基于單片機的直流調速控制系統(tǒng)設計

學士學位論文基于單片機的直流調速控制系統(tǒng)設計姓名學號院系專業(yè)指導教師二〇二四年五月二十日學位論文原創(chuàng)性聲明本人所提交的學位論文《》，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的原創(chuàng)性成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中標明。本聲明的法律后果由本人承擔。論文作者（簽名）：指導教師確認（簽名）：年月日年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解河北科技學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權河北科技學院可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。保密的學位論文在公開年解密后適用本授權書。論文作者（簽名）：指導教師（簽名）：年月日年月日第1章緒論1.1直流調速系統(tǒng)的發(fā)展狀況在當今時代，自動化控制系統(tǒng)的影響力已滲透到各個領域，直流調速系統(tǒng)尤其在先進的工業(yè)生產中扮演著不可或缺的角色。從廣袤的農田和工廠，到尖端的國防科技，再到醫(yī)療保健和日常生活的家用電器，無處不彰顯著電氣傳動系統(tǒng)的身影。汽車、電梯、精密機床以及造紙機械等各式設備，都依賴于這種具備調速功能的系統(tǒng)，以適應各種操作和工藝需求。為了提升效率，優(yōu)化生產流程，調速控制成為不可或缺的一環(huán)。它不僅確保了設備在運行過程中的精準控制，而且對于節(jié)能降耗也有著顯著效果，有效節(jié)約了寶貴的電能。電機調速系統(tǒng)這一精巧的構造，由三個關鍵部分構成：控制單元負責指令的發(fā)出與接收，功率單元則將這些指令轉化為實際動力。在直流電氣傳動系統(tǒng)中，可控直流電源扮演著至關重要的角色。早期的調速策略是通過向直流電動機電樞提供恒定電壓，隨后調節(jié)電樞回路電阻以實現(xiàn)速度控制。這種方法盡管易于實施，設備制造成本低，但效率低下且調速范圍有限，因此在現(xiàn)代應用中已不多見。三十年代末，發(fā)電機—電動機系統(tǒng)應運而生，與磁放大器、電機擴大機和閘流管等控制元件配合使用，帶來了顯著的調速效果，如寬闊的調速范圍（十比一至數十比一）、平滑的轉速變化和調速性能。減速時，電動機的飛輪慣量能通過發(fā)電機輕松回饋給電網，既實現(xiàn)平滑制動，又減少能量損耗，提升了效率。然而，該系統(tǒng)需要額外的旋轉電機和輔助設備，導致體積龐大、成本高昂、效率較低，且安裝維護復雜，噪音大。隨著汞弧變流器的問世，調速性能進一步提升，尤其是其快速響應能力遠超發(fā)電機—電動機系統(tǒng)。但汞弧變流器在維修便利性和安全性方面仍存在挑戰(zhàn)。1957年，晶閘管的誕生為直流調速系統(tǒng)帶來了革命性的變革。晶閘管具備體積小巧、響應迅速、可靠性高、壽命長和易于維護等優(yōu)點，采用晶閘管供電的系統(tǒng)在經濟性和可靠性上都有顯著提升，且在技術性能上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。晶閘管變流裝置的放大倍數遠超機組和汞弧變流器，響應速度也更快，從而在直流調速系統(tǒng)中占據了主導地位。如今，除極少數大容量設備且供電電路容量有限的情況外，大部分系統(tǒng)已采用晶閘管相控整流供電，以實現(xiàn)更高效、更智能的運行。1.2直流基本調速意義直流電動機體系可分為兩類，一類是帶有換向器的，另一類則是無換向器的。早期的直流電動機調速系統(tǒng)依賴恒定的直流電壓供電，通過調整電樞回路電阻來調控速度。這種方法操作簡便，設備制造成本低廉，然而效率不高，機械特性較弱，無法提供廣泛且平滑的調速效果，僅適用于功率需求小且調速范圍有限的場景。直至20世紀30年代末，發(fā)電機-電動機系統(tǒng)的引入顯著提升了直流電動機的調速性能，使得它在多種應用中得到普及。這種新型系統(tǒng)提供了更廣闊的調速區(qū)間，減小了轉速變化率，但其重量大、占地面積多、效率低以及維護困難的缺點也隨之而來。