志以決定是否要響應(yīng)中斷。這些標(biāo)志位分別對(duì)應(yīng)與特殊功能寄存器 TCON和 SCON 的相應(yīng)位。4.2.24.2.2 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)若有某個(gè)中斷源請(qǐng)求中斷，同時(shí)特殊功能寄存器 IE 中響應(yīng)控制位處于置 1 狀態(tài)，則 CPU 就可以響應(yīng)中斷。89S52 單片機(jī)有 6 個(gè)中斷源，但只有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，因此必然會(huì)有若干個(gè)中斷源于同樣的中斷優(yōu)先級(jí)。當(dāng)兩個(gè)同樣級(jí)別的中斷申請(qǐng)同時(shí)到來時(shí)，CPU 應(yīng)該如何響應(yīng)呢？在這種情況下，89S52 單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)

56、固定的查詢順序。當(dāng)出現(xiàn)同級(jí)中斷申請(qǐng)時(shí)，就按這個(gè)順序來處理中斷響應(yīng)。89S52 單片機(jī)的 6個(gè)中斷源及其優(yōu)先級(jí)順序如表 4.3 所列。21表表 4 4。3 3 單片機(jī)中斷源單片機(jī)中斷源4.34.3 AT89S52AT89S52 單片機(jī)的定時(shí)單片機(jī)的定時(shí)/ /計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)定時(shí)/計(jì)數(shù)器是單片機(jī)系統(tǒng)一個(gè)重要的部件，其工作方式靈活、編程簡單、使用方便，可用來實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制、延時(shí)、頻率測(cè)量、脈寬測(cè)量、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)檢測(cè)等。此外，定時(shí)/計(jì)數(shù)器還可作為串行通信中波特率發(fā)生器。(1) 89S52 單片機(jī)內(nèi)部有三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0，T1 和 T2，其核心是計(jì)數(shù)器，基本功能是加 1。(2)對(duì)外部事件脈沖（下降沿）計(jì)數(shù)，

57、是計(jì)數(shù)器；對(duì)片內(nèi)機(jī)周脈沖計(jì)數(shù)，是定時(shí)器。(3) 計(jì)數(shù)器由二個(gè) 8 位計(jì)數(shù)器組成。(4) 定時(shí)時(shí)間和計(jì)數(shù)值可以編程設(shè)定，其方法是在計(jì)數(shù)器內(nèi)設(shè)置一個(gè)初值，然后加1 計(jì)滿后溢出。調(diào)整計(jì)數(shù)器初值，可調(diào)整從初值到計(jì)滿溢出的數(shù)值，即調(diào)整了定時(shí)時(shí)間和計(jì)數(shù)值。(5) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器時(shí)，外部事件脈沖必須從規(guī)定的引腳輸入。且外部脈沖的最高頻率不能超過時(shí)鐘頻率的 1/24。中斷源入口地址優(yōu)先級(jí)順序說明外部中斷 00003H最高來自 P3.2 引腳（INT0）的外部中斷請(qǐng)求定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0000BH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T0 溢出中斷請(qǐng)求外部中斷 10013H來自 P3.3 引腳（INT1）的外部中斷請(qǐng)求定時(shí)器/

58、計(jì)數(shù)器 1001BH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T1 溢出中斷請(qǐng)求串行口0023H串行口完成一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收中斷定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 002BH 最低定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T2 溢出中斷請(qǐng)求224.44.4 本章小結(jié)本章小結(jié)通過多控制核心器件 AT89S52 單片機(jī)的引腳功能，它的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，各種中斷源以及定時(shí)/計(jì)數(shù)的了解學(xué)習(xí)，使我們對(duì)控制核心器件 AT89S52 單片機(jī)有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)，以便可以很好的利用單片機(jī)的各個(gè)接口設(shè)計(jì)硬件電路，合理利用單片機(jī)的中斷和定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，而且為以后的軟件設(shè)計(jì)業(yè)奠定了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。235.5.硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)5.15.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖根據(jù)前面我們了解和學(xué)

59、習(xí)到的本設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，我們就可以對(duì)系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)原理框圖，然后按著系統(tǒng)的原理框圖對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)原理框圖如圖 5.1所示，是一個(gè)帶按鍵輸入和顯示的閉環(huán)測(cè)量控制系統(tǒng)。主體思想是通過系統(tǒng)設(shè)定信息和測(cè)量反饋信息計(jì)算出輸出控制信息。圖圖 5.15.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖5.25.2 各模塊電路各模塊電路5.2.15.2.1 電源模塊電源模塊由于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作需要提供一個(gè) 12V 的電壓，而是單片機(jī)工作只需提供5V 的電壓，因此為了使電路簡單只用一個(gè)供電源，需要設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電路把 12V的電壓轉(zhuǎn)換成 5V 的電壓給單片機(jī)工作。穩(wěn)壓電路如圖 5.2 所示。24圖圖 5.25.2 穩(wěn)壓電路穩(wěn)

60、壓電路 5.2.25.2.2 電機(jī)速度檢測(cè)模塊電機(jī)速度檢測(cè)模塊速度的檢查模塊電路圖，如下圖 5.3 所示。 圖圖 5.35.3 電機(jī)測(cè)速模塊電機(jī)測(cè)速模塊此電路為簡單的紅外光電傳感器，即一個(gè)光電開關(guān)，它具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快以及剛干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它由一對(duì)紅外發(fā)射管及接收管組成，紅外發(fā)射管及接收管分別固定在電機(jī)葉片的兩側(cè)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片因?yàn)榭梢該豕舛辜t外接收管在葉片旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，脈沖個(gè)數(shù)取決于葉片的數(shù)量。該脈沖信號(hào)（也可以先將它整形）被送入單片機(jī) p3.2 口（即外部中斷 0）進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理。5.2.35.2.3 按鍵模塊按鍵模塊此電路采用獨(dú)立按鍵電路，如