基于PWM_的直流電機控制

1、. v論文一：基于 PWM 技術的直流電機控制摘摘 要：要： 在運動控制系統(tǒng)中，電機轉速控制占有至關重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結構，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬 PID 控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實際中，由于現(xiàn)場的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達到最佳的控制效果，因此采用模擬 PID 控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計算機技術與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字 PID 技術漸漸發(fā)展起來，它不僅能夠實現(xiàn)模擬 PID 所完成的控制任務，而且具備控制算法

2、靈活、可靠性高等優(yōu)點，應用面越來越廣。關鍵詞：數(shù)字 PID；PWM 脈沖；占空比；無靜差調節(jié) The control of the DC motor based on PWM modulation techniqueAbstractAbstract: In the motion control system,the control of electromotors rotate speed is of great importance,there are a lot of speed control arithmetic and methods ,the analog PID control

3、is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure ,its parametric setting is convenient and its easy to meet normal controls demand,but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the

4、system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the analog PID controller barely has satisfied effect.With the development of computer technology and intelligent control theory,the digital PID technology is thriving which can achieve

5、the analog PIDs control tasks and consists of many . vadvantages like flexible control arithmetic and high reliability,it is widely used now. Keywords：digital PID；PWM；dutyfactor；astatic modulation目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用。本次設計主要是利用 PID 控制技術對直流電機轉速的控制。其設計思路為：以 AT89S51 單片機為控制核心，產

6、生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脈沖實現(xiàn)對直流電機轉速的控制。同時利用光電傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，構成轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到轉速無靜差調節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過 44 鍵盤設置 P、I、D、V 四個參數(shù)和正反轉控制，啟動后通過顯示部件了解電機當前的轉速和運行時間。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機驅動模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機交互模塊。軟件部分采用 C 語言進行程序設計，其優(yōu)點為：可移植性強、算法容易實現(xiàn)、修改及調試方便、易讀等。1PID 算法及 PWM 控制技術簡介1.1 PID 算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的

7、一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為 PID 控制。實際經驗和理論分析都表明，PID 控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬 PID、數(shù)字 PID及其參數(shù)整定方法。1.2 數(shù)字 PID在 DDC 系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。. v)()(neKnuPp由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必

8、須對控制規(guī)律進行離散化的算法設計。為將模擬 PID 控制規(guī)律按式（1.2）離散化，我們把圖 1.1 中)(tr、)(te、)( c) t (tu、 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用)()()()(ncnunenr、表示，于是式（1.1）變?yōu)?：)(ne=)(nr)(nc （1.1）當采樣周期 T 很小時dt可以用 T 近似代替，)(tde可用) 1()(nene近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似Tnenedttde)1()()( （1.2）tniTiedtte01)()( （1.3）這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程01)1()()()()(uneneTTneTTneKnuniD

9、IP（1.4）上式中0u是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項)(nup,即 (1.5）第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項)(nUI即niIPIieTTKnu1)()( （1.6）第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項)(nUd即)1()()(neneTTKnuDPD （1.7）這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用,常用的組合有:. vIPITTKK0)2()1(2)()()1()(uneneneKneKneneKDIP)(nu011)2() 1()() 1() 1(uneneTTneTTneKnuniDIP0)()()()(unununun

10、uDIP0)()()(unununuDP0)()()(unununuIP0)()(ununuPP 控制: （1.8）PI 控制: （1.9） PD 控制: （1.10）PID 控制: （1.11） 式（1.7）的輸出量)(nu為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時刻應達到的位置。因此,式（1.7）又稱為位置型 PID 算式。 由（1.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差)(te,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（1.7）進行改進。根據(jù)式（1.7）不難看出 u(n-1)的表達式，即（1.12）將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數(shù)字 PID 增

11、量型控制算式為 （1.13） 從上式可得數(shù)字 PID 位置型控制算式為 （1.14）式中： pk稱為比例增益； 稱為積分系數(shù)；. vTTKKDPD 稱為微分系數(shù)1。數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型示意圖分別如圖 1 和 2 所示：圖 1 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖圖 2 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖1.3 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述

