帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研究

華東交通大學(xué)理工學(xué)院Institute of Technology. East China Jiaotong University畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)Graduation Design （Thesis）（ 2010 2014 年）題 目 帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研究 分 院： 電氣與信息工程分院 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 程川川 起訖日期： 2013.122014.5 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行的研究工作所取得的研究成果。設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已在設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，除此之外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者完全了解學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版，允許設(shè)計(jì)（論文）被查閱和借閱。本人授權(quán)華東交通大學(xué)理工學(xué)院可以將本設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。（保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在解密后適用本授權(quán)書） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日摘要摘 要電機(jī)是現(xiàn)代生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，因其價(jià)格低廉、經(jīng)久耐用、維修容易等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。而在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，有一些設(shè)備需要根據(jù)不同的工作環(huán)境，要調(diào)節(jié)到一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速，如傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，電梯等。從而對(duì)電機(jī)的速度提出了更高的要求，希望一臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行過程中，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度的大小調(diào)節(jié)，功率、轉(zhuǎn)矩計(jì)算等。故此提出了基于單片機(jī)的傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。美國(guó)英特爾公司的一款單片機(jī)MCS-51是一個(gè)單片機(jī)系列，該系列現(xiàn)在非常常用，它集成度高，而且內(nèi)部自帶的功能很全，包括微處理器、RAM、ROM、通用I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、通信接口、PWM脈沖調(diào)制、A/D轉(zhuǎn)換電路等等都集成一個(gè)芯片上，這些所有的模塊在程序的編譯下完成很好的調(diào)控。本課題研究了帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制系統(tǒng)，詳細(xì)研究了單片微機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制主板和接口電路，研究了8位單片機(jī)的使用特點(diǎn)和技巧，設(shè)計(jì)了最小系統(tǒng)板和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，定性分析了變頻器的工作原理。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們完成了單片機(jī)的對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速控制，可以很好的控制直流無刷電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停止、加速、加速等，而且可以在一些反饋量下計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行功率。采用閉環(huán)的PID控制響應(yīng)速度快，性能好，工作可靠，適應(yīng)性好。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；控制系統(tǒng)；傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)；調(diào)速；直流電機(jī)IABSTRACTMotor is one of the most important drive equipment in modern production, due to its advantages of low cost, durable, easy maintenance and has been widely applied.In modern industrial production, there are some equipment need according to different work environment, to adjust to a specific speed, such as transmission test-bed, elevators, etc.To motor speed put forward higher request, hope in the process of running by an electric motor, can realize speed regulation, the size of the power and torque calculation, etc.Therefore put forward the transmission test bench based on single chip microcomputer. Intel, A micro-controller is A single chip microcomputer MCS - 51 series, the series is now in common use, its high level of integration, and itself the function is complete, including microprocessor, RAM, ROM, general I/O port, timer/counter, communication interface, PWM pulse modulation, A/D conversion circuit, and so on are integrated on A chip, these all modules in the program compiled under good control. This topic research the belt transmission test-bed single-chip microcomputer control system, detailed study of the structure of the single chip microcomputer control dc motor speed control system, and design the corresponding control main board and the interface circuit, 8-bit micro-controller is studied using traits and skills, the design of the minimum system board and motor drive circuit, qualitative analyzed the