2022年虚拟仪器的电机调速系统设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 基于虚拟仪器的电机调速系统设计1 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 摘要虚拟仪器技术是运算机测量与掌握技术的一个新的进展方向；虚拟仪器是虚拟仪器技术的一个重要组成部分,其中最具代表性的是图形化编程开发平台LabVIEW,它是一个功能强大而又敏捷的仪器和分析软件应用的开发工具；本系统的核心掌握部件分别是系统上位机LabVIEW开发平台和下位机AT89S52单片机, LabVIEW主要是执行 PID 算法向单片机发送指令,并利用其便捷直观的界面设计观看转速的实

2、时变化；下位机AT89S52单片机主要是依据上位机的指令产生不同占空比的 PWM波来掌握电机的转动并接收反馈的电机转速信号,然后发送给上位机分析；这一基于 LabVIEW的直流电机调速系统,设计出了电机转速掌握的虚拟仪器界面,实现了其速度的在线实时掌握,达到了较好的速度掌握成效；关键字 ：LABVIEW； AT89S52；PID调剂； PMW 波；直流电机；调速2 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - Abstract The virtual instrument technology is a comput

3、er measurement and control technology, the new direction of this technology development . The virtual instrument is an important component of the virtual instrument technology.The most representative isa graphical programming platform,LabVIEW.It is a powerful and flexible instrumentation and develop

4、ment tool forthe software analysis and application. The core of the system consists of the host computer LabVIEW development platform and the lowercomputer microcontroller AT89S52 .LabVIEW sends commands ofPIDoperation to the microcontroller, and it is so convenient and intuitive to observe the spee

5、d of real-time changes .Microcontroller AT89S52 produces and tranmits PWM wavesin different duty ratio based on the instructions of the host computer to control the motor rotation and receive feedback motor speed signal , and then sent to the host computer . The DC motor speed control system based o

6、n LabVIEW have designed a virtual instrument interface for inspectingthe speed of the real-time , and received goodresults. 3 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目录基于虚拟仪器的电机调速系统设计 . 111 摘要 . 222 1 绪论 . 555 1.1 课题背景 . 555 1.2 本课题的国内外讨论现状 . 555 2 系统整体设计 . 666 2.1 系统整体设计方案 . 6

7、66 2.2 系统部分模块设计方案 . 777 2.2.1 上位机功能的实现 . 777 2.2.2 下位机功能的实现 . 888 3 虚拟仪器和 LabVIEW介绍 . 888 3.1 虚拟仪器的概念. 888 3.2 LabVIEW 概述 . 999 3.2.1 编程语言的介绍 . 999 3.2.2 LabVIEW 编程基础 . 101010 4 系统硬件设计 . 131313 4.1 单片机外围电路设计 . 131313 4.1.1 单片机最小系统设计. 131313 4.1.2 单片机外围电路设计. 141414 4.2 驱动电路 . 151515 4.3 转速检测电路 4.4 串口

8、通信电路. 181818 . 191919 4.5 电源电路 . 212121 5 系统软件设计 . 222222 5.1 上位机软件设计 5.2 下位机软件设计. 232323 . 232323 5.2.1 程序流程设计 . 242424 5.2.2 主函数设计 . 242424 5.2.3 延时子函数 . 252525 5.2.4 串口中断子函数 . 262626 5.2.5 外部中断子函数 . 262626 5.2.6 定时器 T0 中断子函数 . 262626 5.2.7 电机转动子函数 . 272727 4 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 27 页精

9、选学习资料 - - - - - - - - - 1 绪论1.1 课题背景虚拟仪器是 20 世纪 80 岁月兴起的一项新技术,是运算机技术和多种基础学科紧密结合的产物；随着微电子技术、运算机技术、软件技术和网络技术的飞速进展,新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断显现,在很多方面打破了传统仪器的概念,在这样的背景下,1986 年美国国家仪器公司National Instruments,NI）提出了虚拟仪器Virtual Instrument,VI ）的概念；经过 20 多年的技术进步与进展,虚拟仪器逐步转变了全世界工程师和科学家们对于测量和自动化的懂得和看法,已成为 重要方向；21

