基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、一、 設(shè)計(jì)目標(biāo)和性能指標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)完成一個基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)完成以下功能：1）按鍵設(shè)定并顯示轉(zhuǎn)速，實(shí)時顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速；2）按鍵控制電機(jī)起停、正反轉(zhuǎn)；3）PWM轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；4）PID算法控制。性能指標(biāo)1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍：1500轉(zhuǎn)/分-3000轉(zhuǎn)/分2.測速誤差10%二、 設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)以STC12C5A16S2單片機(jī)為核心，完成轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、按鍵模塊、傳感器模塊、驅(qū)動模塊、顯示模塊；軟件部分由主函數(shù)控制模塊、定時中斷和外部中斷模塊、鍵盤部分、PID控制轉(zhuǎn)速模塊、LCD初始化模塊、LED指示模塊等組成，軟件編寫由Keil C51

2、完成。設(shè)計(jì)原理是根據(jù)LCD顯示原理、按鍵描顯示原理、單片機(jī)的定時中斷原理、外部中斷將霍爾傳感器所檢測的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)原理。設(shè)計(jì)了一個可以控制電機(jī)的啟動和停止，顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速顯示，設(shè)定轉(zhuǎn)速，通過PID算法計(jì)算控制得道相應(yīng)的PWM，然后改變PWM的值實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。三個獨(dú)立按鍵中Mode鍵進(jìn)行模式切換，UP、DN鍵可以對速度、PID參數(shù)進(jìn)行修改。此外，為方便顯示還加了數(shù)碼管和LED燈做指示。在“實(shí)時速度顯示”模塊中，利用外部中斷0對霍爾元件脈沖記數(shù)，輸出送到單片機(jī)，在定時器0下對信號進(jìn)行周期刷新，調(diào)用計(jì)算公式算出轉(zhuǎn)速，在LCD上顯示實(shí)時速度；在轉(zhuǎn)速控制中通過PID算法計(jì)算控制得道相應(yīng)的PWM，然后改

3、變PWM的值實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如1.1所示：三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)單片機(jī)是一個復(fù)雜的同步時序電路。主要包含兩部分：時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號。復(fù)位電路是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都恢復(fù)到一個確定的初始狀態(tài)。單片機(jī)最小系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速控制的控制中心，包括一塊STC12C5A16S2芯片、復(fù)位部分、晶振時間頻率控制部分和電源部分。復(fù)位部分采用外部復(fù)位電路，接在單片機(jī)的REST引腳，晶振采用頻率為11.0592MHZ和15pF電容，接18、19引腳。電路如圖2.1所示：按鍵電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用獨(dú)立鍵盤，實(shí)現(xiàn)模塊切換和一些參數(shù)設(shè)置。其中MOD

4、E鍵進(jìn)行模式選擇，UP和DN鍵對參數(shù)進(jìn)行加或者減，它們分別接P20P22。電路如圖2.2所示：LED指示燈電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中利用了四個發(fā)光二極管分別接接P34、P35、P36、P37。當(dāng)有低電平0來時，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮，指示相應(yīng)的模式。當(dāng)D1指示燈亮?xí)r，表示電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)指示燈熄滅時，表示電機(jī)反轉(zhuǎn)。D2、D3、D4指示燈對應(yīng)于LCD的使用。電路如圖2.3所示：LCD顯示屏電路設(shè)計(jì)JM12864M-2漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。在設(shè)計(jì)中，采用的是串行數(shù)據(jù)傳送。串行連接時序