近年來，隨著電力電子技術的飛速進步，晶閘管變流器供電的直流電動機調速系統(tǒng)逐漸替代了傳統(tǒng)的發(fā)電機-電動機系統(tǒng)，其調速性能遠超后者。尤其是大規(guī)模集成電路技術與計算機技術的迅猛發(fā)展，直流電動機調速系統(tǒng)的精度、動態(tài)響應和可靠性得到了顯著提升。1.3PWM調速方案的優(yōu)越性自脈沖寬度調制技術在電力電子器件領域嶄露頭角以來，高頻開關控制策略應運而生，催生了嶄新的脈寬調制變換器——直流電機調速系統(tǒng)。這種PWM的H型調控手段側重于調壓調速，其H橋結構在處理大功率調速任務時展現(xiàn)出卓越的效能。然而，國內對于超大功率調速系統(tǒng)的探索，目前仍依賴于可控硅的可控整流技術來調控直流電機的電壓，以實現(xiàn)精準的調速。在本次設計中，選擇了采用直流極性控制的橋式PWM變換器。相較于傳統(tǒng)的V-M系統(tǒng)，這一方案在多個維度展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢：（1）功率元件的需求量少，使得主電路簡潔。（2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。（3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調速范圍寬，可達1:20000左右。（4）若是與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強。（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，通道損耗小，當開關頻率適中時，開關損耗也不大，因而裝置效率高。（6）直流電機采用不控整流時，電網功率因素比相控整流器高。直流PWM系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢使其在各個領域中，尤其是中、小容量的高動態(tài)性能應用中，逐漸占據了主導地位，甚至已全面替代了傳統(tǒng)的V--M系統(tǒng)。為了滿足對更優(yōu)機械性能的追求，大多數直流電動機傾向于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中運行，以確保精準而靈敏的運行特性。第2章系統(tǒng)方案設計2.1系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案如圖1圖1直流電機調速系統(tǒng)結構圖單片機為本系統(tǒng)的控制核心，擔當著至關重要的指揮角色，其指令通過電腦編程后被下載到單片機內部。單片機隨即生成二進制指令，這些指令經由D/A轉換電路轉化為模擬電壓，準確地輸入到直流伺服放大器的設定值接口。放大器接收到這一信號后，智能調節(jié)自身的輸出電壓，以調控直流電機的運行速度，使之與指令要求相符。電機的轉軸上安裝了一個光電編碼器E，它如同一雙敏銳的眼睛，實時監(jiān)測電機的動態(tài)。編碼器E產生的A、B兩路方波信號被送入整形電路，經過處理后傳送給單片機，用以精準計算電機的轉速。單片機持續(xù)對比設定的期望值和實際測量值，一旦發(fā)現(xiàn)偏差，便會迅速調整放大器的電壓輸出，以消除誤差。系統(tǒng)的顯示模塊則詳盡地呈現(xiàn)了各項參數，包括各階段設定的時間、電機的實際轉速以及測量得到的轉速值。2.2系統(tǒng)器件型號選擇2.2.1光電數字編碼器型號選擇光電數字編碼器的參數如下表1表1光電數字編碼器參數表旋轉一周計數通道數最高工作頻率VCC輸出信號零位脈沖寬度(額定)工作溫度范圍編碼盤慣量10243320HzSV士5%TTL兼容e一25℃一85℃1.7g2.2.2放大器芯片型號選擇通過IR2111驅動芯片，能夠精準地控制IRF530功率MOSFET的柵極。保證了其在廣泛的柵極驅動電壓范圍內都能穩(wěn)定工作。其單通道設計采用了施密斯邏輯輸入，確保了與TTL和CMOS電平的無縫對接。IR2111的高端輸出與輸入同步，而低端輸出則經過精心設計的死區(qū)時間調整，與輸入形成反向，這一特性使得它能夠同時驅動對管，即同一橋臂上的兩只MOSFET，從而提升了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。