山东理工大学门禁出入管理控制系统文档格式.doc
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直流电机是由磁极﹑电枢绕组﹑电刷和换向器组成的。
通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流电机的旋转方向和速度。
它具有控制简单，启动转矩大，体积小，质量轻，效率高等优点。
直流电机的驱动方式有很多，其中很常用的一种叫做脉宽调制。
脉宽调制（PWM）通常称为PWM伺服放大技术，它是利用改变电压脉冲宽度来达到变压的目的的一种控制技术。
调速范围宽，效率高是它的主要优势。
1.3 PID控制简介
PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。
PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器（至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%）。
我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915~1940年期间。
尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，容易被理解和实现，应用中不需要精确的系统模型的预先知识，对模型误差具有易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。
PID有如下几个重要的功能：
1、提供反馈控制；
2、通过积分作用可以消除稳态误差；
3、通过微分作用预测将来。
PID控制器历史悠久，生命力旺盛，并以其独特的优点在工业控制中发挥巨大作用。
1.4 系统的总体设计
本系统由单片机核心、电机控制模块、数码管显示模块﹑语音模块和键盘输入模块构成，SPCE061A单片机作为主控芯片，通过I/O端口来控制SPGT62C19B电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。
电机上的光栅转盘和红外对管将直流电机的转动信息反馈给单片机，单片机针对测得的实际转速来调节SPGT62C19B的控制状态，从而使转速趋近预设置。
同时，电机转速可由4位数码管显示出来。
通过按键对直流电机的转动方向和转速等进行设定。
并利用凌阳单片机擅长的语音功能实现实时播报转速功能。
各部分之间的功能结构框图见图1.1。
SPCE061A单片机
数码管显示模块
转速测量模块
键盘输入
语音模块
电机及驱动模块
图1.1 系统功能结构框图
1.5 本设计的主要工作
对于硬件部分，论文主要研究了直流电机及利用SPGT62C19B进行PWM调速的原理，电机转速测量的方法，并设计了一套直观而又简洁的直流电机控制系统电路。
对于软件部分，论文研究了各个功能模块的设计思想和软件实现方法，讨论了数字PID在直流电机转速控制中的应用。
论文结构安排采取先硬件后软件，最后调试分析结果的顺序。
系统利用四个按键以及电机控制模块实现直流电机速度测量和调节，具有下列功能：
1、可通过按键设定电机的转动方向、转速；
2、可实时测量电机的实际转速，并在LED数码管上显示出来；
3、可对电机进行PID转速调节，使其转速趋近于设定值；
4、具有实时语音播报实际转速的功能。
第2章 硬件电路设计
硬件电路主要由单片机核心﹑键盘输入模块﹑LED显示模块﹑电机驱动及测速模块和语音模块五部分组成，下面分别介绍各部分的电路的原理及实现。
2.1单片机选择
近些年来，随着单片机需求的增多，功能集成化的发展，其应用也逐渐由单纯的控制扩展为控制处理、数据处理及数字信号处理（DSP）等领域。
通用16位单片机具有处理能力强、运算速度快、片内集成度高等优点，使其在信号处理、语音合成、语音识别、图像处理、通讯、仪器仪表，自动控制、汽车电子、电机变频控制、家用数字化设备等方面开辟了又一片广阔的天地。
因此，16位单片机比8位单片机应用的领域更加宽，是今后发展的一个必然趋势。
众所周知的MCS-51系列单片机是Intel公司推出的8位单片机系列，是使用最为普遍的单片机系列之一，并且ATMEL、LG、SIEMENS、PHILIPS等公司都有与其内核相兼容型号的芯片。
MCS-51系列单片机的片内结构中包括有微处理器CPU、片内随机存储器RAM、片内程序存储ROM/EPROM、并行输入输出口（P0、P1、P2、P3）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）七个部分组成。
片内的处理器CPU是一个8位的处理器，是由运算部分和控制部分两个部分组成，实现程序的控制和数据的运算，片内的随机存储器有128个字节，不够使用的时候可以外部扩展，片外最多可以扩展64K字节。
凌阳16位单片机的数据处理能力较强，在功能上远远超过8位单片机，其集成度较高，内部集成了ICE仿真电路、FLASH程序存储器、SRAM数据存储器、通用I/O端口、定时器、中断控制、CPU时钟、A/D转换器、D/A转换器、通用异步串行输入输出接口、直接串行输入输出接口、低电压监测/低电压复位等若干部分。
在u’nsp的内核外，配合不同的接口和辅助部分，就可以构成不同功能的单片机，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连接，提高了其可靠性和抗干扰能力。
凌阳的SPCE061A是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49MHz，具备运算速度高的优势等，这些都无疑为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。
