直流電動機的單片機恒速控制系統(tǒng)設(shè)計說明書含開題,直流電動機,單片機,控制系統(tǒng),設(shè)計,說明書,仿單,開題 直流電動機的單片機恒速控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，直流調(diào)速裝置已由模擬量控制變?yōu)閿?shù)字量控制，與模擬量控制的直流調(diào)速裝置相比，數(shù)字式直流調(diào)速裝置不僅控制精確、運行穩(wěn)定，而且硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活。采用ATMEL公司AVR系列單片機ATmgea 16作為控制芯片，兼顧成本與性能要求。本文設(shè)計了一種以ATmega 16單片機為核心的數(shù)字式小型直流電機恒速裝置，該裝置具有成本低、工作性能穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點。 與交流電動機相比，直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，運行維護困難。但直流電動機 具有良好的調(diào)速性能、較大的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力強等許多優(yōu)點，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)直流電機的固有機械特性，本文設(shè)計了一種直流電動機轉(zhuǎn)速恒值控制系統(tǒng)裝置。該裝置通過對普通三極管進行PWM控制，使其輸出可控的直流電壓進而實現(xiàn)直流調(diào)速，采用頻率發(fā)電機測量電動機的轉(zhuǎn)速。該裝置采用閉環(huán)數(shù)字式PID控制，設(shè)計包括轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速顯示、轉(zhuǎn)速檢側(cè)和PWM輸出等硬件、軟件設(shè)計，文中最后對轉(zhuǎn)速恒值控制效果的分析和調(diào)試階段遇到的相關(guān)問題進行了闡述，并提出了行之有效的硬件、軟件抗干擾措施和解決調(diào)試過程中相關(guān)問題的對策。 通過編程、調(diào)試，所設(shè)計的直流恒速控制裝置工作穩(wěn)定、控制準(zhǔn)確，實現(xiàn)了低成本、高性能的設(shè)計要求，彌補了現(xiàn)有恒速裝置價格昂貴等缺點，該裝置的研制具有一定的現(xiàn)實意義和可行性。 關(guān)鍵詞：直流電機；恒速；單片機；PWM；PID Abstract With the development and achievement of the computer electronic technology, the instrument of DC electromotor driver has changed from simulative control into digital control. Compared with the former one, the instrument of digital controlling is not only with high precision in controlling and stabilization in movement, but also with the simple circuit and the flexible controlling. ATmage 16 –an AVR series MCU product of ATMEL Company has been used. The consideration between low-cost and good-controlling performance has been well balanced by choosing this central-controlling unit. There is a kind of direct current motor speed control system was designed based on the ATmage 16 of single-Chip Computer, and this instrument possesses the characteristics of low-cost, steady and dependable capability and so on. Compare with AC electromotor, DC electromotor is more complex. The cost is expensive and the maintenance is difficult. But DC motor has some merits, such as batter speed performance, bigger starting torque and stronger overload capacity, etc. Therefore, it is applied widely in many industries. According to the natural characteristics of DC motor, the instrument of DC electromotor driver was based on the changing control transistor by PWM. It uses the frequency generator motor speed measurement to change the rectifying volt and achieve the purpose of the speed control. The system adopts the double-loops PID as the speed control. This paper includes the design of hardware and software on the setting, displaying, inspecting of speed. At last, there are expatiations about the anti-jamming of system and the problem during the process of debugging; at the same time it provides some effective measures of anti-jamming by hardware and software and the methods which enable to solve relative problems during the debugging. Through the programming and debugging, this instrument achieves the requests of the design, remedies the disadvantages of existing instrument like high prices .The study and device of this instrument has some practical significance and feasibility. Key words: DC motor; Single-Chip Computer; speed control; PWM; PID 目 錄 引言 1 1緒論 1 1.1直流電機的原理結(jié)構(gòu) 1 1.2直流電動機的調(diào)速方法 3 1.3直流主要調(diào)速系統(tǒng)的供電方式 4 1.4選題的目的、意義和主要內(nèi)容 4 2直流電動機恒速控制系統(tǒng)的原理和方案設(shè)計 6 2.1系統(tǒng)的工作原理 6 2.2總方案的確定 6 2.3系統(tǒng)主要功能 7 3直流電動機恒速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 8 3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 8 3.2系統(tǒng)主要芯片介紹 8 3.3系統(tǒng)硬件電路組成 9 3.3.1 ATmega16 單片機的性能及特點 9 3.3.2 運算放大器LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能 10 3.3.4顯示電路設(shè)計 11 3.3.5 數(shù)字測速硬件電路設(shè)計 13 3.3.6直流電機驅(qū)動電路 13 3.3.7系統(tǒng)電源設(shè)計 15 3.4單片機系統(tǒng)可靠性設(shè)計 16 3.4.1接地技術(shù) 16 3.4.2 PCB布線 16 3.4.3抗電磁干擾技術(shù) 18 3.5試驗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 4直流電動機恒速系統(tǒng)的軟件設(shè)計 21 4.1主程序設(shè)計 21 4.1.1轉(zhuǎn)速顯示程序設(shè)計 24 4.1.2PID運算程序設(shè)計 25 4.2中斷服務(wù)程序設(shè)計 28 4.2.1定時采樣中斷程序設(shè)計 29 4.2.2轉(zhuǎn)速檢測計數(shù)中斷 30 5轉(zhuǎn)速恒值控制效果的測試數(shù)據(jù)及分析 31 5.1系統(tǒng)硬件調(diào)試 31 5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試 33 5.3測試數(shù)據(jù)分析 39 6.結(jié)論 42 謝 辭 43 參考文獻(xiàn) 44 附 錄 45 引言 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方使，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可賣現(xiàn)頻繁的無級快速起制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，至今在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域仍有廣泛的使用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用在自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，是日前調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 1緒論 永磁直流電動機具備的優(yōu)越的起動性能和調(diào)速特性。隨著工業(yè)的發(fā)展，對小型直流電機的調(diào)速越來越高的要求。但要想提高調(diào)速系統(tǒng)的精度和動態(tài)響應(yīng)，必須引入適當(dāng)?shù)姆答佇畔?gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，以控制變壓電源隨著工況變化而自動調(diào)整輸出電壓，達(dá)到變速或穩(wěn)速的目的。為此我們應(yīng)用ATmega 16單片機系統(tǒng)，利用頻率發(fā)電機來測速，利用單片機自帶的PWM功能來調(diào)速。 1.1直流電機的原理結(jié)構(gòu) （一）定義：定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當(dāng)它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。 （二）直流電機的結(jié)構(gòu)：直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。其構(gòu)造的主要特點是具有一個帶換向器的電樞。直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機氣隙磁場的主要部件，由永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對運行可靠性有很大影響。 　 （三）直流電機的勵磁方式：直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型。 圖1.1直流電機的勵磁方式 1）他勵直流電機 　 勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，接線如圖（a）所示。圖中M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。 　　2）并勵直流電機 　 并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖（b）所示。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。 　　3）串勵直流電機 　 串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，接線如圖（c）所示。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。 　　4）復(fù)勵直流電機 　 復(fù)勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖（d）所示。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。 　 不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復(fù)勵式。 （四）、直流電動機的工作原理 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。 圖1.2 直流電動機的原理模型 　　當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180°后，導(dǎo)體 cd轉(zhuǎn)到 N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下時，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd 、ab 后，從電刷B流出。這時導(dǎo)體cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向。 　　