《機(jī)電傳動(dòng)控制》模塊化實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

摘要在機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)控制算法和手段有很多，最早開發(fā)的模擬PID控制早已形成了典型的結(jié)構(gòu)。但是它的參數(shù)一旦設(shè)定，系統(tǒng)在運(yùn)行過程當(dāng)中無法改變，但實(shí)際上，一般系統(tǒng)由于參數(shù)、溫度等的變化，難以獲得理想的控制效果。伴隨電子計(jì)算機(jī)的崛起，出現(xiàn)了許多智能控制，數(shù)字PID技術(shù)也迅速發(fā)展起來，其不僅滿足了模擬PID的控制任務(wù)，還具有靈活的控制算法和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的各功能單元獨(dú)立模塊化，主要以數(shù)字PID為核心控制算法、51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，產(chǎn)生受數(shù)字PID控制的占空比的PWM脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速或者位移的控制，組成一個(gè)位移隨動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，利用霍爾器件將電機(jī)的當(dāng)前速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制并達(dá)到轉(zhuǎn)速檢測(cè)目的。系統(tǒng)中還采用了LCD1602作為顯示器件，通過獨(dú)立按鍵來實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速控制，以及P、I、D參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)在啟動(dòng)后可以通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)。關(guān)鍵詞：模塊化；PID；控制；機(jī)電傳動(dòng)

AbstractIn

the

electromechanical

drive

control

system,

there

are

many

motor

control

algorithms

and

means,

the

earliest

developed

simulation

PID

control

has

already

formed

a

typical

structure.

However,

once

its

parameters

are

set,

the

system

cannot

be

changed

in

the

process

of

operation.

However,

in

fact,

it

is

difficult

to

obtain

the

ideal

control

effect

for

the

general

system

due

to

the

changes

of

parameters

and

temperature.

With

the

rise

of

electronic

computers,

there

are

many

intelligent

control,

digital

PID

technology

has

also

developed

rapidly,

which

not

only

meets

the

simulation

PID

control

task,

but

also

has

the

advantages

of

flexible

control

algorithm

and

high

reliability.Each

functional

unit

of

the

system

is

independent

and

modularized.

The

digital

PID

as

the

core

control

algorithm

and

51

singlechip

microcomputer

as

the

system

controller

generate

the

PWM

pulse

of

duty

cycle

controlled

by

digital

PID,

so

as

to

realize

the

control

of

dc

motor

speed

or

displacement,and

constitute

a

displacement

followup

system.

At

the

same

time,

hall

device

is

used

to

convert

the

current

speed

of

the

motor

into

pulse

frequency

and

feed

back

to

the

singlechip

microcomputer

to

realize

the

closedloop

control

and

achieve

the

purpose

of

speed

detection.

LCD1602

is

also

used

as

the

display

device

in

the

system.

The

positive

and

negative

rotation

and

acceleration

and

deceleration

control

of

the

motor

are

realized

through

independent

keys,

and

the

parameters

of

P,

I

and

D

are

set.

The

current

state

of

the

motor

can

be

understood

through

the

display

components

after

the

system

is

started.

KeyWords：modularity;PID;control;electromechanical

drive目錄摘要 式中：U—電樞端電壓（V）；I—電樞電流（A）；R—電樞電路總電阻（Ω）；Φ—一對(duì)磁極磁通量（Wb）；K—與電動(dòng)機(jī)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。而PWM調(diào)速實(shí)質(zhì)是改變其占空比，占空比是指一個(gè)周期中高電平所占的比例，高電平所占比例大，電機(jī)速度就高；反之高電平所占比例小，電機(jī)速度就低。而脈寬調(diào)制就是通過微處理器產(chǎn)生可調(diào)的脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)去控制它的導(dǎo)通時(shí)間，以此改變加在直流電機(jī)電樞兩端的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。目前我們常用改變占空比的方法有三種：第一種是脈沖寬度保持不變而不斷改變其頻率；第二種是脈沖的寬度和頻率同時(shí)發(fā)生變化，這種方法實(shí)現(xiàn)起來稍微復(fù)雜一些，同時(shí)也會(huì)使得控制變難；第三種方法是脈沖的頻率不變也就是周期T不變，而同時(shí)改變高低點(diǎn)電平所占時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中選用了第三種方法，因?yàn)榍皟煞N都改變了T，若系統(tǒng)的固有頻率與它接近時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，對(duì)系統(tǒng)造成巨大損傷，故不宜采用。