IR2111自舉確保了功率開關元件的穩(wěn)定運行。不論其源極電壓的高低，該技術借助自舉電容與自舉二極管的協(xié)同作用，始終維持驅動功率器件的柵極與源極間的電壓在10至20伏特之間，從而保證器件的正常運作。這一創(chuàng)新設計的核心是一個內置的自舉電路單元，它實際上是一種巧妙的電荷泵電路。電荷泵電路的自舉原理簡潔而高效：它利用電容的充放電特性，通過切換電路狀態(tài)，將輸入電壓轉換為更高的電壓等級，以滿足驅動需求。圖2自舉原理如圖2所示的電路中，電容C的b端被一個峰值波動的方波信號所驅動，而其a端則通過一個理想的二極管D與之相連。當b點的電位處于零點時，二極管D導通，允許電流開始流向電容C，對其進行充電，直到a點的電位達到二極管的正向電壓值。隨著b點電位上升至高電平，電容的特性確保其兩端電壓無法發(fā)生突變。因此，a點的電位隨之平滑上升至接近高電平，但不超過二極管的正向電壓，形成一個方波信號。這個方波的峰值為，谷值為，從而表明輸出端的電壓平均值略高于輸入波形，且兩者之間的差異保持恒定。這種自舉效應使得輸出波形在跟蹤輸入波形變化的同時，始終保持著一個穩(wěn)定的偏移，從而實現(xiàn)了自舉電路的獨特功能。2.3單片機選型在國內，在構建控制系統(tǒng)時采用51系列或Motorola系列的微處理器，然而PIC系列在眾多方面展現(xiàn)出了超越傳統(tǒng)選擇的顯著優(yōu)勢。與常見的51系列相比，PIC單片機在性能和效率上具有更高的靈活性。它們的架構設計更注重低功耗，這對于那些需要長時間運行或在能源有限的環(huán)境中工作的系統(tǒng)而言，無疑是理想之選。同時，PIC系列提供的豐富內核選項，使其能夠適應各種復雜的應用場景，從簡單的嵌入式任務到復雜的控制算法，都能游刃有余。此外，Motorola系列雖然歷史悠久且廣泛使用，但PIC單片機在開發(fā)工具和社區(qū)支持上展現(xiàn)出更強的活力。豐富的開發(fā)板、易于使用的IDE以及龐大的開發(fā)者社區(qū)，為學習、調試和優(yōu)化提供了無與倫比的便利。這使得采用PIC系列的開發(fā)者能夠更快地實現(xiàn)創(chuàng)新，縮短產品上市時間。(1)CPU的性能特點擁有一個精心設計的16位指令集，其8位寬的數據通路確保了高效的數據處理。它的容量驚人，配備了多達2MB的程序存儲空間，以及4kB的專用數據存儲器，為各種復雜任務提供了廣闊的舞臺。性能方面，該系統(tǒng)猶如一頭猛獸，能夠以每秒10百萬條指令的速率執(zhí)行任務，彰顯出強大的運算能力。其支持40MHz的直流時鐘輸入，以及帶PLL鎖相環(huán)的4-10MHz有源晶振/時鐘輸入，確保了運行的精準與穩(wěn)定。(2)外圍功能模塊特性脈寬調制/比較/捕捉（PWM/CCP）模塊展現(xiàn)出獨特的功能，其CCP引腳設置如下：具備16位精度的捕捉輸入，時間分辨率精細至6.25ns，確保了高速數據采集的精確性。而在比較單元，同樣16位的分辨率保證了100ns的最小時間間隔，為各種應用提供了卓越的比較性能。PWM輸出則提供1到10位的可變分辨率，使得輸出頻率在10位時達到39kHz，而在88位分辨率下更是高達156kHz，彰顯出其廣泛的適應性。增強型CCP模塊在繼承標準型所有優(yōu)勢的基礎上，針對高級電機控制領域，增添了創(chuàng)新特性。它支持1、2、4通道的PWM輸出，滿足多樣化的驅動需求。此外，用戶可自由選擇PWM的極性，以適應不同的系統(tǒng)配置。(3)運行速度高哈佛架構賦予了PIC18F458單片機與眾不同的優(yōu)勢，使其在執(zhí)行效率上一枝獨秀。相比同級別的單片機，PIC18F458在性能上展現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。(4)功耗低在微控制器領域，PIC18F458以其超低功耗特性脫穎而出，在全速運行，即8MHz時鐘頻率下，其電力消耗依然保持在令人驚嘆的毫安級別，展現(xiàn)了非凡的能效表現(xiàn)。而當切換至節(jié)能模式時，其功耗更是驟降至1mA以下。(5)驅動能力強I/0端口其出色的驅動性能，使得每個輸入/輸出引腳能夠承受的最大電流可達2mA（輸入）和20mA（輸出）。