因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體 ab和cd 流入，使線圈邊只要處于N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷A 流入的方向，而在S 極下時，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動機能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機的工作原理。 1.2直流電動機的調(diào)速方法 根據(jù)直流電動機的固有機械特性方程式 （1-1） ---轉(zhuǎn)速，---電樞電壓，電樞回路總電阻 ---勵磁磁通 ----由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù) 當(dāng)負(fù)載一定時，電磁轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，電磁轉(zhuǎn)矩不變，欲改變直流電機速度有以下三種方法: （1）、調(diào)節(jié)電樞供電電壓 （2）、減弱勵磁磁通 （3）、一改變電樞回路電阻 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方法為最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速;減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。 1.3直流主要調(diào)速系統(tǒng)的供電方式 實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速廠，首先要有一個平滑可調(diào)的直流電源。常用的可調(diào)直流電源有以下三種方法： （1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱G-M系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱Ward-leonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便。 （2）靜止式可控整流器。20世紀(jì)50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-leonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角a，進而改變整流電壓偽的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。VM在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 （3）直流斬波器或PWM(脈寬調(diào)制)變換器。利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間的比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DC-DC變換器。 1.4選題的目的、意義和主要內(nèi)容 直流電動機轉(zhuǎn)速的恒速控制廣泛應(yīng)用在造紙、織布、印染、包裝等自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中，其運動控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。本課題應(yīng)用單片機作控制單元，設(shè)計直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的恒速控制器，在該控制器的控制下實現(xiàn)對直流電動機轉(zhuǎn)速的恒值控制。 本課題研究的主要內(nèi)容：本文利用三極管的開關(guān)特性,將直流電源換成可控的直流電源，實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的目的。本文的主要內(nèi)容分為以下幾個部分： （1）反饋控制系統(tǒng)的基本理論研究，直流電動機速度 PID 控制的工程設(shè)計方法。 （2）設(shè)計并建立直流電動機轉(zhuǎn)速恒值控制系統(tǒng)的試驗用機械裝置。 （3）采用Protel 99 se設(shè)計并制作直流電動機轉(zhuǎn)速恒值控制系統(tǒng)的單片機控制電路板。 （4）設(shè)計并調(diào)試直流電動機轉(zhuǎn)速恒值控制系統(tǒng)的單片機控制程序。 （5）整定試驗裝置的直流電動機轉(zhuǎn)速 PID 控制參數(shù)，達(dá)到較好的轉(zhuǎn)速恒值控制效果。 2直流電動機恒速控制系統(tǒng)的原理和方案設(shè)計 本文研制的直流調(diào)速裝置采用閉環(huán)數(shù)字PID調(diào)速控制，以單片機ATmega16作為主控制器。晶體管觸發(fā)和轉(zhuǎn)速測量等環(huán)節(jié)都實現(xiàn)全數(shù)字化的微機控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護方便，電動機穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動態(tài)各項指標(biāo)均能較好地實現(xiàn)設(shè)計的要求。 2.1系統(tǒng)的工作原理 本課題的研究內(nèi)容主要是通過控制晶體管的對應(yīng)導(dǎo)通將直流電源轉(zhuǎn)化成可控的直流電源，控制系統(tǒng)配以閉環(huán)PID控制，實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速控制。系統(tǒng)通過按鍵或程序?qū)D(zhuǎn)速進行給定。通過測速系統(tǒng)對電動機的轉(zhuǎn)速進行檢測并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將轉(zhuǎn)速反饋信號作為單片機的輸入，計算結(jié)果再與設(shè)定值進行比較，將比較差值送PID控制器改變PWM的占空比來控制三級管B引腳電壓輸入，使其輸出可控的整流電壓。通過5位數(shù)碼管進行轉(zhuǎn)速檢測顯示，最終達(dá)到轉(zhuǎn)速檢測與轉(zhuǎn)速給定相平衡，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，進而實現(xiàn)恒速的目的。 2.2總方案的確定 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)要求和設(shè)計原則，確定該系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖2.1所示： 圖2.1 總方案框圖 采用小型直流電機15DMG-102-01 額定電壓12V，空載電流120mA ,電樞電阻7.6歐姆。電樞電感3.88mH .電機自帶有頻率發(fā)電機（FG）。利用ATmega16單片機的PWM功能通過三極管實現(xiàn)對電機的調(diào)速。