working principle of the inverter.On this basis, we finished the MCU of dc motor speed regulation control, can very good control of the brushless dc motor are turning, inversion, start, stop, speed, acceleration and so on, but also under some feedback quantity to calculate the power and torque of the motor run.Using closed loop PID control response speed, good performance, reliable operation, good adaptability.Keywords: single chip computer; control system; belt drive test-bed; speed regulating; DC motorIII目錄目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄III1 緒論11.1 帶傳動(dòng)及單片機(jī)的簡(jiǎn)介11.2 問題的提出11.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況21.4 課題研究的意義21.5 課題主要任務(wù)3本章小結(jié)32 帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制的基本原理42.1帶傳動(dòng)設(shè)備構(gòu)造及原理42.2 直流電機(jī)調(diào)速52.3 單片機(jī)原理62.3.1 MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)62.3.2 MCS-51單片機(jī)引腳功能72.4 力矩檢測(cè)原理82.5 控制系統(tǒng)總體方案的確定102.5.1 控制方式的選擇102.5.2 系統(tǒng)功能說明10本章小結(jié)103 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)113.2 測(cè)速系統(tǒng)123.2.1 光電編碼器介紹123.2.2 硬件連接133.3 控制面板設(shè)計(jì)133.3.1 按鍵接口133.3.2 LED顯示器143.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)153.5 電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊163.6 PID閉環(huán)控制163.7 硬件PCB173.8 本章小結(jié)174 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)184.1 用Keil軟件進(jìn)行編譯、連接184.2 Proteus簡(jiǎn)介194.3 主程序214.4 轉(zhuǎn)速測(cè)量程序214.5 PID調(diào)節(jié)程序224.6 本章總結(jié)235 總結(jié)24參考文獻(xiàn)25附 錄26致 謝34III華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)論文1 緒論1.1 帶傳動(dòng)及單片機(jī)的簡(jiǎn)介在兩個(gè)或者幾個(gè)帶輪中采用傳送帶的傳動(dòng)方式去拖動(dòng)其它的不見是一種帶傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)方式。帶傳動(dòng)有比較多的優(yōu)勢(shì)，物理結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，所以設(shè)計(jì)方便；對(duì)一些干擾的抗擊性較好，不容易出問題；在工作的時(shí)候不會(huì)有噪音；如果帶超大的負(fù)荷的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)而且傳動(dòng)的方式可以有好多中，包括交叉?zhèn)鲃?dòng)、開口傳動(dòng)等等，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，所以帶傳動(dòng)在好多行業(yè)都有很好的應(yīng)用。例如，在一些大型的剪切機(jī)，因?yàn)榇嬖诒容^大的沖擊量，所以動(dòng)力系統(tǒng)是采用帶傳動(dòng)；在一些汽車的變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)中也是采用帶傳動(dòng)完成動(dòng)力的傳遞。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，深入了解這個(gè)工作的特性和原理很重要，對(duì)以后的設(shè)計(jì)也很有幫助，本畢業(yè)設(shè)計(jì)就是在單片機(jī)的控制下的帶傳動(dòng)。英特爾公司生產(chǎn)的MCS-51單片機(jī)是一款高檔8位單片機(jī)，它的集成度高，功能較全，在控制和開發(fā)應(yīng)用上有很好的特性，特別做在如今的測(cè)控領(lǐng)域是一款很好的CPU控制器。MCS-51單片機(jī)又有很多的分類，但是總體上的組成結(jié)構(gòu)和工作原理是相似的。該系列現(xiàn)在非常常用，它集成度高，而且內(nèi)部自帶的功能很全，包括微處理器、RAM、ROM、通用I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、通信接口、PWM脈沖調(diào)制、A/D轉(zhuǎn)換電路等等都集成一個(gè)芯片上，這些所有的模塊在程序的編譯下完成很好的調(diào)控。1.2 問題的提出在如今的現(xiàn)實(shí)生活中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，其中自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)的使用則有著舉足輕重的作用。即使交流電機(jī)相比直流電機(jī)而言制造方便、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易，但是直流電機(jī)具有較好的起動(dòng)和制動(dòng)性能，方便在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速，故直流調(diào)速系統(tǒng)到現(xiàn)在仍在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中占主要形式?，F(xiàn)在電動(dòng)機(jī)的控制從簡(jiǎn)單走向復(fù)雜，并逐漸成熟成為主流。其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，例如：火炮瞄準(zhǔn)、宇航和軍事方面的雷達(dá)天線、慣性導(dǎo)航等的控制；工業(yè)方面有機(jī)械印刷、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備控制上；計(jì)算機(jī)外部設(shè)備及辦公設(shè)備中的打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀等的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、洗衣機(jī)、空調(diào)等的控制。對(duì)帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基本要求條件為可以虛擬各種工作情況，即負(fù)載與轉(zhuǎn)速可以變化，且可以穩(wěn)定工作；獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。早期試驗(yàn)臺(tái)是借助調(diào)壓器手動(dòng)控制電機(jī)的速度，并且是工作于開環(huán)模式；用來模擬負(fù)荷的磁力制動(dòng)作用，它的電流也是通過滑動(dòng)變阻器進(jìn)行人工調(diào)整。系統(tǒng)試驗(yàn)過程需要人為去作用，不僅勞動(dòng)力度大，且控制方式較差，精度低。