12、各項要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID 調節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，可解決一般實際問題。1.4 直流電機的 PWM 控制技術根據(jù) PWM 控制的基本原理可知，一段時間內加在慣性負載兩端的PWM 脈沖與相等時間內沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間 T 內脈沖寬

13、度為0t,幅值為 U，由圖 3 可求得此時間內脈沖的等效直流電壓為：. vUTUtnTUntU000UU0鍵盤模塊控制器模塊顯示模塊電機驅動模塊直流電機速度檢測模塊PWM脈沖U(t)0tTt0U2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0U(t)0tTt0U ，若令 ，即為占空比，則上式可化為： (U 為脈沖幅值) （1.15） 圖 3 PWM 脈沖若 PWM 脈沖為如圖 4 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （1.16） 圖 4 周期性 PWM 矩形脈沖由式 1.20 可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值 U 和占

14、空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在 0U 之間任意調節(jié)，從而達到利用 PWM 控制技術實現(xiàn)對直流電機轉速進行調節(jié)的目的。2 設計方案與論證2.1 系統(tǒng)設計方案根據(jù)系統(tǒng)設計的任務和要求，設計系統(tǒng)方框圖如圖 5 所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產生 PWM 脈沖送到電機驅動電路中，經過放大后控制直流電機轉速，同時利用速度檢測模塊將當前轉速反饋到控制器中，控制器經過數(shù)字 PID 運算后改變 PWM

15、脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉速實時控制的目的。圖 5 系統(tǒng)方案框圖 TUtU00Tt0. v3 單元電路設計3.13.1 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖 6 所示。采用 AT89S51 單片機作為核心器件，轉速檢測模塊作為電機轉速測量裝置，通過 AT89S51 的P3.3 口將電脈沖信號送入單片機處理，L298 作為直流電機的驅動模塊，利用 12864LCD 顯示器和 44 鍵盤作為人機接口。圖 6 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖3.2 電機速度采集電路設計 在本系統(tǒng)中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較，通過偏差進行 PID 運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部

16、分。本次設計中應用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 N 個等分凹槽如圖 7（a）所示，在圓盤的一側固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導通，反之三極管截止，電路如圖 7（b）所示，從圖中可以得出電機每轉一圈在 P3.3 的輸出端就會產生 N 個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉速了。例如當電機以一定的轉速運行時，P3.3 將輸出如圖 8 所示的脈沖，若知道一段時間 t 內傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 n，則電機轉速 v

17、=r/s。 (a) (b)圖 7 電機速度采集方案 圖 8 傳感器輸出脈沖波形4 軟件設計4.1PID 算法. v本系統(tǒng)設計的核心算法為 PID 算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設定值進行比較得出偏差)(ne，對偏差進行 P、I、D 運算最終利用運算結果控制 PWM 脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調節(jié)10，進而控制電機轉速。其運算公式為：因此要想實現(xiàn) PID 控制在單片機就必須存在上述算法，其程序流程如圖 9 所示。 4.2 程序流程主流程圖在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應設計任務的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程設計出主程序流程如圖 10 所示圖

18、 10 主程序流程5 系統(tǒng)測試與分析為了確定系統(tǒng)與設計要求的符合程度，需要進行系統(tǒng)測試與分析，但是由于試驗調節(jié)的制約和時間的限制，不能完成此次制作，只能通過軟件仿真進行驗證，在這里使用的是英國的 Proteus 軟件進行測試，對于電機速度采集可根據(jù)設定的電機速度計算出 P3.3 口輸入的方波脈沖的頻率和占空比，來改變等效直流電壓的大小，給 P3.3 輸入此脈沖來實現(xiàn)電機速度采集。并允許誤差存在。下面以 PID 調節(jié)器為例，具體說明經驗法的整定步驟：讓調節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)Ik=0，實際微分系數(shù)Dk=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)pk，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意

19、的控制過程為止。取比例系數(shù)pk為當前的值乘以 0.83，由小到大增加積分系數(shù)Ik，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。. v積分系數(shù)Ik保持不變，改變比例系數(shù)pk，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)pk增大一些，再調整積分系數(shù)Ik，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)pk和積分系數(shù)Ik為止。引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)Dk和實際微分時間DT，此時可適當增大比例系數(shù)pk和積分系數(shù)Ik。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。PID 參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般 P 可

