单片机课程设计基于5 单片机的直流电机转速测量与控制.docx
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单片机课程设计基于5单片机的直流电机转速测量与控制
单片机原理与应用
课程设计
院系信息工程学院
班级自动化121
学生姓名
学号
日期2015/7/9
任务要求
基于51单片机的直流电机转速测量与控制
一、设计目的
1.通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识复习和掌握，对单片机课程的应用有进一步的了解。
2.掌握定时器、终端的设置和变成原理。
3.掌握单片机原理、结构、指令、接口及应用。
4.通过此次课程设计能够将单片机硬件结合起来，获得单片机应用系统设计的基本理论，基本只是和基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法。
二、基本要求
1.,以80C51的基本知识和方法为基础，通过系统扩展达到应用单片机的目的。
2.根据应用系统结构规模的要求，掌握单片机外部扩展系统的硬件设计的基本过程，正确合理选择期间，绘制应用系统原理图。
3.根据设计任务和要求，画出程序整体流程图，然后进行各程序模块的设计，编写控制程序。
4.掌握如何应用单片机仿真器或编程器来开发应用及仿真调试的过程，反复修改测试直至完成任务。
三、设计内容
设计并调试一个程序使其实现如下功能：
1.在实验平台上通过键盘输入一个转速的设定值（例如25rpm），并在数码管上显示；
2.采用比例调节方法，使电机转速稳定在设定值；
3.测量电机的转速，并在实验平台数码管上显示；
4.转速稳定后，可随时修改转速设定值；
5.优化比例调节系统，使电机转速的调节时间较短，并尝试加入积分、微分环节，改善转速的静态和动态特性。
电机转速不允许出现振荡。
基于51单片机的直流电机转速测量与控制
摘要：
本设计主要完成以AT89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。
采用霍尔传感器进行速度测量，利用PID控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。
动态显示实际转速。
电机可以快速的达到设定值，且不会出现震荡现象。
关键词：
直流电机，STC89C51，矩阵键盘，设定值，霍尔传感器，DAC0832，PID
正文
1.系统设计
本设计主要完成以STC89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。
采用霍尔传感器进行速度测量，利用PID控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。
动态显示实际转速。
系统结构图如下图所示
图1系统结构图
本系统主要使用了STC89C51单片机、霍尔传感器测速、DC0832模数转换进行转速控制。
现将主要模块介绍如下：
1.1STC89C51
STC89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图所示。
图2STC89C51
ALE：
地址锁存控制信号。
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
此外，由于ALE是以晶振1/6
的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
PSEN：
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。
EA：
访问程序存储控制信号。
当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。
RST：
复位信号。
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2：
外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
VSS：
地线。
VCC：
+5 V电源。
1.1DAC0832
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
图3DAC0832
D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
CS：
片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
WR1：
数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
XFER：
数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
WR2：
DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
IOUT1：
电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
IOUT2：
电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
Rfb：
反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
Vcc：
电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；
VREF：
基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
AGND：
模拟信号地；
DGND：
数字信号地。
试验箱DAC0832如下图所示
图4实验箱DAC0832
1.2霍尔传感器测速及转速计算方法
1.2.1霍尔传感器测速原理
霍尔传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。
霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。
霍尔传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。
另外，霍尔传感器的测量必须配合磁场的变化，因此在霍尔传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。
本试验箱的霍尔传感器如下图所示
图5实验箱霍尔传感器
1.2.2测速方法
由于直流电机转速较小，所以采用T法测速，T发测速的原理如下
T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。
因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。
速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。
如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。
计算公式为：
T法测速的分辨率
Ｔ法测速误差率
低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。
测速流程图如下图所示
图6转速测量流程图
1.3键盘扫描显示
使用6×4的小键盘，向列扫描码地址逐列输出低电平，然后从行码地址读回。
图76×4的键盘矩阵
如果有键按下，则相应行的值应为低，如果无键按下，由于上拉的作用，行码值为高。
这样就可以通过输出的列码和读取的行码来判断按下的是什么键。
在判断有键按下后，要有一定的延时，防止键盘抖动。
否
是
是
否
否
是
图8键盘扫秒流程图
1.3PID控制
本次的课程设计采用的PID控制，调速性能好，通过调节比例常数、积分常数、微分常数使得转速控制达到想要的精度。
PID参数的调节有试凑法和实验法，本课程设计采用的是实验法。
现介绍如下：
实验法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。
整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤
中选择的比例系数减小伟原来的50%-80%，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减少积分时间，加大积分作用，并相应调节比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
整定微分环节
若经过步骤
，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。
先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
