基于單片機(jī)的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計文檔下載

隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機(jī)調(diào)速的研究有著積極的意義.長期以來，直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位�；�于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算。系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性高。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼機(jī)、礦井卷機(jī)、挖掘機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，以2A、1000r/min小直流電機(jī)為控制對象，以L298N為H橋驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)速度、電流反饋雙閉環(huán)。采用PID控制算法，調(diào)節(jié)PWM 占空比從而控制電機(jī)兩端電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。用4*3鍵盤輸入有關(guān)控制信號及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。并在4位LED上實(shí)時顯示輸入?yún)��?shù)及動態(tài)轉(zhuǎn)速。

基于單片機(jī)的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

摘要

Abstract            

第一章  緒論

1.1課題背景

1.2課題功能

第二章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1.1  系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.1.2單片機(jī)的選擇及其簡介

2.1.3 其他芯片簡介

2.2  PWM信號發(fā)生電路設(shè)計

2.2.1   PWM的基本原理

2.2.2   PWM信號發(fā)生電路設(shè)計

2.2.3   H橋芯片的工作原理

2.3 主電路設(shè)計

2.4  轉(zhuǎn)速和電流的測量

2.5   AD轉(zhuǎn)換

2.6顯示與鍵盤電路

第三章 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計

3.1  PID控制算法原理及流程圖

3.2 系統(tǒng)部分程序的設(shè)計……………………………………………………....29

   3.2.1 單片機(jī)資源分配……………………………………………………...29

3.2.2 程序流程圖

結(jié)論

參考文獻(xiàn)

附錄

致謝

隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機(jī)調(diào)速的研究有著積極的意義.長期以來，直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位，這主要是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)不僅調(diào)速方便，而且在磁場一定的條件下，轉(zhuǎn)速和電樞電壓成正比，轉(zhuǎn)矩容易被控制；同時具有良好的起動性能，能較平滑和經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)速度。因此采用直流電機(jī)調(diào)速可以得到良好的動態(tài)特性。由于直流電動機(jī)具有優(yōu)良的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼機(jī)、礦井卷機(jī)、挖掘機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流系統(tǒng)的基礎(chǔ)，長期以來，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占重要位置。

本文介紹了基于AT89C52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)PID控制的直流脈沖（PWM）調(diào)速系統(tǒng)，并且詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的控制方法、結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計、程序設(shè)計等方面的問題。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速性能好，性能價格比高，真正實(shí)現(xiàn)了直流調(diào)速系統(tǒng)的高精度控制。

本設(shè)計是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，以2A、1000r/min小直流電機(jī)為控制對象，L298N為H橋驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)速度、電流反饋雙閉環(huán)。采用PID控制算法，調(diào)節(jié)PWM 占空比從而控制電機(jī)兩端電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。用4*3鍵盤輸入有關(guān)控制信號及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。并在4位LED上實(shí)時顯示輸入?yún)��?shù)及動態(tài)轉(zhuǎn)速。

本設(shè)計的任務(wù)是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，以小直流電機(jī)為控制對象，實(shí)現(xiàn)速度、電流反饋雙閉環(huán)、采用PID控制算法。方便的人機(jī)對話接口，用鍵盤輸入有關(guān)控制信號及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。并在LED上實(shí)時顯示輸入?yún)��?shù)及動態(tài)轉(zhuǎn)速。因此整個系統(tǒng)大致包括五部分：單片機(jī)、顯示電路、鍵盤電路、驅(qū)動電路、檢測電路。【1】

根據(jù)設(shè)計任務(wù)，提出如圖2.1所示的硬件電路組成框圖。

圖2.1

本設(shè)計選用了AT89C52單片機(jī)【2】，下面對它進(jìn)行介紹。圖2.2給出了At89C52的芯片引腳結(jié)構(gòu)。

at89c52單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容。功能強(qiáng)大的at89c52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場合。

（1）At89C52  主要性能參數(shù)

①與Mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。
②8字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲器
③1000 次擦寫周期
④全靜態(tài)操作：0HZ-24MHZ
⑤三級加密程序存儲器
⑥256X8字節(jié)內(nèi)部RAM
⑦32個可編程I/0口線
⑧3個16 位定時／計數(shù)器
⑨8個中斷源
⑩可編程串行UART通道、低功耗空閑和掉電模式

（2）At89C52功能特性
    AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8字節(jié)FLASH閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM , 32個I/O口線，3個16 位定時／計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89c52可降至OHz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式�？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時／計數(shù)器．串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位.