20、在 10 以上,I 在（3、10）之間,D 在 1 左右。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般 P 在（1、10）之間,I 在（0、5）之間,D 在（0.1、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調試時進行修正。根據(jù)上訴方法，通過軟件仿真系統(tǒng)得出數(shù)據(jù)如表 1 所示，通過觀察得出該系統(tǒng)比較合適的 P、I、D 三者的參數(shù)值為: pk=2, Ik=2.2, Dk=0.2。并且可以反映表 1 測試數(shù)據(jù)表次數(shù)設定pk設定Ik設定Dk設定（r/min）超調量調節(jié)時間（s）誤差122.20.210084%1232.20.2100155%2342.20.21002211%5412.20.210056%3502.20.210

21、0112%6621.10.210068%2. v7200.21002%15%9823.30.210085%1924.40.210097%21022.20.110086%11122.201006%5%51222.20.31007%5%11322.20.41006%7%4通過上訴的數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)完成了設計的任務及要求，證實了設計方案的可行性和設計方法的正確性。6 結論本課題的目的在于利用單片機實現(xiàn) PID 算法產生 PWM 脈沖來控制電機轉速。到目前為止通過對控制器模塊、電機驅動模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤模塊、數(shù)字 PID 算法等進行深入的研究。完成了硬件電路的系統(tǒng)設計，并且利用 Prot

22、el99se 軟件繪制出 PCB 圖紙，但由于實驗條件不足沒能做出PCB 板。軟件方面利用 C 語言進行編程，增強了程序的可移植性和靈活性，并且利用 Proteus 軟件進行仿真更加保證了程序的準確性。7 參考文獻1 ST. L298N 數(shù)據(jù)手冊DB/OL. .21ic.2000-7-1/2008-5-9.2 沙占友. 單片機外圍電路設計M. ：電子工業(yè)出版社, 2003：21.3 何立民. MCS-51 系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術M. ：北京航空航天大學出版社，1990：83-87. v4 Behzad Razavi.Design of Analog CMOS and Inte

23、grated CircuitsM.McGraw-Hill Companies，2001：28-36.5 Tao Wu，Ykang Yang，Yongxuan Huang，etal. H-PID Controller Parameters Tuning via Genetic AlgorithmsC .Intelligent Controland Automation.Proceedings of the 3rd World Congress on，2000,1：586-589.6 Cominos P，Munro N.PID controllers：Recent Tuning Methods a

24、nd Designto Specifi- cationM.Control Theory and Applications,IEE Proceedings,January，2002,149：46.附錄附錄部分源程序部分源程序一、主程序：main( ) zf=0; flag1=0; EA=1; IT0=1;EX0=1; count=0; en=0; en1=0; en2=0; U0=200; Un=0; cc=0; zanting=0; pwm1=0; pwm2=0; P1=0 xF0; Init_lcd(); /設置液晶顯示器 Clr_Scr(); /清屏 left();Disp_Chinese

25、(0,0,dan); /單left();Disp_Chinese(0,16,pian); /片 left();Disp_Chinese(0,32,ji); /機 left();Disp_Chinese(0,48,de); /的 right();Disp_Chinese(0,0,shu); /數(shù). v right();Disp_Chinese(0,16,zi); /字 right();Disp_Digit(0,32,dp); /P right();Disp_Chinese(0,40,di); /I right();Disp_Digit(0,56,dd); /D left();Disp_Chine

26、se(3,16,dian); /電 left();Disp_Chinese(3,32,ji); /機 left();Disp_Chinese(3,48,tiao); /調 right();Disp_Chinese(3,0,shu0); /速 right();Disp_Chinese(3,16,xi); /系 right();Disp_Chinese(3,32,tong); /統(tǒng) left();Disp_Chinese(6,48,heng); /橫線 right();Disp_Chinese(6,0,heng); /橫線 right();Disp_Chinese(6,16,jia); right