凌阳压缩算法中SACM_A2000、SACM_S480、SACM_S240主要是用来放音，可用于语音提示，目前常用的16位单片机中带语音处理功能的芯片不是很多，多数都是外挂专用的语音处理芯片，增加了开发的成本和周期。
在做专门语音处理的时候，这样的芯片就只有单一的语音处理功能，因此在使用时具有了一定的局限性，而SPCE061A不仅可完成单片机本身的功能，还具有高质量的、编程方便的语音处理的功能。
因此凌阳16位单片机是本设计较为合理的选择。
2.1.1 凌阳单片机概述
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域。
凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。
它的CPU内核采用凌阳最新推出的μ’nSP™16位微处理器芯片。
围绕μ’nSP™所形成的16位μ’nSP™系列单片机（以下简称μ’nSP™家族）采用的是模块式集成结构，它以μ’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件有以下特点:
1、体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展。
μ’nSP™家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。
另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。
2、具有较强的中断处理能力。
μ’nSP™家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。
3、高性能价格比。
μ’nSP™家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。
另外，μ’nSP™的指令系统提供具有较高运算速度的16位×
16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得μ’nSP™家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。
4、功能强、效率高的指令系统。
μ’nSP™指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。
5、低功耗、低电压。
μ’nSP™家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。
另外，μ’nSP™家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。
这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。
2.1.2 凌阳单片机的输入输出接口
输入/输出接口是单片机与外设交换信息的通道。
输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。
输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。
凌阳单片机的输入输出端口与51系列单片机不同，它需要先定义再使用。
SPCE061A有两个16位的通用并行I/O口：
A口和B口。
这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。
A口的IOA0~IOA7作为输入端口时，具有唤醒功能，即当输入电平发生变化时，会触发CPU中断。
在电池供电、追求低耗电的应用场合，可以让CPU进入睡眠模式（利用软件控制）以降低功耗，需要时才以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。
SPCE061A提供了位控制结构的I/O端口，每一位都可以单独用于数据输入或输出。
每个独立的位可通过以下3种控制向量来作设定：
1、数据向量Data
2、属性向量Attribution
3、方向控制向量Direction
每3个对应的控制向量组合在一起，形成一个控制字，用来定义相对应I/O端口位的输入输出状态和方式。
与其它的单片机相比，SPCE061A除了每个I/O口可以单独定义其状态外，每个对应状态下的I/O端口性质电路都是内置的，在实际的电路中不需要再外接。
方向向量_Dir、属性向量_Attrib和数据向量_Data分别代表三个控制口。
这三个端口中每个对应的字节合在一起，形成一个控制字，来定义相对应I/O端口位的输入/输出状态和方式。
2.1.3 凌阳单片机的中断系统
中断是指在执行某一程序的过程中，由于单片机系统内、外的某种原因，而必须终止原程序的执行，转去执行相应的处理程序，待处理结束之后，再回来继续执行被终止的原程序过程。
中断是为处理器对外界异步事件具有处理能力而设置的，中断技术的引入把单片机的发展和应用大大地推进一步。
因此中断功能的强弱已成为衡量一种微控制器性能的重要指标。
SPCE061A系列单片机中断系统，是凌阳16位单片机中中断功能较强的一种，它可以提供14个中断源，具有两个中断优先级，可实现两级中断嵌套功能。
用户可以用关中断指令（或复位）屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令使CPU接受中断申请。
每一个中断源可以用软件独立控制为开或关中断状态；
但中断级别不可用软件设置。
SPCE061A单片机的中断系统有14个中断源分为两个定时器溢出中断、两个外部中断、一个串行口中断、一个触键唤醒中断、7个时基信号中断、PWM音频输出中断。
时基信号发生器的输入信号来自实时时钟32768Hz；