采集試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，如用臺(tái)秤檢測(cè)壓力，人工讀數(shù)，方式極其粗糙，且無法把壓力信號(hào)傳至控制系統(tǒng)。為了更好的轉(zhuǎn)向科研教學(xué)，需重新設(shè)計(jì)原試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況對(duì)于原試驗(yàn)設(shè)備的狀況落后，本設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)研制是基于應(yīng)用、推廣數(shù)字控制計(jì)算機(jī)技術(shù)，增加系統(tǒng)的自動(dòng)化能力，讓試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)具有先進(jìn)性?；谥绷麟姍C(jī)的PWM調(diào)速系統(tǒng)于70年代中期產(chǎn)生。最先用于小功率、不可逆驅(qū)動(dòng)，如自動(dòng)記錄儀表、自動(dòng)跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡等 。近年來，因晶體管器件制造水平的提升和電路理論的加深，又因出現(xiàn)永磁直流電機(jī)寬調(diào)速，它們的結(jié)合使的PWM技術(shù)獲得快速發(fā)展，促進(jìn)電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)達(dá)到一個(gè)新高度。 在國(guó)外，脈沖寬度調(diào)制最先是在軍事工業(yè)和空間技術(shù)中使用。它有優(yōu)越的功能，可以達(dá)到高精度、高速度隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的要求。近十年，還擴(kuò)散到民用領(lǐng)域，尤其是廣泛應(yīng)用于機(jī)床業(yè)、自動(dòng)生產(chǎn)線和機(jī)器人等領(lǐng)域中。如今，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢(shì)更為明顯，使得電機(jī)控制以越來越快的腳步前進(jìn)。同時(shí)伴隨市場(chǎng)發(fā)展，用戶對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制要求更加嚴(yán)格，需要它功能更完善、算法復(fù)雜、噪聲低，而對(duì)于可靠性和穩(wěn)定運(yùn)行的要求也越來越高，并且還需要馬達(dá)勻速向變速改進(jìn)，同時(shí)還要滿足全球環(huán)保法規(guī)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。我國(guó)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的研究速度很快，交流調(diào)速的研究速度也相當(dāng)驚人，磁通控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等理論已在實(shí)際中使用，它的控制精度也可和直流傳動(dòng)比較，而且在能源利用等方面獲得了較好的成效。在這方面國(guó)內(nèi)的研究雖然也得到了一些效果，但是相比發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大距離?，F(xiàn)在多半處在生產(chǎn)過程控制級(jí)，且多為單機(jī)控制，很難形成集散的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在變頻調(diào)速技術(shù)上的使用還不廣泛，很多直流傳動(dòng)裝置現(xiàn)在還釆用分離的元件作為系統(tǒng)控制，這種水平還有很大的提升空間。1.4 課題研究的意義本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)核心為單片機(jī)AT89S51，本文設(shè)計(jì)了多個(gè)實(shí)用電路，如單片機(jī)主控板、鍵盤接口、數(shù)碼顯示器接口、壓力傳感器信號(hào)放大及轉(zhuǎn)換接口、直流數(shù)字式可調(diào)電源等。軟件和硬件雖然只是在本系統(tǒng)下設(shè)計(jì)，但也可使用于一般的其它控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)用性較大。本控制對(duì)象為一個(gè)既有機(jī)械又有電氣的計(jì)算機(jī)控制裝置，滿足了現(xiàn)代技科技發(fā)展對(duì)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，可以在本試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行綜合性的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生不僅學(xué)習(xí)機(jī)械方面的知識(shí)，而且對(duì)微機(jī)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電子技術(shù)等都可以有部分了解，利于培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成機(jī)電一體化的思維。試驗(yàn)臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的產(chǎn)品生產(chǎn)和質(zhì)量檢測(cè)也帶有較強(qiáng)的實(shí)際意義。1.5 課題主要任務(wù)本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89S51開發(fā)了一種帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)，硬件由單片機(jī)主控板、鍵盤接口、LED數(shù)碼顯示接口、測(cè)力應(yīng)變片和測(cè)轉(zhuǎn)速光電傳感器等接口電路組成,其主要完成的工作有:檢測(cè)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào),對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,利用PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制,調(diào)整交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁力制動(dòng)器的勵(lì)磁,可實(shí)現(xiàn)如下實(shí)驗(yàn)： (1)依據(jù)不同的轉(zhuǎn)速條件,控制主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速恒定,調(diào)節(jié)負(fù)載大小,分別測(cè)定從動(dòng)輪和主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;(2) 依據(jù)測(cè)出的主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,計(jì)算輸入、輸出功率和傳動(dòng)的效率;(3)根據(jù)從動(dòng)輪及主動(dòng)輪的速度和帶輪直徑,去算出滑差率;(4)測(cè)試不同初拉力情況下皮帶打滑時(shí)轉(zhuǎn)矩。本章小結(jié)本章先介紹了單片機(jī)和帶傳動(dòng)的概念，而后講述了本課題問題的提出，接著描述了國(guó)內(nèi)外帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的單片機(jī)控制現(xiàn)狀，最后講述本設(shè)計(jì)的意義，基于此提出了本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)。2 帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制的基本原理2.1帶傳動(dòng)設(shè)備構(gòu)造及原理帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。