基于單片機(jī)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

基于DSP的多伺服電機(jī)同步驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-5"\h\zmw1\o"CurrentDocument"第一章緒論2\o"CurrentDocument"1.1課題研究的目的和意義2\o"CurrentDocument"1.2國內(nèi)現(xiàn)狀與開展趨勢2\o"CurrentDocument"1.3伺服電機(jī)開展歷史3\o"CurrentDocument"2.2伺服電機(jī)工作理4\o"CurrentDocument"第二章伺服電機(jī)控制硬件設(shè)計(jì)5\o"CurrentDocument"2.1AT89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)5\o"CurrentDocument"2.2鐘電路設(shè)計(jì)8\o"CurrentDocument"2.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)8\o"CurrentDocument"2.4顯示電路設(shè)計(jì)8\o"CurrentDocument"5按鍵電路設(shè)計(jì)11\o"CurrentDocument"2.6控制伺服電機(jī)電路設(shè)計(jì)12\o"CurrentDocument"第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)14\o"CurrentDocument"1總體設(shè)計(jì)思想14\o"CurrentDocument"3.2主程序設(shè)計(jì)15\o"CurrentDocument"程序清單16\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)18半個(gè)世紀(jì)來，直流伺服控制系統(tǒng)己經(jīng)在精密數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著伺服電動機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開展，使得伺服控制系統(tǒng)朝著控制電路數(shù)字化和功率器件的模塊化的方向發(fā)展。本文介紹了微機(jī)直流伺服系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案。硬件設(shè)計(jì)主要包括：總體方案設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)和測量電路設(shè)計(jì)。軟件編制采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，主要包括主程序設(shè)計(jì)及數(shù)字控制算法程序的設(shè)計(jì)。通過系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的根本要求，系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行。關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)單片機(jī)Forahalfofcentury,theDCservocontrolsystemhasbeenwidelyusedintheNCmachinetool,machiningcenter,androbot.,etc.Withthetechnicaldevelopmentofservomotor,electronicespowerandcomputercontrol,theservocontrolsystemismakingtowardsdigitizedandmodulardesign.Thispaperintroducesthehardware,softwaredesignplanofDCservocontrolsystemonmicrocomputer.Thehardwaredesignedincludesmainly:thetotalprojectdesign,single-chipcomputerapplicationsystemdesign,drivecircuitdesignandmeasurecircuitdesign.Thesoftwareadotsmodulardesign,includesprimarilythemainproceduredesignandincreasesthedesignofthedealtypearithmeticfigurePIDcalculationwayprocedure.Throughtheintegraldesignofthesystem,thecompletionofthebasicrequirementsofthesystem,thesystemcanstableoperationKeywords:servosystemmicrocontroller第一章緒論1.1課題研究的目的和意義近年來隨著物流倉儲設(shè)備的快速開展，有很多物流倉儲設(shè)備都選用多功能工業(yè)門機(jī)作為大宗貨物進(jìn)出倉庫的閥門。工業(yè)門機(jī)具有快速、全自動、平安、可靠、多功能等多種優(yōu)點(diǎn)，可以高效便捷的使貨物進(jìn)出倉庫，保證倉庫內(nèi)的環(huán)境清潔和平安，成為先進(jìn)物流倉儲設(shè)備的重要組成局部。伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)是80年代國際上崛起的高性能產(chǎn)品，具有良好的控制性能和較高的動態(tài)品質(zhì)，并以調(diào)速范圍廣、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)性能好、使用簡便等優(yōu)越性能，迅速成為伺服系統(tǒng)開展的必然趨勢.因此研究具有必要性。伺服系統(tǒng)也稱為隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)的一種，它是用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角或位移，使其能自動的、連續(xù)的、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律，它通常具有負(fù)反應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場合也可以用開環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其功能，伺服系統(tǒng)在電機(jī)設(shè)備中具有很重要的地位,高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動。位置伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門，例如機(jī)床加工行業(yè)、冶金加工、機(jī)器人或機(jī)械手的控制、火炮群跟蹤雷達(dá)和陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等，都涉及到了位置定位和軌跡跟蹤，因此位置伺服技術(shù)的上下，將直接影響我們國家的工業(yè)技術(shù)的開展水平。