圖2.2  AT89C52引腳圖

（3）At89C52部分引腳功能說明
①XTAL1：片內(nèi)晶振電路反相放大器的輸入端．

②XTAL2：片內(nèi)晶振電路反相放大器的輸出端。
③P0：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O 口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時．每位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL 邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。
    在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。
    在FLASH中編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。
④P1口：P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。與AT89C51不同之處是，Pl.0 和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（Pl.0/T2 ）和外部觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX) , FLASH編程和程序校驗(yàn)期間，Pl接收低8位地址。

⑤P2口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。
    在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOvx@DPTR 指令）時，P2送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器、如執(zhí)行MOVX@RI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。
    FLASH編程或校驗(yàn)時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。

⑥P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。
    P3口除了作為I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示。

此外，P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。⑦RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。

表2.1

⑧ALE/PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)．一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個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)。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位．可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE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，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。

⑨PSEN：程序儲存允許PSEN輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

⑩EA/VPP：外部訪問允許。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)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端）, CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。
    flash存儲器編程時，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 。

（4）AT89C52特殊功能寄存器

在AT89C52片內(nèi)存儲器中，80H-FFH共128個單元為特殊功能寄存器（SFE ) 。并非所有的地址都被定義，從80H-FFH共128 個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當(dāng)一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)位將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。
    不應(yīng)將數(shù)據(jù)"1"寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能。在這種情況下，復(fù)位后這些單元數(shù)值總是“0”。

（5）AT89C52 單片機(jī)擴(kuò)展電路及分析

AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8字節(jié)FLASH閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM , 32個I/O口線，3個16 位定時／計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。由于AT89C52具有256字節(jié)內(nèi)部RAM。            對本設(shè)計已經(jīng)足夠使用，因此不需要再擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。但本設(shè)計需外擴(kuò)I/O接口，因此采用8255擴(kuò)展外部I/O口。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的Ｐ0口是數(shù)據(jù)總線和低八位地址線共用的，所以需要使用地址鎖存器74ＨＣ373。由此將Ｐ0口地址送于74ＨＣ373鎖存，以便下一時刻，Ｐ０口傳送數(shù)據(jù)。

2.1.3.18255的簡介【3】

8255是一個并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口.它具有24個可編程設(shè)置的I/O口,即3組8位的I/O口，為PA口,PB口和PC口.它們又可分為兩組12位的I/O口,A組包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B組包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A組可設(shè)置為基本的I/O口,閃控(STROBE)的I/O閃控式,雙向I/O3種模式;B組只能設(shè)置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式,而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定。圖2.3給出了8255芯片引腳結(jié)構(gòu).

8255引腳功能
① RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端外接高電平時，所有內(nèi)部寄存器(包括控制寄存器)均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。

② CS:芯片選擇信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0時,表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊;/CS=1時,8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸.
③ RD:讀信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/RD=0且/CS=0時,允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。
④ WR:寫入信號，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/WR=0且/CS=0時,允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。
⑤ D0～D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。
⑥ PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。
⑦ PB0～PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位的輸入輸出緩沖器。
⑧ PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個4位的端口， 每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。8255 有4 個內(nèi)部緩存器，分別是A 端口緩存器、B 端口緩存器、C 端口緩存器及控制緩存器。
    當(dāng)微電腦要讀寫8255 的內(nèi)部緩存器時，必須利用A1 及A0 指定要對那一個暫器進(jìn)行讀寫 動作。下表為A1、A0 配合RD、WR及CS 的控制狀態(tài)表。

表2.2

373為三態(tài)輸出的八 D 透明鎖存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 兩種線路結(jié)構(gòu)型式。

74HC373其主要電器特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別):
型號 tPd PD
54S373/74S373 7ns 525mW
54LS373/74LS373 17ns 120mW
    373 的輸出端 O0~O7 可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0~O7 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，O0~O7 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，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時，O 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。

圖2.4給出了74HC373芯片引腳結(jié)構(gòu)。

圖2.4  74HC373引腳圖

2.1.3.3L298N簡介【5】

L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路�？梢苑奖愕尿�(qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。

圖2.5是L298N內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達(dá)2．5 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，如圖2.7此裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接PWM端，控制電機(jī)的速度。表2.3是L298N功能邏輯圖。 　　

圖2.5

表2.3

In3，In4的邏輯圖與表1.3相同。由表2.3可知EnA為低電平時，電機(jī)停止運(yùn)行，當(dāng)EnA為PWM時，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。下圖是其引腳圖：

1.008.jpg (31.23 KB, 下載次數(shù): 58)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

圖2.7

圖2.8為采用內(nèi)部集成有兩個橋式電 路的專用芯片L298所組成的電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的 橋式電路來驅(qū)動直流電機(jī)，這種方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)。每一組PWM波用來控制一個電機(jī)的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡單，電路也很簡單，一個芯片內(nèi)包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性，如圖所示IOB10、IOB11控制第一個電機(jī)的方向，IOB8輸入的PWM控制第一個電機(jī)的速度；IOB12、IOB13控制第二個電機(jī)的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個電機(jī)的速度。

圖2.8

AD574A 是美國模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速 12 位逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容器件即可構(gòu)成一個完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器.