包括主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，主動(dòng)輪通過交流電機(jī)帶動(dòng)，而這個(gè)電機(jī)是轉(zhuǎn)動(dòng)的，圖上只畫了電機(jī)的外殼，在工作過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子給定子一個(gè)反作用力，使得機(jī)殼出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，這個(gè)機(jī)殼上有一個(gè)固定的測(cè)力裝置通過觸點(diǎn)傳到壓力傳感器，完成一定的操作后可以獲得力矩。從動(dòng)輪是一個(gè)制動(dòng)器，線圈中在直流電下又一個(gè)磁場(chǎng)，而圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切割磁力線，有楞次定律可以知道會(huì)有一個(gè)反向的力矩，我們只需要改變直流電的大小就可以改變磁場(chǎng)，進(jìn)而改變力矩達(dá)到輸出功率的變化。圖2-1 帶傳動(dòng)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu) 阻力矩測(cè)試方法與主動(dòng)輪相同，可由式2.1得到： （2.1）式中：T軸上力矩 F帶傳動(dòng)的有效圓周力 D帶輪直徑 Q加載后荷載值的讀數(shù) Q0加載前荷載值的讀數(shù) L0旋轉(zhuǎn)中心至觸點(diǎn)的距離假設(shè)有張緊力的作用，也就是說主動(dòng)輪安裝在有滾動(dòng)的導(dǎo)軌底座上面，如果要獲得需要的作用力，只需要把吊重和輪滑的帶拉筋，改變吊重就可以完成不同的預(yù)緊力作用。其對(duì)應(yīng)關(guān)系為： （2.2）式中：W吊重 初應(yīng)力，一般帶傳動(dòng)為1.51.8Mpa A帶的橫斷面積 帶輪角從動(dòng)和主動(dòng)輪都可以在光電傳感器的情況下獲得轉(zhuǎn)速。如果主動(dòng)輪和從動(dòng)輪有相同的輪徑而且沒有相互滑動(dòng)，就可以由下式計(jì)算工作效率： （2.3）式中：傳動(dòng)效率 P1輸入功率 P2輸出功率 T1輸入轉(zhuǎn)矩 T2輸出轉(zhuǎn)矩 n1主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 n2從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速傳動(dòng)輪直徑相同時(shí)，滑動(dòng)率可用下式計(jì)算： （2.4） 式中：滑動(dòng)率 v1主動(dòng)輪線速度 v2從動(dòng)輪線速度2.2 直流電機(jī)調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有三種方法： （1）改變電樞供電電壓U。改變電樞電壓時(shí)，要使電樞電壓從額定電壓往下降低，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，這種調(diào)速方法保證轉(zhuǎn)矩不變。如果系統(tǒng)要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速，這種是最好的方法。變化的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)。（2）調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)主磁通。調(diào)節(jié)磁通可以使無級(jí)平滑調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，這種調(diào)速方法保證功率不變。變化時(shí)間的時(shí)間常數(shù)比變化的相要大得多，所需電源容量，小但響應(yīng)速度較慢。 （3）調(diào)節(jié)電樞回路電阻。這種調(diào)速的方法在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，操作也較為方便。缺點(diǎn)是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟，調(diào)速平滑性差；空載時(shí)會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能；還幾乎沒什么調(diào)速作用。這三種調(diào)速方法各自有優(yōu)缺點(diǎn)，電阻調(diào)速缺點(diǎn)尤為明顯，因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種方法配合起來使用。2.3 單片機(jī)原理2.3.1 MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖2-2 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖英特爾公司生產(chǎn)的MCS-51單片機(jī)是一款高檔8位單片機(jī)，它的集成度高，功能較全，在控制和開發(fā)應(yīng)用上有很好的特性，特別做在如今的測(cè)控領(lǐng)域是一款很好的CPU控制器。MCS-51單片機(jī)又有很多的分類，但是總體上的組成結(jié)構(gòu)和工作原理是相似的。其基本機(jī)構(gòu)如圖2-2所示:（1）中央處理器為8位 單片機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)主要完成累加器ACC、算數(shù)邏輯運(yùn)算ALU、程序狀態(tài)寄存器PSW、堆棧指針SP、寄存器、數(shù)據(jù)指正DPTR、指令存儲(chǔ)器、暫存器TMP等，CPU的運(yùn)算內(nèi)部又包括一個(gè)特殊的位數(shù)據(jù)處理布爾處理機(jī)，添加了面向控制的處理能力，可以完成獨(dú)立的位尋址。（2） 全雙工運(yùn)行的I/O接口 雙工串口運(yùn)行有四種工作方式，它是為了完成單片機(jī)和其它工控機(jī)的相互通信，構(gòu)成一個(gè)只能系統(tǒng)。（3） 中斷系統(tǒng) 單片機(jī)包含5個(gè)中斷級(jí)別系統(tǒng)，包括2個(gè)可編程改寫的中斷系統(tǒng)，可以用于外部中斷請(qǐng)求，串行通信中的中斷設(shè)置和定時(shí)/中斷請(qǐng)求。（4）16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器兩個(gè) 單片機(jī)內(nèi)部集成了兩個(gè)16的定時(shí)或者計(jì)數(shù)器T0、T1，而每個(gè)定時(shí)器又包括4種不同的工作方式用于用戶的選擇，可以完成精確的定時(shí)或延時(shí)控制，計(jì)數(shù)器可以完成外部脈沖的計(jì)數(shù)。（5） 唯一的+5V供電電源 通過一個(gè)低電壓供電，完成片內(nèi)正當(dāng)器與定時(shí)電路，工作的頻率最高也可以達(dá)到12MHZ。（6） 可尋址的片內(nèi)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)還可以擴(kuò)展64K的程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器從這些特性可以知道，單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)和一般的微型計(jì)算機(jī)類似，它的硬件結(jié)構(gòu)功能完備，只不過是吧計(jì)算機(jī)的一些工恩呢該集成在一塊小芯片上，還可以實(shí)現(xiàn)某些特定作用的CPU。2.3.2 MCS-51單片機(jī)引腳功能MCS51型號(hào)的單片機(jī)都是40引腳，但是封裝有直插式和貼片式，制造方式為高密度溝道MOS工藝，40個(gè)引腳中有32個(gè)I/O引腳口，可以單獨(dú)使用，也可以并行使用，課分別作為數(shù)據(jù)、地址線和I/O，還有4個(gè)控制信號(hào)，2個(gè)時(shí)鐘引腳，電源供電和地。其引腳功能如圖2-3所示： （1）I/O口引腳 P0.0P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的3239號(hào)端子），是8位漏極開路的三態(tài)雙向I/O端口，如果使用外部的存儲(chǔ)器，那么這個(gè)口既可以作為地址總線由可以作為數(shù)據(jù)總線，可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。