27、();Disp_Chinese(6,32,xiao); right();Disp_Chinese(6,48,wei); flag0=0; for( ; ; )/等待設置鍵按下 if(flag0=1) break; Clr_Scr(); /清屏 left();Disp_Chinese(0,32,can); left();Disp_Chinese(0,48,shu); right();Disp_Chinese(0,0,she); right();Disp_Chinese(0,16,zhi); left();Disp_Chinese(2,4,Kp); left();Disp_Digit(2,20,m

28、aohao); left();Disp_Digit(2,28,s0); left();Disp_Digit(2,36,s0); left();Disp_Digit(2,44,dian0); left();Disp_Digit(2,52,s0); right();Disp_Chinese(2,4,Ki); right();Disp_Digit(2,20,maohao); right();Disp_Digit(2,28,s0); right();Disp_Digit(2,36,s0); right();Disp_Digit(2,44,dian0); right();Disp_Digit(2,52,

29、s0); left();Disp_Chinese(4,4,Kd);. v left();Disp_Digit(4,20,maohao); left();Disp_Digit(4,28,s0); left();Disp_Digit(4,36,s0); left();Disp_Digit(4,44,dian0); left();Disp_Digit(4,52,s0); right();Disp_Chinese(4,4,V); right();Disp_Digit(4,20,maohao); right();Disp_Digit(4,28,s0); right();Disp_Digit(4,36,s

30、0); right();Disp_Digit(4,44,s0); left();Disp_Chinese(6,4,zhuan); left();Disp_Chinese(6,20,xiang); left();Disp_Digit(6,36,maohao); left();Disp_Chinese(6,44,zheng); flag1=0; for(set=0;) /等待啟動鍵按下 switch(set) case 0:break; case 1: left();Disp_Digit(2,28,s0); left();Disp_Digit(2,36,s0); left();Disp_Digit

31、(2,52,s0); Kpp=0; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(2,28,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(2,28,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; left();Disp_Digit(2,28,sn);Kpp+=10*n; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(2,36,kong);. v Delay12864(1000); left();Disp_Digit(2,36,sn); Delay12864(2500); i

32、f(flag=1) break; left();Disp_Digit(2,36,sn);Kpp+=n; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(2,52,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(2,52,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; left();Disp_Digit(2,52,sn); Kpp+=0.1*n; set=0; break; case 2:right();Disp_Digit(2,28,s0); right();Disp_Digit(2,36,s0);

33、right();Disp_Digit(2,52,s0); Kii=0; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(2,28,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(2,28,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; right();Disp_Digit(2,28,sn);Kii+=10*n; for(flag=0,n=0;). v right();Disp_Digit(2,36,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(2,36,s

34、n); Delay12864(2500); if(flag=1) break; right();Disp_Digit(2,36,sn);Kii+=n; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(2,52,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(2,52,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; right();Disp_Digit(2,52,sn); Kii+=0.1*n; set=0; break; case 3:left();Disp_Digit(4,28,s0); lef

35、t();Disp_Digit(4,36,s0); left();Disp_Digit(4,52,s0); Kdd=0; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(4,28,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(4,28,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; left();Disp_Digit(4,28,sn);. v Kdd+=10*n; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(4,36,kong); Delay12864(1000); left

36、();Disp_Digit(4,36,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; left();Disp_Digit(4,36,sn); Kdd+=n; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(4,52,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(4,52,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; left();Disp_Digit(4,52,sn); Kdd+=0.1*n; set=0; break; case 4:right();Disp_D

37、igit(4,28,s0); right();Disp_Digit(4,36,s0); right();Disp_Digit(4,44,s0); V0=0; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(4,28,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(4,28,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break;. v right();Disp_Digit(4,28,sn); V0+=100*n; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(4,36,kong);

38、 Delay12864(1000); right();Disp_Digit(4,36,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; right();Disp_Digit(4,36,sn); V0+=10*n; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(4,44,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(4,44,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; right();Disp_Digit(4,44,sn); V0+=n; set=0; bre

39、ak; if(flag1=1) break; Clr_Scr(); /清屏 left();Disp_Chinese(0,32,dian); /電 left();Disp_Chinese(0,48,ji); /機 right();Disp_Chinese(0,0,zhuang); /狀 right();Disp_Chinese(0,16,tai); /態(tài) left();Disp_Chinese(3,0,dang);. v left();Disp_Chinese(3,16,qian); left();Disp_Chinese(3,32,zhuan); left();Disp_Chinese(3,4