測速發(fā)電機的頻率跟電機的轉(zhuǎn)速成正比，由于測速發(fā)電機的輸出的信號波型為正弦波，用運算放大器LM358構(gòu)成的比較器的將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，比較器的輸出電壓經(jīng)電阻R9，R10分壓后變換0-5V的轉(zhuǎn)速脈沖，并送到單片機的PB0口以便測出電機的轉(zhuǎn)速。通過單片機的PID計算，實現(xiàn)閉環(huán)控制。 2.3系統(tǒng)主要功能 （1） 實現(xiàn)能顯示直流電動機的實際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速顯示分辨力為 0.1rpm。 （2） 直流電動機的轉(zhuǎn)速控制在該電機額定轉(zhuǎn)速的70%左右，誤差≤2%，最大超調(diào)量≤10%, 3直流電動機恒速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 直流電機恒速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括智能控制芯片ATMEGA 16，再以轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速顯示、轉(zhuǎn)速檢測、PWM控制電路部分，通過按鍵對轉(zhuǎn)速進行給定，通過5位數(shù)碼管對轉(zhuǎn)速檢測進行顯示；轉(zhuǎn)速檢測主要是采用直流電機自帶的頻率發(fā)電機和運算放大LM358 和單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器進行檢測；PWM控制電路主要利用單片機的PWM功能對三級管進行控制。總的電路設(shè)計如圖3.1所示。 圖3.1總電路設(shè)計 3.2系統(tǒng)主要芯片介紹 ATMega 16 單片機：用作系統(tǒng)的監(jiān)控，讀取采樣數(shù)據(jù)，計算輸出轉(zhuǎn)速量；進行PID運算，輸出控制量。 運算放大器LM358：將正弦波變換成方波，用于轉(zhuǎn)速檢測。 三級管8050：利用它的開關(guān)特性控制電機的平均電壓，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。 數(shù)碼管；用于顯示轉(zhuǎn)速。 3.3系統(tǒng)硬件電路組成 3.3.1 ATmega16 單片機的性能及特點 單片機微型計算機(Single一Chip Microcomputer)，簡稱單片機，因其主要用于控制，所以又稱微控制器(MCU)。它在一塊芯片上集成了一臺微型計算機必需的基本功能部件，包括中央處理器(CUP)、只讀寄存器(ROM)、輸入輸出口(I/0口)，可編程定時器計數(shù)器等。 單片機具有集成度高、功能強、結(jié)構(gòu)合理、抗干擾性強和指令豐富的特點，它的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的設(shè)計思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路、邏輯部件來實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在都可通過軟件來完成。從1974年美國仙童公司生產(chǎn)出第一塊單片機開始，在短短幾十年中，單片機發(fā)展迅速，由4位、8位一直到16位單片機，目前32位的超大規(guī)模集成電路單片機(T414)也已面世，同時性能也不斷提高。目前單片機已成為工控領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域及日常生活中最廣泛使用的控制系統(tǒng)。高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位，一直是衡量單片機性能的重要指標(biāo)，也是單片機占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期單片機主要由于工藝及設(shè)計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，采用較高分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。 ATMEL公司推出的AVR單片機，徹底打破這種就設(shè)計格局，廢除了機器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集(RISC)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。在AVR大家庭中尤為突出的是一款新型AVR高檔單片機Atmega16。它是基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位單片機，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點，但由于采用了引腳封裝(為DPI40和TQFP/MEL)，所以其價格僅與低檔單片機相當(dāng)，成為AVR高檔單片機中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價格比最好的品種[36]。 Atmega16特性介紹： （1） ATmega16因為采用了先進的RICS精簡指令集結(jié)構(gòu)，所以具有足夠快的運行速度可達(dá)1MIPS/MHZ，是普通CISC單片機的10倍； （1） 4個PWM通道，可實現(xiàn)任意小于16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出； （2） 有21個不同的獨立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了系統(tǒng)的安全性； （3） 片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器，存儲空間足以滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴展提供了必要保證； （4） 32個可編程工/0口，可任意定義I/O輸入/輸出方向;驅(qū)動能力強，可直接驅(qū)動LED等大電流負(fù)載，且多數(shù)的I/0口為復(fù)用口，除了作為通用數(shù)字I/O外，其第二功能可作為芯片內(nèi)部其他外圍電路的接口； （5） 具有三個定時/計數(shù)器，除了能夠?qū)崿F(xiàn)通常的定時和計數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調(diào)制輸出、實時時鐘計數(shù)等更為強大的功能； （6） 帶ADC和DAC轉(zhuǎn)換，可直接輸入模擬量、輸出數(shù)字量； （7） 有看門狗電路，一旦程序進入死循環(huán)能自動復(fù)位，保證系統(tǒng)工作的可靠性。 圖3.2 ATmega16 引腳圖 3.3.2 運算放大器LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能 LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工 作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益 模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。 