P0口有三個(gè)功能: 如果使用外部存儲(chǔ)器時(shí)，作為數(shù)據(jù)總線使用外部存儲(chǔ)器時(shí)，作為地址總線做擴(kuò)展時(shí)，可當(dāng)做一般的I/O使用，因?yàn)轵?qū)動(dòng)能力不夠，所以需要加上拉電阻。圖2-3 直插式芯片圖 P1口：P1.0P1.7 P1口8位雙向口線對(duì)應(yīng)引腳的18號(hào)，它的內(nèi)部自帶上拉電阻，是一個(gè)單一功能的I/O端口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P2口：P2.0P2.7 P2口8位雙向口線對(duì)應(yīng)引腳的2128號(hào)，內(nèi)部也自帶上拉電阻的，用于擴(kuò)展時(shí)，是地址的高8位，如果不擴(kuò)展，就可當(dāng)做常用的輸入輸出口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P3口：P3.0P3.7 P3口8位雙向口線對(duì)應(yīng)引腳的1017號(hào)，是內(nèi)部自帶上拉電阻的8位雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。（2） 控制引腳 ALE/:ALE是一個(gè)地址鎖存控制信號(hào)，正常作用使輸出為一個(gè)脈沖；是這個(gè)功能對(duì)應(yīng)的另一個(gè)引腳，在程序編寫時(shí)，這個(gè)引腳會(huì)有一定脈沖。：在采用外部的程序存儲(chǔ)器的時(shí)候的一個(gè)選擇讀或者通的信號(hào)，電平為0時(shí)有效。一個(gè)機(jī)器周期中，這個(gè)端口的信號(hào)變化兩次，使用片內(nèi)的資源的話這個(gè)端口無效。（3）時(shí)鐘引腳 單片機(jī)的18,19引腳是時(shí)鐘引腳，這兩個(gè)引腳通過外接晶振和片內(nèi)的一個(gè)方向放大器構(gòu)成一個(gè)晶體振蕩器，產(chǎn)生的振蕩信號(hào)為單片運(yùn)行提供時(shí)鐘。XTAL1：18引腳，是晶體振蕩器的反相輸入端；XTAL2：19引腳，是外接晶體振蕩器的同向輸入端，與18引腳構(gòu)成一個(gè)完整的電路。（4）電源引腳 電源引腳是單片機(jī)的20和40引腳，分別對(duì)應(yīng)地和VCC。：正常運(yùn)行時(shí)的電源，接+5V。：電源地線，接地端。2.4 力矩檢測(cè)原理本系統(tǒng)通過壓力傳感器測(cè)量力矩，如果知道了動(dòng)力距和阻力距那么就可以算出試驗(yàn)臺(tái)的效率了。我們通過杠桿原理去測(cè)量力矩，壓力使得壓力應(yīng)變片發(fā)生形變，檢測(cè)得到的電信號(hào)經(jīng)過電路放大處理后通過A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)，把這個(gè)力和測(cè)量物體的長(zhǎng)度相城就可以獲得力矩。由于壓力的變化中應(yīng)變片的變化量很小，使得產(chǎn)生的電阻變化很小，所以如果采用一般的測(cè)量電路，很難測(cè)量準(zhǔn)確，所以這里為了獲得一個(gè)好的測(cè)量效果，采用電橋測(cè)量，這種測(cè)量電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，而且測(cè)量的精確度也高，測(cè)量范圍也比較寬，還有較高的線性，關(guān)鍵是可以完成溫度補(bǔ)償，所以在很多場(chǎng)合都有應(yīng)用。系統(tǒng)中使用的電橋?yàn)榈缺垭姌?，如圖2-4所示，沒有動(dòng)作前四個(gè)電阻都是相等的買這個(gè)時(shí)候得到的輸出電壓為零。圖2-4 直流電橋結(jié)構(gòu)橋路補(bǔ)償法利用電橋的和、差原理來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?，下面說明雙絲半橋式補(bǔ)償?shù)脑怼Ｈ鐖D2-5所示：圖2-5 直流電橋結(jié)構(gòu)電阻RB是一個(gè)敏感柵，它是是由同符號(hào)電阻溫度系數(shù)的兩種合金串接而成：而且柵的兩部分電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上：工作柵R1盡接入電橋工作背，補(bǔ)償柵R2串接電阻RB (不敏感溫度影響）后接入電橋補(bǔ)償臂；另兩臂照例接入平衡電阻R3和R4。如果溫度發(fā)生變化，兩個(gè)橋臂的補(bǔ)償能量是差不多的，這就完成了補(bǔ)償功能。 （2.5）而外接補(bǔ)償電阻為： （2.6）式中，1t、2t分別為工作柵和補(bǔ)償柵的熱輸出。2.5 控制系統(tǒng)總體方案的確定根據(jù)試驗(yàn)要求，應(yīng)在給定轉(zhuǎn)速和負(fù)載的條件下測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)。因此保證 轉(zhuǎn)速和負(fù)載恒定是本課題的研究重點(diǎn)。2.5.1 控制方式的選擇從控制方式研究，一般現(xiàn)在的控制方式包括模擬控制和數(shù)字控制，模擬控制由于控制的穩(wěn)定性而得到應(yīng)用，同時(shí)其控制對(duì)象也是模擬的；數(shù)字控制有其特別的作用，那就是可以通過程序設(shè)計(jì)需要的功能，靈活性很強(qiáng)，而且控制很方便，但是會(huì)引入離散的變量。數(shù)字控制方式采用的是數(shù)字信號(hào)，溫度影響很小，不會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)飄逸的現(xiàn)象，外圍硬件很好，只需要少量的硬件就可以完成多種作用，而且很容易改變，大部分功能是采用軟件完成，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的控制速度很快，精確度高，所以可以完成很好的計(jì)算和存儲(chǔ)工恩呢該，而且在顯示界面和鍵盤控制上很好完成，通訊也也很容易實(shí)現(xiàn)。而模擬設(shè)備由于硬件復(fù)雜，修改困難，使用很少。綜合以上原因，這里我們采用數(shù)字控制的方式。2.5.2 系統(tǒng)功能說明本系統(tǒng)是采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)，完成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)控制，按照一定的控制算法完成了帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的控制，采用矩陣式的鍵盤完成了多個(gè)按鍵的功能，通過程序可以很容易的修改各個(gè)按鍵的作用，也可以通過無線設(shè)備完成遠(yuǎn)程控制；采用液晶顯示器完成傳動(dòng)臺(tái)的工作狀態(tài)顯示，可以很好的完成轉(zhuǎn)矩，速度、效率、位置等的顯示；檢測(cè)裝置主要是完成兩個(gè)輪子速度的檢測(cè)，然后獲得轉(zhuǎn)矩，通過一定的設(shè)備送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)然對(duì)于電機(jī)調(diào)速，中間還需要一個(gè)變頻器，完成電機(jī)的調(diào)速信號(hào)控制。本章小結(jié)本章主要介紹了帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制的基本原理，首先介紹了帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后簡(jiǎn)單說明了直流電機(jī)和轉(zhuǎn)矩測(cè)量原理，包括直流電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)已經(jīng)原理結(jié)構(gòu)圖本章也詳細(xì)MCS-51單片機(jī)，最后對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用閉環(huán)PID控制。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如下圖所示，硬件電路結(jié)構(gòu)初步設(shè)想由以下部分組成：時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入電路、單片機(jī)、顯示電路。顯示電路部分采用了4段共陰數(shù)碼管顯示系統(tǒng)工作的各個(gè)環(huán)節(jié)和時(shí)間。