一般PWM軟件實(shí)現(xiàn)的方式主要有兩種，第一種是通過軟件延時(shí)方法產(chǎn)生PWM方波，但這種方法如果在輸出PWM方波的同時(shí)，執(zhí)行其他操作如鍵盤掃描，顯示等的時(shí)候，單片機(jī)CPU的機(jī)器周期將會(huì)被占用一部分，影響PWM輸出的準(zhǔn)確性，并且導(dǎo)致處理器的響應(yīng)速度減緩，一般不被采用。第二種方法是采用定時(shí)器溢出中斷的方法，產(chǎn)生一定的脈沖信號(hào)，這種方法產(chǎn)生的PWM方波更精確，在程序中很復(fù)雜，并且操作較多時(shí)也可以輸出準(zhǔn)確的PWM方波。經(jīng)過對(duì)兩種方法的綜合考慮，我選擇第二種方法去產(chǎn)生PWM方波，第二種方法能夠產(chǎn)生較為準(zhǔn)確的PWM方波，并且本設(shè)計(jì)在執(zhí)行PWM方波的同時(shí)，還要去執(zhí)行按鍵、顯示操作，能夠更加貼近我的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用第一種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，因此在PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我采用第二種方法。2.3小結(jié)本章主要對(duì)PID和PWM調(diào)速原理進(jìn)行了講解，以及它們?cè)跈C(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，最重要的是只有了解了這些原理我們才能真正的了解自動(dòng)控制，才能更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和了解機(jī)電傳動(dòng)控制的機(jī)構(gòu)和原理，才能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)方案3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，在深入研究機(jī)電傳動(dòng)控制和自動(dòng)控制的基本原理后，做出系統(tǒng)方案框圖如圖3.1所示。在圖中，控制器模塊是該設(shè)計(jì)的核心，通過鍵盤和顯示器模塊來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。我們可以將需要設(shè)置的參數(shù)值和狀態(tài)值可以通過鍵盤上的按鍵輸入，并通過控制器（STC89C52）控制顯示在顯示器上。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以通過檢測(cè)模塊將當(dāng)前的速度信號(hào)送入到控制器中，經(jīng)過PID運(yùn)算后改變PWM脈沖的占空比，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度或位移實(shí)時(shí)控制的目的。 圖3.1系統(tǒng)整體方案圖3.2控制器模塊設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，我們主要任務(wù)是要去解決控制器能夠產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖，并且能夠?qū)﹄姍C(jī)當(dāng)前速度信號(hào)進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法比較后得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。它就相當(dāng)于我們的大腦一樣，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所以我們?cè)谶x擇時(shí)一定要經(jīng)過仔細(xì)分析和比較，最后要選擇一個(gè)既方便操控又簡(jiǎn)單易懂的控制器。故此模塊選用了51系列（AT89C52）單片機(jī)。采用傳統(tǒng)的AT89C52（51系列）單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心控制器。因?yàn)槲覀冎皩W(xué)過51單片機(jī)這門課程，對(duì)它的編程和功能都比較熟悉，上手比較容易。它具有靈活的編程語言，能夠辨別多種程序語言，體積小，一般受環(huán)境的影響小，成本低，使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，基于上述等各種優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。而AT89S51與它相似，但是控制稍微復(fù)雜一些，還有FPGA雖然功能強(qiáng)大，但是其引腳多導(dǎo)致控制比較復(fù)雜，會(huì)給軟件程序的編寫帶來很大麻煩，尤其在硬件電路的設(shè)計(jì)上，可能會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力卻還達(dá)不到控制系統(tǒng)的要求?；谏鲜龅姆N種影響，最終還是選用了51系列的單片機(jī)，它完全可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，我們需要解決的就是電機(jī)能否正常的運(yùn)轉(zhuǎn)問題，這樣一來我們就必須先解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題。主要考慮了傳統(tǒng)晶閘管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和專用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。經(jīng)過詳細(xì)分析對(duì)比之后，本系統(tǒng)采用了專用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如最普遍的L298N，L297N等驅(qū)動(dòng)芯片。因?yàn)樗鼈儾粌H考慮了電路的抗干擾能力，實(shí)際應(yīng)用中的安全性，可實(shí)現(xiàn)性等，所以我們只需要考慮硬件連接和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用程序中的芯片。因此，此方法的電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好。設(shè)計(jì)人員不需要考慮很多硬件電路設(shè)計(jì)，并可以專注于實(shí)現(xiàn)算法和軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)中去，這樣一來便大大提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。3.4速度采集模塊設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，我們?cè)谡{(diào)節(jié)過程中需要先設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后與當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，所以我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)速度采集電路。目前，速度采集的方式有很多種，而且市場(chǎng)上的傳感器類型也比較多，但總的來說速度采集方面大概分為光電式傳感器采集、測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量和霍爾傳感器等。在本設(shè)計(jì)中采用了霍爾傳感器來對(duì)速度進(jìn)行采集，該器件的內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?。因此，磁鐵片可以安裝在電機(jī)上，將霍爾集成片安裝在電機(jī)的固定軸上，控制器通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。并且霍爾傳感器的電參量檢測(cè)系統(tǒng)具有很好的線性度、精確度和良好的反應(yīng)時(shí)間，并且其構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。3.5顯示模塊設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示模塊是基于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，我們需要對(duì)電機(jī)的參數(shù)、工作方式以及狀態(tài)進(jìn)行顯示，而目前最主要的顯示器有1602LCD、128×64LCD、LED等。下面對(duì)這三種顯示器進(jìn)行比較:

1602LCD顯示器，可對(duì)字符進(jìn)行顯示（字符區(qū)域16*2），而且價(jià)格便宜市場(chǎng)供應(yīng)量大，最重要的是它控制和線路連接簡(jiǎn)單且耗能小。而128×64LCD這種顯示器顯示程序代碼量比較大，電路比較復(fù)雜，故不宜采用。但由于本次設(shè)計(jì)需要設(shè)置各種參數(shù)，需要顯示字符，使用LED顯示器件無法完成設(shè)計(jì)任務(wù)，因此此方法不適合。綜合對(duì)比之后本系統(tǒng)最終采用了1602LCD。3.6鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案在機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)更加的人性化，便引入了鍵盤模塊來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，有助于我們對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。一般鍵盤有兩種，分別是獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤。而本設(shè)計(jì)中，我們需要使用按鍵對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行輸入、工作方式設(shè)定以及電機(jī)起動(dòng)、停止及換向的控制。因此鍵盤模塊在整個(gè)控制系統(tǒng)中是不可或缺的一部分，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的輸入值比較少，矩陣鍵盤硬件線路復(fù)雜，軟件編程量大，控制起來比較復(fù)雜，不宜采用。而獨(dú)立鍵盤各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，在一個(gè)按鍵作用時(shí)不會(huì)影響其它按鍵的狀態(tài)，并且與單片機(jī)的連接簡(jiǎn)單，占用空間小。綜上所述，鍵盤模塊最終使用獨(dú)立鍵盤，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件線路連接比較簡(jiǎn)單，輸入值比較少，對(duì)軟件的運(yùn)行速度要求不高。3.7電源模塊設(shè)計(jì)方案一個(gè)完整的系統(tǒng)必須要有能源供給，系統(tǒng)的能源就好比人的心臟一般。我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程當(dāng)中必須遵守相應(yīng)的規(guī)則，要能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的要求，符合當(dāng)今社會(huì)主義核心發(fā)展觀理念，對(duì)能源不能浪費(fèi)，要將利用率達(dá)到最高。故此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中首先進(jìn)行對(duì)交流電進(jìn)行整流和降壓，再通過穩(wěn)壓芯片（7812、7805）對(duì)整流后的電壓進(jìn)行處理，此方案對(duì)能源的利用率高，抗干擾能力強(qiáng)，并且電路電壓穩(wěn)定且易實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員不用過多考慮消除環(huán)境干擾問題。由于實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境的限制，我們?cè)趯?shí)際系統(tǒng)中的電源模塊采用了USBDC5V來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的供電。3.8小結(jié)本章主要對(duì)本設(shè)計(jì)當(dāng)中各模塊的設(shè)計(jì)思路做了具體說明，而且各模塊的選用都進(jìn)行了對(duì)比和篩選，最后做出最佳選擇。只有硬件模塊設(shè)計(jì)合理才能夠進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，才能夠順利執(zhí)行接下來的設(shè)計(jì)任務(wù)。