圖3.3 LM358的管腳 特性： * 內(nèi)部頻率補償 * 直流電壓增益高(約100dB) * 單位增益頻帶寬(約1MHz) * 電源電壓范圍寬：單電源(3～30V)；雙電源(±1.5～±15V) * 低功耗電流，適合于電池供電 * 低輸入偏流 * 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 * 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 * 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 * 輸出電壓擺幅大（0至Vcc-1.5V) 參數(shù)： * 輸入偏置電流45 nA * 輸入失調(diào)電流50 nA * 輸入失調(diào)電壓2.9mV * 輸入共模電壓最大值VCC~1.5 V * 共模抑制比80dB * 電源抑制比100dB 3.3.4顯示電路設(shè)計 （1）數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0 ～9、字符A 、F、H、L、P、R、U、Y、符號“-”及小數(shù)點“.”。數(shù)碼管的外型結(jié)構(gòu)如圖1.1（a）所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖1.1（b）和圖1.1（c）所示。 （a） 外型結(jié)構(gòu) （b） 共陰極 （c）共陽極 圖3.4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 1)、數(shù)碼管工作原理 共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)端）連接在一起，通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端，當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。 共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。本設(shè)計系統(tǒng)中采用的是共陰極LED數(shù)碼管。 2）、靜態(tài)顯示 靜態(tài)顯示是指數(shù)碼管顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定導(dǎo)通或恒定截止。這種顯示方式的各位數(shù)碼管相互獨立，公共端恒定接地（共陰極）或接正電源（共陽極）。每個數(shù)碼管的8個字段分別與一個8位I/O口地址相連，I/O口只要有段碼輸出，相應(yīng)字符即顯示出來，并保持不變，直到I/O口輸出新的段碼。采用靜態(tài)顯示方式，較小的電流即可獲得較高的亮度，且占用CPU時間少，編程簡單，顯示便于監(jiān)測和控制，但其占用的口線多，硬件電路復(fù)雜，成本高，只適合于顯示位數(shù)較少的場合。 3）、動態(tài)顯示 動態(tài)接口采用各數(shù)碼管循輪流顯示的方法,當(dāng)循環(huán)頻率較高時,利用人眼的暫留特性,看不出閃爍顯示現(xiàn)象,這種顯示需要一個接口完成字形碼輸出,另一個接口完成各數(shù)碼管的輪流點亮(數(shù)位選擇) . 采用動態(tài)顯示方式且占用CPU時間多，編程復(fù)雜，但其占用的口線少，硬件電路簡單，成本低，適合于顯示位數(shù)較多的場合。 （2）顯示電路 圖3.5顯示電路 本文采用動態(tài)掃描，數(shù)碼段由PA口輸出。位選由PC0~PC4輸出；通過三級管來驅(qū)動；設(shè)計3個按鍵。分別是啟動/停止鍵、快速鍵、慢速鍵。 3.3.5 數(shù)字測速硬件電路設(shè)計 數(shù)字測速電路主要是在單位時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)進行計數(shù)，從而得到直流電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速，作為轉(zhuǎn)速反饋信號。本文中頻率發(fā)電機與電機同軸，頻率發(fā)電機就產(chǎn)生與電機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)速脈沖。頻率發(fā)電機每轉(zhuǎn)輸出脈沖為20個。由于測速發(fā)電機的輸出信號波形為正弦波，用運算放大器LM358構(gòu)成的比較器將正弦波變換成方波，由電阻R7和R8對+12V電壓做1/2分壓，限比較器的正輸入端為6V，并以此作為正弦波的比較基準(zhǔn)。比較器的輸出電壓經(jīng)電阻R9，R10分壓變換成0～4V的轉(zhuǎn)速脈沖，再經(jīng)過反向器變換成標(biāo)準(zhǔn)的0～5V的轉(zhuǎn)速脈沖，并傳送到單片機的PB0口，以便檢測出電動機的轉(zhuǎn)速。如圖3.6所示。 圖3.6測速電路 3.3.6直流電機驅(qū)動電路 直流電動機可以用電樞電阻和電樞電感串聯(lián)構(gòu)成的等效電路來表示。當(dāng)直流電機采用脈沖電源驅(qū)動時，電樞電流的變化規(guī)律與等效電路參數(shù)和有關(guān)，稱為直流電機的電氣常數(shù)?，F(xiàn)在來分析一下采用脈沖寬度比足夠小的脈沖列信號來驅(qū)動三級管8050的工作情況。 如圖3.7所示，設(shè)脈沖列的脈沖周期為T，三級管Q5的飽和導(dǎo)通時間為，在時間內(nèi)電動機中流過的電流為（）。當(dāng)三級管Q5關(guān)斷時，由于電動機的電樞電感會儲存一定的能量。儲存的能量可以經(jīng)過二級管D3短路釋放掉，這時雖然三級管已經(jīng)關(guān)斷，電動機中仍然要繼續(xù)電流。 圖3.7所示的電路有兩個優(yōu)點，其一是續(xù)流二級管的使用使電動機的電感能量得到了再生利用，其二是三級管處于開關(guān)工作狀態(tài)，使三級管的功率的損耗明顯減少。 圖3.7電機驅(qū)動電路 通過改變占空比來控制電動機的轉(zhuǎn)速：脈沖寬度調(diào)制（PWM：Pulse Width Modulation）電路的特點是，脈沖的周期一定（脈沖周期要比電動機的電氣時間常數(shù)小得多），脈沖寬度的占空比由單片機控制。當(dāng)脈沖列的占空比變化時，三級管的導(dǎo)通和關(guān)斷間隔發(fā)生了變化，向電動機提供的平均電壓和平均電流也發(fā)生了變化。與此同時，當(dāng)然就使得電動機的轉(zhuǎn)速得調(diào)節(jié)?？傊?，要想改變電動機的轉(zhuǎn)速，只要改變開關(guān)電路驅(qū)動脈沖的占空比。 要產(chǎn)生一個PWM信號，需要有一個合適的定時器來重復(fù)產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計數(shù)周期，一個比較寄存器保持著調(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時器計數(shù)器的值比較，當(dāng)兩個值匹配時，在相應(yīng)的輸出上就會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換(由高到低或由低到高)。