控制部分采用C語(yǔ)言編程控制，AT89S51芯片采用掃描式對(duì)按鍵值采集，單片機(jī)產(chǎn)生的控制洗衣機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)通過三極管構(gòu)成，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。單片最小系統(tǒng)的控制框圖如圖3-1所示，主要包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、按鍵電路和單片機(jī)核心。復(fù)位電路單片機(jī)時(shí)鐘電路輸入電路驅(qū)動(dòng)電路圖3-1硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖采用AT89S51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，主要模塊是復(fù)位和晶體震蕩電路。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)的所有I/O口全部用于系統(tǒng)的工作，單片機(jī)最小系統(tǒng)的外部接線如圖3-2所示：圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2 測(cè)速系統(tǒng)3.2.1 光電編碼器介紹光電編碼器主要是完成編碼測(cè)速。工作原理和光電傳感器和相似，但是它其實(shí)是一個(gè)集成電路，集成了光電傳感器、電子電路等于一體，我們只需要用聯(lián)軸器把傳感器和電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接就可以完成多路信號(hào)的輸出。這個(gè)應(yīng)用很廣，在數(shù)控機(jī)床、手術(shù)臺(tái)、雷達(dá)、機(jī)器人和軍事活動(dòng)等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，圖3-3就是一個(gè)成品光電編碼器圖。 圖3-3 成品光電編碼器這次設(shè)計(jì)我選的是光電傳感器，采用穿透法測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。 這里我們使用轉(zhuǎn)10個(gè)孔的方式，在一分鐘的時(shí)間內(nèi)，假如產(chǎn)生了10000脈沖，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速就為1000r/min。3.2.2 硬件連接測(cè)量速度和測(cè)量頻率相似，都是采用計(jì)數(shù)法、測(cè)脈寬等方法完成，本設(shè)計(jì)是使用測(cè)脈寬的方式，電路設(shè)計(jì)如圖3-4，仿真由于沒有光電傳感器，這里我們使用555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器去模擬，得到的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行分析，然后得到速度在顯示器上進(jìn)行顯示。圖3-4 成品光電編碼器3.3 控制面板設(shè)計(jì)3.3.1 按鍵接口通過一些開關(guān)可以構(gòu)成鍵盤，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的單片機(jī)和外接的接口，用戶可以按下按鍵，輸入命令或者數(shù)據(jù)，這是由設(shè)計(jì)者在程序中進(jìn)行設(shè)定完成的，通過硬件完成鍵值的處理我們叫做編碼鍵盤，通過軟件識(shí)別不同的鍵值是非編碼鍵盤，編碼鍵盤價(jià)格昂貴，但用起來方便，一般設(shè)計(jì)者們都是采用非編碼鍵盤，這樣對(duì)于功能而言可以由程序自由改進(jìn)，性價(jià)比比較高。這種鍵盤又有獨(dú)立式和矩陣式，矩陣式又叫做行列式，這個(gè)因?yàn)榘存I比較多，所以采用行列式方式，如圖3-5所示：圖3-5 矩陣式鍵盤3.3.2 LED顯示器LED數(shù)碼顯示器這種顯示器件是由LED發(fā)光二極管組合而成的。采用8個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行一定位置的組合，構(gòu)成一個(gè)數(shù)碼管，其中一個(gè)是小數(shù)點(diǎn)，七個(gè)是字符顯示，所以我們也取名為7段數(shù)碼管。LED數(shù)碼共有兩種連接方式：(1) 共陽(yáng)極接法：將發(fā)光二極管的正極都接一塊，形成一個(gè)公共端，這個(gè)公共端在實(shí)際使用時(shí)接電源的正極，而數(shù)碼管的負(fù)極是接電源的負(fù)極，但是因?yàn)槎O管的導(dǎo)通電阻很低，如果直接接電源的話會(huì)把二極管燒壞，所以我們?cè)跀?shù)碼管的負(fù)極接一個(gè)電阻，作為限流。當(dāng)?shù)碗娖皆陉帢O段輸入時(shí)，發(fā)光二極管就被點(diǎn)亮導(dǎo)通，而在高電平被輸入時(shí)則不會(huì)導(dǎo)通。(2) 共陰極接法：將發(fā)光二極管的陰極都接一塊，形成一個(gè)公共端，這個(gè)公共端在實(shí)際使用時(shí)接電源的負(fù)極，而數(shù)碼管的正極是接電源的正極，但是因?yàn)槎O管的導(dǎo)通電阻很低，如果直接接電源的話會(huì)把二極管燒壞，所以我們?cè)跀?shù)碼管的正極接一個(gè)電阻，作為限流。當(dāng)高電平在陽(yáng)極段輸入時(shí)，發(fā)光二極管就被點(diǎn)亮導(dǎo)通，而在低電平被輸入時(shí)則不會(huì)導(dǎo)通。組成一個(gè)“8”字形字符共需8段：7段字形字符，再加上1個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，因此提供給LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼為1個(gè)字節(jié)各段碼位。 如圖3-6所示，對(duì)于8個(gè)7端數(shù)碼管，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)間同時(shí)顯示不同的字符，是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槊總€(gè)時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，控制位只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)位置的控制。但是由于人眼的視覺殘留效果，我們就可以快速的改變數(shù)據(jù)和控制位，讓我們?nèi)搜鄯謩e不出數(shù)據(jù)的改變，達(dá)到虛假的靜態(tài)效果，這就是動(dòng)態(tài)掃描方式，是逐個(gè)點(diǎn)亮數(shù)碼管，每一個(gè)大約顯示5ms的時(shí)間，讓人一種錯(cuò)覺效應(yīng)。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)，往往是先并不知道應(yīng)顯示什么內(nèi)容，這樣也就無從選擇顯示字符的顯示段碼。所以我們一般采用查表的方式完成不同數(shù)字的顯示。圖3-6 數(shù)碼管顯示3.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的電壓，220的交流電先通過變壓器降壓，然后經(jīng)一個(gè)不控整流橋整流得到直流電壓，最后通過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓其中5V給單片機(jī)供電，12V則給電機(jī)供電。 選用7805，一方面簡(jiǎn)單；另一方面比較常用且比較便宜。7805的穩(wěn)壓電源是由變壓器、二極管整流、穩(wěn)壓芯片和電容濾波組成，如圖3-7所示：變壓器是完成將市電降壓的功能，提供給穩(wěn)壓芯片；二極管構(gòu)成的整流電路是把變壓器的交流電整流成直流電；然后通過一個(gè)電容的充放電作用給穩(wěn)壓芯片7805，這個(gè)電壓該芯片可以接受，穩(wěn)壓芯片上面加一個(gè)二極管是完成一個(gè)電量的反向流通，對(duì)整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)一個(gè)保護(hù)作用；最后穩(wěn)壓芯片輸出的電壓不一定很穩(wěn)定，我們通過一個(gè)電容進(jìn)行濾波，去除高頻成分，便可以得到一個(gè)較好的波形。