5、圖如圖2.4所示。串行數(shù)據(jù)傳送共分三個字節(jié)完成：第一字節(jié)：串口控制格式 11111ABC。A為數(shù)據(jù)傳送方向控制：H表示數(shù)據(jù)從LCD到MCU，L表示數(shù)據(jù)從MCU到LCD；B為數(shù)據(jù)類型選擇：H表示數(shù)據(jù)是顯示數(shù)據(jù)，L表示數(shù)據(jù)是控制指令；C固定為0第二字節(jié)：(并行)8位數(shù)據(jù)的高4位格式 DDDD0000第三字節(jié)：(并行)8位數(shù)據(jù)的低4位格式 0000DDDD數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管主要是用于數(shù)字的顯示。數(shù)碼管有共陰和共陽的區(qū)分。四位數(shù)碼管循環(huán)電路是由1K的電阻、IN4148二極管和數(shù)碼管組成，電源+5V通過560的電阻直接給數(shù)碼管的7個段位供電，P0.0-P0.7對應(yīng)了兩個接數(shù)碼管的A,B,C,D,E

6、,F,G和小數(shù)點(diǎn)位，P2.4，P2.5，P2.6，P2.7接位選碼。數(shù)碼管電路圖見圖3.2。電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動采用三極管構(gòu)成的“橋式電機(jī)驅(qū)動”，將單片機(jī)端口輸出的信號放大，用于驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制端1、2同為高電平或低電平時，電機(jī)兩段電平一致，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制端1為高，2為低時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動電路圖如圖所示。轉(zhuǎn)速檢測及控制模塊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測通過檢測在電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼對霍爾傳感器產(chǎn)生得脈沖計(jì)數(shù)，從而算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅鞯脑硎钱?dāng)磁鋼靠近霍爾傳感器時引起磁場變換，利用磁場對垂直加載的電流產(chǎn)生的偏向作用（電磁感應(yīng)），使正交方向的極板產(chǎn)生電勢差，通過放大等處理得到開關(guān)量

7、的信號變化?；魻杺鞲衅鳒y轉(zhuǎn)速的電路圖如圖所示。四、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為了增強(qiáng)程序的可讀性，設(shè)計(jì)時選用得分模塊編程。根據(jù)系統(tǒng)功能的描述，主要分為以下幾個模塊：主函數(shù)模塊，系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊，LCD初始化、顯示模塊，按鍵識鍵和數(shù)據(jù)處理模塊，中斷模塊和PWM控制模塊。主程序設(shè)計(jì)主程序的設(shè)計(jì)主要是完成各種模塊初始化以及函數(shù)的調(diào)用。如系統(tǒng)的初始化、LCD初始化和定時器的初始化，然后根據(jù)按鍵判斷，沒有按鍵按下的時候，LCD顯示初始設(shè)置值，當(dāng)有按鍵按下的時候，則執(zhí)行按鍵所對應(yīng)的功能，然后進(jìn)一步在LCD上顯示出來，通過LED指示燈和數(shù)碼管指示相應(yīng)的模式。LCD顯示模塊設(shè)計(jì)為了節(jié)省I/O口的使用，選用串行數(shù)據(jù)傳送的

8、方式。在LCD顯示字程序中，要先對其初始化，進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)發(fā)送和漢字、字母顯示的設(shè)置，然后根據(jù)按鍵的輸入，在LCD上輸出相應(yīng)內(nèi)容。LCD顯示流程圖如圖所示。返回根據(jù)按鍵顯示漢字或字母漢字、字母顯示設(shè)置發(fā)送命令、數(shù)據(jù)LCD初始化入口口LED燈和數(shù)碼管指示程序中用了一個Led燈的亮滅指示電機(jī)的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)。利用一位數(shù)碼管的顯示指示模式的切換，這樣可以直觀的觀察工作狀態(tài)。由于該程序簡單，因此直接將該段程序嵌入按鍵程序中。按鍵程序模塊接通電源，判斷是否有按鍵，在Mode鍵下進(jìn)行模式選擇，模式1為“電機(jī)正反轉(zhuǎn)設(shè)置”、模式2為“轉(zhuǎn)速的設(shè)置”、模式3、4、5為“手動控制轉(zhuǎn)速”、模式4為“PID自動控制轉(zhuǎn)速”；