當(dāng)兩個值之間的第二個匹配產(chǎn)生，或當(dāng)一個定時器周期結(jié)束時，相應(yīng)的就會在輸出上產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時間就會與比較寄存器的值成比例。在每個定時周期中，這個過程都會出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這樣相應(yīng)的輸出就會產(chǎn)生一個PWM信號。 本系統(tǒng)使用的控制芯片ATmega16有一個16位的定時器/計數(shù)器1(T/C1)可運行于15PWM模式，并利用PD4的第二功能輸出比較A匹配輸出口輸出頻率，占空比可調(diào)的PWM波形 選擇時鐘源，這可由T/Cl控制的TCCR1B低3位(CS12、CSl l、CS10)進行設(shè)置，如表3.1所示。 PWM脈沖由單片機產(chǎn)生?？焖貾WM模式如圖3.7所示，改變寄存器TCNTn的內(nèi)容就可以改變脈沖的周期，改變寄存器OCnx的內(nèi)容就可以改變脈沖的占空比。 表3.1 T/C1的時鐘源選擇 CS12 CS11 CS10 說明 0 0 0 無時鐘源（T/C1被停止） 0 0 1 CK（系統(tǒng)時鐘） 0 1 0 CK/8（來自預(yù)分頻器） 0 1 1 CK/64（來自預(yù)分頻器） 1 0 0 CK/256（來自預(yù)分頻器） 1 0 1 CK/1024（來自預(yù)分頻器） 1 1 0 外部T1腳，下降沿驅(qū)動 1 1 1 外部T1腳，上升沿驅(qū)動 圖3.8快速PWM模式時序圖 3.3.7系統(tǒng)電源設(shè)計 電源設(shè)計是電路設(shè)計很重要關(guān)節(jié)。它的穩(wěn)定與否涉及到電路是否能穩(wěn)定工作。遵照要求需要一個+5V電壓和一個+12V電壓。，LM7805是三端穩(wěn)壓集成電路，LM7805輸出是＋5V，本文只需要一個DC12V電源，DC12V電源濾波后經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓得到DC5V作為單片機和系統(tǒng)其他模塊電源。 圖3.9電源設(shè)計 3.4單片機系統(tǒng)可靠性設(shè)計 3.4.1接地技術(shù) (1)接地的原因和目的 接地的原因:接地可以很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪音，防止外部干擾，提高系統(tǒng)抗干擾性。如果接地處理不好，可能會形成嚴(yán)重干擾，使系統(tǒng)不能工作。接地的目的:通過接“系統(tǒng)地”，提供基準(zhǔn)電位。 (2)電源線和地線阻抗噪聲解決方法 考慮范圍主要是模擬電路，包括開關(guān)電流、地線電阻壓降、電感等。主要方法有在設(shè)計電路板時加粗地線寬度;接地線構(gòu)成閉環(huán)路。 (3)電源去藕 在集成器件的電源線和地線之間接入去耦電容，可以縮短開關(guān)電流的流通途徑，降低電阻壓降。主要方法是在電路板入口的電源線和地線之間并接去耦電容:接一個大容量的電解電容(l0uf-100uf )，降低低頻干擾成分，一般采用鋁電解電容;接一個小容量的電解電容(0.01 uf-0.1 uf)，降低高頻干擾成分，一般采用電感小的云母或陶瓷電容。 (4)集成芯片去藕 原則上每一個集成芯片都應(yīng)安裝一個陶瓷電容，如果電路板空隙小，也可以每4-10個芯片放置一個luf-10uf的電容器。若系統(tǒng)時鐘大于40MHz需要安裝103電容;若時鐘小于40MHz，可以安裝104電容;設(shè)計時需要注意務(wù)必盡量縮短電容器的引線。 3.4.2 PCB布線 (1) PCB的布局在布局時應(yīng)該遵守節(jié)省空間、可靠性高的原則。注意發(fā)熱元器件不能與熱敏元件靠近;在設(shè)計時要將散熱片的尺寸考慮進去;插件設(shè)備的安裝是必要的。 (2)電源與地線的處理 如接線技術(shù)所述，設(shè)計時要在電源與地線間安裝去藕電容。電路板上的信號線的寬度按照地線>電源線>信號線的原則設(shè)計;英制與公制的換算為100mil=2.54mrn;設(shè)計中可以利用大面積敷銅為地線加強系統(tǒng)的抗干擾性。 (3)數(shù)字模擬電路區(qū)分設(shè)計 設(shè)計時要注意數(shù)字模擬電路的區(qū)分，盡量減小電磁兼容:盡可能減小電流環(huán)路的面積，避免環(huán)狀天線的產(chǎn)生;使系統(tǒng)采用一個參考面，避免偶極天線的產(chǎn)生。 (4)布線規(guī)則設(shè)置 在設(shè)計電路板時，要注意安全間距的設(shè)置，一般來說最小間距不應(yīng)小于l Omil;以下是走線寬度設(shè)置的參考值::信號線0.2-0.6mm，電源0.5-lmm，地線1 mm;線寬和電流的對應(yīng)關(guān)系大約是每1mm寬允許通過1A電流。 圖3.10本文設(shè)計所用到元器件封裝圖 圖3.11本文設(shè)計的PCB圖 3.4.3抗電磁干擾技術(shù) (1)電磁干擾的原因和分類 電子設(shè)備日益增多使電磁干擾嚴(yán)重，因此在設(shè)計中要考慮降低電磁干擾。電磁干擾主要可以分為自然干擾和人為干擾。自然干擾包括大氣干擾、天電干擾、熱噪聲干擾等;人為干擾包括電網(wǎng)干擾、電器干擾、射頻源干擾、電子對抗干擾等。 (2)抗電磁干擾方法 可以采用的抗電磁干擾的方法主要有:降低系統(tǒng)外時鐘頻率;選擇低噪聲單片機;設(shè)計電路板時使電源和地的管腳距離較近;設(shè)計時鐘檢測電路;設(shè)計看門狗電路;低電壓復(fù)位等。 3.5試驗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本文原設(shè)計用直流測速發(fā)電機檢測直流電機的轉(zhuǎn)速，試驗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括支架主體的設(shè)計，螺紋連接的設(shè)計和聯(lián)軸器的設(shè)計。 （1）支架的主要作用是支撐、固定，防振動的作用，根據(jù)工作條件，采用灰鑄鐵材料?；诣T鐵的性能主要取決于基體的組織和石墨的形態(tài)，石墨降低了灰鑄鐵的力學(xué)性能，使其抗拉強度和塑性都很低，這是石墨對基體的嚴(yán)重割裂所致。石墨強度、韌性極低，相當(dāng)于鋼基體上裂紋或空洞，它減少基體的有效截面，并引起應(yīng)力集中。石墨越多，越大，對基體的割裂作用越嚴(yán)重，其抗拉強度越低。 但同時使灰鑄鐵獲得了許多鋼所不及的優(yōu)良性能：良好的鑄造性能、減震性，較低的缺點敏感性，良好的切削加工必和減磨性及良好的抗壓性能。 灰鑄鐵的牌號內(nèi)HT+三位數(shù)字組成。其中“HT”是灰鐵的漢語拼音縮寫，數(shù)字代表鑄鐵的抗拉強度。如肥HT200表示最低抗拉強度為200 MPa的灰鑄鐵。最小的灰鐵是HTl00，往上以50為間隔遞增．最大為HT350。表5—1是灰鑄鐵的牌號及用途。 表5—1是灰鑄鐵的牌號及用途 牌號 最小抗拉強度 MPa 用 途 HT100 100 低載荷和不重要零件，如蓋、外罩、手輪、支架等 HT150 150 承受中等應(yīng)力的零件，如底座、床身、工作臺、閥體、管路附件及一般工作條件要求的零件 HT200 200 承受較大應(yīng)力和較重要的零件，如汽缸體、齒輪、機座、床身、活塞、齒輪箱、油缸等 本裝置的工作環(huán)境是低載荷，采用HT100，具有工作可靠，價格便宜的優(yōu)點。 （2）螺紋連接的設(shè)計 主要用于電動機和測速發(fā)電機與支架的連接。本文采用連接螺釘，連接螺釘主要用于連接不經(jīng)常拆卸，并且受力不大的場合。它是一種只需螺釘（有時也可加墊圈）而不用螺母的連接，因而結(jié)構(gòu)最簡單。連接螺釘由頭部和桿身兩部分組成：其頭部有多種不同的結(jié)構(gòu)型式，相應(yīng)有不同的國家標(biāo)準(zhǔn)代號。桿身上刻有部分螺紋或全部螺紋（螺釘公稱長度較小時），被連接件之一加工有通孔；另一被連接件上加工有螺孔。連接時，將螺釘穿過通孔，并用起子插入螺釘頭部的起子槽（呈一字或十字），再加以擰動，依靠桿身上的螺紋即可旋入至螺孔中，并依靠其頭部壓緊被連接件而實現(xiàn)兩者的連接，見圖a。設(shè)計螺釘連接時，通常首先根據(jù)使用要求確定螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式(即確定了國標(biāo)代號），再根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定螺釘?shù)墓Q直徑d（因受力不大，一般不進行強度計算），并由下式確定螺釘?shù)墓Q長度： l≥δ+l1 式中δ為帶通孔零件的厚度，l1為螺釘?shù)男肷疃?，由帶螺孔的被連接件的材料決定，并與確定螺柱旋入端長度bm的方法相同。計算所得結(jié)果應(yīng)取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。 根據(jù)上面選定的結(jié)構(gòu)型式和具體規(guī)格即可按比例畫法（或查表畫法）畫出螺釘連接的裝配圖，見圖b、c。 圖3.12螺釘連接 本文采用開槽盤頭螺釘（GB67-85），螺紋規(guī)格d為M5，螺距P為0.8。 （3）聯(lián)軸器的設(shè)計： 根據(jù)電動機的軸徑和工作環(huán)境，選取了合適的聯(lián)軸器，選擇凸緣聯(lián)軸器，凸緣聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器用普通平鍵分別與兩軸連接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器連成一體，以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。這種聯(lián)軸器有兩種主要的結(jié)構(gòu)形式：①靠鉸制孔用螺栓來實現(xiàn)兩軸對中和靠螺栓桿承受擠壓與剪切來傳遞轉(zhuǎn)矩；②靠一個半聯(lián)軸器上的凸肩與另一個半聯(lián)軸器上的凹槽相配合而對中。連接兩個半聯(lián)軸器的螺栓可以采用A級和B級的普通螺栓，轉(zhuǎn)矩靠兩個半聯(lián)軸器結(jié)合面的摩擦力矩來傳遞。 凸緣聯(lián)軸器的材料可用灰鑄鐵或碳鋼，重載時或圓周速度大于30米/秒時應(yīng)用鑄鋼或鍛鋼。凸緣聯(lián)軸器對兩軸對中性的要求很高，當(dāng)兩軸有相對位移存在時，就會在機件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。但由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，故當(dāng)轉(zhuǎn)速低、無沖擊、軸的剛性大、對中性較好時常采用。 圖3.13 凸緣聯(lián)軸器 凸緣上各螺栓根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，可全部采用鉸制孔用螺栓，或一半采用鉸制孔用螺栓，另一半用普通螺栓。 本系統(tǒng)采用YLD型有對中棒凸緣聯(lián)軸器（GB 5843-86）型號為YLD5，許用轉(zhuǎn)速9000r/min，軸孔直徑為22mm。長度為62mm。 4直流電動機恒速系統(tǒng)的軟件設(shè)計 直流恒速裝置的優(yōu)劣不僅取決于它的硬件，合理的軟件設(shè)計往往是更為重要。根據(jù)硬件電路的各個組成部分，軟件程序設(shè)計也分為轉(zhuǎn)速給定及顯示程序、轉(zhuǎn)速檢測程序、數(shù)字PID運算控制程序。根據(jù)硬件系統(tǒng)的相互聯(lián)系，將各部分軟件程序最終整合成總體結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上合理地分配C P U中的各個功能，使其各部分軟件程序能夠在C P U的指導(dǎo)下很好的完成每一部分程序功能.整個控制程序包括總程序、外部中斷程序、內(nèi)部定時程序及各種輔助程序。 4.1主程序設(shè)計 主程序主要功能是:上電初始化，設(shè)堆棧指針，ATmega16初始化，轉(zhuǎn)速顯示程序，按鍵查詢及相應(yīng)的控制命令程序，轉(zhuǎn)速的PID運算程序、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理程序、脈沖外中斷等。主程序框圖如圖4 . 1 所示 圖4.1 主程序框圖 主程序主要完成以下幾個方面的工作: （1） 對PID、端口、T/C0、T/C2、外部中斷、PWM初始化。 （2） 將顯示緩沖區(qū)分別存入顯示零的段碼# 3 F H。使5位數(shù)碼管都顯示零。 （3） 轉(zhuǎn)速進行P ID 程序計算，分別取轉(zhuǎn)速給定值與轉(zhuǎn)速反饋值進行轉(zhuǎn)速環(huán)的P I D調(diào)節(jié)。 （4） 轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)處理和顯示轉(zhuǎn)速。 （5） 開中斷，等待中斷 主程序代碼如下 ： void main(void) { //PID初始化 PID sPID; //PID控制結(jié)構(gòu)體 double rOut; //PID輸出 double rIn; //PID反饋 PIDInit(&sPID); //結(jié)構(gòu)初始化 sPID.Proportion = 0.0074; //設(shè)置 PID 比例系數(shù) sPID.Integral = 0.080; //設(shè)置PID積分系數(shù) sPID.Derivative = 5.4; //設(shè)置PID微分系數(shù) sPID.SetPoint = 4500.0; //設(shè)置 PID 目標(biāo) PORTA=0XFF; //A口設(shè)置為輸出 DDRA=0XFF; DDRC=0XFF; //C口設(shè)置為輸出 PORTC=0XFF; //T/C0初始化****************************************************** TCCR0=0X07; //T0設(shè)置為上升沿觸發(fā)計數(shù) TCNT0=0X00; OCR0=0X00; //t/c2初始化*********************************************************** TCCR2=0X06; //T2設(shè)置為1/256分頻 TCNT2=0X64; //定時0.01秒 