4模塊化電路設(shè)計(jì)4.1硬件資源分配本系統(tǒng)的各模塊通過控制器有序的連接在一起，組成一個(gè)完整的位移隨動(dòng)系統(tǒng)，硬件資源分配如下圖4.1所示。。圖4.1系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖4.2電源模塊電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)、顯示模塊等其它電路都是用5V的電源，因此在電源電路中選用7805穩(wěn)壓芯片，其輸出最大電流為1.5A，能夠滿足系統(tǒng)的要求；但是為了以后系統(tǒng)的擴(kuò)展還設(shè)計(jì)了直流12V電源，電路中選用7812穩(wěn)壓芯片。該電路的抗干擾能力比較好，其電路如圖4.2所示。 圖4.2電源模塊電路原理圖以上是設(shè)計(jì)的電源電路，由于試驗(yàn)條件的限制，所以在模型中只選用了USBDC5V電源來給整個(gè)系統(tǒng)供電。4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊是控制器與電機(jī)之間的橋梁，因?yàn)镸CU的I/O口是不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這里選用了L298N芯片來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路如圖3.3所示表4.1L298N芯片引腳功能表引腳符號(hào)功能圖4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖4.4速度采集模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過利用霍爾器件來獲得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，將測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機(jī)固定在同一電路板上，然后在霍爾探頭相對(duì)的電機(jī)軸上固定一小磁鐵，這樣一來電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，將此信號(hào)接到單片機(jī)的IO口上，單片機(jī)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)便獲得電機(jī)速度。如圖4.4獲得脈沖信號(hào)，圖4.5為傳感器輸出信號(hào)波。(a)(b)圖4.4電機(jī)的速度采集方法圖4.5傳感器輸出的脈沖波形4.5顯示模塊電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求要對(duì)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)態(tài)及控制參數(shù)要進(jìn)行顯示。綜合考慮選用了1602LCD作為顯示模塊，其引腳名稱及對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4.6所示，引腳功能如表4.1所示。圖4.61602引腳分布圖表4.21602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1VSS電源地9DB2數(shù)據(jù)2VDD電源正+5V10DB3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11DB4數(shù)據(jù)4RSH:數(shù)據(jù)輸入；L:指令碼輸入12DB5數(shù)據(jù)5R/WH:數(shù)據(jù)讀??；L:數(shù)據(jù)寫入13DB6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14DB7數(shù)據(jù)7DB0數(shù)據(jù)15BL+背光電源（+）8DB1數(shù)據(jù)16BL-背光電源（-）1602液晶顯示器與單片機(jī)的連接電路如圖4.7所示：圖4.7顯示模塊電路原理圖4.6鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了獨(dú)立鍵盤來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，其電路原理圖如圖4.8所示。圖4.8鍵盤模塊電路原理圖使用說明：系統(tǒng)每次開始初運(yùn)行時(shí)，1602處于待機(jī)界面，若按下修改按鍵則進(jìn)入速度設(shè)定界面或者直接使用轉(zhuǎn)速“+”或“-”來實(shí)現(xiàn)速度的設(shè)置，若按下?lián)Q頁按鍵之后便可對(duì)P、I、D的參數(shù)通過“增加”、“減小”按鍵分別進(jìn)行設(shè)置，一切設(shè)置完之后再次按下修改按鍵就可以了，此時(shí)我們可通過“換頁”鍵返回速度顯示界面。4.7小結(jié)本章主要通過使用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)電源、驅(qū)動(dòng)、顯示、鍵盤和速度采集模塊進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，而且對(duì)各個(gè)模塊的電路做了詳細(xì)的說明，使得更加的簡(jiǎn)潔明了，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和原理進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。

