基于虛擬儀器的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于虛擬儀器的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)測量與控制技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,其中最具代表性的是圖形化編程開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，它是一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用的開發(fā)工具.本系統(tǒng)的核心控制部件分別是系統(tǒng)上位機(jī)LabVIEW開發(fā)平臺(tái)和下位機(jī)AT89S52單片機(jī)，LabVIEW主要是執(zhí)行PID算法向單片機(jī)發(fā)送指令,并利用其便捷直觀的界面設(shè)計(jì)觀察轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化。下位機(jī)AT89S52單片機(jī)主要是根據(jù)上位機(jī)的指令產(chǎn)生不同占空比的PWM波來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并接收反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào),然后發(fā)送給上位機(jī)分析。這一基于LabVIEW的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的虛擬儀器界面，實(shí)現(xiàn)了其速度的在線實(shí)時(shí)控制，達(dá)到了較好的速度控制效果.關(guān)鍵字：LABVIEW；AT89S52；PID調(diào)節(jié)；PMW波；直流電機(jī);調(diào)速AbstractThevirtualinstrumenttechnologyisacomputermeasurementandcontroltechnology，thenewdirectionofthistechnologydevelopment.Thevirtualinstrumentisanimportantcomponentofthevirtualinstrumenttechnology。Themostrepresentativeisagraphicalprogrammingplatform,LabVIEW。Itisapowerfulandflexibleinstrumentationanddevelopmenttoolforthesoftwareanalysisandapplication。ThecoreofthesystemconsistsofthehostcomputerLabVIEWdevelopmentplatformandthelowercomputermicrocontrollerAT89S52。LabVIEWsendscommandsofPIDoperationtothemicrocontroller,anditissoconvenientandintuitivetoobservethespeedofreal—timechanges。MicrocontrollerAT89S52producesandtranmitsPWMwavesindifferentdutyratiobasedontheinstructionsofthehostcomputertocontrolthemotorrotationandreceivefeedbackmotorspeedsignal，andthensenttothehostcomputer。TheDCmotorspeedcontrolsystembasedonLabVIEWhavedesignedavirtualinstrumentinterfaceforinspectingthespeedofthereal—time，andreceivedgoodresults。目錄基于虛擬儀器的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1摘要 21緒論 41.1課題背景 41.2本課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 42系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 52.2系統(tǒng)部分模塊設(shè)計(jì)方案 62.2.1上位機(jī)功能的實(shí)現(xiàn) 62.2.2下位機(jī)功能的實(shí)現(xiàn) 73虛擬儀器和LabVIEW介紹 73.1虛擬儀器的概念 73.2LabVIEW概述 83.2.1編程語言的介紹 83.2.2LabVIEW編程基礎(chǔ) 94系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 124.1單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 124.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 124.1.2單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 134.2驅(qū)動(dòng)電路 144.3轉(zhuǎn)速檢測電路 174.4串口通信電路 184.5電源電路 205系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 215.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 225.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 225.2.1程序流程設(shè)計(jì) 235.2.2主函數(shù)設(shè)計(jì) 235.2.3延時(shí)子函數(shù) 245.2.4串口中斷子函數(shù) 255.2.5外部中斷子函數(shù) 255.2.6定時(shí)器T0中斷子函數(shù) 255.2.7電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)子函數(shù) 261緒論1。1課題背景虛擬儀器是20世紀(jì)80年代興起的一項(xiàng)新技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物.隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,新的測試?yán)碚?、測試方法、測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面打破了傳統(tǒng)儀器的概念，在這樣的背景下，1986年美國國家儀器公司(NationalInstruments，NI）提出了虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）的概念。經(jīng)過20多年的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，虛擬儀器逐步改變了全世界工程師和科學(xué)家們對于測量和自動(dòng)化的理解和看法，已成為21世紀(jì)測試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。近些年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件。最早和最具影響的開發(fā)軟件，是NI公司的LabVIEW軟件和LabWindows/CVI開發(fā)軟件.LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境,它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的_blank"數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件,利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣，使用LabVIEW編程時(shí)，基本上不寫程序代碼,取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念,因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力,提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑.使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。直流電機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)，雖然應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛，但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能，因此廣泛應(yīng)用于啟動(dòng)和調(diào)速要求高的機(jī)械上，在工業(yè)領(lǐng)域中仍占有重要的應(yīng)用地位。因此,研究直流電機(jī)基于虛擬儀器的調(diào)速控制有著非常重要的意義。1。2本課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電機(jī)控制是一個(gè)既成熟又發(fā)展迅速的課題，也一直是國內(nèi)外很多公司。大學(xué)研究開發(fā)的熱點(diǎn).目前，國內(nèi)外電機(jī)控制有關(guān)方面的研究工作主要是圍繞電機(jī)控制理論、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、電機(jī)控制器。電力電子技術(shù)幾個(gè)方面展開。電機(jī)控制理論方面，隨著電機(jī)結(jié)構(gòu)、性能、工作原理的不斷發(fā)展以及控制理論的廣發(fā)發(fā)展應(yīng)用，應(yīng)用于電機(jī)控制方面的控制算法層出不窮。近年來研究的很熱門的有自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、魯棒控制理論等等.但是在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的還是PID控制算法。PID控制是一種成熟的經(jīng)典控制方法之一，PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、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，是實(shí)際工程應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的演練，PID控制已從原有的模擬PID控制發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字PID控制,使得PID控制具有很大的靈活性和很強(qiáng)的適用性。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面，由于計(jì)算機(jī)微電子技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的作用越來越大，不同類型的軟件開發(fā)平臺(tái)的誕生為工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了越來越多的可選擇和執(zhí)行方案,其中應(yīng)用較多的有MATLAB和LabVIEW。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)/soft/78/223/2008/200805053492.html"LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機(jī)電路的電源。5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案在前文已有敘述，即上位機(jī)PC和下位機(jī)AT89S52通過串口通信實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和發(fā)送，上位機(jī)通過自身的PID工具包來進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，下位機(jī)則完成PWM波輸出和計(jì)算實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的任務(wù).整體程序流程圖如下圖所示：5.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)5。