PID直流电机调速课程设计报告解析Word下载.docx
《PID直流电机调速课程设计报告解析Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PID直流电机调速课程设计报告解析Word下载.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
七、参考文献12
附录一：
源程序13
一、设计任务、要求
1.1设计任务
设计一个基于51单片机的PID直流电机调速系统。
1.2设计要求
根据单片机原理及应用课程的要求，主要进行两个方面的设计，即单片机最小系统和存储器扩展设计、接口技术应用设计。
其中，单片机最小系统主要要求学生熟悉单片机的内部结构和引脚功能、引脚的使用、复位电路、时钟电路、4个并行接口和一个串行接口的实际应用，从而可构成最小应用系统，并编程进行简单使用。
具体的要求有以下几点：
✓系统采用DXP软件设计电路原理，设计布局必须合理美观；
✓实物采用洞洞板焊接，布局采用万能板专用绘图软件；
✓4位数据显示功能；
✓具有至少2个独立按键，通过按键可设置不同运行方式；
✓系统具有较好的模块化，功能、程序等分块合理；
二、方案总体设计
方案一：
用三极管搭H桥，实现电机正反转的控制。
电路部分较为复杂，焊接也显得更麻烦一点。
方案二：
以驱动芯片ULN2003作为电机驱动，ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽等特点。
UNL2003是是漏极开路输出，它的驱动能力为500mA，能够驱动直流电机、步进电机等。
由于这里不需正反转的控制，也为了使焊接更方便，提高成功率。
所以电机芯片驱动方案选择方案二。
总体设计：
图1整体硬件设计
总体方案工作原理：
使用STC89C52单片机作为主控制芯片，按键控制改变电机的设定值，通过红外对管进行转速的测量，与设定值进行比较，通过PID算法控制电机达到设定转速。
三、硬件设计
3.1单片机最小系统
单片机最小系统由51单片机，晶振电路，复位电路，电源组成。
大家都比较熟悉，这里不再赘述。
3.2四位数码管显示
在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。
本系统中前三位显示电压的整数位，最后一位显示转速的小数位。
4-LED显示器引脚如图2所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。
图2四位LED引脚
3.3电机驱动电路
电机驱动电中是采用ULN2003来驱动。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点：
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
图3ULN2003引脚图
图3为ULN2003的引脚图，其中IN1~IN7为输入控制端；
OUT1~OUT7为输出端；
8脚为芯片的接地端；
9脚为公共端，该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。
用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。
如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。
图4一对达林顿管
图4为一对达林顿管示意框图，它反映了每一对输入与输出的内部结构。
从图中可看出，它内部实际就是由三极管组成，所以实际电机驱动用三极管搭H桥或其他驱动电路也是可以实现驱动电机的。
图5电机驱动电路
图5为本设计的直流电机驱动电路。
当P1.0中为高电平时，其内部三极管导通，使电机转动。
当P1.0为低电平时，内部三极管截止，电路断开，电机停止转动。
所以在程序中可以利用P1.0口输出PWM波来控制电机的转速。
3.4红外测速电路
图6红外对管测速
红外测速部分电路如图6所示，发射管工作时发出红外线，当接收管收到红外信号时，其电阻变小（本设计相当于从无穷大变到1k左右）。
利用其电阻变化，改变接收管分压情况。
挡片是利用圆盘上剪四个孔，当挡片随电机转动时，接收管两端电平发生变化，产生脉冲。
3.5整形电路
本设计的整形电路是用555定时器接成的施密特触发器。
图7整形电路
其电路如图7所示，其特性为，输入信号从0逐渐升高的过程：
当输入信号in<
1/3VCC，3引脚输出高电平；
当1/3VCC<
in<
2/3VCC，3引脚输出高电平保持不变；
当in>
2/3VCC，3引脚输出低电平。
当输入信号从高于2/3VCC开始下降的过程：
2/3VCC，3引脚输出低电平不变；
当in<
1/3VCC3引脚输出高电平。
整形效果如下图所示：
图8脉冲整形前后变化
3.6整体电路
图9整体电路原理图
四、软件设计
4.1算法实现
（1）PID算法
数字PID调节器结构简单，参数易于调整。
将其移植到单片机控制系统，通过软件编程实现，根据经验在线调整参数，灵活性强。
采用数字PID调节算法，根据经验和实践，在线整定参数，具有很强的灵活性。
PID控制的运算公式为：
因此要实现PID控制就必须在单片机上存在上述算法，其流程图如图所示：
图10PID算法流程图
（2）电机速度采集算法
本系统中电机速度采集是一个非常重要的部分，它的精度直接影响到整个控制的精度。
在设计中采用了红外传感器做为测速装置，其计算公式为：
这里主要是采集圆盘边缘上凹槽数的多少决定的，圆盘有4个凹槽，每转一圈便会产生4个脉冲，通过上面的等式就可得出电机的转速。
4.1主程序流程