10、 世纪测试技术进展的一个近些年来,世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件,以便使用者利用这些仪器公司供应的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统,并编制测试软件；最早和最具影响的开发软件,是NI 公司的 LabVIEW软件和LabWindows/CVI 开发软件；LabVIEWLaboratory Virtual instrument Engineering Workbench ）是一种图形化的编程语言的开发环境,它广泛地被工 业界、学术界和讨论试验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器掌握软件这是一个功能强大且敏捷的软件,利用它可以便利地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得

11、编程及使用过程都生动好玩,使用LabVIEW编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图或框图；它尽可能利用了技术人员、科学 家、工程师所熟识的术语、图标和概念,因此,LabVIEW 是一个面对最终用户 的工具；它可以增强你构建自己的科学和工程系统的才能,供应了实现仪器编 程和数据采集系统的便利途径；使用它进行原理讨论、设计、测试并实现仪器 系统时,可以大大提高工作效率；直流电机是人类最早创造和应用的一种电机,虽然应用不如沟通电机广泛,但是由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能,因此广泛应用于启动 和调速要求高的机械上,在工业领域中仍占有重要的应用位置；因此,讨论直 流电机基于虚拟仪器

12、的调速掌握有着特别重要的意义；1.2 本课题的国内外讨论现状电机掌握是一个既成熟又进展快速的课题,也始终是国内外很多公司；大 学讨论开发的热点；目前,国内外电机掌握有关方面的讨论工作主要是环绕电 机掌握理论、运算机帮助技术、电机掌握器；电力电子技术几个方面绽开；电机掌握理论方面,随着电机结构、性能、工作原理的不断进展以及掌握 理论的广发进展应用,应用于电机掌握方面的掌握算法层出不穷；近年来讨论 的很热门的有自适应掌握算法、模糊掌握算法、神经网络掌握算法、鲁棒掌握理论等等；但是在实际生产中应用最为广泛的仍是PID 掌握算法； PID 掌握是一种成熟的经典掌握方法之一,PID 掌握器以其结构简洁、

13、稳固性好、工作可靠、调整便利而成为工业掌握的主要技术之一,是实际工程应用最为广泛的调5 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 节器,经过半个多世纪的演练,PID 掌握已从原有的模拟 PID 掌握进展到现在 的数字 PID 掌握,使得 PID 掌握具有很大的敏捷性和很强的适用性；运算机帮助设计方面,由于运算机微电子技术和软件开发技术的进展,计算机在现代工业生产中的作用越来越大,不同类型的软件开发平台的产生为工业系统的设计开发供应了越来越多的可挑选和执行方案,其中应用较多的有MATLAB和 LabVIEW；MAT

14、LAB是美国 MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值运算的高级技术运算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和 Simulink两大部分,是国际、国内掌握领域内最流行的运算和仿真软件,功能强大,工具箱丰富；LabVIEW是 NI 公司推出的一种基于 G语言 图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具；电力电子技术方面,脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation,PWM）作为 一种特别成熟的模拟掌握方式,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行 掌握的一种特别有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率掌握欲变换的许 多领域中,主要应用于电力

15、电子技术行业,详细讲包括风力发觉、电机调速、直流供电等领域；基于以上技术的讨论,本设计就是采纳虚拟仪器对系统就行 PID 掌握,通过对下位的单片机发送命令,掌握单片机发送不同的 机的转速；PWM波信号来调剂直流电2 系统整体设计2.1 系统整体设计方案本设计是基于虚拟仪器开发设计平台LABVIEW和 AT89C51单片机的直流电动机调速系统,利用 PC上位机软件实现直流电机速度的调剂并监控直流电机的实时运行状态；本系统是用 LABVIEW平台来编程设计上位机软件,通过串口通信掌握单片机进行转速的调剂,同时仍能监测电机的实时转速、直观地观看到电机转速变化的过程；下位机采纳的是 AT89C51单品