2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)下位機(jī)用AT89S52作為主控制器，下位機(jī)編程部分工作采用KeiluVsion2單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件完成,采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過不同模塊子程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不用部分的功能，然后在主程序中調(diào)用各個(gè)子程序，模塊化編程將復(fù)雜的大任務(wù)分解為若干子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)完成一項(xiàng)簡單的功能，這樣便于組織，便于修改。單片機(jī)內(nèi)部資源的分配決定了子程序的功能,因此先來看一下單片機(jī)內(nèi)部資源的分配：串口通信模塊P3.0/RXDP3.1/TXD串口通信接口串口中斷占用內(nèi)部的定時(shí)器T1轉(zhuǎn)速測量模塊P3.3/INT1反饋脈沖接口外部中斷1計(jì)脈沖數(shù)內(nèi)部定時(shí)器T0定時(shí)PWM輸出模塊P0。7P0。0P0.1驅(qū)動(dòng)電路接口P0.7輸出PWM波控制驅(qū)動(dòng)電路的使能端P0.0和P0。1輸出高低電平控制電機(jī)轉(zhuǎn)向5.2。1程序流程設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中AT89S52單片機(jī)的任務(wù)就是與上位機(jī)的串口通信，發(fā)送PWM信號(hào)以及接收、計(jì)算反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)。因此，AT89S52的程序設(shè)計(jì)就是讓單片機(jī)通過接收不同的中斷指令,進(jìn)入不同的中斷子程序中執(zhí)行任務(wù)，其程序流程圖如下：5.2.2主函數(shù)設(shè)計(jì)主函數(shù)主要完成系統(tǒng)的初始化，然后調(diào)用其它子函數(shù)。如上表所示，本系統(tǒng)的中斷源有三個(gè)：串口中斷，定時(shí)器T0中斷，外部中斷1的中斷，因此主函數(shù)的初始化就是對串口的初始化，對定時(shí)器T0的初始化，對外部中斷1的初始化.首先，串口通信的初始化.本設(shè)計(jì)中串行口的工作于方式1，即10位一步通信方式,即一個(gè)起始位、8個(gè)有效數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位，波特率可以改變（由定時(shí)器T1的益處頻率決定,并可由SMOD加倍），本設(shè)計(jì)中將波特率設(shè)定為2400波特。串口通信時(shí)，定時(shí)器T1是波特率發(fā)生器，因此應(yīng)該工作在模式2,TL1作為技術(shù)用，TH1用于存放計(jì)數(shù)初值，當(dāng)TL1計(jì)滿溢出時(shí),TH1中的值將自動(dòng)重裝到TL1中，這樣避免了由于軟件裝載而引起的操作誤差。定時(shí)器T1的技術(shù)初值由下面的公式求的：,fOSC已知為12MHz，波特率設(shè)定為2400波特而SMOD的設(shè)定會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,我們設(shè)定SMOD=0，則定時(shí)器T1的初值為：將此值帶入波特率的公式，可得實(shí)際波特率：誤差在允許范圍之內(nèi)，因此選擇SMOD=0，而定時(shí)器T1的定時(shí)初值為F3H.定時(shí)器T0和外部中斷1共同來計(jì)算反饋的轉(zhuǎn)速值,在定時(shí)器T0所定時(shí)間之內(nèi)計(jì)數(shù)外部中斷接收到的脈沖數(shù)。本設(shè)計(jì)中定時(shí)器T0的定時(shí)時(shí)間設(shè)定為50ms,工作于模式1,即16位計(jì)數(shù)器,T0的計(jì)數(shù)初值為：所以，TH0=15536/256，TL0=15536%256。外部中斷1采用低電平觸發(fā)的方式。5。2.3延時(shí)子函數(shù)本設(shè)計(jì)中需要通過軟件延時(shí)來實(shí)現(xiàn)輸出PWM波的高低電平的比例控制。延時(shí)函數(shù)的語句執(zhí)行時(shí)間決定了延時(shí)程序的精確程度。本設(shè)計(jì)用while內(nèi)嵌套for循環(huán)來實(shí)現(xiàn)比較精確的時(shí)間計(jì)算。AT89S52屬于51系列單片機(jī)的一種，本設(shè)計(jì)中最小系統(tǒng)設(shè)定晶振頻率為12MHz，因此每個(gè)機(jī)器周期包含12個(gè)時(shí)鐘周期，即1us。一般一次for循環(huán)大概八個(gè)機(jī)器周期，所以每執(zhí)行125次fou循環(huán)為1ms.然后通過while條件判斷值的改變可以實(shí)現(xiàn)不用時(shí)長的延時(shí)。延遲子程序如下：voidDelay_MS(ms）{while(ms-—）｛for（i=0；i<125;i++）；}}5。2.4串口中斷子函數(shù)本設(shè)計(jì)中上位機(jī)和下位機(jī)通過串口通信來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，單片機(jī)在接收到上位機(jī)發(fā)送的調(diào)節(jié)命令后進(jìn)入中斷子函數(shù)，接收上位機(jī)的指令，然后返回給主函數(shù)接收到的PWM波的值。中斷子程序如下voidserial（)interrupt4｛if(RI）｛RI=0；Rece=SBUF；｝｝5。2.5外部中斷子函數(shù)本設(shè)計(jì)中由外部中斷1和定時(shí)器T0共同完成反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集和計(jì)算工作，其中外部中斷1主要是計(jì)接收到的脈沖數(shù)，進(jìn)一次中斷，脈沖數(shù)加一。其子函數(shù)如下voidint1()interrupt0｛Pulse+=1;｝5.2.6定時(shí)器T0中斷子函數(shù)本設(shè)計(jì)中定時(shí)器T0不僅承擔(dān)著定時(shí)、計(jì)算實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的任