输出有通过选频逻辑的TMB1、TMB2信号和直接从时基计数器溢出而来的各种实时时基信号。
当开启时基信号中断后，有时基信号到来，发出时基信号中断申请，CPU查询到有中断请求后，允许中断并置位P_INT_Ctrl中相应的中断请求位，在中断服务程序中通过测试P_INT_Ctrl来确定是那个频率时基信号产生的中断，可以通过在计数不同频率的时基信号来做长时间或短时间的定时控制。
2.1.4 凌阳单片机硬件系统
SPCE061A硬件系统包括芯片及其外围基本模块，外围基本模块有：
晶
振输入模块、锁相环外围电路、复位电路、指示灯等。
如图2.1所示
图2.1 凌阳单片机硬件系统
2.2电机及其驱动方式
电机是电动机的简称，是一种将电能转换为机械能的装置。
电机在运动控制系统中主要用作执行部件。
它的基本工作原理是利用电流通过一个恒定磁场中的导体时所产生的电磁力来驱动导体运动而产生动力。
运动控制系统中最常用的电机类型有：
直流电机﹑交流电机和步进电机等。
直流电机由永磁定子﹑线圈转子﹑电刷和换向器构成。
通过电刷和换向器使电流方向随转子转动变化，实现连续旋转运动。
转速控制采用电压控制方式，控制电压和转速成正比；
转矩控制采用电流控制方式，控制电流和转矩成正比。
交流电机按结构分为同步电机和异步电机，同步电机转子由永磁体构成，异步电机转子由线圈绕组构成。
无刷直流电机结构和同步电机相同，特性和直流电机相同。
交流电机控制方式分为电压控制和频率控制两种方式。
异步电机通常采用电压控制方式。
步进电机按照产生转矩的方式分为永磁体式﹑可变磁阻式和混合式。
步进电机的控制方式分为单相励磁﹑双相励磁和单-双励磁。
带有负反馈的直流电机在运动控制系统中作为执行电机得到广泛的应
用，这是因为直流电机具有以下优点：
1、良好的可控性，即直流电机的启动﹑停转﹑转向可控；
2、其转速虽控制信号改变时，具有良好的调速性；
3、调速范围宽﹑线性度好；
4、启动转矩大，电机本身惯量小，启动迅速；
5、机械特性和调节特性好。
步进电机的能量转换效率低，容易丢步。
与交流电机相比，直流电机在控制方便﹑工作特性的线性度好等方面有着突出的优点。
而且交流电机的驱动电路复杂，价格高。
因此，目前在要求较高的调速装置的运动控制系统中，都选用直流电机与整流型调速装置组合使用。
2.2.1 直流电机
其中，磁极在工作中固定不动，故又称定子，定子磁极用于产生磁通的磁场。
根据磁极的结构，可分为永磁式直流电机和电磁式电机两种。
在永磁式直流电机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后可产生恒定磁场。
在电磁式直流电机中，磁极硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。
电枢绕组是直流电集中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向器和外加电源相连。
当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会在电枢绕组得到提上产生电磁力，并形成带动负载旋转的电磁转矩，驱动转子旋转。
所以简单而言，直流电机的结构由定子﹑电枢转子和换向器组成。
由于直流电机通常都是采用永磁式的，所以定子磁场中的磁通量始终保持不变，从而使得转速与电压之间为线性关系，即直流电机转速与所施加的电压成正比，与磁场磁通量成反比。
由于磁场磁通量是不变的常数，所以此时电机转速仅随电枢电压变化。
直流电机具有良好的控制性能和较大的启动转矩，还具有相对功率大和响应速度快的优点。
尽管直流电机相对于交流电机而言，结构复杂，价格较高，但仍然是目前机电控制系统中应用最为广泛的一类电机。
在运动控制系统中，直流电机作为伺服元件使用，着重考虑的是电机的高精度和快速响应。
2.2.1 直流电机的PWM驱动方式
现代电机的驱动放大技术与电子技术的发展有着非常密切的关系。
电子技术﹑电子器件的成就，极大地推动了电机驱动放大技术的进步。
现代直流电机的驱动放大都是采用晶体管功率放大器来实现的。
晶体管放大系统一般可以分为两类：
线性放大器和开关型放大器。
目前线性放大器一般仅在小功率的场合有所应用，而大量采用的是开关型放大器。
开关型放大器通常可分为三种：
脉宽调制（PWM），脉冲频率调制（PFM）和可控硅整流（SCR）。
改变开关接通时间和开关周期的比例亦即改变脉冲的占空比，电动机两端的电压平均值也随之改变，因而电动机转速得到了控制。
改变占空比有两种调制方法：
一种是开关周期恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式，即脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，缩写为PWM）；
另一种方式为导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率来改变占空比，亦即脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，缩写为PFM）。
由于PFM控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现啸叫声，这一严重的缺点导致PFM控制在伺服系统中不适用。
又由于使用PWM控制的电路中调速范围宽，功率元件工作在开关状态，效率高，所以目前在直流电动机的控制中，以PWM控制方式为主。
最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制信号以控制放大功率期间的开关开始，而目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以采用软件发生方法，配以适当的硬件控制芯片，PWM控制技术有了更大的发展前景。