主流程图如图11所示：
图11主程序流程图
其中中断初始化中设置为定时器TO计脉冲数，定时器T1为高优先级中断。
数码管显示的速度为三位整数，一位小数。
当测得的速度在设定速度的正负5的范围之外时，蜂鸣器响。
4.2定时器1中断流程
图12T1中断程序流程图
五、硬件设计
5.1软件介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
5.2硬件调试
当认真的把板子焊接完成，之后也认真的检查了一下连接线路，确认无误后，将程序下载进去后。
发现数码管显示不正常，再次将与数码管连接的P0口线路认真检查一下后，发现与之连接的一个I/O口有虚焊的现象。
将虚焊点重新焊接后显示正常。
但单片机走程序时，第二位数码管显示变动很大，比电机速度的改变大很多。
最后认真检查程序，发现程序中显示的那一部分按错了一个符号，导致其运算结果不正确。
5.3软件调试
软件编写是在KEIL开发环境上编写的。
是采用模块化程序的方法，各个功能的程序都使用不同的子程序编写。
需要使用的时候，在主函数中进行调用即可。
当发现问题的时候，首先检查主函数的调用是否有问题，如果没有问题，就到相应的子函数中，对子函数进行检查。
可以使用Keil中的单步调试，查看程序运行是否流畅，同时还可以查看相应变量的值以及寄存器的值，这样就可以知道程序那里出现了问题。
而不应该认为是软件出现了问题。
或者认为是硬件连接的问题，因为之前的硬件都已经调试过没有问题了。
在软件调试的过程中就不应该去怀疑硬件。
其实软硬件的调试是相辅相成的，并没有非常明确的界限。
硬件的调试有时候需要通过软件的现象来检测，光看电路图是，或者只是单纯地用万用表检查有没有短路也是没有意义的。
六、设计总结、心得体会
设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
下面我对整个设计的过程做一下简单的总结。
第一，接到任务以后进行选题。
选题是设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个设计是否能够顺利进行关系极大。
好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。
否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的。
因此，选题时一定要考虑好了。
第二，题目确定后就是找资料了。
查资料是做设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。
总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。
第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。
第四，有了研究方向，就应该动手实现了。
其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。
通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故知新，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。
在这次设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
在此要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。
在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。
虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次设计的最大收获和财富，将使我终身受益。
七、参考文献
1.李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.北京：
北京航空航天大学出版社，1999
2.李群芳，等.单片微型计算机与接口技术.北京：
电子工业出版社，2001
3.钱逸秋.单片机原理与应用.北京：
电子工业出版社，2002
4.朱定华，等.单片微型计算机原理与应用.北京：
清华大学出版社，2003
5.何立民.单片机高级教程.北京：
北京航空航天大学出版社，2004
源程序
#include<
reg52.h>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharcodetable[10]={0x3f,0x06,0x5b,
0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//共阴数码管显示码（0-9）
sbitxiaoshudian=P0^7;
sbitwei1=P2^4;
//数码管位选定义
sbitwei2=P2^5;
sbitwei3=P2^6;
sbitwei4=P2^7;
sbitbeep=P2^3;
//蜂鸣器控制端
sbitmotor=P1^0;
//电机控制
sbits1_jiasu=P1^4;
//加速按键
sbits2_jiansu=P1^5;
//减速按键
sbits3_jiting=P1^6;
//停止/开始按键
uintpulse_count;
//INT0接收到的脉冲数
uintnum=0;
//num相当于占空比调节的精度
ucharspeed[3];
//四位速度值存储
floatbianhuasudu;
//当前速度（理论计算值）
floatreallyspeed;