AD574是一種常用的12位AD變換芯片，也可以實(shí)現(xiàn)8位轉(zhuǎn)換。有兩個模擬信號輸入端，分別為10V輸入端和20V輸入端，各自都既允許單極性輸入，也允許雙極性輸入。但芯片本身是單路工作，只允許一個模擬信號輸入端接入信號。它可以和16位CPU相連接，也可以和8位CPU相連接。只需要適當(dāng)?shù)母淖兡承┛刂埔�腳的接法。AD574可以通過簡單的三態(tài)門 、鎖存器接口與微機(jī)的系統(tǒng)總線相連接，也可以通過編程接口與系統(tǒng)總線相連接。采用查詢STS狀態(tài)可判斷變換是否完成。

AD574A主要功能特性如下：

①分辨率：12位

②非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS     

③轉(zhuǎn)換速率：25us   

④模擬電壓輸入范圍：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V兩檔四種   

⑤電源電壓：±15V和5V         

⑥數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位

⑦芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式

圖2.9 AD574引腳圖

AD574A的引腳結(jié)構(gòu)如圖2.9。

[1]. Pin1(+V)——+5V電源輸入端。

[2]. Pin2(12/8 )——數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。

[3]. Pin3(CS )——片選端。

[4]. Pin4(A0)——字節(jié)地址短周期控制端。與 端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是， 端TTL電平不能直接+5V或0V

連接。

[5]. Pin5(R/C)——讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。

[6]. Pin6(CE)——使能端。

[7]. Pin7(V+)——正電源輸入端，輸入+15V電源。                                

[8]. Pin8(REF OUT)——10V基準(zhǔn)電源電壓輸出端。

[9]. Pin9(AGND)——模擬地端。

[10]. Pin10(REF IN)——基準(zhǔn)電源電壓輸入端。

[11]. Pin(V-)——負(fù)電源輸入端，輸入-15V電源。

[12]. Pin1(V+)——正電源輸入端，輸入+15V電源。

[13]. Pin13(10V IN)——10V量程模擬電壓輸入端。

[14]. Pin14(20V IN)——20V量程模擬電壓輸入端。

[15]. Pin15(DGND)——數(shù)字地端。

[16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12條數(shù)據(jù)總線。通過這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

[17]. Pin28(STS)——工作狀態(tài)指示信號端，當(dāng)STS=1時，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)STS=0時，聲明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過此信號可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為單片機(jī)的中斷或查詢信號之用。  
   AD574工作時序的控制功能狀態(tài)表。

表 2.4

LF398是一種反饋型采樣保持放大器，也是目前較為流行的通用型采樣保持放大器。與LF398結(jié)構(gòu)相同的還有LF198/LF298等，都是由場效應(yīng)管構(gòu)成，具有采樣速度高，保持電壓下降慢和精度高等特點(diǎn)。

當(dāng)作為單一放大器時，LF398直流增益精度為0.002%,采樣時間小于6us時精度可達(dá)0.01%;輸入偏置電壓的調(diào)整只需在偏置端(2腳)調(diào)整即可,并且在不降低偏置電流的情況下,帶寬允許1MHz,其主要技術(shù)指標(biāo)有:
1、工作電壓：+5--+18V
2、采樣時間：<10us
3、可與TTL、PMOS、CMOS兼容
4、當(dāng)保持電容為0.01uF時，典型保持步長為0.5mV
5、低輸入漂移，保持狀態(tài)下輸入特性不變
6、在采樣或保持狀態(tài)時高電源抑制

下圖為集成采樣/保持器--LF398引腳圖。

1.013.jpg (6.64 KB, 下載次數(shù): 60)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

圖2.10  LF398引腳圖               圖2.11 CS3020外形圖                                 

2.1.3.6 3020T簡介

霍爾傳感器【7】是對磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號采集的有CS3020、CS3040等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖2.11所示是CS3020的外形圖，將有字面對準(zhǔn)自己，三根腳從左右

分別是Vcc，地，輸出。
    使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以[url=]實(shí)現(xiàn)[/url]旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。
    這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。