(6)獨特的C語言開發(fā)環(huán)境Microchip公司為PIC18F458微控制器量身打造了一款“C語言編譯器”，使得開發(fā)者能夠借助高級的C語言進行程序編寫，極大地提升了開發(fā)效率。(7)產品系列齊全、擁有高性能的高端產品值得注意的是，PIC系列單片機陣容龐大，被劃分為入門級、中級和旗艦級三大類，提供了靈活的選擇。特別的是，PIC17CXXX型號不僅具備強大的I/O控制能力，還允許擴展外部EPROM和RAM，另一方面，PIC18CXXX系列以高性價比著稱，它采用全靜態(tài)設計，內置A/D轉換器，是16位CMOS單片機中的佼佼者，廣泛適用于各種復雜工況和對性能要求極高的工業(yè)控制系統(tǒng)，展現(xiàn)出了卓越的適應性和功能性。正因為如此，選用PIC18F458單片機。第3章硬件電路設計3.1H橋電路PWM控制電路直流電機驅動中使用最廣泛的H型全橋驅動電路圖3H型全橋驅動電路圖3.1.1H橋工作原理當接通電源，電流在負載中由A點流向B點，此時A點相對于B點呈現(xiàn)出正電勢，驅動電機的兩端承受著正向電壓。這一過程受到精密的控制邏輯調控，確保在開關A和B閉合的同時，另一對開關C和D保持斷開狀態(tài)，以確保電流的正確流向。而當開關B和C閉合，A和D斷開時，電流路徑反轉，由電源U的B點流至A點，此時B點相對于A點為正電勢，電機兩端則承受反向電壓。通過調節(jié)脈沖寬度調制（PWM）信號的占空比，我們可以靈活地調整施加在電機電樞兩端的平均電壓，進而控制電機的旋轉速度乃至轉向。當PWM信號的占空比大時，電樞兩端的平均電壓為正，電機將順時針旋轉；反之，占空比小時，平均電壓為負，電機則逆時針旋轉；當占空比為零時，盡管電機電樞電壓的平均值為零，但電樞兩端的瞬時電壓并非為零，而是呈現(xiàn)出接近電源電壓U的方波形態(tài)，電機因此靜止。3.1.2H橋器件選擇本系統(tǒng)中，采用功率MOSFET作為核心的開關元件。擁有極高的輸入阻抗、開關速度以及免于二次擊穿的優(yōu)勢。選用N溝道的IRF530功率MOSFET，它的高效性能使得它成為理想的開關選擇。構建了一個放電回路，其功能在于有效地消耗電感器中積累的能量。3.1.3工作頻率選擇為了確保電路的平穩(wěn)運行，選擇合適的PWM頻率至關重要。過高或過低的頻率都會帶來負面影響。如果頻率過低，電機兩端的電壓會帶有顯著的低頻紋波，導致電機運行不穩(wěn)定，同時產生的噪音水平會大幅度增加，極大地惡化了轉臺操作人員的工作環(huán)境。另一方面，若頻率過高，器件如光耦、IR2111驅動器和MOSFET的開關特性會受限，無法生成理想的方波，從而導致PWM波形畸變，失去對直流電機精細控制的能力。實際操作中的經驗表明，將PWM工作頻率設定在32KHz是一個理想的抉擇。這個頻率位于超聲波范圍，能有效消除電機工作時的噪音，實現(xiàn)了電路性能和噪聲控制的完美平衡。3.2放大電路的連接電路如圖所示，IR2111的外圍電路配置了一種精巧的結構。首先，單片機生成的PWM脈沖信號通過光耦PC817進行傳輸，這個光耦在系統(tǒng)中扮演了至關重要的角色，它不僅隔絕了PWM信號與后續(xù)電路的直接聯(lián)系，還實現(xiàn)了電平轉換，并增強了信號功率。電阻R1和R2作為光耦的上拉元件，其阻值是基于光耦的特定輸入和輸出電流規(guī)格來設定的。此外，電容C1作為濾波電容，有效濾除噪聲，確保信號的純凈。C2則是一個自舉電容，它的存在是為了提升電壓，以滿足高側柵極驅動的需求。最后，電阻R3和R4共同構成了柵極驅動電阻，它們調節(jié)驅動電流，確保晶體管的穩(wěn)定工作。圖4IR2111驅動功率MOSFET3.3鍵盤輸入電路本系統(tǒng)采用鍵盤，如圖5所示。圖5為按鈕電路3.4電源電路為了確?？刂葡到y(tǒng)能夠穩(wěn)定，需要一個恒定的工作電壓。在系統(tǒng)中，IR2111驅動放大器要求12伏的供電，而PIC微控制器、數字管驅動器以及顯示設備則需要5伏的正電壓。為了適應這些需求，選用了一種市場上的現(xiàn)成開關電源，以此來滿足各個組件的供電要求，如圖6所示。圖6所需電源3.5復位和時鐘電路為了確保系統(tǒng)在遭遇突發(fā)狀況時能穩(wěn)定運行，避免出現(xiàn)程序崩潰或死機等棘手問題，設計了一種復位電路。此電路的核心功能在于對程序計數器PC進行重置，使其能從頭開始執(zhí)行任務。