40、8,shu0); right();Disp_Digit(3,0,maohao); if(zf=0) right();Disp_Chinese(3,8,zhenghao); else right();Disp_Chinese(3,8,fuhao); right();Disp_Digit(3,24,s0); right();Disp_Digit(3,32,s0); right();Disp_Digit(3,40,s0); left();Disp_Chinese(6,0,yun); left();Disp_Chinese(6,16,xing); left();Disp_Chinese(6,32,sh

41、i); left();Disp_Chinese(6,48,jian); right();Disp_Digit(6,0,maohao); right();Disp_Digit(6,8,s0); right();Disp_Digit(6,16,maohao); right();Disp_Digit(6,24,s0); right();Disp_Digit(6,32,s0); right();Disp_Digit(6,40,maohao); right();Disp_Digit(6,48,s0); right();Disp_Digit(6,56,s0); EX1=1; IT1=1; TMOD=0 x

42、11; ET0=1; TL0=0 xb0; TH0=0 x3c; TR0=1; Un=0; if(zf=0) for(;) if(zanting=1) pwm1=0; else pwm1=1;. v Delay12864(Un); pwm1=0; Delay12864(500-Un); if(zf=1) for(;) if(zanting=1) pwm2=0; else pwm2=1; Delay12864(Un); pwm2=0; Delay12864(500-Un); 論文二：基于論文二：基于 PWMPWM 技術控制直流電機控制技術控制直流電機控制摘要本系統(tǒng)采用單片機 C8051F005

43、作為核心器件對小汽車行駛的自動控制?？刂七^程是利用反射型光電傳感器識別路面黑線信息，保證小車能夠有效的尋跡和停止。采用角度傳感器測量坡度，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理，完成電動小汽車在蹺蹺板處于任何角度時的速度及方向控制。利用 PWM （脈寬調制）技術控制直流電機的轉速，時間用數(shù)碼管顯示。本設計共使用五支反射型光電傳感器，其中利用四支控制車輪的轉向，一支控制前進、停止。整個系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了題目的要求，達到了較高的性能指標。關鍵詞：單片機 C8051F005，反射型光電傳感器，角度傳感器，. vPWM 技術一、 方案的論證與選擇根據(jù)題目的基本要求，分別對系統(tǒng)各模塊進行論證。1 1、 單片機的選擇單片機

44、的選擇方案一： 采用傳統(tǒng)的 89C51 芯片作為小車的控制中心。51單片機具有價格低廉使用簡單等特點，但其運算速度較低。功能比較單一，內部資源比較少，在對小車進行控制時必須外擴芯片， 且本系統(tǒng)需要 A/D、D/A 轉換模塊但 89C51 中沒有，需要外加，控制過程相對比較繁瑣。方案二： 采用單片機 C8051F005 作為控制中心。C8051F 系列單片機的指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)的 80C51 單片機完全兼容，且單片機C8051F005 具有豐富的內部資源，并且包含 12 位精度的A/D、D/A 轉換模塊，方便了模擬、數(shù)字信號的轉換，不需要再外加 A/D、D/A 轉換模塊，并且由于采用流水線技術，比標

45、準 51 系列單片機快約 12 倍，除此之外 C8051F 系列單片機還具有操作簡單，在線下載易于調試等優(yōu)點，完全適合于對小車的控制。尤其是其具有豐富的中斷源為接收傳感器的信息提供了很大的方便。. v基于上述分析，所以選擇方案二。2 2、 電動機驅動調速模塊的選擇電動機驅動調速模塊的選擇方案一： 采用步進電機作為驅動源，此種方案可以輕松地達到調速的目的，但是在原有的小車結構上找到合適的步進電機比較困難，同時也加大了系統(tǒng)的復雜程度，更提高了硬件改造的困難程度，而且步進電機的價格也比較高。方案二： 采用由達林頓管組成的 H 型 PWM 電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成 H 橋電路構成，四個晶