16、机作为掌握板的核心处理器,单片机通过接收转速信号采集电路反馈的转速信号来运算转速,然后通过串口通信将其传送到上位机,经过上位机的PID 调剂,接受上位机返回的调剂信号,转变输出的PMW波的占空比,最终经由驱动电路送至电机从而达到调剂直流电动机转速的 目的；本系统的结构框图如图 1 所示：6 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - LabVIEW上位机测速电路速下位机PIDPWM波占空比驱动电路度输信出号AT89C51直流电机图 1 利用 LabVIEW所开发的直流电机调速测试系统,不仅能够很好地满意调速 测试的

17、要求,而且具有 PID 调剂掌握输出功能,充分调用 LabVIEW软件本身所 供应的丰富的应用分析工具包如 PID 工具包 PID Toolkit）等工具模块,防止大量的软硬件开发工作；另外,LABVIEW平台采纳的是图形化的编程方式,比一般纯文本编程软件更加简洁,且其界面美观,处理结果也可以直接在前面板 中进行描述,便于掌握者更直观地监控、分析数据；2.2 系统部分模块设计方案本系统的整体设计如上所述,由于每个模块都有不用的实现方式,所以本 节来介绍一下系统每个模块详细的实现方案；2.2.1 上位机功能的实现1）掌握算法 本系统的上位机由LabVIEW平台开发的软件实现,由于上位机承担着最主

18、要的 PID 掌握算法的任务,其实现的方式就是应用 LabVIEW平台自身包含的PID 工具包来编写程序；2）上位机串口通信 在 LabVIEW中, VISA 称为虚拟仪器软件体系结构Virtual Instrument Software Architecture）,作为 LabVIEW程序中驱动程序间相互通信的底层功能模块,可以连接不同标准的 I/O 设备,是一个用来在串口通信设备、VXI 设备、 GPIB 设备以及其它基于运算机设备之间通信的函数库；我们 可以再7 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - L

19、abVIEW中的 Instrument I/O 中的 Serial比较常用的是 VISA Configure Serial Port找到与串口 VI 相对应的模块,其中、VISA Write 、VISA Read 等模块,分别实现串口设置、串口写、串口读等功能；通过对这几个功能模块的配置和连接,就能开发出符合要求的LabVIEW串行口通信软件；编程中最关键的是对这几个通信子 VI 属性的设置和通信流程图的连接；2.2.2 下位机功能的实现本设计中下位机用的是AT89S52单片机,它是本系统执行的核心；其主要任务有：与上位机进行串口通信；发送 PWM波来调剂直流电机的转速；接受反馈的电机转速的信

20、号并运算出电机的转速；1）下位机串口通信本设计的串口通信使用的是单片机的串行输入端RXD）和串行输出端 TXD）与 PC机的 COM口相连接,采纳的是 2）PWM波的产生RS232接口标准和 DB9连接器；PWM信号的产生通常有两种方法：一种是硬件的方法；一种是软件的方法；本设计采纳的是软件生成PWM信号的方案；设计思路是：固定单片机输出PWM波的周期,然后通过执行延时子程序转变高电平输出的时间和低电平输出的时间比,即可产生不同占空比的PWM波；3）电机转速的运算 电机转速运算的实现,本系统采纳的是定时加计数的方法；通过单片机内 部的定时器 T0 来定时,然后用外部中断 INT1 来记接收到的

21、反馈脉冲的数量,通过在肯定时间内接收到的脉冲数来算出转速；3 虚拟仪器和 LabVIEW介绍3.1 虚拟仪器的概念所谓的虚拟仪器,就是在以通用运算机为核心的通用硬件平台上,由用户 设计定义,采纳虚拟面板,测试功能由软件实现的一种运算机仪器系统；这里 的“ 虚拟” 有两层含义：（1） 虚拟的仪器面板 在虚拟仪器里由软件在运算机显示器上生成类似于真实仪器的操作面板,物理的开关、旋钮、案件以及数码管等显示器件都是由于实物外观很相像的图 形控件来代替,操作人员通过鼠标或者键盘操作软件界面中的这些空间来完成 一期的掌握；（2） 由软件实现仪器的测量功能 在虚拟仪器系统中,仪器功能是由软件编程来实现的；它

