张观山，鲁晓庆，尹义蕾，施国英，宋占华，张传洋，宋月鹏
（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安，271018；2.山东省泰安英雄山中学，山东泰安，271021；3.农业农村部规划设计研究院，北京，100125）
《电子技术综合训练》是面向自动化、电气工程及其自动化、机械与电子工程等专业开设的实训课程，旨在综合应用大一、大二学年学习的《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》、《电路原理》等课程理论知识，进行系统化、综合性项目设计和实践。传统的实践教学依托电子技术综合实验平台等设备开展实验，以上实验设备只能满足常规的实验教学项目需求，而无法满足创新性、综合性项目设计需求，导致因设备配置实验资源有限而在选择和设计实验过程中，放弃了诸多创新的设计思路和想法，制约了《电子技术综合训练》课程实践教学内容发展[1]。
Proteus软件是由Labcenter Electronics公司基于ProSPICE[2]开发的目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台[3]，能够实现模拟电子、数字电子以及主流的微处理器，如51，STM32，ARM等的仿真[4]。因此，Proteus软件能够解决因实验设备资源有限而制约《电子技术综合训练》课程实践教学内容发展的问题。
本文采用Proteus软件对电机恒速系统进行了设计和仿真，通过软件仿真代替传统实验教学设备，摆脱了实验资源的限制[5]，降低了实验成本，提高了实验设计的灵活性，提升了实验教学效果[6]。
1 系统概述
本文使用Proteus软件对电机恒速系统进行了设计和仿真。电机恒速系统采用AT89C51单片机作为核心控制器，采用PWM方波驱动电机运转，采用单片机计数器采集电机的速度脉冲，采用8位共阴数码管显示电机速度设定值和实际值，采用按键电路修改速度设定值，采用增量式PID控制算法计算单片机控制输出。
实验前学生需熟练掌握Proteus软件的使用，包括查找元件、放置元件、元件布局、线路连接、虚拟仪器仪表使用等内容。
熟练掌握Proteus软件之后，按照设计要求搭建电机恒速系统硬件电路。电路搭建过程中，遵循模块化思想，按照先部分后整体的思路分模块搭建电路，避免整体电路无法正常工作而难以查找问题的情况。例如搭建电机驱动、电机测速模块电路，使用Proteus内置的方波发生器连接电机驱动电路，观察电机是否运转，使用Proteus软件内置的示波器观察电机脉冲输出。增大方波发生器输出方波占空比，观察电机转速是否增加，通过示波器观察电机脉冲频率是否增加。如果以上现象符合预期要求，则表示电机驱动、电机测速模块硬件电路搭建完成。如果现象不符合预期要求，需查找存在的问题，直至将问题解决。按照上述方法，继续搭建数码管显示电路、按键电路等，最终完成整体硬件电路设计。
按照由简单到复杂的思路完成软件设计，共分13个步骤完成，具体实现步骤如下：
(1)实现单个LED灯点亮程序；
(2)实现LED灯熄灭程序；
(3)编写延时程序，实现LED间隔1s闪烁；
(4)P1口连接8个LED，实现8个LED间隔1s闪烁；
(5)P0口连接数码管段控位，向P0口发送0xFF，1s后发送0x00，不断循环，实现第0位数码管从显示8到全灭循环。
(6)向P0口发送0xFF，P2.5，P2.6，P2.7口通过控制LS138译码器控制数码管位选，实现数码管从0-7位循环显示8。
(7)减少延时时间为5ms，利用动态扫描原理实现数码管同时显示8。
(8)控制数码管不同位显示不同内容。例如控制第0位显示时，发送显示0的段码，控制第7位显示时，发送显示7的段码，实现数码管从低位到高位显示0至7，并通过修改段码改变显示内容。
(9)初始速度设定值为200脉冲/秒，通过低四位数码管显示。
(10)编写独立按键程序，通过按键调整速度设定值，并在数码管显示。
(11)编写单片机定时器程序，通过中断服务程序产生方波驱动电机运转。
(12)将单片机定时器/计数器设置为计数器模式，每隔1s时间读取计数器存储的电机脉冲数，将脉冲数转化为电机转速，通过数码管高四位显示。
(13)编写PID控制程序，计算PWM方波占空比，实现电机闭环调速。
2 硬件电路设计
2.1 硬件整体电路设计
图1为硬件电路整体结构图，由微处理器、振荡电路、复位电路、按键电路、数码管驱动电路、数码管段选电路、数码管位选电路等组成。微处理器发送PWM方波到电机驱动电路驱动电机转动，电机转动产生方波脉冲。微处理器将定时器/计数器设定为计数器模式，计数器采集电机产生的方波，并转化为电机转速。数码管显示电路包括数码管段选电路、数码管位选电路和数码管，数码管段选电路控制每一位数码管显示内容，数码管位选电路控制某一位数码管显示，按键电路设定电机速度。
