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1、山东理工大学本科生毕业论文第1章 绪论1.1概述门禁，又称出入管理控制系统，是一种管理人员进出的数字化管理系统。门禁系统已成为发达国家和地区最主要的保安系统之一，和传统的保安设备不同，它变被动的监控和报警为主动的控制，起到更高的安全作用，因此门禁系统在保安设备众多领风骚。常见的门禁系统有：密码门禁系统，非接触IC卡（感应式IC卡）门禁系统，生物识别门禁系统等。密码门禁系统由于其本身的安全性弱和便捷性差已经面临淘汰，而生物识别门禁系统安全性高,但成本高，由于拒识率和存储容量等应用瓶颈问题而没有得到广泛的市场认同。利用语音识别技术来实现门禁系统不用像其他方式一样需要触摸，具有方便、安全、准确、信息
2、完整、独立性强、反应速度快等优点。因此，基于语音识别技术的门禁系统有着非常独特的优势和发展前景。在任何门禁系统中都需要电机控制大门的开启和关闭，而且在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。直流电动机有较好的控制特性，它的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。虽然由于存在换向器制造复杂，价格较高，但是它较高的控制特性仍然使它在控制领域占有重要地位。随着电力电子技术、单片机和微型计算机的高速发展，外围电路元件专用集成电路的不断出现，使得直流电动机控制技术有了显著进步。这些技术领域的
3、高速发展，可以很容易的构成高精度、快响应的直流系统，因而近年来世界各国在高精度、速度和位置控制场合，受到了人们的越来越多的关注，从而得到迅速的发展和广泛的用。在直流电机调速系统中，数字PID是一种比较成熟的算法。它的结构简单，不一定需要系统的确切数学模型，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验，将它移植到电机控制系统，通过软件予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。因此，数字PID控制算法是电机微机控制中常用的一种基本控制算法。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。而且对PID算法的学习和研究可以更好的理解工程实际中的控制技术，对于
4、培养学生的工程意识有很大帮助。1.2电机及驱动介绍电机是电动机（俗称马达）的简称，是一种将电能转换成为机械能的装置。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的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。常用的电机有直流电机交流电机和步进电机。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
5、的一种控制技术。调速范围宽，效率高是它的主要优势。1.3PID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19151940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
6、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。
7、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
8、、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
9、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
10、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unsp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
11、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1
12、6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nSP16位微处理器芯片。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以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。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
13、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。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。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，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。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
14、。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，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
15、单独定义成输入或输出口。A口的IOA0IOA7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Data2、属性向量Attribution3、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
16、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