2.1.3.7 CS040G簡介

CS040G系列霍爾電流傳感器

應(yīng)用霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。

結(jié)構(gòu)參數(shù)（mm）：

圖2.12

引腳說明：

1：+ 15V

2：0V(電源地)

3：Vout

4：-15V

表2.5結(jié)構(gòu)參數(shù)

使用說明                                                

1.傳感器按結(jié)構(gòu)圖說明接線，當(dāng)待測電流從傳感器穿芯孔中穿入，即可從輸出端測得與被測電流一一對應(yīng)的電壓值。（注：錯誤的接線可能導(dǎo)致傳感器的損壞）

2.根據(jù)用戶需求定制不同額定輸入電流和輸出電壓的傳感器。

3.傳感器的輸出幅度可根據(jù)用戶需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation-簡稱PWM)【8】調(diào)速產(chǎn)生于20 世紀(jì)70 年代中期，最早用于自動跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡、自動記錄儀表等的驅(qū)動，后來由于晶體管器件水平的提高及電路技術(shù)的發(fā)展, PWM 技術(shù)得到了高速發(fā)展,各式各樣的脈寬調(diào)速控制器，脈寬調(diào)速模塊也應(yīng)運(yùn)而生，許多單片機(jī)也都有了PWM輸出功能。而MCS-51 系列單片機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)之一，卻沒有PWM 輸出功能，本文采用定時器配合軟件的方法實(shí)現(xiàn)了MCS-51單片機(jī)的PWM輸出調(diào)速功能,這對精度要求不高的場合是非常實(shí)用的。

理論基礎(chǔ)：
　　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，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

　圖2.13　形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

面積等效原理：
　 分別將如圖2.13所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2.14a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖2.14b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。
SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。

要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。
　　PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。
　　SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理

采用定時器及軟件編程輸出PWM。用單片機(jī)控制H橋芯片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)。

本設(shè)計采用H橋驅(qū)動芯片L298N來實(shí)現(xiàn)PWM電機(jī)調(diào)速。

圖2.15 用PWM波代替正弦半波

2.2.3   H橋芯片的工作原理【9】

圖2.16中所示為一個典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋式驅(qū)動電路”是因?yàn)樗�的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：圖2.16及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。
    如圖2.16所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖2.17所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。
當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向）。

圖2.16 H橋式電機(jī)驅(qū)動電路
      

1.019.jpg (18.01 KB, 下載次數(shù): 42)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

圖2.17 H橋電路驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動

    圖2.18所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另

一方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時針方向）。

二、使能控制和方向邏輯

驅(qū)動電機(jī)時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。
    基于上述原因，在實(shí)際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。

    圖2.19所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導(dǎo)通。（與本節(jié)前面的示意圖一樣，圖2.19所示也不是一個完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。）

采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR－L信號為0，DIR－R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)（如圖2.20所示）；如果DIR－L信號變?yōu)?，而DIR－R信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)。
實(shí)際使用的時候，用分立件制作H橋式是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號就可以使用了，在額定的電壓、電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

圖2.19具有使能控制和方向邏輯的H橋電路
   

1.022.jpg (18.84 KB, 下載次數(shù): 54)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

圖2.20 使能信號與方向信號的使用

2.3 主電路設(shè)計

本設(shè)計中電機(jī)兩端電樞電壓由L298提供，通過調(diào)節(jié)PWM占空比來調(diào)節(jié)L298輸出電壓即電機(jī)兩端電樞電壓。主電路設(shè)有H橋型二級管電路作為保護(hù)電路。

電源經(jīng)單相整流，電容濾波、穩(wěn)壓后提供本設(shè)計所需電源。穩(wěn)壓器7805、7905分別提供+5V、-5V電壓，7815、7915分別提供+15V、-15V電壓。

轉(zhuǎn)速檢測的傳感器、電流檢測的傳感器都要與直流電機(jī)連接。

電源部分如圖2.21。

本設(shè)計采用3020T和CS040G分別對電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行測量。

3020T其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。

設(shè)計中采用定時器T0，再配以軟件計數(shù)器對脈沖進(jìn)行計數(shù)。

CS040G   應(yīng)用霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。當(dāng)待測電流從傳感器穿芯孔中穿入，即可從輸出端測得與被測電流一一對應(yīng)的電壓值。如圖2.22。

  圖2.21

由于本設(shè)計只有電流信號需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，因此采用單通道AD轉(zhuǎn)換芯片AD574。而電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動方向的不同會有正負(fù)之分，因此AD574采用雙極性接法。AD芯片與采樣保持其的連接如下：