位置伺服系統(tǒng)是通過控制器來實(shí)現(xiàn)自動控制理論的各種控制算法，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)電力電子功率變換裝置實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，來到達(dá)位置伺服的目的。其中控制器可以說是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。有些伺服系統(tǒng)的控制器主要由模擬控制器來實(shí)現(xiàn)的，但對于那些較復(fù)雜控制算法，單靠硬件電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制相比照擬困難。隨著微電子技術(shù)的迅猛開展，研發(fā)出各種高性能數(shù)字信號處理器，其運(yùn)算能力強(qiáng)而且具有豐富的外部接口。將數(shù)字信號處理器應(yīng)用在位置伺服系統(tǒng)，構(gòu)成數(shù)字位置伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)就可以通過軟件編程的方式完成各種簡單或復(fù)雜的傳動控制算法，通過外部接口實(shí)現(xiàn)與電力電子功率變換裝置的連接，最終實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，這樣既可以提高系統(tǒng)的靈活性的也可以減小系統(tǒng)的體積。1.2國內(nèi)現(xiàn)狀與開展趨勢我國在20世紀(jì)80年代初期通過引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，又在國家“七五〞、“八五〞、“九五〞期間對伺服驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行重大科技工程攻關(guān)取得了很大成果。但由于產(chǎn)品可靠性等方面的原因，制約著我國數(shù)控機(jī)床的配套及應(yīng)用，從而影響我國裝備制造業(yè)的開展。一些機(jī)床廠家也不得不選用國外的伺服系統(tǒng)，使得國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在價(jià)格、交貨期、可靠性等方面均不占優(yōu)勢，更無心力開發(fā)市場需求的新品種，從而失去巨大的市場份額。從公開的統(tǒng)計(jì)資料來看，CNC系統(tǒng)中75%以上的故障出自伺服局部。然而，近年來在國家不斷組織科技攻關(guān)的同時(shí),一些民營高科技公司也為開展我國伺服驅(qū)動技術(shù)注入了新的活力。1.3伺服電機(jī)開展歷史自從德國MANNESMANN的RexrothR公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)，這標(biāo)志著此種新一代交流伺服技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個(gè)伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在缺乏，尚不能完全滿足運(yùn)動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器〔DSP)的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制局部可完全由軟件進(jìn)行，分別稱為鏘朧只瘆或摶旌鮮絡(luò)、撊只瘆的永磁交流伺服系統(tǒng)。到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機(jī)，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。日本安川電機(jī)制作所推出的小型交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動器，其中D系列適用于數(shù)控機(jī)床〔最高轉(zhuǎn)速為1000r/min,力矩為0.25?2.8N.m),R系列適用于機(jī)器人〔最高轉(zhuǎn)速為3000r/min,力矩為0.016?0.16N.m)。之后又推出M、F、S、H、C、G六個(gè)系列。20世紀(jì)90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅(qū)動、8051單片機(jī)控制改為正弦波驅(qū)動、80C、154QPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24%降低到7%,并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時(shí)間形成了八個(gè)系列〔功率范圍為0.05?6kW)較完整的體系，滿足了工作機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)械人、裝配機(jī)器人、電子部件、加工機(jī)械、印刷機(jī)、高速卷繞機(jī)、繞線機(jī)等的不同需要。以生產(chǎn)機(jī)床數(shù)控裝置而著名的日本法那克〔Fanuc)公司，在20世紀(jì)80年代中期也推出了S系列〔13個(gè)規(guī)格〕和L系列〔5個(gè)規(guī)格〕的永磁交流伺服電動機(jī)。L系列有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)械時(shí)間常數(shù)，適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。德國西門子〔Siemens)公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機(jī)分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類，共8個(gè)機(jī)座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機(jī)與相同輸出力矩的直流伺服電動機(jī)IHU系列相比，重量只有后者的1/2,配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列，最多的可供6個(gè)軸的電動機(jī)控制。美國A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機(jī)和1391型交流PWM伺服控制器。電動機(jī)包括3個(gè)機(jī)座號共30個(gè)規(guī)格?，F(xiàn)在常采用〔Powerrate)這一綜合指標(biāo)作為伺服電動機(jī)的品質(zhì)因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能。功率變化率表示電動機(jī)連續(xù)〔額定〕力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。按功率變化率進(jìn)行計(jì)算分析可知，永磁交流伺服電動機(jī)技術(shù)指標(biāo)以美國I.D的Goldline系列為最正確，德國Siemens的IFT5系列次之。