5軟件模塊設(shè)計(jì)5.1算法實(shí)現(xiàn)5.1.1數(shù)字PID算法本設(shè)計(jì)的核心算法為數(shù)字PID，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度的控制，先要根據(jù)速度采集模塊每次采樣的信號(hào)值進(jìn)行處理，然后再與設(shè)定值先進(jìn)行比對(duì)，接著計(jì)算得出偏差e(n)，再對(duì)eu式（5.1）因此，必須編程實(shí)現(xiàn)該公式的功能并下載到單片機(jī)當(dāng)中，其程序流程如圖5.1所示，詳細(xì)代碼見附錄。圖5.1單片機(jī)處理公式流程5.2系統(tǒng)程序流程5.2.1主程序流程圖按照系統(tǒng)的控制要求和運(yùn)行過程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖5.2所示。本設(shè)計(jì)主要要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制和顯示，首先在程序運(yùn)行時(shí)我們得先初始化，然后調(diào)用子程序?qū)︼@示界面進(jìn)行清顯示；然后判斷是否有按鍵作用，若判斷有的話進(jìn)入顯示界面開始操作；然后根據(jù)程序判斷是那個(gè)按鍵作用，再接著根據(jù)程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的電機(jī)控制，并將當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行顯示。 圖5.2主程序的整體流程圖5.2.2速度采集模塊算法本系統(tǒng)是基于機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)，而其中最重的就是能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的控制，本設(shè)計(jì)則采用霍爾器件來獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，其計(jì)算公式為：v=60PTr/min式式中:v—電機(jī)轉(zhuǎn)速;P—電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù);T—輸出方波信號(hào)周期。根據(jù)式(5.2)帶入各參數(shù)的值便可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的我們則應(yīng)該在程序中加入該算式。圖5.3速度采集程序流程圖