2.3电机驱动电路
2.3.1 电机驱动芯片SPGT62C19B
采用PWM控制方式时，如果直接将单片机输出的PWM加在直流电机的两端，驱动能力显然是不够的，因此需要选择一款较为方便的电机驱动芯片，本设计采用的是SPGT62C19B电机驱动芯片。
SPGT62C19B是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片，可驱动一台两相步进电机，或者两台直流电机。
它带有双路H桥，可分别驱动两个独立的PNP功率管。
每一个H桥都有各自独立的使能引脚，因此非常适合于需要独立控制的步进电机驱动系统。
SPGT62C19B输出电压可达40V，输出电流可达750mA，由输入的逻辑电平来决定输出脉冲的宽度及频率，所以由这款芯片组成的电机驱动系统将脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器合为一体，省去了很多外围器件。
SPGT62C19的内部由两组完全相同的控制电路组成了两路输出通道。
其中一路通道的控制电路原理如图2.2所示。
输入控制信号经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分进行处理并驱动晶体管，最后由OUT端口输出驱动信号以控制电机的运行。
图2.2 SPGT62C19的工作原理图
SPGT62C19B的控制脚有6个，见表2.1。
表2.1 SPGT62C19B的控制引脚
引脚
名称
用途
20
I01
通道1的电流大小控制
17
I11
16
PHASE1
通道1的电流方向控制
8
I02
通道2的电流大小控制
9
I12
10
PHASE2
通道2的电流方向控制
以通道1为例，控制口I01与I11的不同逻辑组合可使通道1输出端产生不同大小的电流输出，见表2.2。
其中Imax是电流输出的最大值，与具体电路有关。
PHASE1的逻辑电平值决定了该通道的电流输出方向。
PHASE1与电流方向的对应关系是:
当PHASE1是低电平时电流方向是从OUT1B到OUT1A当PHASE1为高电平时，电流方向从OUT1A到OUT1B。
SPGT62C19B的两个输出通道可以分别控制一台直流电机。
仍以通道1为例，只需设定PHASE1的逻辑电平，即可实现电机的正反转控制。
而电机调速可以通过不断改变I01和I11的高低电平状态，使输出通道产生PWM波形信号，从而利用PWM的占空比来调节电机转速。
表2.2 SPGT62C19B的控制脚输出电平与电流关系
I01逻辑值
I11逻辑值
Imax
1
2/3*Imax
1/3*Imax
2.3.2 用SPGT62C19B芯片实现电机控制
而电机调速可以通过不断改变I01和I11的高低电平状态，使输出通道产生PWM波形信号，从而利用PWM的占空比来调节电机转速，见图2.3。
图2.3 输出PWM控制直流电机
2.4 1×
4按键
作为本系统的人机交互模块，在系统中起着重要的作用。
我采用的是普通机械触点式按键，一端与凌阳单片机的IOA0～IOA3连接，另一端直接与Vcc连接。
端口初始化为下拉电阻，即高电平有效。
当按键被按下时，单片机端口输入为高电平。
由于该按键是机械触电，当机械触电断开、闭合时会有抖动，这种抖动对人来说是感觉不到的，但对于计算机，则是完全可以感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级。
为使单片机能正确地读出端口状态，对每一次按键只做一次响应，就必须采取去抖的方法，本设计采用的是软件去抖，具体流程将在第三章作具体的介绍。
2.5 转速测量电路
对于电机转速测量，有很多种方法。
可以使用一个直流测速仪对电机旋转的速度进行测定，给控制系统提供速度反馈信号。
一般对直流电机的要求是：
电机的转速应当正比于所施加的电压，使得直流电机的速度可以按照人的期望值来调节。
当系统没有连接测速机时，直流电机将以正比于电压的速度旋转。
但由于电路损耗或负载变化，实际的电机速度可能会逐渐偏离期望的速度。
采用一个测速机来获取电机的实际速度，测速机产生一个正比于电机实际速度但方向相反的电压。
通过获得施加电压与所测电压之间的偏差值，可以施加控制量使得此偏差越来越小，最终达到输出跟踪期望输入的目的。
但上述方法需要的硬件较为复杂，而且测得的电压还要经过数模转换才可以传给单片机处理，不够方便。
较为常用的是采用红外对管计数的方法。
红外对管由一个红外发射二极管和一个红外接收二极管组成，具体电路图如图2.4所示。
当发射管与接收管之间没有障碍物时,红外接收二极管由于接收到红外辐射而导通,输出电平为低；
当发射管与接收管之间有障碍物时，红外接收二极管截止,输出电平为高。
因而,利用其输出电平的高低很容易判断红外对管之间有无障碍物。
可以通过查询的方式在一段时间内记录下高低电平的转化次数或者记录一定的高低电平变化次数所用的时间实现计数。
直流电机转轴上加装了光栅转盘，用来测量电机的转速，也可便于观察电机的转动情况。
光栅转盘遮挡在红外发射管和红外接收管之间。
如图2.5所示，光栅转盘的圆面上开了4个通光槽，电机每转动一周，红外接收管将接收到4次红外光，从而可以实现电机测速功能。
图2.4 转速测量电路
图2.5 直流电机的光栅转盘
2.6 数码管显示电路
数码管是常用的显示器件，相对于液晶而言，数码管价格更低，而且控制更方便。
数码管显示驱动分静态显示和动态（扫描）显示。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再处理，直到下一次显示数据需更新时再传送一次新数据。
其优势在于显示数据稳定，占用很少的CPU时间。
即每个LED都占用8
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