2.2伺服電機(jī)工作理伺服系統(tǒng)〔servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)〔或給定值〕的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈脈沖來定位，根本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了照應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以到達(dá)0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)本錢低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便(換碳刷〕，產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對本錢敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反應(yīng)信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反應(yīng)值與目標(biāo)值進(jìn)行比擬，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度〔線數(shù)〕。交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比擬簡單，廉價(jià)。第二章伺服電機(jī)控制硬件設(shè)計(jì)2.18951單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域，最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。在此設(shè)計(jì)方案中我們選擇AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器〔CPU)和Flash存儲單元,功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域以下功能部件組成：微處理器〔CPU)數(shù)據(jù)存儲器〔RAM)程序存儲器〔ROM/EPROM)4個(gè)8位并行I/O〔P0P1P2P31個(gè)串行口2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)特殊功能存放器圖3-1AT89C51引腳圖XTAL1X1AL2顧魁1圖3-2MCS-51XTAL1X1AL2顧魁1源引腳：電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。L(4〇弓購〕：接+5V電源。^(2〇引腳〕：接地。時(shí)鐘引腳：2個(gè)時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了1個(gè)振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號，2個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。I/O口引腳：P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須接上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1〞時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1〞后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL)這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示:口線引腳第二功能P3.010RXD(串行輸入口〕P3.111TXD(串行輸出口〕P3.212INTO(外部中斷0)P3.313INT1(外部中斷1)P3.414T0(定時(shí)器0外部輸入〕P3.515T1(定時(shí)器1外部輸入〕P3.616WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖〕P3.717RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖〕表3-1P3口第二功能功能表P3口還接受一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG非：當(dāng)訪問外部程序存儲器時(shí)，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG非〕。如有必要，可通過對特殊功能存放器〔SFR)區(qū)中的8EH單元的DO位置位，可禁止ALE操作，該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令〔或數(shù)據(jù)〕時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN非有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN非信號不出現(xiàn)。石/?：夕卜部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器〔地址為0000H——FFFFH),EA端必須得保持低電平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LBI被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平〔接Vcc端〕，CPU那么執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1:振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2??振蕩器反相放大器的輸出端。2.2鐘電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，電容中C；和C2典型值通常選擇為30pF左右，晶振的振蕩頻率的范圍通常在1.2?12MHz之間。晶振的頻率越高，貝I係統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。因此我選擇12MHz。圖3-3時(shí)鐘電路2.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)AT89s52的復(fù)位是由外部的電路來實(shí)現(xiàn)的，在此我選擇自動上電復(fù)位電路。自動上電復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電源接通時(shí)，只要L的上升時(shí)間不超過lms,就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位圖3~4復(fù)位電路2.4顯示電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，要用相應(yīng)的顯示器，常用的有LED和LCD兩種，這兩種顯示器本錢低廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便。近年來也開始配置簡易的CRT接口，可以方便的進(jìn)行圖形顯示。在本系統(tǒng)中，采用價(jià)格低廉，接口電路靈活的LED顯示器，下面先介紹一下LED顯示器。LED是發(fā)光二極管英文的縮寫。LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，LED顯示器在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。LED顯示器有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種顯示方式。LED靜態(tài)顯示方式LED顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，各位的共陰極或共陽極連接在一起并接地；每位的段碼線分別與1個(gè)8位的鎖存器輸出相連。之所以稱為靜態(tài)顯示，是因?yàn)楦鱾€(gè)LED的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直接送入另一個(gè)字符的段碼為止。正因?yàn)槿绱耍o態(tài)顯示器的亮度都較高。LED動態(tài)顯示方式在多位LED顯示時(shí)，為簡化硬件電路，通常將所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由1個(gè)8位I/O口控制，形成段碼線的多路復(fù)用，而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的I/O線控制，形成各位的分時(shí)選通。假設(shè)要各位LED能夠同時(shí)顯示出于本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動態(tài)顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符的段碼。這樣，在同一時(shí)刻，4位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其他3位那么是熄滅的。同樣，在下一時(shí)刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，那么同時(shí)刻，只有選通位顯示出相應(yīng)的字符，而其他各位那么是熄滅的。根據(jù)設(shè)計(jì)要，我們需要設(shè)計(jì)顯示電路，顯示出電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)速度以及其他的顯示數(shù)據(jù)，由于顯示功能較少，我選擇數(shù)碼管顯示電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。在顯示電路中，選6個(gè)共陽極的LED作為顯示器，A-G連單片機(jī)的P1口，共陽極1-6連P1口的低四位。P0A3口作為段控制，P0A4口作為位控制，以段選控制數(shù)字以及小數(shù)點(diǎn)的顯示，通過位選和段選來控制整個(gè)動態(tài)掃描電路的顯示過程。為了增強(qiáng)電流，點(diǎn)亮數(shù)碼管，還要加上兩個(gè)驅(qū)動鎖存器74LS373,即段驅(qū)動和位驅(qū)動。單片機(jī)系統(tǒng)中常用的地址鎖存器芯片74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳圖與結(jié)構(gòu)原理圖如下：<74LS373引腳圖結(jié)構(gòu)圖>Vex〇7〇7〇6〇6〇5〇5〇4〇4LEf?〇Iflill18HinnihI1ll^2)l11IOE0〇D〇Di〇i〇2〇2D3〇3GND圖3-574LS373引腳圖結(jié)構(gòu)圖74LS的輸出端QO?Q7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，Q0?Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，Q0?Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，D被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。引出端符號：DO?D7數(shù)據(jù)輸入端OE三態(tài)允許控制端〔低電平有效〕LE鎖存允許端Q0?Q7輸出端DnLEOEQnHHLHLHLLXLLQOXXH高阻態(tài)圖3-6顯示電路結(jié)構(gòu)2.5按鍵電路設(shè)計(jì)1、 鍵盤輸入的特點(diǎn)鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開關(guān)的集合。通常，鍵盤開關(guān)利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用個(gè)電壓信號通過鍵盤開關(guān)機(jī)械出點(diǎn)的斷開、閉合輸出波形。2、 按鍵確實(shí)認(rèn)鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或低電平，如果高電平表示鍵斷開，低電平那么表示鍵閉合，通過對行線電平上下狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。為了確保CPU對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵有效，必須消除抖動期的影響。3、 消除按鍵的抖動采用軟件延時(shí)來消除按鍵抖動的根本思想是：在第一次檢測到有按鍵按下時(shí)，該鍵所對應(yīng)的行線為低電平，執(zhí)行一段延時(shí)l〇ms的子程序后，確認(rèn)該行線電平是否仍為低電平，如果仍為低電平，那么確認(rèn)為該行確實(shí)有按鍵按下。當(dāng)按鍵松開時(shí)，行線的低電平變?yōu)楦唠娖?，?zhí)行一段延時(shí)l〇ms的子程序后，檢測到該行線為高電平，說明按鍵確實(shí)已經(jīng)松開。采取以上措施，躲開了兩個(gè)抖動期，從而消除了按鍵抖動的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，因此需要輸入設(shè)備，由于調(diào)節(jié)參數(shù)較少，可以使用符合按鍵，我選擇獨(dú)立按鍵，足以滿足系統(tǒng)要求。獨(dú)立式鍵盤就是各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根輸入線的電平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個(gè)按鍵被按下。在按鍵數(shù)目較多時(shí)，獨(dú)立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。所需按鍵功能有：停止鍵，電機(jī)正轉(zhuǎn)鍵，電機(jī)反轉(zhuǎn)鍵。2.6控制伺服電機(jī)電路設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)控制的直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)局部輸出的控制電壓一般是可連續(xù)變化的低電壓，且只能提供小電流；而電機(jī)必須得到可連續(xù)變化的高電壓及大電流，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)度大小和方向的控制。