46、體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài)，通過調整輸入控制脈沖的占空比，精確調整電動機轉速。這種電路由于管子只工作在飽和和截止狀態(tài)下，效率非常高。H型電路使實現(xiàn)轉速和方向的控制簡化，且電子開關的速度很快，穩(wěn)定性極強，是一種廣泛采用的 PWM 調速技術?；谏鲜龇治觯瑪M采用方案二。3 3、 路面黑線探測模塊的選擇路面黑線探測模塊的選擇探測路面黑線的工作原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強弱判斷是否到達黑線. v方案一： 不調制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境干擾；但如果直接用直流電壓對管

47、子進行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在 10mA 左右，仍然容易受到干擾。方案二： 采用電光開關（E3F-DS0C4） ，此電光開關默認為低電平，當檢測到黑線時會輸出高電平給單片機，從而產生中斷。此電路有助于降低輸入阻抗且硬件電路簡單易于軟件控制，還可以有效將光電檢測結果送入單片機處理。基于上述考慮，擬采用方案二。4 4、 顯示選擇顯示選擇方案一：采用靜態(tài)驅動法。輸出一次顯示數(shù)據(jù)后，所有數(shù)碼管可以一直保持顯示，只需要改變顯示內容時才重新發(fā)送一次顯示數(shù)據(jù)，但實時性差，不宜采用。方案二：采用動態(tài)驅動法原理。每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當每只數(shù)碼管顯示的時間間

48、隔小于 1/16S 時人眼感覺不到閃爍，看到的是每只數(shù)碼管常亮。以上兩種方案綜合考慮，采用方案二。5 5、 電源的選擇電源的選擇. v方案一：雙電源供電。用兩個電源分別給控制系統(tǒng)和電機系統(tǒng)供電將兩個系統(tǒng)完全隔離，利用光電耦合傳輸信號，這樣做雖然可以將電動機驅動所造成的干擾大大降低但操作復雜不如單電源方便靈活。方案二：采用單一電源（6 節(jié) AA 電池）供電方案，并在單片機與電機驅動電路間采用了光電耦合器進行連接，這樣既能簡化電路，提高了電源的可靠性，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谏鲜龇治?，擬采用方案二。二、系統(tǒng)框圖及工作原理 圖2-1給出了系統(tǒng)組成框圖，數(shù)據(jù)采集通過反射型光電傳感器完成對黑線的檢測，

49、并以電信號脈沖的形式送入單片機的中斷源，五支反射型光電傳感器依圖由上至下順序分別與單片機的P1.6、P1.7、P0.2、P1.5、P1.4相接，單片機對送來的信號進行分析、處理，角度傳感器將采集的信息通過A/D模塊進行采集，經處理后發(fā)出指令對小車實施控制，使電動車在行駛中速度得以調整。另外，單片機通過內部時鐘對行駛時間進行記錄并顯示。. v單片機前左傳感器前右傳感器中傳感器后左傳感器后右傳感器角度傳感器驅動電機LED 顯示圖 1 系統(tǒng)組成框圖三、系統(tǒng)的硬件設計1 1、電機驅動電路模塊、電機驅動電路模塊電動機 PWM 驅動模塊的電路見附圖 2。本電路采用的是基于 PWM 原理的 H 型驅動電路。

50、該電路采用 TIP122 和 TIP127大功率達林頓管，以保證電動機啟動瞬間的電流要求。電路工作過程：當 40106 的 1 腳為高電平，5 腳為低電平時，Q1、Q4 管截止，電動機正轉。當 40106 的 1 腳為低電平，5 腳為高電平時，Q2、Q3 管截止，Q1、Q4 管導通，電動機反轉?？刂葡到y(tǒng)電壓統(tǒng)一為 5V 電源，因此若達林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為 5V，再加上三極管本身的壓. v降，加到電動機兩端的電壓就只有 4V 左右，減弱了電動機的驅動力。基于上述考慮，我們運用了 4N25 光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅動部分隔離開來，這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔

51、離度，也使驅動電流得到了大大的增強。至于 40106 的 1 腳與 5 腳這對控制電壓，我們采用了200KHz 的周期信號控制，通過對其占空比的調整，對車速進行調整。最小脈沖為 0.2ms，可以滿足車速調整的精度要求。同時，可以通過 40106 的 1 腳與 5 腳的切換來控制電動機的正轉與反轉。2 2、傳感器模塊、傳感器模塊2.1 反射型光電傳感器光電傳感器在受到可見光照射后即產生光電效應，將光信號轉換成電信號輸出。它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應用極廣泛的重要敏感器件。本系統(tǒng)采用了反射型光電傳感器，利用黑色尋

52、跡線對光反射很弱，使傳感器輸出低電平傳給單片機。單片機輸出相應的指令從而控制小車的轉向。本設計共使用五支反射型光電傳感器，前左、前右傳感器安裝在. v兩前輪中間位置并分別與單片機 P1.6、P1.7 口相接，控制小車前輪的轉向，后左、后右傳感器安裝在兩后輪中央，與 P1.5、P1.4口相連，控制小車的前進、后退，中傳感器安裝在車體中間一側位置并與單片機 P2.0 口連接，用于檢測橫向黑線，控制小車的行駛、停止。當傳感器檢測到信號后，傳給單片機產生中斷，并發(fā)出相應指令調速。保證小車能夠有效的尋跡和停止。2.2 角度傳感器角度傳感器經常用于系統(tǒng)的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、 “液體擺

53、”式、 “氣體擺”三種傾角傳感器，本系統(tǒng)采用的是固體擺式角度傳感器 AME-B001，其輸出為模擬量，轉角范圍是 0360 度，輸出電壓范圍是 0.54.5V ，平衡位置電壓約為 1.7V。此傳感器具有磁鋼位置未對準自動補償；故障檢測功能；非接觸位置檢測功能，是滿足苛刻環(huán)境應用需求的理想選擇三個優(yōu)點。根據(jù)坡度的不同，單片機通過 A/D 模塊采集到不同的電壓，再根據(jù)電壓值的不同控制小車上下坡的速度，從而防止小車上坡時因為速度小而不能爬上及下坡時因為速度過大而沖下蹺蹺板，保證了小車在上下坡時的正常行駛。小車在蹺蹺板上行駛受重力 G、支持力 N、電機的拉力 F拉和與行駛方向相. v反的摩擦力 f，蹺

54、蹺板與地面夾角為 。受力情況分析如下圖所示。F拉GNf圖 2 小車受力分析若使小車在蹺蹺板上保持勻速行駛，則應受力平衡，故水平方向應滿足： 經受力分析可知：f=Ug； N=Gcos.經推倒可得出拉力與 的關系為：根據(jù)拉力與電機扭力的關系：F 拉= X%*F 扭即可得出傾角 與電機扭力的關系： .%)(XSinuGFn3 3、顯示電路模塊、顯示電路模塊動態(tài)驅動法對數(shù)碼管的筆畫端與公共端都加有驅動電路。將數(shù)碼管的筆畫端連接在一起，驅動電路將顯示字形碼（段碼）同時加在每只數(shù)碼管上。各個數(shù)碼管的公共端分別使用驅動器件驅動。任意一個時刻只有一只數(shù)碼管的公共端被驅動（位碼） ，故. v只有該數(shù)碼管能顯示。

55、其他數(shù)碼管由于公共端未被驅動，即使筆畫端加有段碼驅動也不會顯示。位驅動電路不停地輪流驅動每一只數(shù)碼管，段驅動同時輸出被驅動的數(shù)碼管的段碼，這樣每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于 1/16S 時人眼感覺不到閃動，看到的是每只數(shù)碼管常亮。電路原理圖見附圖 3 所示。 4 4、電源電路模塊、電源電路模塊本設計采用單電源供電，具體電路見附圖 4 所示。四、系統(tǒng)的軟件設計采用兩根跳線通過三次切換,實現(xiàn)題目要求的功能。1 1、基本要求基本要求 1 1、2 2 程序流程圖程序流程圖由于基本要求部分的實現(xiàn)功能基本相似，只是蹺蹺板的狀態(tài)不同，故基本部分采用一個