5.2.3鍵盤模塊程序流程鍵盤模塊是用來設(shè)定本系統(tǒng)控制的相應(yīng)參數(shù)，使得系統(tǒng)電機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話，使得處理器能夠捕捉到這個(gè)信息，所以鍵盤的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。其具體程序流程如圖5.4所示。 圖5.4鍵盤模塊程序流程圖5.2.4定時(shí)程序流程本系統(tǒng)的定時(shí)程序是用來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行在PID運(yùn)算，以STC89C52中的T0作為中斷，其程序流程如圖5.5所示。 圖5.5定時(shí)程序流程圖5.2.5顯示模塊程序流程顯示模塊是本系統(tǒng)唯一能夠明確顯示電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，以及運(yùn)行狀態(tài)和PID參數(shù)設(shè)定的窗口，能夠準(zhǔn)確表明人機(jī)對(duì)話的結(jié)果。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了1602LCD顯示器，下面是1602LCD的相關(guān)指令如表5.1所示。表5.11602LCD的11條指令集序號(hào)指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4開/關(guān)顯示控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移動(dòng)000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符存儲(chǔ)器地址0001字符發(fā)生器存儲(chǔ)地址（AGG）下一頁續(xù)續(xù)表5.1序號(hào)指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D08置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址0011 顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址（ADD）9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址（AC）10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容下面是該系統(tǒng)的顯示模塊具體程序流程框圖，如圖5.6所示。圖5.6顯示模塊程序流程圖5.2.6驅(qū)動(dòng)模塊程序流程本系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路采用了驅(qū)動(dòng)芯片L298N，我們主要任務(wù)是能夠通過控制器控制脈沖來給驅(qū)動(dòng)供電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。其程序流程圖5.7如下所示：圖5.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊流程圖5.3KeiluVision4軟件簡(jiǎn)介KeilμVision軟件是由KeilSoftware制造的多種語言開發(fā)系統(tǒng)，。并且Keil提供完整的開發(fā)解決方案，包括C編譯器，宏匯編和庫管理等。而KeilμVision4引入了多變的窗口管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以使用多個(gè)監(jiān)視器并且可以直觀地查看窗口的整個(gè)位置，而且新添了新的用戶界面，設(shè)計(jì)者可以更好地利用屏幕空間，可以組織多個(gè)窗口來提高工作效率。最新的版本支持ARM芯片，還添加了新功能，能夠使得用戶獲得完美的體驗(yàn)。KeilμVision4還為設(shè)計(jì)員創(chuàng)建了一個(gè)干凈、高效的應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境。5.4系統(tǒng)Proteus仿真在一切設(shè)計(jì)完成后，選用了Proteus對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。因?yàn)樗瓤梢詫?duì)硬件電路進(jìn)行仿真，更重要的是它里面元件豐富，有各種處理器，操作簡(jiǎn)單，所以在驗(yàn)證原理時(shí)優(yōu)先選擇。下面為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在Proteus中的仿真設(shè)計(jì)流程：（1）新建工程軟件打開后找到File選項(xiàng)，左擊后在彈出的對(duì)話框里選擇“NewDesign”，然后在選擇Default，這樣新建工程就完成了。（2）設(shè)置編輯環(huán)境按照第一步的方法對(duì)Proteus軟件進(jìn)行環(huán)境設(shè)置，選擇自己設(shè)計(jì)需要的圖紙大小和風(fēng)格等。（3）元件的選取在軟件中找到P這個(gè)標(biāo)志后雙擊，然后再接下來彈出的對(duì)話框里選擇“KeyWords”將光標(biāo)放到此處，然后輸入需要的元件符號(hào)，即元件的對(duì)象選擇窗口中如下圖5.8所示。圖5.8Proteus元器件選取界面最后在Protues軟件中的左邊工具欄找到源后分別放置電源和地，然后將整個(gè)系統(tǒng)部件進(jìn)行連線，便得到系統(tǒng)整體電路，在仿真開始時(shí)我們最好能夠進(jìn)行自我檢查一下，最后運(yùn)行驗(yàn)證，如附錄所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需選用的元器件如下表5.2所示：表5.2系統(tǒng)仿真Proteus元件表序號(hào)符號(hào)名稱1AT89C52單片機(jī)2RES、RESPACK-8電阻、上拉電阻3CRYSTAL晶振器4IN4007二極管5LM016L（1602LCD）液晶16×2顯示器6BOUTTON按鍵開關(guān)7MOTOR-ENCODER直流電機(jī)8SW-SPDT單刀雙擲開關(guān)（4）對(duì)程序進(jìn)行編譯首先在keil軟件中新建一個(gè)工程，點(diǎn)擊菜單中“Project→Newuvisionproject”在出現(xiàn)的CPU對(duì)話框中選擇“Atmel→AT89C51”，然后再接下來的對(duì)話框中選擇確認(rèn)就行，在程序編譯完成后鼠標(biāo)選擇元組右擊后彈出如圖5.9所示的對(duì)話框，選擇Output,然后選擇CerateHEXFile,最后點(diǎn)擊確定便可，即生成了單片機(jī)使用的HEX文件。圖5.9生成HEX文件界面圖（5）程序加載在編輯環(huán)境的條件下，先使用鼠標(biāo)選中單片機(jī)后雙擊進(jìn)入如圖5.10所示界面，接下來將之前keil編譯生成的HEX文件放如到ProgramFile中，然后將ClockFrequency設(shè)置為12MHZ,最后點(diǎn)擊確定即可。圖5.10程序添加界面圖（6）電路仿真如圖5.11所示，點(diǎn)擊最左方的按鈕系統(tǒng)便進(jìn)入仿真界面，然后根據(jù)自己的要求來操作按鍵即可。圖5.11仿真按鈕界面圖5.5小結(jié)本章主要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)和算法編程，以及做出它們的流程框圖，還有對(duì)仿真軟件操作也進(jìn)行了詳細(xì)介紹，使得整個(gè)系統(tǒng)軟硬件完全結(jié)合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真運(yùn)行，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)思路的正確性。