隨著大規(guī)模集成電路的飛速開展，以及微處理器在伺服系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，伺服元件發(fā)生了巨大變革，向著便于計(jì)算機(jī)控制的方向開展。位置、速度等測量元件趨于數(shù)字化、集成化，由此可構(gòu)成數(shù)字式的小型化、高可靠性運(yùn)行的PWM伺服系統(tǒng)。由于單片機(jī)屬于TTL電路(邏輯1和0的電平分別為2.4V和0.4V),其I/O口輸出的開關(guān)量控制信號電平無法直接驅(qū)動電機(jī)，所以在P2口控制升速信號輸出端需參加驅(qū)動電路或驅(qū)動器。在Proteus中用ULN2003驅(qū)動伺服電機(jī)。ULN2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN復(fù)合晶體管組圖3-7ULN2003ULN2023特點(diǎn)如下:ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封裝。ULN2003內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，適用于TTLCOMS，由達(dá)林頓管組成驅(qū)動電路。ULN是集成達(dá)林頓管1C，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動勢的二極管，它的輸出端允許通過電流為200mA,飽和壓降VCE約IV左右，耐壓BVCEO約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為適宜，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003是一個(gè)非門電路，包含7個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動電流最大可達(dá)350mA,9腳可以懸空。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負(fù)載。輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)娃NPN達(dá)林頓管組成。該電路的特點(diǎn)如下:ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。WdwMbS5d明抽b|此riidadaaMbI沾UL.UL.UUUUWdwMbS5d明抽b|此riidadaaMbI沾UL.UL.UUUU浼D圖3-8仿真結(jié)構(gòu)閣第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)的工作過程高精度伺服系統(tǒng)采用位置調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電流三閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)組成，位置環(huán)檢測電機(jī)當(dāng)前所處的位置，轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用光電編碼器可以檢測并計(jì)算出電動機(jī)的當(dāng)前的速度計(jì)運(yùn)動方向以及電動機(jī)的當(dāng)前的位置，假設(shè)電動機(jī)的位置不在指定位置，并且在轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)未知的目的；假設(shè)電動機(jī)的位置不在指定位置，并且已經(jīng)超出了轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)范圍，位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電動機(jī)的運(yùn)動方向，到達(dá)調(diào)節(jié)電動機(jī)的位置。程序設(shè)計(jì)方法選擇通常應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的方法有：模塊化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)，簡單地說就是程序的編寫不是開始就逐條錄入計(jì)算機(jī)語句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個(gè)框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系。逐步求精的結(jié)果是得到一系列以功能塊為單位的算法描述。以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其求解算法的方法稱為模塊化。模塊化的目的是為了降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化。結(jié)構(gòu)化分析方法(StructuredMethod,結(jié)構(gòu)化方法)是強(qiáng)調(diào)開發(fā)方法的結(jié)構(gòu)合理性以及所開發(fā)軟件的結(jié)構(gòu)合理性的軟件開發(fā)方法。結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)組成要素之間的相互聯(lián)系、相互作用的框架。結(jié)構(gòu)化開發(fā)方法提出了一組提高軟件結(jié)構(gòu)合理性的準(zhǔn)那么，如分解與抽象、模塊獨(dú)立性、信息隱蔽等。針對軟件生存周期各個(gè)不同的階段，它有結(jié)構(gòu)化分析(SA)、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)(SD)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)(SP)等方法。根據(jù)系統(tǒng)的工作過程，本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括：主程序模塊、數(shù)據(jù)采集及處理子程序模塊、控制算法子程序模塊以及鍵盤顯示程序模塊。程序設(shè)計(jì)語言的選擇常用的編程語言有：機(jī)器語言、匯編語言和高級語言。機(jī)器語言是一組有意義的二進(jìn)制代碼，指令的根本格式如：操作碼字段地址碼字段其中操作碼指明了指令的操作性質(zhì)及功能，地址碼那么給出了操作數(shù)或操作數(shù)的地址。匯編語言是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語言，也是利用計(jì)算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。匯編語言，作為一門語言，對應(yīng)高級語言的編譯器，需要一個(gè)“匯編器〞來把匯編語言源文件會變成機(jī)器語言課執(zhí)行的代碼。高級的匯編器如MASM,TASM等等為我們寫匯編程序提供了很多類似于高級語言的特征，比方結(jié)構(gòu)化、抽象等。在這樣的環(huán)境中編寫的匯編程序，有很大一局部是面向匯編器的偽指令，已經(jīng)類同于高級語言?，F(xiàn)在的匯編環(huán)境己經(jīng)如此高級，即使全部用匯編語言來編寫windows的應(yīng)用程序也是可行的，但這不是匯編語言的長處。匯編語言的長處在于編寫高效且需要對機(jī)器硬件精確控制的程序。由于匯編語言依賴于硬件體系，且助記符量大難記，于是人