22、不仅能实现串通 一气的测量功能,也能实现传统仪器不能实现或者很难实现的一些数据处理功 能,如 FFT 分析、小波分析、数字滤波、回来分析、统计分析等；通过不同软 件模块的组合,仍可以实现多种自动测试功能；8 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能,而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点,如使用敏捷便利、功能丰富、价格低廉、可以一机多用、可重复开发等；虚拟仪器与传统仪器相比,有以下 6 个特点 : 1）传统仪器的面板只有一个,其上布置着种类繁多的显示与操作元

23、件,易于导致很多识别与操作错误；而虚拟仪器可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能；同时,虚拟仪器面板上的同学讨论和操作元件的种类不受“ 标准件” 和“ 加工工艺” 限制,它们是由 户的熟识要求和操作要求设计仪器面板；编程来实现的,设计者可以依据用2）在通用硬件平台确定后,由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；3）仪器的功能是用户依据需要由软件来定义的,而不是事先由厂家定义好的；4）仪器的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计,而不需要购买新的仪器；5）研制周期较传统仪器大为缩短；6）虚拟仪器开放、敏捷,可与运算机同步进展,与网络及其它周边设备互联；3.2 LabVIEW 概述3.

24、2.1 编程语言的介绍LabVIEW 是试验室虚拟仪器集成环境Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ）的简称,是目前应用最广、进展最快、功能最强的图 形化软件开发集成环境,得到工业界和学术界的普遍认可和好评；它可以把复杂、繁琐、费时的语言编程简化为用菜单或图标提示的方法挑选功能 图形）,用仙台哦将各种功能 图形）连接起来的简答图形编程方式,为没有编程体会的 用户进行编程、差错、调试供应了简洁便利、完整的环境和工具,特殊适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用；LabVIEW 是一种虚拟仪器开发平台软件,能够以其直观简便的编

25、程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持,为用户便利地构筑自己在实际工程中所需要 的以其系统制造了基础条件；而且 LabVIEW与其它运算机语言相比,有一个特殊重要的不同点：其它计算机语言都是采纳基于文本的语言产生代码行,而LabVIEW采纳图形化编程语言 G 语言,产生的程序是框图的形式,易学易用,特殊适合硬件工程师、试验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用,可在很短的时间内把握 并应用到实践中区；特殊是对于熟识仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场 工程技术人员以及测试技术人员们学习 LabVIEW驾轻就熟,在很短的时间内就 能够学会 并应用 LabVIEW,

26、也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码；LabVIEW的功能特别强大；像C 或 C+等其它运算机高级语言一样,LabVIEW也是一种通用编程系统,具有各种格言、功能强大的函数库,包括数 据采集、 GPIB、串行仪器掌握、数据分析、数据显示及数据储备,甚至仍有目前特别热门的网络功能；LabVIEW也有完善的仿真、调试工具,如设置断点、单步执行等； LabVIEW的动态连续跟踪方式,可以连续、动态地观看程序中的9 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 数 据 及 其 变 化 情 况 , 比 其 它 语 言 的 开

27、 发 环 境 更 方 便 、 更 有 效 ；3.2.2LabVIEW 编程基础全部的 LabVIEW程序即虚拟仪器 VI ）都是由前面板和框图构成的；下面通过一个简洁的加减法程序的实现来说明；前面板 Front Panel ）在 LabVIEW中,前面板是虚拟仪器 VI 的图形用户界面,其中包含着旋钮、按钮、图表等控件 Control ）、指示器 Indictor）,用来接收用户的输入以及显示程序的输出；各种控件、指示器是LabVIEW与用户的接口,它们的外观和实际仪器对应元件的外观几乎一样,因此,运算机屏幕所显示的就像一台实际 仪器的前面板；10 / 27 名师归纳总结 - - - - -

28、- -第 10 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - （1） 框图 Block Diagram ）框图与图元 Icons ）仪器包含着虚拟仪器图形方式的源代码；在框图中,可以使用 G 语言对前面板中所创建的各种输入、输出的功能进行编码；框图中 可以包括 LabVIEW内部的虚拟仪器库函数 Function ）、结构 Structure ）,仍 可以包括与前面板的控件、指示器有关的接线端子；2）选项板 Palette ）选项板供应了创建、编辑用户 LabVIEW中有以下三个选项板；错误 . 工具选项板VI 的前面板、框图时所需要的一些选项11 / 27 名师归纳总结