6系統(tǒng)測(cè)試與分析在設(shè)計(jì)完成后必須驗(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)的合理性及電路的正確性，以防不安全事故發(fā)生，故做出仿真電路如圖6.1所示。圖6.1系統(tǒng)Protues仿真電路圖如圖6.2所示，本次的設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，并且基本功能都可實(shí)現(xiàn)，PID參數(shù)也可根據(jù)系統(tǒng)要求來隨意設(shè)定，其顯示界面采用了LCD1602分屏顯示。ab圖6.2系統(tǒng)顯示圖在圖6.2中，a圖中的“SET—表示電機(jī)速度設(shè)定，NOW—表示電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行速度，PWMH—高電平持續(xù)時(shí)間，±XX—表示占空比的變化量”，在b圖中的“P—表示比例項(xiàng)的設(shè)定，I—表示積分項(xiàng)的設(shè)定，D—表示微分項(xiàng)的設(shè)定,SUM—系統(tǒng)累計(jì)偏差”，以上這些參數(shù)都可使用鍵盤按照具體要求進(jìn)行設(shè)定，并且系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，使我們可以直觀明了的來觀察電機(jī)運(yùn)行過程的變化，有助于我們深入學(xué)習(xí)機(jī)電傳動(dòng)控制和自動(dòng)控制這兩門課程，而且模塊化的設(shè)計(jì)方法可以增加實(shí)驗(yàn)操作性和趣味性，使得我們的教學(xué)實(shí)驗(yàn)不在枯燥乏味。 ab圖6.3系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定顯示圖在圖6.3中，圖a表示的是速度設(shè)定界面，圖b表示PID參數(shù)的調(diào)節(jié)界面，根據(jù)故此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)及要求，以上顯示的參數(shù)設(shè)定完全符合要求，并且可以根據(jù)不同系統(tǒng)要求來自由設(shè)定參數(shù)值，而這一切的輸入則由鍵盤模塊來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過差不多兩個(gè)月的努力，做出了如圖6.4所示的實(shí)物。在實(shí)物中顯示模塊采用了上位機(jī)顯示（基于VB6.0平臺(tái)），將原先的LCD顯示模塊進(jìn)行了升級(jí)處理，其將當(dāng)前速度與設(shè)定速度進(jìn)行對(duì)比，并能夠?qū)崟r(shí)顯示速度曲線。接下來將簡(jiǎn)單介紹一下實(shí)物中的各模塊與具體接線方法。 a顯示界面b驅(qū)動(dòng)芯片c通訊模塊d電源模塊e檢測(cè)模塊f實(shí)物接線圖圖6.4系統(tǒng)實(shí)物模塊及接線圖

結(jié)論本論文的課題的機(jī)電控制系統(tǒng)是利用單片機(jī)作為中央處理器的系統(tǒng)核心控制，采用PID算法來產(chǎn)生可調(diào)占空比的PWM脈沖，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者位移控制，這就呈現(xiàn)出一個(gè)位移隨動(dòng)的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在本論文中，為了能夠更加明顯的體現(xiàn)機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理，讓機(jī)電傳動(dòng)控制在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中體現(xiàn)的更加清晰，本論文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分模塊化的設(shè)計(jì)理念，了解每一個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的描述，深入剖析各個(gè)模塊，最后有機(jī)的結(jié)合組成一個(gè)完整的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)，最后完成了系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，完成方案驗(yàn)證。本系統(tǒng)軟件部分采用C語言進(jìn)行編程，然后使用Proteus進(jìn)行仿真驗(yàn)證。歸納起來主要做了以下幾方面的工作：（1）電機(jī)的閉環(huán)控制是采用PID算法，可以通過演示機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的原理；（2）模塊化電路采用了部分到整體的思路來設(shè)計(jì)了鍵盤輸入模塊電路、驅(qū)動(dòng)模塊電路、顯示模塊電路、電源模塊電路以及速度檢測(cè)電路；（3）系統(tǒng)通過C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，完成軟件編程之后并通過模擬仿真（部分源程序見附錄）來實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證；（4）對(duì)于系統(tǒng)的PCB板的繪制是通過Protel99se軟件來體現(xiàn)；（5）在最后需要理論進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，焊接了硬件電路，并完成運(yùn)行演示。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)必須要響應(yīng)快速，本論文采用優(yōu)化軟件算法；（2）對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際值和系統(tǒng)設(shè)定值所對(duì)比的誤差，在本論文使用霍爾傳感器來處理，通過霍爾傳感器可以將轉(zhuǎn)速變成脈沖頻率，而這個(gè)頻率被控制器采集進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，這就完成PID控制作用以達(dá)到無靜差調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的；（3）本論文的模塊化是為了更加明確地執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)，分塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的部分功能要求，使系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、擴(kuò)展方便、功能豐富化；（4）電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的體現(xiàn)是通過1602LCD顯示模塊來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)增加了人機(jī)交互功能，實(shí)時(shí)對(duì)話功能的體現(xiàn)；（5）系統(tǒng)的整體仿真是通過Proteus軟件來實(shí)現(xiàn)，來完成理論的實(shí)驗(yàn)，這就對(duì)于實(shí)際工程問題來說首先解決了系統(tǒng)的可行性，進(jìn)而可以在實(shí)踐中來完善系統(tǒng)的工程問題，避免不必要的損失；（6）在本論文中的數(shù)字PID算法，利用軟件對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，具有改變靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點(diǎn)。

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