OCR2=0X00; TIMSK=0X41; //按鍵掃描********************************************************** DDRD&=~0X0C; //PD2，PD3口設(shè)置為輸入 PORTD=0XFF; //PWM初始化****************************************************** DDRD|=0X30; //設(shè)置PD4口為輸出 TCCR1A=0X63; //比較匹配時清零OC1B(輸出低電 //平）15模式PWM TCCR1B=0X19; //無預(yù)分頻 OCR1A=1600; //PWM頻率為2500HZ OCR1B=1400; //占空比0.86 asm("sei"); //開總中斷 while(1) { //按鍵處理 ******************************************** char j; j=PIND; j&=0x04; //按鍵1按下 if(j==0) { do { j=PIND; j&=0x04; delay_us(100); }while(j==0); sPID.SetPoint = 6000; //按鍵1處理 } j=PIND; j&=0x08; //按鍵2按下 if(j==0) { do { j=PIND; j&=0x08; delay_us(100); }while(j==0); sPID.SetPoint = 3000; //按鍵2處理 } if(flag==1) { flag=0; disposal(); //轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理 //PID計算***************************************************** rIn=sensor(); rOut=PIDCalc(&sPID,rIn); actuaor(rOut); } //************************************************************************* TIMSK|=0x01; //開T0中斷 display(); //顯示轉(zhuǎn)速 } } 4.1.1轉(zhuǎn)速顯示程序設(shè)計 轉(zhuǎn)速顯示程序主要是對5位數(shù)碼管顯示；把顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)用數(shù)碼管顯示出來，采用動態(tài)掃描方式。 圖4.2 轉(zhuǎn)速顯示程序框圖 轉(zhuǎn)速顯示程序代碼： const unsigned char seg_table[16]={ 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f}; unsigned char set1[5]={0x01,0x10,0x08,0x04,0x02}; void display(void) { unsigned char i; for(i=0;i<5;i++) {if(i==1) PORTA =seg_table[dispbuff[i]]+0x80; else PORTA =seg_table[dispbuff[i]]; PORTC|=set1[i]; delay_us(400); PORTC&=~0xff; } } 4.1.2PID運算程序設(shè)計 直流恒速控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制。采用PID調(diào)節(jié)控制的優(yōu)點如下: 比例環(huán)節(jié):作用快，無滯后。只要一有偏差，立即就能給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，它能及時克服擾動，使被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。加大比例系數(shù)可以提高系統(tǒng)對偏差的分辨率，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。缺點是對具有自平衡性的控制對象有余差( 自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值) ，擾動出現(xiàn)后，比例調(diào)節(jié)的結(jié)果使被調(diào)量不能回到給定值，只能恢復(fù)到給定值附近。對帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，動態(tài)特性也差。比例系數(shù)過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)， . 甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定:若取的過小，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增大穩(wěn)定裕度，但會降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使過渡時間延長。 積分環(huán)節(jié):提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。適用于有自平衡性的系統(tǒng)。只要有偏差存在，輸出調(diào)節(jié)信號就不斷動作，直到把偏差信號消除。但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大， 并可能產(chǎn)生振蕩。加大積分系數(shù)有利于減小系統(tǒng)的靜差，但過強的積分作用會使超調(diào)增大。 微分環(huán)節(jié)：阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。因此微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)跟蹤的速度。適當(dāng)選擇微分常數(shù)TD的大小，對恰當(dāng)實現(xiàn)上述微分作用是至關(guān)重要的。 圖4.3模擬PID控制 模擬PID調(diào)節(jié)器的框圖如圖4.3所示，圖中是設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出，e=-y構(gòu)成控制偏差，為PID控制器的輸入，u為PID控制器的輸出，也是被控對象的輸入。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 （4-1） ——比例系數(shù)；——積分系數(shù)；微分常數(shù)。 在單片機的應(yīng)用中，可選的控制算法很多，但常用的仍是數(shù)字PID算法。最優(yōu)控制理論可以證明，PID控制能滿足相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求。 離散化后的PID算式為 （4-2） 式中，K是比例系數(shù)；是偏差為零時的控制作用；是積分時間；是微分時間；是設(shè)定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差。 轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)程序框圖如圖 4