根據PIC18F458系列單片機的獨特屬性，構建了一種標準的復位電路布局。不僅在系統(tǒng)啟動時能自動執(zhí)行復位操作，更在需要時允許用戶進行手動復位。圖7復位和時鐘電路3.6顯示電路液晶顯示模塊（LCM）由于其具有功耗低、無電磁輻射、壽命長、價格低、接口方便等一系列顯著優(yōu)點，被廣泛應用與各種儀表儀器、測量顯示裝置、計算機顯示終端等方面。以ST7066和ST7065作為控制器的TS1620字符液晶顯示模塊，其兼容性尤為突出，其接口信號和指令操作與廣為人知的HD44780控制器相匹配，簡化了集成過程。多樣化的字符液晶顯示模塊陣容豐富，包括81、162、202和402等二十多種不同型號，它們都擁有相同的引腳配置和編程指令。這種一致性確保了它們能無縫對接各種單片機，增強了系統(tǒng)的靈活性和互換性。圖8液晶顯示模塊表2TS1620的引腳與功能表下圖所示。引腳好引腳符號名稱功能1GND電源地接5V電源地端2VDD電源正端接5V電源正端3VEE液晶驅動電壓端電壓可調，一端接地，一端接可調電阻4RS寄存器選擇段RS=1為數據寄存器，RS=0為指令寄存器5RW讀/寫選擇端RW=1為讀數據，RW=0為寫數據6EN讀/寫使能端寫時，下降沿觸發(fā)；讀時，高電平有效7至14DB0—DB78位數據線數據總線3.7轉速測量電路設計構建一個精確無虞的閉環(huán)系統(tǒng)時，測量元件的性能是決定其定位和測量精度的關鍵因素。因此，對高精度測量的需求，尤其是轉速測量，對這些元件的質量標準提出了嚴苛的要求。光電編碼器，作為一種現(xiàn)代技術中的數字速度測量神器，它在微處理器驅動的閉環(huán)控制系統(tǒng)中擔當著至關重要的角色，被廣泛應用并深受信賴。3.7.1光柵盤一個精巧的光學裝置中，光柵盤的外緣布滿了精心刻制的光柵條紋。當光源灑向這些光柵，一部分光線會被阻擋，而那些避過障礙的光線則穿透而過。系統(tǒng)配備了一枚獨特設計的光柵盤，其圓面被均勻分割成60個精細的光柵格。當驅動電機帶動光柵盤旋轉一周，隨之產生的便是60個精準的光脈沖信號。3.7.2光電傳感器光電傳感器有一個能發(fā)射光束的發(fā)光二極管與一個對光信號極其敏感的三極管。這個三極管被巧妙地配置在發(fā)光二極管的對面，隔著一道3毫米空氣隙。當發(fā)光二極管釋放出的無形紅外光線穿越這微小的間隙觸及到三極管的那一刻，三極管瞬間進入導通狀態(tài)，從而實現(xiàn)光信號到電信號的轉換。圖9光電傳感器原理圖在光電傳感器的1引腳上接一個限流電阻R，限制流過發(fā)光二極管的電流=10mA左右。其中，圖10光電傳感器設計圖第4章系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)應用程序設計在微芯科技的開發(fā)工具箱中，為PIC18F458系列量身定制的解決方案涵蓋了各種實用工具，如虛擬仿真器和集成開發(fā)調試平臺MPLAB。這款軟件不僅在業(yè)內備受推崇，而且是編寫和調試PIC系列單片機程序的首選，支持用匯編語言或C語言編寫源代碼。MPLAB作為一個全方位的PIC單片機開發(fā)套件，兼容眾多型號的PIC系列芯片，使得廣大開發(fā)者受益匪淺。MPLAB的特色在于其集成了直觀的可視化編輯界面，使得編寫C語言和匯編代碼變得輕而易舉。此外，它還配備了代碼生成工具，包括高效能的匯編器和連接器，確保代碼的無縫整合。更值得一提的是，它內建的基本調試工具，如支持設置調試斷點的功能，為開發(fā)者提供了強大的運行時分析支持。正是通過這樣的集成環(huán)境，PIC單片機的匯編語言程序得以在MPLAB中流暢運行、精準調試，直至最終成功完成設計目標。4.2直流電機轉速控制器的軟件設計直流電機轉速控制器的軟件設計和系統(tǒng)功能的開發(fā)和完善是一個循序漸進過程，本文所作的軟件開發(fā)是基于直流電機多速控制器的基本功能要求設計的該系統(tǒng)軟件有主程序、功能鍵處理程序、電機運行顯示程序、鍵盤設置參數程序測速程序、延時子程序等。軟件架構遵循模塊化設計理念，構建為四個關鍵組件：系統(tǒng)啟動模塊、案件處理模塊、LCD顯示模塊，以及區(qū)分高、低優(yōu)先級的中斷處理程序。