2硬件电路的连接和程序的调试
本次的课程设计是基于SICElab-G2100实验箱设计，采用模块化结构。
实验箱如下图所示
图9SICElab-G2100实验箱
硬件接线如下：
把第17号模块“并行数模转换”中的DAC0832输出Aout孔连第23号模块“直流电机”的Dcin孔，数模转换DAC0832的CS17孔和Xfer孔连第38号模块“片选信号”中的YS2孔，WR1孔和WR2孔连第33号模块“控制总线”的/WR孔，CKM孔（霍尔传感器输出孔）连“Lab51CPU板”的P3.2孔。
第38号模块“片选信号”中YS0（0800H）孔连第40号模块“键盘+数码管”CS40孔。
连线
连线孔1
连线孔2
连线
连线孔1
连线孔2
1
Aout
Dcin
5
WR2
/WR
2
CS17
Xfer
6
CKM
P3.2
3
Xfer
YS2
7
CS40
YS0
4
WR1孔
WR2
表1硬件电路连线
图10接线图
按图中接线，编写程序，调试PID参数，经过反复的实验，转速可以快速的达到设定值，且不会出现振荡，运行结果如下图所示
图11转速为4r/s时运行结果图12转速为12r/s时运行结果
图13转速为45r/s时运行结果
3创新与改进
实验箱自带的有RS232，可以利用串口通讯，将矩阵键盘输入给定值改为通过串口通讯的方式，通过PC机键盘给定，或者编写Labview程序，使用Labview串口给单片机送给定值。
4心得体会
经过1个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的程序，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。
本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：
对电机的驱动电路采用的DAC0832，直接将数字量转为模拟量进行控制，精度不高，不过作为学生实验足够了。
此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。
这次的课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。
同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，林老师在我们完成的基础上添加新的东西，转速给定值可以通过串口通讯，PC机发送数据，也可以编写Labview程序，通过虚拟旋钮给定转速值，为此给我们培训了一下虚拟仪器及检测技术，对Labview做了简单介绍，给我们入了门。
对林老师专业知识的渊博表示敬佩，在此我表示感谢！
同时，和同学的互相交流，使我有新的创意，新的理解，在此表示感谢！
5附录
#include"reg52.h"
#include"absacc.h"
#defineLEDLen6
unsignedcharcount;
unsignedcharTS;
floatDA;
longintn;
unsignedintt;
unsignedcharKey_temp;
unsignedchark_TEMP[2];
xdataunsignedcharCS0832_at_0xA000;
xdataunsignedcharOUTBIT_at_0x8002;
xdataunsignedcharOUTSEG_at_0x8004;
xdataunsignedcharIN_at_0x8001;
charcodedx516[3]_at_0x0023;
unsignedcharLEDBuf[LEDLen];
codeunsignedcharLEDMAP[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71
};
codeunsignedcharKeyTable[]={
0x16,0x15,0x14,0xff,
0x13,0x12,0x11,0x10,
0x0d,0x0c,0x0b,0x0a,
0x0e,0x03,0x06,0x09,
0x0f,0x02,0x05,0x08,
0x00,0x01,0x04,0x07
};
intPID（）;//PID函数声明
voidInit（）;//初始化函数声明
voiddelay（unsignedcharms）//延时函数
{
unsignedcharx,y;
for（x=ms;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
unsignedcharTestKey（）//检测是否有键值键入
{
OUTBIT=0;
return（~IN&0x0f）;
}
unsignedcharGetKey（）//获取键值
{
unsignedcharPos;
unsignedchari;
unsignedchark;
i=6;
Pos=0x20;
do{
OUTBIT=~Pos;
Pos>>=1;
k=~IN&0x0f;
}
while（（--i!
=0）&&（k==0））;
if（k!
=0）{
i*=4;
if（k&2）
i+=1;
elseif（k&4）
i+=2;
elseif（k&8）
i+=3;
OUTBIT=0;
dodelay（10）;while（TestKey（））;
return（KeyTable[i]）;
}
elsereturn（0xff）;
}
voidDisplayLED（）//显示转速
{
unsignedchari;
unsignedcharPos;
unsignedcharLED;
Pos=0x20;
for（i=0;i{
OUTBIT=0;
LED=LEDBuf[i];
OUTSEG=LED;
OUTBIT=Pos;
delay（5）;
Pos>>=1;
}
OUTBIT=0;
}
voidt0（）interrupt1//PID控制，采样周期500ms
{TS++;
TH0=256-50000/256;
TL0=256-50000%256;
if（TS==10）
{TS=0;
DA=PID（）;
}
}
voidtime1_int（void）interrupt3//计算脉冲周期
{
TH1=256-50000/256;
TL1=256-50000%256;
t++;
}
voidex0（）interrupt0
{
n=1000/（50*t+（（TH1-61）*256+TL1-176）/1000）;//计算转速
TR1=1;//启动定时器1
t=0;
TH1=256-50000/256;
TL1=256-50000%256;
}
intPID（）//PID控制函数
{
unsignedcharP=1.4;//比例常数
unsignedcharI=2.2;//积分常数
unsignedcharD=0.2;//微分常数
unsignedintLastError=0;//Error[-1]
unsignedintPrevError=0;//Error[-2]
unsignedintError=0;//Error[0]
intOut;//outcome
Error=Key_temp-n;
//增量式PID计算
Out=Out+P*（Error-LastError）+I*Error+D*（Error+PrevError-2*LastError）;
//误差更新
PrevError=LastError;
LastError=Error;
//输出限幅
if（Out<0）
{
Out=0;
}
if（Out>255）
{
Out=255;
}
returnOut;
}
voidInit（）//初始化函数
{IT0=1;//跳变沿触发
EX0=1;//外部中断0允许
TMOD=0X11;
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;//定时器写初值
TH1=（65536-50000）/256;
TL1=（65536-50000）%256;
TR0=1;//启动定时器0
ET0=1;//开定时器0中断
ET1=1;//开定时器1中断
EA=1;//开总中断
}
voidmain（）//主函数
{
unsignedchari=0;
n=0;
Init（）;//
while
（1）
{CS0832=DA;
if（TestKey（））
{
Key_temp=GetKey（）&0x0f;
LEDBuf[i]=LEDMAP[Key_temp];
k_TEMP[i]=Key_temp;
i++;
if（i==2）
{i=0;
}
}
Key_temp=k_TEMP[0]*10+k_TEMP[1];//将获得的键值转换成十进制数
LEDBuf[4]=LEDMAP[n/10];
LEDBuf[5]=LEDMAP[n%10];//显示实时转速
DisplayLED（）;
}
}
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