圖2.23

本設(shè)計需要4為ＬＥＤ來實(shí)時顯示轉(zhuǎn)速值，且當(dāng)有鍵盤按下時，要給予相應(yīng)的顯示，本設(shè)計采用動態(tài)顯示。

動態(tài)顯示方式：動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則顯示器的公共端只需一個8位I/O口進(jìn)行動態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個8位口（稱為段碼輸出）。

４位共陽極ＬＥＤ，用ＰＮＰ型三極管進(jìn)行驅(qū)動。8255A口的PA3到PA0分別控制4位LED的選通，ＰＢ口則進(jìn)行８位筆段代碼的傳輸。

本設(shè)計采用３＊４矩陣鍵盤，由8255的C口控制鍵盤，PC2到PC0作為列線，PC7到PC4作為行線。

第三章 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計

3.1  PID控制算法原理及流程圖

所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δku。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數(shù)值時，可以使用增量式PID控制算法進(jìn)行控制。
    增量式PID控制算法可以通過（式3.1）推導(dǎo)出。

1.027.jpg (3.94 KB, 下載次數(shù): 43)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

（3.2）

1.028.jpg (9.75 KB, 下載次數(shù): 39)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

(3.3)

由（式3.3）可以看出，如果計算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由（式3.3）求出控制量。
    增量式PID控制算法與位置式PID算法（式3.1）相比，計算量小的多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。
    而位置式PID控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計算公式：

1.030.jpg (1.77 KB, 下載次數(shù): 50)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

   (3.5)

圖3.2軟件算法流程圖

在實(shí)際編程時α0、α1、α2可預(yù)先算出，存入預(yù)先固定的單元，設(shè)初值e（k-1）、e（k-2）為0。

增量式PID算法的優(yōu)點(diǎn)（1）位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的積累誤差。而增量式只需計算增量，當(dāng)存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小。

3.2 系統(tǒng)中部分程序的設(shè)計
3.2.1 單片機(jī)資源分配

系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)存分配表：

主程序包括如下三個環(huán)節(jié)：

實(shí)現(xiàn)各種初始化，包括設(shè)置堆棧指針、8255初始化、定時器/計數(shù)器初始化、以及開中斷、定時器/計數(shù)器啟動等。

實(shí)現(xiàn)顯示（按照人機(jī)對話功能顯示各種不同參數(shù)）

不斷地進(jìn)行鍵掃描，判斷是否有鍵按下。如無鍵按下，則返回；若有鍵按下，則轉(zhuǎn)各鍵處理子程序。

系統(tǒng)每隔10ms對轉(zhuǎn)速、電流采樣一次，每采樣三次，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理。即分別對轉(zhuǎn)速、電流采樣值進(jìn)行中值濾波，標(biāo)度變換，之后送顯示緩存區(qū)，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出作為電流PID運(yùn)算的輸入，電流PID運(yùn)算的輸出用來調(diào)節(jié)PWM占空比。

中斷程序流程如圖3.4

1.033.jpg (19.49 KB, 下載次數(shù): 47)

下載附件

2017-3-3 02:43 上傳

本次設(shè)計我做的是直流電機(jī)調(diào)速，以前也接觸過，是在實(shí)訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)臺上實(shí)現(xiàn)。通過本次設(shè)計我了解了許多關(guān)于直流電機(jī)調(diào)速的知識，也查詢了許多的資料，并結(jié)合自己的想法完成了課題。經(jīng)過學(xué)習(xí)，使我對51單片機(jī)有了更進(jìn)一步的了解，對一個系統(tǒng)的設(shè)計要如何入手有了更加深刻的體會。在整個設(shè)計過程中，也遇到了一些問題，如PID算法、PWM占空比調(diào)節(jié)等，但經(jīng)過努力都一一解決了。

本設(shè)計的任務(wù)是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，以小直流電機(jī)為控制對象，實(shí)現(xiàn)速度、電流反饋雙閉環(huán)、采用PID控制算法。方便的人機(jī)對話接口，用鍵盤輸入有關(guān)控制信號及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。并在LED上實(shí)時顯示輸入?yún)��?shù)及動態(tài)轉(zhuǎn)速。

我的設(shè)計是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，以2A、1000r/min小直流電機(jī)為控制對象，以L298N為H橋驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)速度、電流反饋雙閉環(huán)。采用PID控制算法，調(diào)節(jié)PWM 占空比從而控制電機(jī)兩端電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。用4*3鍵盤輸入有關(guān)控制信號及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。并在4位LED上實(shí)時顯示輸入?yún)��?shù)及動態(tài)轉(zhuǎn)速。

我用了Protel 99 se來繪制系統(tǒng)硬件電路圖。用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的資源編譯了我的程序，并且通過了編譯。