基于Proteus的電機恒速系統(tǒng)設(shè)計與仿真

張觀山，魯曉慶，尹義蕾，施國英，宋占華，張傳洋，宋月鵬

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018；2.山東省泰安英雄山中學(xué)，山東泰安，271021；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京，100125）

《電子技術(shù)綜合訓(xùn)練》是面向自動化、電氣工程及其自動化、機械與電子工程等專業(yè)開設(shè)的實訓(xùn)課程，旨在綜合應(yīng)用大一、大二學(xué)年學(xué)習(xí)的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《電路原理》等課程理論知識，進行系統(tǒng)化、綜合性項目設(shè)計和實踐。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)依托電子技術(shù)綜合實驗平臺等設(shè)備開展實驗，以上實驗設(shè)備只能滿足常規(guī)的實驗教學(xué)項目需求，而無法滿足創(chuàng)新性、綜合性項目設(shè)計需求，導(dǎo)致因設(shè)備配置實驗資源有限而在選擇和設(shè)計實驗過程中，放棄了諸多創(chuàng)新的設(shè)計思路和想法，制約了《電子技術(shù)綜合訓(xùn)練》課程實踐教學(xué)內(nèi)容發(fā)展[1]。

Proteus軟件是由Labcenter Electronics公司基于ProSPICE[2]開發(fā)的目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電子、數(shù)字電子以及主流的微處理器，如51，STM32，ARM等的仿真[4]。因此，Proteus軟件能夠解決因?qū)嶒炘O(shè)備資源有限而制約《電子技術(shù)綜合訓(xùn)練》課程實踐教學(xué)內(nèi)容發(fā)展的問題。

本文采用Proteus軟件對電機恒速系統(tǒng)進行了設(shè)計和仿真，通過軟件仿真代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗教學(xué)設(shè)備，擺脫了實驗資源的限制[5]，降低了實驗成本，提高了實驗設(shè)計的靈活性，提升了實驗教學(xué)效果[6]。

1 系統(tǒng)概述

本文使用Proteus軟件對電機恒速系統(tǒng)進行了設(shè)計和仿真。電機恒速系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為核心控制器，采用PWM方波驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，采用單片機計數(shù)器采集電機的速度脈沖，采用8位共陰數(shù)碼管顯示電機速度設(shè)定值和實際值，采用按鍵電路修改速度設(shè)定值，采用增量式PID控制算法計算單片機控制輸出。

實驗前學(xué)生需熟練掌握Proteus軟件的使用，包括查找元件、放置元件、元件布局、線路連接、虛擬儀器儀表使用等內(nèi)容。

熟練掌握Proteus軟件之后，按照設(shè)計要求搭建電機恒速系統(tǒng)硬件電路。電路搭建過程中，遵循模塊化思想，按照先部分后整體的思路分模塊搭建電路，避免整體電路無法正常工作而難以查找問題的情況。例如搭建電機驅(qū)動、電機測速模塊電路，使用Proteus內(nèi)置的方波發(fā)生器連接電機驅(qū)動電路，觀察電機是否運轉(zhuǎn)，使用Proteus軟件內(nèi)置的示波器觀察電機脈沖輸出。增大方波發(fā)生器輸出方波占空比，觀察電機轉(zhuǎn)速是否增加，通過示波器觀察電機脈沖頻率是否增加。如果以上現(xiàn)象符合預(yù)期要求，則表示電機驅(qū)動、電機測速模塊硬件電路搭建完成。如果現(xiàn)象不符合預(yù)期要求，需查找存在的問題，直至將問題解決。按照上述方法，繼續(xù)搭建數(shù)碼管顯示電路、按鍵電路等，最終完成整體硬件電路設(shè)計。

按照由簡單到復(fù)雜的思路完成軟件設(shè)計，共分13個步驟完成，具體實現(xiàn)步驟如下：

(1)實現(xiàn)單個LED燈點亮程序；

(2)實現(xiàn)LED燈熄滅程序；

(3)編寫延時程序，實現(xiàn)LED間隔1s閃爍；

(4)P1口連接8個LED，實現(xiàn)8個LED間隔1s閃爍；

(5)P0口連接數(shù)碼管段控位，向P0口發(fā)送0xFF，1s后發(fā)送0x00，不斷循環(huán)，實現(xiàn)第0位數(shù)碼管從顯示8到全滅循環(huán)。