//实际测得的速度
floatvv_min=0.0;
vv_max=250.0;
floatvi_Ref=60.0;
//给定值
floatvi_PreError,vi_PreDerror;
uintpwm=100;
//相当于占空比标志变量
intsample_time=0;
//采样标志
floatv_kp=1.2,v_ki=0.6,v_kd=0.2;
//比例，积分，微分常数
/*********************************************
*函数名称：
delay*
*函数功能：
不精确的延时*
*********************************************/
voiddelay（uintz）
{
uintx,y;
for（x=z;
x>
0;
x--）
for（y=20;
y>
y--）;
}
time_init*
将定时器初始化*
**********************************************/
voidtime_init（）
{
ET1=1;
//允许定时器T1中断
ET0=1;
//允许定时器T0中断
TMOD=0x15;
//定时器0计数，模式1；
定时器1定时，模式1
TH1=（65536-100）/256;
//定时器1值,负责PID中断,0.1ms定时
TL1=（65536-100）%256;
TR0=1;
//开定时器
TR1=1;
IP=0X08;
//定时器1为高优级
EA=1;
//开总中断
*函数名称:
keyscan*
按键扫描，实现加、减速*
开始/停止*
voidkeyscan（）
floatj;
if（s1_jiasu==0）//加速
{
delay（20）;
if（s1_jiasu==0）
vi_Ref+=10;
j=vi_Ref;
}
while（s1_jiasu==0）;
if（s2_jiansu==0）//减速
if（s2_jiansu==0）
vi_Ref-=10;
while（s2_jiansu==0）;
if（s3_jiting==0）
motor=0;
P1=0X00;
P3=0X00;
P0=0x00;
while（s3_jiting==0）;
v_PIDCalc*
对测得的速度进行PID运算，其*
*返回值为运算后的速度*
floatv_PIDCalc（floatvi_Ref,floatvi_SpeedBack）
registerfloaterror1,d_error,dd_error;
error1=vi_Ref-vi_SpeedBack;
//偏差的计算
d_error=error1-vi_PreError;
//误差的偏差
dd_error=d_error-vi_PreDerror;
//误差变化率
vi_PreError=error1;
//存储当前偏差
vi_PreDerror=d_error;
bianhuasudu=（v_kp*d_error+v_ki*vi_PreError+v_kd*dd_error）;
return（bianhuasudu）;
}
v_Display*
将速度值送给四位数码管显示*
voidv_Display（）
uintsudu;
sudu=（int）（reallyspeed*10）;
//乘以10之后强制转化成整型
speed[3]=sudu/1000;
//百位
speed[2]=（sudu%1000）/100;
//十位
speed[1]=（sudu%100）/10;
//个位
speed[0]=sudu%10;
//小数点后一位
wei1=0;
//第一位打开
P0=table[speed[3]];
delay（5）;
wei1=1;
//第一位关闭
wei2=0;
P0=table[speed[2]];
wei2=1;
wei3=0;
P0=table[speed[1]];
xiaoshudian=1;
wei3=1;
wei4=0;
P0=table[speed[0]];
wei4=1;
BEEP*
当速度超过一定范围，蜂鸣器响*
voidBEEP（）
if（（reallyspeed）>
=vi_Ref+5||（reallyspeed<
=vi_Ref-5））
beep=~beep;
delay（4）;
main*
扫描按键，显示速度，报警*
voidmain（）
time_init（）;
while
（1）
v_Display（）;
BEEP（）;
if（s3_jiting==0）//对按键3进行扫描，增强急停效果
timer0*
工作在计数方式，储存脉冲数*
voidtimer0（）interrupt1
timer1*
进行PID计算和速度计算*
voidtimer1（）interrupt3
//1ms定时
sample_time++;
if（sample_time==5000）//采样时间0.1ms*5000=0.5s
TR0=0;
//关闭定时器0
sample_time=0;
pulse_count=TH0*255+TL0;
//保存当前脉冲数
keyscan（）;
//扫描按键
reallyspeed=pulse_count/（4*0.6）;
//计算速度
pwm=pwm+v_PIDCalc（vi_Ref,reallyspeed）;
if（pwm<
0）pwm=0;
if（pwm>
100）pwm=100;
TH0=TL0=0;
TR0=1;
//开启定时器0
num++;
if（num==pwm）//此处的num值，就是占空比
motor=0;
if（num==100）//100相当于占空比调节的精度
num=0;
motor=1;
升级会员 