系統(tǒng)啟動模塊與LCD顯示及按鍵識別功能在核心程序中協(xié)同運作，而中斷處理程序則專司TMR0的定時溢出、TMR1的外部計數溢出、TMR3的單次計數溢出，以及INT0外部脈沖上沿捕獲中斷等關鍵任。圖11主程序框圖圖12高優(yōu)先級中斷服務程序框圖圖13低優(yōu)先級中斷服務程序框圖4.2.1系統(tǒng)初始化模塊在構建主程序的系統(tǒng)框架時，首要任務便是對各個關鍵組件進行精細化配置。這涉及到了對高效能的PIC單片機的CPU核心時鐘設置，以確保其運行速度與系統(tǒng)需求相匹配。I/O端口的配置，通過對PIC單片機的輸入/輸出方向的初始化，為后續(xù)的數據傳輸和設備控制鋪平道路。TMR0定時/計數器和TMR3定時/計數器為程序的定時任務提供了精確的計時基礎。（1）CPU系統(tǒng)始終初始化在PIC18微控制器的內部，一個精密校準的8MHz主時鐘源靜待激活，其在系統(tǒng)啟動時默認以1MHz的速度運行。要充分利用其潛在性能，關鍵在于對OSCCON寄存器進行巧妙調整，以確保它在8MHz的頻率下運作。然而，若尋求更高效的CPU運算速度，PIC18單片機的內置PLL（鎖相環(huán)）功能不容忽視。通過啟用4倍頻模式，CPU的主時鐘頻率可以躍升至32MHz，這一過程只需對OSCTUNE寄存器進行適當的配置。鑒于系統(tǒng)對速度有較高要求，選擇了32MHz的時鐘源作為運行基礎，因此在初始化階段執(zhí)行了如下的設置操作，以確保系統(tǒng)性能得到充分釋放：OSCCON=0x70;//IRCF2..0=111，選擇內部8MHz的主振蕩器OSCTUNE=0x40;//PLLEN=1，使能PLL的4倍頻，從而CPU內核時鐘為F為32MHz（2）PIC單片機I/O口方向初始化LCD模塊的交互主要通過RD0..7和RE0..2端口進行，這些端口與單片機PIC相連，主要功能是將數據和指令傳送到LCD模塊。RE0..2在上電復位時默認為模擬輸入，而非數字I/O接口。為改變這一狀態(tài)，需要利用ADCON1控制寄存器設置RE0..2為數字I/O端口，確保數據傳輸的正常進行。在RB端口，它連接了3個按鍵K1..3以及INT0外部中斷信號輸入。為了確保這些功能的穩(wěn)定運行，RB端口應被配置為帶有上拉電阻的輸入端口。啟用RB內部的弱上拉功能，將有助于防止信號干擾，確保輸入信號的可靠讀取。此外，P1A和P1B端口用于輸出PWM信號，因此R1A和R1B必須被設定為輸出引腳，以保證脈寬調制信號的有效傳輸：ADCON1=0x0F;//RA和RE端口全為數字IO口TRISD=0x00;//RD端口置輸出方向TRISE=0x00;//RE端口置輸出方向TRISCbits.TRISC6=0;RD6為輸出引腳TRISCbits.TRISC7=0;RD7為輸出引腳TRISDbits.TRISD4=0;P1A為輸出引腳TRISDbits.TRISD5=0;P1B為輸出引腳(3)TMR0定時/計數器初始化在該系統(tǒng)中，利用TMR0來實現(xiàn)每秒一次的定時功能。通過調整T0CON寄存器的分頻系數設置，以及選擇內部時鐘源來驅動計數，從而確保精確的定時。為了設定1秒的定時，對TMR1L和TMR1H寄存器賦予初始值?？紤]到TMR0支持16位計數，加載初值時需遵循特定順序：首先設置TMR1H，隨后填充TMR1L，以保證在16位操作模式下的正常運作。以下是對TMR0進行初始化的具體實現(xiàn)概要：T0CONbits.TMR0ON=0;//TMR0停止工作T0CONbits.T08BIT=0;//選擇16位的定時/計數器T0CONbits.T0CS=0;//選擇內部CLKO時鐘源作為定時T0CONbits.PSA=0;//選擇預分頻器T0CONbits.T0PS2=1;//預分頻比為1:256T0CONbits.T0PS1=1;T0CONbits.T0PS0=1;TMR0H=(65536-31250)/256;//先寫高字節(jié)TMR0L=(65536-31250)%256;//再寫低字節(jié)T0CONbits.TMR0ON=1;//開始定時工作(4)TMR1定時/計數器初始化在系統(tǒng)運作中，RC0/T13CK引腳接收到來自光柵盤產生的獨特脈沖信號，這些信號隨后被專用于TMR1的計數任務。