29、- - - - - - -第 11 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 工具选项板既可以用在前面板设计时,也可以用在框图设计时,它包括了 创建、编辑、调试前面板及框图对象的一些工具错误 .控件选项板 该选项板用在前面板设计时,其中包括了创建用户界面时所需要的各种控件、指示器错误 .函数选项板函数选项板用于框图设计时,其中包括了对VI 进行编程时可使用的一些标准模块,如算术运算、文件 IO、仪器 IO 数据采集等模块12 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 错误 .数据流图 D

30、ataflow ）用 LabVIEW创建的 VI 是按肯定的数据流淌模型来执行的；框图一般有 VI 、结构、前面板上的接线端子等节点 Node）组成,这些节点通过“ 导线 Wire）”连接起来；由此连接关系打算了程序执行过程的数据流淌；当一个节点的功能被执行完后,其全部的输出都将被移动到数据流图路径的下一个节点上；4 系统硬件设计4.1 单片机外围电路设计4.1.1 单片机最小系统设计本设计采纳 ATMEL公司的 8 位 51 单片机 AT89S52,设计的最小系统如图13 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - -

31、 - 其功能主要有供应单片机时钟源、复位电路；时钟电路采纳外部晶体振荡器,外加两个和谐电容；本设计一方面基于串口通信,为了保持串口通信的正确性,采纳12MHz频率的晶振,能更好的匹配串口发送速率,保持数据的正确性；另一方面,采纳 12MHz频率的晶振也能达到比较精确的软件定时；复位电路是由上电复位和按键复位两部分组成；上电复位原理为单片机上电后,电容充电,充电期间,给RST 引脚高电平,引发单片机复位,充电完成后, RST接低电平,单片机正常工作；按键复位原理为按下按键后,按键和电容构成回路,进行电容放电；放电 期间, RST接高电平,引发单片机复位；松开按键后,电容放电完成,RST接低 电平

32、,单片机正常运行；4.1.2 单片机外围电路设计前文中已经给出了系统下位机功能实现的设计方案；AT89S52单片机通过 P3 端口引脚的其次功能来实现其与上位机的串口通信和接收反馈速度信号的作用；依据 P3 口的其次功能,本设计中采纳P3.0 RXD串行输入口）和 P3.1TXD串行输出口）来完成与PC机的串口通信；通过P3.3INT1外部中断 1）来接收测速电路反馈的速度信号；另外,AT89S52有 32 位 I/O 口线,其中 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向I/O 口；作为输出口,每位能驱动8 个 TTL 规律电平；当 P0 口作为一般输出端口用的时候,需要外加上拉电阻才能输出高电平

33、；本设计中, P0.0 和 P0.1 用来输出去往驱动电路的高低电平,电路图如下所示：14 / 27 P0.7 输出 PWM波信号；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.2 驱动电路H 桥式驱动电路是一个典型的直流电机掌握电路,基本结构是由四个三极管组成促使电机运转,电路图如下所示,要使电机运转,必需导通对角线上的一对三极管；依据不同三极管对的导通情形,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而掌握电机的转向；L298 是 SGS公司的产品,比较常见的是15 脚 Multiwatt封装的 L298N如图所示）,内

34、部同样包含 双全桥式驱动器,接受标准4 通道规律驱动电路 , 即内含二个 H桥的高电压大电流 TTL 规律电平信号,可以便利的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机,输出电压最高可达 50V,可以直接通过电源来调剂输出电压；可以直接用单片机的IO 口供应信号；而且电路简洁,使用比较便利；15 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - L298N的引脚图如下列图,各个引脚的功能如表所示16 / 27 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 引脚符号功能1 SENSING A 此两端与地连接电流检测电阻,并向驱动芯片反馈检测到的15 2 SENSING B OUT 1 信号此两脚是全桥式驱动器A 的两个输出端,用来连接负载3 OUT 2 电机驱动电源输入端4 Vs 5 IN 1 输入标准的TTL 规律电平信7 6 IN 2 ENABLE A 号,用