(6)向P0口發(fā)送0xFF，P2.5，P2.6，P2.7口通過控制LS138譯碼器控制數(shù)碼管位選，實現(xiàn)數(shù)碼管從0-7位循環(huán)顯示8。

(7)減少延時時間為5ms，利用動態(tài)掃描原理實現(xiàn)數(shù)碼管同時顯示8。

(8)控制數(shù)碼管不同位顯示不同內(nèi)容。例如控制第0位顯示時，發(fā)送顯示0的段碼，控制第7位顯示時，發(fā)送顯示7的段碼，實現(xiàn)數(shù)碼管從低位到高位顯示0至7，并通過修改段碼改變顯示內(nèi)容。

(9)初始速度設(shè)定值為200脈沖/秒，通過低四位數(shù)碼管顯示。

(10)編寫?yīng)毩存I程序，通過按鍵調(diào)整速度設(shè)定值，并在數(shù)碼管顯示。

(11)編寫單片機定時器程序，通過中斷服務(wù)程序產(chǎn)生方波驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

(12)將單片機定時器/計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)器模式，每隔1s時間讀取計數(shù)器存儲的電機脈沖數(shù)，將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)速，通過數(shù)碼管高四位顯示。

(13)編寫PID控制程序，計算PWM方波占空比，實現(xiàn)電機閉環(huán)調(diào)速。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 硬件整體電路設(shè)計

圖1為硬件電路整體結(jié)構(gòu)圖，由微處理器、振蕩電路、復(fù)位電路、按鍵電路、數(shù)碼管驅(qū)動電路、數(shù)碼管段選電路、數(shù)碼管位選電路等組成。微處理器發(fā)送PWM方波到電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生方波脈沖。微處理器將定時器/計數(shù)器設(shè)定為計數(shù)器模式，計數(shù)器采集電機產(chǎn)生的方波，并轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)速。數(shù)碼管顯示電路包括數(shù)碼管段選電路、數(shù)碼管位選電路和數(shù)碼管，數(shù)碼管段選電路控制每一位數(shù)碼管顯示內(nèi)容，數(shù)碼管位選電路控制某一位數(shù)碼管顯示，按鍵電路設(shè)定電機速度。

圖1 硬件電路整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

電機驅(qū)動電路使用L298N專用驅(qū)動集成電路設(shè)計而成，L298N屬于H橋集成電路，具有輸出電流大，電路簡單，使用方便等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)電機調(diào)速、急停、換向等功能[7]。圖2為電機驅(qū)動電路設(shè)計圖，電機使用Proteus仿真軟件內(nèi)置的ENCMOTOR模塊，該模塊包括三個端口，左右端口為轉(zhuǎn)速信號，中間端口為脈沖信號，本文設(shè)置ENCMOTOR電機轉(zhuǎn)1圈，輸出60個脈沖信號。

圖2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

2.3 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計

數(shù)碼管顯示電路中數(shù)碼管選用8位共陰數(shù)碼管，前四位顯示電機轉(zhuǎn)速實際值，后四位顯示電機轉(zhuǎn)速測量值。AT89C51單片機P0口連接74HC573鎖存器，74HC573鎖存器連接數(shù)碼管段控端，控制數(shù)碼管顯示內(nèi)容。AT89C51單片機通過P2.5口，P2.6口，P2.7口連接74HC138譯碼器輸入端口，74HC138譯碼器輸出端口連接數(shù)碼管位控端，控制數(shù)碼管位選。74HC138譯碼器是一種3線-8線通用譯碼器，可實現(xiàn)擴展單片機IO口（見圖6）。