图1 硬件电路整体结构图
2.2 电机驱动电路设计
电机驱动电路使用L298N专用驱动集成电路设计而成，L298N属于H桥集成电路，具有输出电流大，电路简单，使用方便等特点，能够实现电机调速、急停、换向等功能[7]。图2为电机驱动电路设计图，电机使用Proteus仿真软件内置的ENCMOTOR模块，该模块包括三个端口，左右端口为转速信号，中间端口为脉冲信号，本文设置ENCMOTOR电机转1圈，输出60个脉冲信号。
图2 电机驱动电路设计
2.3 数码管显示电路设计
数码管显示电路中数码管选用8位共阴数码管，前四位显示电机转速实际值，后四位显示电机转速测量值。AT89C51单片机P0口连接74HC573锁存器，74HC573锁存器连接数码管段控端，控制数码管显示内容。AT89C51单片机通过P2.5口，P2.6口，P2.7口连接74HC138译码器输入端口，74HC138译码器输出端口连接数码管位控端，控制数码管位选。74HC138译码器是一种3线-8线通用译码器，可实现扩展单片机IO口（见图6）。
图6 电机恒速系统Proteus软件仿真界面
3 软件系统设计
3.1 数码管显示程序设计
采用单片机中断技术结合LED动态扫描显示原理实现数码管显示[8]，图3为数码管显示程序流程。设置单片机定时器/计数器工作于定时器模式，将定时器设置为工作方式1，打开中断总开关和定时器中断开关，分别给TH0和TL0装入初值，TH0装入的初值为(65536-5000)/256，TL0装入的初值为(65536-5000)%256，设置定时器每5ms产生一次中断，启动定时器。设置数码管位控显示变量i等于0。判断是否满足定时器中断触发的条件，如果未满足，则继续等待，如果满足定时器中断触发条件，则定时器中断触发并进入定时器中断服务程序。在中断服务程序中，单片机给数码管发送数码管段选码和位选码，然后判断数码管显示控制变量i是否大于7，如果i不大于7，i加1，等待下一次定时器中断触发。如果i大于7，i清零，并等待下一次定时器中断触发。
图3 数码管显示程序实现流程
3.2 测速系统设计
图4为测速程序实现流程图。首先设置定时器0为5ms定时器，设置定时器1工作于计数器模式，设置1s定时控制变量j等于0，判断定时器0是否满足中断触发条件，如果不满足，则等待定时器0中断触发，如果满足，则进入定时器0中断服务程序。进入定时器0中断服务程序之后，判断1s定时控制变量j是否大于200，如果不满足，则j加1，跳出中断，等待下一次定时器0中断触发。如果满足，则读取计数器存储数值，同时计数器清零。读取的数值经过处理之后得到电机速度，1s定时控制变量j清零，跳出定时器0中断服务程序，等待下一次定时器中断触发。
图4 测速程序实现流程图
3.3 PID电机调速系统设计
图5为PID原理框图，本文使用的增量式PID算法调节单片机输出控制量。图5中，r(t)为给定值，y(t)为输出值，给定值与输出值构成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-y(t)，e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入，u(t)指PWM方波的占空比，占空比越大，电机转速越快。PID控制器的控制律通过公式1表达。
图5 PID原理框图
式(1)中，u(t)为输出信号，e(t)为偏差信号，Kp为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间，u0为控制常量，Kp/TI为积分系数，Kp/Td为微分系数。
4 仿真结果分析
本文使用Proteus软件进行电机恒速系统设计与仿真，图6为电机恒速系统Proteus软件仿真界面。设置比例系数Kp等于1，积分系数Kp/TI等于0.3，微分系数Kp/Td等于0.03，初始电机速度设定为200脉冲/秒。启动仿真，系统运行约5s后，电机实际速度稳定在200脉冲/秒。
通过加速按键，将速度设定值增加至250脉冲/秒，调整结束后，系统将电机实际速度调整为250脉冲/秒大约需要4秒时间。
通过减速按键，将速度设定值减小至150脉冲/秒，系统将电机速度调整为150脉冲/秒大约需要6秒。
5 结束语
为了满足《电子技术综合训练》课程实训要求，提出了基于Proteus的电机恒速系统实验教学项目。该项目要求学生按照模块化思想搭建硬件仿真电路，按照由简单到复杂的思路逐步完成程序的设计。系统采用增量式PID控制算法调节电机速度，实现了电机转速闭环控制。通过该项目实践，能够对学生数字电路、模拟电路、自动控制理论等知识进行较为系统的应用和训练，对学生电路设计能力、仿真分析能力、软件编程能力具有较大的帮助和提升。