因此，TMR1需配置為外部計數模式，以確保精準地捕捉每一個脈沖：T1CONbits.RD16=1;//允許一次性讀寫16位T1CONbits.TMR1CS=1;//選擇外部時鐘源,TMR1用作外部計數TMR1H=0;//TMR1數據寄存器清0TMR1L=0;T1CONbits.TMR1ON=1;//允許TMR1開始工作(5)TMR3定時/計化數器初始在用M/T法測量電機的速度時，需要有一個標準時鐘產生標準的計數過程，此處用TMR3工作在16位的定時模式下，以1的速度進行標準脈沖計數。初始化的結果如下：T3CONbits.T3CKPS1=1;T3CONbits.T3CKPS0=1;T3CONbits.RD16=1;//允許一次性讀寫16位T3CONbits.TMR3CS=0;//選擇內部時鐘源,TMR3用作內部計數TMR3H=0;//TMR3數據寄存器清0TMR3L=0;T3CONbits.TMR3ON=1;//允許TMR3開始工作(6)ECCP模塊初始化在電路設計中，L298的IN3和IN4引腳分別與P1A和P1B相連，對電機速度的精細調控。將ECCP模塊設置在PWM模式，確保其工作周期的一致性。PIC18F458微控制器提供了四個強大的PWM輸出端口，它們在PWM模式下，依賴于TMR2定時器來生成具有可調節(jié)周期的PWM信號。這一過程的關鍵在于初始化TMR2，設定合適的PWM周期和占空比，從而賦予電機控制更大的靈活性。詳細的初始化步驟如下：CCP1CON=0x0F;//CCP1設置為PWM模式CCP2CON=0x0F;//CCP2設置為PWM模式T2CON=0x03;//TMR2的預分頻為1:16T2CONbits.TMR2ON=1;//TMR2開始工作PR2=249;//PWM周期為2000Hz,FOSC=32MHzCCPR1L=0;//PWM1的占空比為0CCPR2L=0;//PWM2的占空比為0 (7)CPU中斷系統(tǒng)初始化在系統(tǒng)硬件中，共計設立了四個關鍵的中斷源，每秒觸發(fā)一次的TMR0定時器溢出中斷，TMR1計數器的溢出中斷，TMR3定時器的溢出中斷，以及響應外部事件的INT0中斷。在這4個中斷源中，將INT0和TMR0作為高優(yōu)先中斷執(zhí)行，TMR1和TMR3放在低優(yōu)先中斷服務程序中執(zhí)行，具體的初始化過程如下：INTCONbits.TMR0IF=0;//TMR0溢出標志位清0INTCONbits.TMR0IE=1;//TMR0溢出中斷允許PIR1bits.TMR1IF=0;//TMR1溢出標志位清0PIE1bits.TMR1IE=1;//TMR1溢出中斷允許IPR1bits.TMR1IP=0;//低優(yōu)先級PIR2bits.TMR3IF=0;//TMR1溢出標志位清0PIE2bits.TMR3IE=1;//TMR1溢出中斷允許IPR2bits.TMR3IP=0;//低優(yōu)先級INTCONbits.INT0IF=0;//清INT0中斷標志位//INTCONbits.INT0IE=1;//INT0中斷允許INTCON2bits.RBPU=0;//允許內部弱上拉INTCON2bits.INTEDG0=1;//上邊沿觸發(fā)中斷RCONbits.IPEN=1;//允許中斷優(yōu)先級位INTCONbits.GIE=1;//CPU全局中斷使能允許INTCONbits.PEIE=1;//CPU第二梯隊中斷使能允許4.2.2電機運行控制模塊電機控制系統(tǒng)對電機轉動方向和速度的操縱，這一過程主要由MotorDirection和MotorPWMData兩個關鍵變量來實現(xiàn)，它們共同作用于PIC單片機的增強型PWM（ECCP）模塊，進而生成不同頻率的脈沖信號，這些信號被輸送到L298電機驅動器，驅動電機運轉。當MotorDirection的值設定為0時，電機如同順風之帆，按照預設方向正向旋轉；相反，當MotorDirection被賦值為1時，電機則會逆轉，如同潮水逆流。而MotorPWMData則承載了PWM模塊的占空比信息，其數值范圍在0到250之間，對應于PWM周期的250個單位。具體函數過程如下：voidMotor_Control(unsignedcharDirection,unsignedcharSpeed){If(0==Direction){ CCPR1L=0; CCPR2L=0; CCPR1L=Speed;}else{CCPR2L=0; CCPR1L=0; CCPR2L=Speed; } }4.2.3按鍵識別模塊主程序中要實現(xiàn)對電機啟動、停止鍵識別、電機方向切換鍵識別和電機速度調節(jié)鍵識別。