56、流程圖，見附圖 6。先將蹺蹺板固定在水平狀態(tài)，電動車從起始端 A 位置出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程（全程的含義：電動車從起始端 A 出發(fā)至車頭到達蹺蹺板頂端 B 位置） 。停止 5 秒后，電動車再從蹺蹺板的B 端倒退回至蹺蹺板的起始端 A，電動車能分別顯示前進和倒退所用的時間。前進行駛在 1 分鐘內、倒退行駛在 1.5 分鐘內完成。. v蹺蹺板處在圖 1 所示的狀態(tài)下（配重物體位置不限制） ，電動車從起始端 A 出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程。停止 5 秒后，電動車再從蹺蹺板的 B 端倒退回至蹺蹺板的起始端 A，電動車能分別顯示前進和倒退所用的時間。前進行駛在 1.5 分鐘內、倒退行駛在 2 分鐘內完成。流

57、程圖見附圖 6。2 2、發(fā)揮部分發(fā)揮部分 1 1 程序流程圖程序流程圖發(fā)揮部分和基礎部分的情況相同，均可以采用一個流程圖，見附圖 7。由參賽隊員將配重物體設定在可移動范圍中的某位置，電動車從起始端 A 出發(fā)，當蹺蹺板達到平衡時，保持時間不小于 5秒，同時發(fā)出聲光提示，電動車顯示所用的時間。全過程要求在2 分鐘內完成。此要求能夠完成的好壞主要依賴于1預先測繪的精度；2停止位置的準確度。3 3、發(fā)揮部分發(fā)揮部分 2 2 程序流程圖程序流程圖在可移動范圍內任意設定配重物體的位置（由測試人員指定），電動車從起始端 A 出發(fā)，當蹺蹺板達到平衡時，保持時間不小于 5 秒，同時發(fā)出聲光提示，電動車顯示所用的

58、時間。全過程要求在 2 分鐘內完成。流程圖見附圖 7。五、實際測試. v1. 1. 測量設備測量設備模擬跑道（蹺蹺板）：總長 160mm，A、B 兩點至蹺蹺板中心轉軸各長 80mm 卷尺：精度 mm 秒表：精度秒2. 2. 時間測試時間測試可以在規(guī)定時間內完成任務。測試次數(shù)第一次第二次第三次前進時間（S）6后退時間（S）4.2六、 結論1. 實現(xiàn)了小車在水平蹺蹺板上自動檢測黑線、往返基本功能。 2. 精確顯示出小車在前進、倒退過程中所用的時間。3. 實現(xiàn)了小車在蹺蹺板有一定坡度狀態(tài)時速度的控制，保證小車正常行駛，并準確顯示時間。參考文獻1何宏單片機原理及接口技術：國防工業(yè)出版社，20062李忠

59、國、陳剛單片機應用技能實訓：人民郵電出版社，2006 3袁秀英、李珍單片機原理與實驗教程： 航空航天大學出版社，. v2006 4李珍袁秀英單片機習題與應用教程： 航空航天大學出版社，20065黃智偉全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計： 航空航天大學出版社， 2006 6黃智偉全國大學生電子設計競賽電路設計： 航空航天大學出版社， 2006 附錄附圖 1、電動車原理圖附圖 2 電機驅動電路附圖 3 顯示電路模塊附圖 4 電源模塊電路附圖 5 聲光顯示模塊電路附圖 6 基本部分流程圖附圖 7 發(fā)揮部分程序流程圖論文三：目錄目錄一、課設題目一、課設題目 22 二、所需設備二、所需設備 22三、課設目的

60、三、課設目的 22四四、課設內容課設內容 22五、設計步驟五、設計步驟 44I. I.硬件設計硬件設計 4 4. vII II軟件設計軟件設計 7 7III.III. 程序流程圖程序流程圖 8 8IVIV全部程序全部程序 1010 六、課設小結六、課設小結 1818 七、附錄七、附錄 1919（一）課設題目：（一）課設題目：直流電機數(shù)字調速系統(tǒng)直流電機數(shù)字調速系統(tǒng)（二）所需設備：（二）所需設備：PC 機、自制單片機系統(tǒng)板、外設（圍）電路及萬用表及各種工具等。( (三三) )課設目的：課設目的：1、進一步熟悉和掌握單片機的結構及工作原理。2、掌握單片機的接口技術及相關外圍芯片的外特性，控制方法。