圖6 電機恒速系統(tǒng)Proteus軟件仿真界面

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)碼管顯示程序設(shè)計

采用單片機中斷技術(shù)結(jié)合LED動態(tài)掃描顯示原理實現(xiàn)數(shù)碼管顯示[8]，圖3為數(shù)碼管顯示程序流程。設(shè)置單片機定時器/計數(shù)器工作于定時器模式，將定時器設(shè)置為工作方式1，打開中斷總開關(guān)和定時器中斷開關(guān)，分別給TH0和TL0裝入初值，TH0裝入的初值為(65536-5000)/256，TL0裝入的初值為(65536-5000)%256，設(shè)置定時器每5ms產(chǎn)生一次中斷，啟動定時器。設(shè)置數(shù)碼管位控顯示變量i等于0。判斷是否滿足定時器中斷觸發(fā)的條件，如果未滿足，則繼續(xù)等待，如果滿足定時器中斷觸發(fā)條件，則定時器中斷觸發(fā)并進入定時器中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，單片機給數(shù)碼管發(fā)送數(shù)碼管段選碼和位選碼，然后判斷數(shù)碼管顯示控制變量i是否大于7，如果i不大于7，i加1，等待下一次定時器中斷觸發(fā)。如果i大于7，i清零，并等待下一次定時器中斷觸發(fā)。

圖3 數(shù)碼管顯示程序?qū)崿F(xiàn)流程

3.2 測速系統(tǒng)設(shè)計

圖4為測速程序?qū)崿F(xiàn)流程圖。首先設(shè)置定時器0為5ms定時器，設(shè)置定時器1工作于計數(shù)器模式，設(shè)置1s定時控制變量j等于0，判斷定時器0是否滿足中斷觸發(fā)條件，如果不滿足，則等待定時器0中斷觸發(fā)，如果滿足，則進入定時器0中斷服務(wù)程序。進入定時器0中斷服務(wù)程序之后，判斷1s定時控制變量j是否大于200，如果不滿足，則j加1，跳出中斷，等待下一次定時器0中斷觸發(fā)。如果滿足，則讀取計數(shù)器存儲數(shù)值，同時計數(shù)器清零。讀取的數(shù)值經(jīng)過處理之后得到電機速度，1s定時控制變量j清零，跳出定時器0中斷服務(wù)程序，等待下一次定時器中斷觸發(fā)。

圖4 測速程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

3.3 PID電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

圖5為PID原理框圖，本文使用的增量式PID算法調(diào)節(jié)單片機輸出控制量。圖5中，r(t)為給定值，y(t)為輸出值，給定值與輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-y(t)，e(t)作為PID控制器的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入，u(t)指PWM方波的占空比，占空比越大，電機轉(zhuǎn)速越快。PID控制器的控制律通過公式1表達。

圖5 PID原理框圖

式(1)中，u(t)為輸出信號，e(t)為偏差信號，Kp為比例系數(shù)，TI為積分時間，TD為微分時間，u0為控制常量，Kp/TI為積分系數(shù)，Kp/Td為微分系數(shù)。

4 仿真結(jié)果分析

本文使用Proteus軟件進行電機恒速系統(tǒng)設(shè)計與仿真，圖6為電機恒速系統(tǒng)Proteus軟件仿真界面。設(shè)置比例系數(shù)Kp等于1，積分系數(shù)Kp/TI等于0.3，微分系數(shù)Kp/Td等于0.03，初始電機速度設(shè)定為200脈沖/秒。啟動仿真，系統(tǒng)運行約5s后，電機實際速度穩(wěn)定在200脈沖/秒。

通過加速按鍵，將速度設(shè)定值增加至250脈沖/秒，調(diào)整結(jié)束后，系統(tǒng)將電機實際速度調(diào)整為250脈沖/秒大約需要4秒時間。

通過減速按鍵，將速度設(shè)定值減小至150脈沖/秒，系統(tǒng)將電機速度調(diào)整為150脈沖/秒大約需要6秒。

5 結(jié)束語

為了滿足《電子技術(shù)綜合訓(xùn)練》課程實訓(xùn)要求，提出了基于Proteus的電機恒速系統(tǒng)實驗教學(xué)項目。該項目要求學(xué)生按照模塊化思想搭建硬件仿真電路，按照由簡單到復(fù)雜的思路逐步完成程序的設(shè)計。系統(tǒng)采用增量式PID控制算法調(diào)節(jié)電機速度，實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。通過該項目實踐，能夠?qū)W(xué)生數(shù)字電路、模擬電路、自動控制理論等知識進行較為系統(tǒng)的應(yīng)用和訓(xùn)練，對學(xué)生電路設(shè)計能力、仿真分析能力、軟件編程能力具有較大的幫助和提升。