該模塊中沒有采用常規(guī)的按鍵識別過程。通常，解決這一問題的辦法是在軟件中運用一個延時函數，本質上它是一個巧妙包裝的For循環(huán)結構。軟件設計通常依賴于一個While循環(huán)，持續(xù)監(jiān)測按鍵狀態(tài)，直至變化發(fā)生才跳出循環(huán)。然而，這樣的處理方式在主程序中占據了大量CPU時間，降低了處理器的效率，特別是在對實時性有苛刻要求的場景下，這種方法顯得不太適宜。為了解決這個問題并提升CPU的利用效率，考慮采用硬件擴展，引入專門的鍵盤識別芯片來執(zhí)行這一任務。4.3按鍵方法程序框圖該按鍵識別過程的新方法程序框圖如圖14所示。在整個過程中沒有出現(xiàn)循環(huán)語句，從而使得主程序運行模塊的效率得提高，保證了CPU的實時性。圖14按鍵識別方法程序框圖4.4電機啟動、停止控制鍵功能處理當系統(tǒng)啟動時，即其運行狀態(tài)標記為"MotorRunStatus=1"；相應地，如果電機正在運轉，一旦RUNSTOPKEY被按下，電機便會逐漸減速直至完全停止。這種情況下，電機的啟?？刂仆耆蕾囉谶@個關鍵的RUNSTOPKEY。其功能處理的流程圖可參照圖15。圖15啟動、停止鍵功能處理框圖4.5電機正反轉控制鍵功能處理調控電機的旋轉方向，本質上是調整兩個驅動電機的PWM信號。當電機順時針旋轉時，RC1通道會輸送PWM信號，而RC2則保持低電平狀態(tài)；若要電機逆時針轉動，只需交換角色，即RC2輸出PWM，RC1則輸出低電平。這一原理構成了電機轉向變換的基礎。在程序設計中，作為電機轉向的控制開關。通過將這個變量作為參數傳遞給Motor_Control函數，即可輕松實現(xiàn)電機的正反轉操作。如圖16所示。圖16電機正反轉按鍵處理框圖4.6電機速度控制鍵功能處理電機的旋轉速度可以通過調整PWM信號的占空比來巧妙調控。在我們的系統(tǒng)中，一個2ms周期的可調方波信號由ECCP模塊生成，其高電平持續(xù)時間可在0至250的范圍內自由設定。為了便于操作，只需將該變量的值傳遞給Motor_Control（）函數，就能實現(xiàn)對電機速度的精確調整。按鍵改變的正是PWM信號的占空比。用戶可以通過按鍵在0到100的范圍內設定占空比值。4.7LCD顯示模塊將LCD顯示驅動程序封裝為獨立的源代碼文件與頭文件，旨在為后續(xù)的模塊擴展和應用程序開發(fā)提供便利。在這個關鍵的驅動模塊中，四個核心功能：首先是LCD初始化功能，通過LCD_Initize()函數確保屏幕準備就緒；其次是Write_LCD_Command()函數，它扮演著向LCD發(fā)送指令的重要角色；再者，Write_LCD_Data()函數則負責傳輸數據，確保LCD正確顯示信息；最后，LCD_Dispstr()函數專用于顯示字符，使得文本內容能夠生動呈現(xiàn)于LCD之上。整個初始化過程如圖17所示。圖17LCD初始化框圖4.8轉速測量子程序常用的光柵測速方法有三種:測頻法(M法)、測周法(T法)和測頻測周法(M/T法)融合了M法與T法精髓的測速技術，被稱作M/T法測速，系統(tǒng)會在M法的運行基礎上，等待一個特定的時間間隔Tc，直到輸出第一個脈沖，這段時間即為關鍵的檢測時段。針對不同的轉速場景，M/T法展現(xiàn)出卓越的適應性：在高速轉動時，它傾向于采用M法，確保精確度；而在低速運行時，T法則承擔起測量重任，確保在轉速范圍內都能獲得高精度的測量結果。利用M/T法則，配置了PIC單片機的定時器/計數器單元，其中TMRI模塊被設定為運行在計數模式下。與此同時，TMRO被激活于定時器模式，且具備一項獨特功能：當達到預設的時間限制時，它會向中央處理器(CPU)發(fā)送中斷請求。在TMRO的定時周期內，對輸入的每一個脈沖進行仔細記錄。一旦CPU響應中斷，系統(tǒng)便開始對TMRI所累計的脈沖數量進行智能處理，以此轉換并獲取至關重要的轉速信息，確保了數據的準確無誤。在整個速度測量系統(tǒng)中，利用TMR1對外部脈沖進行計數，這一過程由TMR0的1秒定時器輔助同步。每當TMR0達到預設的1秒周期，TMR1會暫停其外部計數任務，接著我們讀取TMR1L和TMR1H寄存器的數值，將其保存在MyTMR1結構體內。對TMR