圖3-7穩(wěn)壓電源電路這個(gè)電源存在缺點(diǎn)：穩(wěn)壓芯片不能快速完成調(diào)節(jié)，也就是說如果輸入的信號(hào)或者負(fù)載發(fā)生高速變換時(shí)，電源芯片不能快速響應(yīng)；產(chǎn)生很大的內(nèi)部損耗，這個(gè)能量變?yōu)闊崃勘涣魇Я耍什桓?，故穩(wěn)壓芯片都需要一個(gè)散熱。該電源電路也有其優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，工作穩(wěn)定，便于檢修及調(diào)試；電路簡(jiǎn)單所以使得價(jià)格便宜，對(duì)于工業(yè)很適合；本電路中幾乎不涉及高頻成分，或者高頻工作元件，這可以減少好多的干擾，也特別容易控制。3.5 電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊圖3-8 電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路電機(jī)控制作為全自動(dòng)洗衣機(jī)的一個(gè)核心，需要完成正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加減速等的動(dòng)作。有些驅(qū)動(dòng)是采用集成芯片，而這里我們是使用的三極管電路，通過兩個(gè)對(duì)稱的三極管電路，完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制，其原理類似與差模信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3-8所示。3.6 PID閉環(huán)控制速度的采集：FX2N能夠采用高速脈沖采集，頻率可達(dá)到30KHz，共包含6個(gè)高速計(jì)數(shù)器（HSC0HSC5），有12種工作模式。在固定的時(shí)間段內(nèi)會(huì)采集脈沖差值，經(jīng)過計(jì)算即可獲得當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。例：設(shè)采樣周期是100ms ，即每間隔100ms采集一次脈沖，光電開關(guān)每發(fā)出8個(gè)脈沖，這樣就可知道速度為 （3.1）其中， 為采樣周期內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速單位為 。閉環(huán)控制就是將速度信號(hào)反饋給PLC，再與給定量的比較，輸出給PID控制模塊，從而調(diào)節(jié)速度達(dá)到設(shè)定要求。其結(jié)構(gòu)框圖如下：電機(jī) 圖3-9 速度反饋硬件連接圖-速度給定速度反饋信號(hào)+單片機(jī)（PID） 變頻調(diào)速系統(tǒng)3.7 硬件PCB主控板PCB如下，大小為90x96mm：圖3-13 主控板PCB3.8 本章小結(jié)本章主要是設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分，首先是單片機(jī)的最小系統(tǒng)，然后敘述了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速測(cè)量的各種方式，鍵盤和顯示等控制面板，穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊，還介紹了閉環(huán)PID控制原理，最后在AD軟件下設(shè)計(jì)了主電路的PCB。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 用Keil軟件進(jìn)行編譯、連接美國(guó)Keil Software公司開發(fā)的Keil uVision2 IDE用于 51系列單片機(jī)C語(yǔ)言集成開發(fā)系統(tǒng),使用的開發(fā)語(yǔ)言是傳統(tǒng)的C語(yǔ)言,容易學(xué)習(xí)使用,極大地提高工作效率和減少了項(xiàng)目開發(fā)周期,它還可以嵌入到組裝,可以嵌入在關(guān)鍵的位置,使程序達(dá)到非常高工作效率。Keil uVision2內(nèi)部提供了編程所需的各種庫(kù)文件還同時(shí)集成了各種開發(fā)調(diào)試方式，整體軟件界面上采用的是非常經(jīng)典的Windows界面。你可以在很短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)用它來開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序。另一個(gè)重要的點(diǎn),我們只需要稍微看下Keil uVision2編譯之后的匯編程序，從中不難發(fā)現(xiàn)匯編后的整體語(yǔ)句都是非常緊湊，很容易理解。因此Keil uVision2編譯后的執(zhí)行代碼效率非常的高效，提高了程序的運(yùn)行效率。此外,Keil uVision2 IDE支持C語(yǔ)言程序,也支持匯編語(yǔ)言程序。首先用Keil建立項(xiàng)目文件，在對(duì)匯編程序進(jìn)行編譯之前先將程序文件用.asm存盤。然后將asm程序文件添加到建立的項(xiàng)目中。由于是匯編語(yǔ)言程序，注意把項(xiàng)目中自動(dòng)添加的STARTUP.A51文件刪除，否則編譯時(shí)會(huì)出錯(cuò)。在編譯、連接前注意選擇Project菜單下的Options for TargetTarget1命令，選擇Output選項(xiàng)卡，在Create Executable選項(xiàng)前打鉤，以選擇生成可執(zhí)行文件HEX文件。然后選擇Project菜單下的Built Target命令進(jìn)行編譯、連接。編譯、連接情況如圖4-1.圖4-1 編譯、連接顯示圖4.2 Proteus簡(jiǎn)介Proteus軟件是目前使用最廣泛最先進(jìn)的單片機(jī)CPU和外圍電路模擬仿真工具。這里簡(jiǎn)單的描述留下Proteus仿真軟件的特點(diǎn),介紹下實(shí)時(shí)電路設(shè)計(jì)和仿真的過程和方法, Proteus軟件主要意在為單片機(jī)愛好者和技術(shù)人員提供一個(gè)良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。在PROTEUS中畫好原理圖后,調(diào)用在編譯器中編譯后的目標(biāo)代碼文件,就可以很形象的看到在PROTEUS仿真原理圖的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和過程。在某種程度上可以得到與物理演示實(shí)驗(yàn)相同的效果,后者物理演示實(shí)驗(yàn)的效果難以實(shí)現(xiàn)，其組件、連接等都受到傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的硬件要求的限制。PROTEUS具有以下特點(diǎn)：1.可以有效的將各種系列的單片機(jī)仿真模式與日常常用的另外一種SPICE電路仿真模式有機(jī)的結(jié)結(jié)合在一起。不僅可以有效的實(shí)現(xiàn)各種電路模型的仿真，比如模擬電路和數(shù)字電路的仿真、各種系列單片機(jī)系統(tǒng)的仿真等，而且，Proteus仿真軟件還配備搭載了目前常用的各種虛擬儀器于一體，例如多通道示波器觀察模塊、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊、數(shù)字邏輯分析儀模塊等等。2. 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，Proteus仿真軟件發(fā)展到目前為止都會(huì)在一定程度上面有效的支持目前國(guó)際市面上各種主流系列單片機(jī)以及各種形式控制器的仿真，比較proteus的發(fā)展是與時(shí)俱進(jìn)的。3.Proteus仿真軟件能夠支持與其它軟件的調(diào)試以及各種仿真斷點(diǎn)調(diào)試、單步運(yùn)行調(diào)試和全速運(yùn)行調(diào)試三種常用調(diào)試方式。同時(shí)，proteus還可以同步實(shí)時(shí)的觀察各種系列單片機(jī)以及各個(gè)控制器系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)寄存器和變量的實(shí)時(shí)值，不光如此，proteus還有效的支持了第三方軟件，如Keil C5l uVision2的同步調(diào)試和仿真，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率。Proteus的工作界面的工作界面主要由預(yù)覽窗口、對(duì)象選擇器窗口、圖形編輯器窗口、面向?qū)ο罂刂瓢粹o、仿真過程控制按鈕、標(biāo)題欄、菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、預(yù)覽選項(xiàng)按鈕組成，是一個(gè)Windows工作界面。圖4-2 Proteus ISIS的工作界面對(duì)于程序流程圖，我們一般是采用自上而下的形式設(shè)計(jì)，按照程序執(zhí)行的順序進(jìn)行介紹，這樣對(duì)于程序設(shè)計(jì)者的思路也是很清晰，同時(shí)也便于用戶進(jìn)行理解。本設(shè)計(jì)完成了按鍵的掃描、速度的反饋測(cè)量和處理、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生等功能。對(duì)于電機(jī)的調(diào)速，我們需要產(chǎn)生PWM信號(hào)，這個(gè)是通過軟件定時(shí)控制單片的輸出I/O口，這個(gè)PWM的占空比即可固定也可以調(diào)節(jié)。這里我們采用的是輸出占空比可調(diào)，周期固定的脈沖，因?yàn)槊總€(gè)周期的高低電平數(shù)固定，所以輸出電平我們是通過定時(shí)器設(shè)置。如果PWM波形的周期為T，高定平需要維持時(shí)間為TH，低電平需要維持時(shí)間為TL，對(duì)應(yīng)的高電平電壓時(shí)VCC，那么輸出電壓為：UAV =VCC*TH/（TH+TL）=VCC*TH/T=d*VCC。從這個(gè)式中可以看出，如果VCC已知，電壓平均值由PWM脈沖的占空比決定，而這個(gè)占空比我們是通過單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器設(shè)置完成，也就是我們只需要改變寄存器就可以。程序設(shè)計(jì)一般包括主程序，初始化程序和各子模塊程序。4.3 主程序主程序的流程圖如下：圖4-4 主程序流程圖4.4 轉(zhuǎn)速測(cè)量程序采用中斷方式，按下鍵，單片機(jī)P3.2腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行，同時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)速測(cè)量程序。圖4-5 中斷處理流程圖4.5 PID調(diào)節(jié)程序 閉環(huán)控制就是將輸出量反饋到輸入側(cè)進(jìn)行比較，這樣系統(tǒng)穩(wěn)定可能變差，但是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能會(huì)變好，系統(tǒng)框圖如下：控制值輸出PID控制運(yùn)算 控制量輸入過程采樣 圖4-6 閉環(huán)PID控制原理4.6 本章總結(jié)本章主要是對(duì)單片的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括主程序、按鍵及轉(zhuǎn)速的中斷處理程序和PID控制程序。我們采用的是基于Keil軟件的C語(yǔ)言編程，這便于結(jié)構(gòu)的理解，同時(shí)也便于我們的修改。5 總結(jié)通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我受益匪淺。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間通過與同學(xué)們之間的交流和老師的指導(dǎo)，使自己學(xué)到了不少知識(shí)。除了學(xué)會(huì)了單片微機(jī)的基本知識(shí)，并掌握了它的的工作原理和一些指令的功能以外，還掌握了帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩測(cè)量，并且深化了我對(duì)PID控制技術(shù)的理解。摘要部分概要介紹了其可靠性和實(shí)用性，緒論部分介紹了帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制的背景和問題的提出、本文設(shè)計(jì)的意義及主要任務(wù)等；第二部分介紹了基于帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制的基本原理；第三部分介紹了硬件設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速測(cè)量電源模塊、控制算法等。第四部分主要講的是單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)；第五部分進(jìn)行了總結(jié)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我覺得最重要的就是要有自學(xué)能力，因?yàn)檫@次實(shí)訓(xùn)中有部分知識(shí)我們之前還沒有接觸過，所以自己必須學(xué)會(huì)查找相關(guān)的資料。另外就是在遇到實(shí)際問題的時(shí)候，要認(rèn)真思考，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，一步一步的去探索，是完全可以解決遇到的一般問題的。而在這次設(shè)計(jì)程序的過程中，我一開始時(shí)走了很多彎路，這也是自己的知識(shí)不夠扎實(shí)的原因。不過經(jīng)過自己幾天的努力，最后還是做了出來。通過本畢業(yè)設(shè)計(jì)可以看出用MCS-51單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)是十分可靠的，設(shè)計(jì)中應(yīng)用到了較多的知識(shí)，采用了保護(hù)電路模塊，復(fù)位電路模塊等保護(hù)措施，應(yīng)用了許多較新的元器件，電路圖中有顯示模塊電路、復(fù)位模塊電路、按鍵模塊電路、驅(qū)動(dòng)器端子輸入模塊電路等電路設(shè)計(jì)，很好的實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、急停等功能。參考文獻(xiàn)1 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uint8; /無符號(hào)8位整型變量#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*/定義引腳(根據(jù)硬件改變)sbit BCD6 = P15;sbit BCD5 = P14;sbit BCD4 = P13;sbit BCD3 = P12;sbit BCD2 = P11;sbit BCD1 = P10;#define BCD_PORTP0/*/codeuchar BCD= 0x3f,0x06,0x5b, 0x4f,0x66,0x6d, 0x7d,0x07,0x7f, 0x6f,0xbf,0x86, 0xdb, 0xcf, 0xe6, 0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,0x40; /定義數(shù)字顯示數(shù)組為常量,共陰極 / /*0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0.,1.,2.,3.,4.,5.,6.,7.,8.,9.,-/全局變量SYSTEMTIME CurrentTime; SYSTEMTIME CurrentTime1;/*/延時(shí)子函數(shù) /參數(shù)范圍 0-65536void delay(unsigned int time) /參數(shù) time 大小 /決定延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短while(time-);/*/毫秒級(jí)延時(shí)函數(shù)void mDelay(uchar delay) uchar i; for(;delay>0;delay-) for(i=123;i>0;i-); /*/數(shù)碼管顯示函數(shù)void DisplayYear(uchar temp) BCD_PORT = 0x00;BCD6 = 0;mDelay(10);BCD6 = 1;BCD_PORT = BCD2;BCD5 = 0;mDelay(10);BCD5 = 1;BCD_PORT = BCD0;BCD4 = 0;mDelay(10);BCD4 = 1;BCD_PORT = BCDtemp / 10 %10;BCD3 = 0;mDelay(10);BCD3 = 1;BCD_PORT = BCDtemp %10;BCD2 = 0;mDelay(10);BCD2 = 1;BCD_PORT