9、UP和DN進(jìn)行參數(shù)修改。按鍵掃描的流程圖如3.6所示：PID計(jì)算程序微機(jī)化控制系統(tǒng)當(dāng)中控制算法的占有十分重要部分，整個控制系統(tǒng)的主要功能是由控制算法來實(shí)現(xiàn)的。目前世界上所應(yīng)用控制算法有很多種。根據(jù)偏差的比例、微積分進(jìn)行的系統(tǒng)控制，被稱作PID控制。經(jīng)過無數(shù)實(shí)踐證明和理論分析都表明，PID控制能夠滿足絕大多數(shù)的工業(yè)對象的控制要求，目前PID控制仍是應(yīng)用最廣泛的控制算法之一。如下圖4.3所示，該圖是PID系統(tǒng)經(jīng)典原理圖，是一種典型的閉環(huán)控制。在需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制時，PID控制是調(diào)節(jié)器最常用的控制方式，PID控制系統(tǒng)原理圖如下圖所示，圖中可看出該控制為典型的閉環(huán)控制，系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和

10、控制對象組成，通過調(diào)節(jié)器的PID控制可以使被控對象達(dá)到相應(yīng)控制要求。圖4.3 PID控制系統(tǒng)原理框圖外部中斷外部中斷主要是對霍爾傳感器檢測到的脈沖輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后送到定時器中斷中進(jìn)行進(jìn)一步處理。它與定時器中斷的工作原理都為當(dāng)中斷發(fā)出請求的時候，正在執(zhí)行主程序的單片機(jī)CPU響應(yīng)中斷，中斷完成后重新返回主程序中。外部中斷流程圖如3.5所示：返回count0計(jì)數(shù)加1入口圖3.5外部中斷0流程圖定時器中斷定時器T0為每隔一秒對采集到的脈沖處理，最后計(jì)算成每分鐘的速度；同時定時器0還對PWM控制進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)PWM占空比的調(diào)節(jié)。通過定時器計(jì)算實(shí)時速度的流程圖如3.3所示，通過定時器完成PWM控制調(diào)節(jié)流

11、程圖如3.4所示：YN返回計(jì)數(shù)值清0，采集脈沖清0采集脈沖，計(jì)算速度是否到1s?計(jì)數(shù)值加1定時器賦初值入口入口N返回YNPWM=1計(jì)數(shù)值清0計(jì)數(shù)值100?PWM=0計(jì)數(shù)值PWM設(shè)置值?計(jì)數(shù)值加1定時器賦初值 Y圖3.3定時器T0程序流程圖 圖3.4 PWM控制流程圖五、 調(diào)試及性能分析調(diào)試步驟根據(jù)所設(shè)計(jì)的硬件電路圖，焊接好電路。軟件調(diào)試時采用keil51編程軟件，程序的調(diào)試是分模塊調(diào)試，一個一個模塊調(diào)試無誤后組合起來，按照以下五個步驟進(jìn)行調(diào)試：（1）編譯程序，并進(jìn)行設(shè)置令其生成HEX文件（2）啟動STC-ISP，打開程序編譯生成的HEX文件（3）程序下載到單片機(jī)（4）下載成功（5）按照要求對所

12、有功能一一演示如果發(fā)現(xiàn)有與程序設(shè)計(jì)預(yù)想不一樣的，仔細(xì)的檢查程序。按照程序的流程在腦袋里模擬程序運(yùn)行的情況。如果發(fā)現(xiàn)不了問題，就一個版塊一個版塊的運(yùn)行，暫時屏蔽其他版塊。本次調(diào)節(jié)過程中PID控制轉(zhuǎn)速模塊花的時間比較多。主要是初次接觸PID算法，雖然在張老師指導(dǎo)下少走了不少彎路，但是把這個思想應(yīng)用到程序卻花了我們不少時間。液晶顯示模塊，我們放棄了前幾次試驗(yàn)中的代碼，對其進(jìn)行了優(yōu)化，使得代碼更簡單，顯示也更為穩(wěn)定。性能分析設(shè)計(jì)結(jié)果的顯示界面有兩個：一個是啟動時的歡迎界面，顯示設(shè)計(jì)名稱及個人相關(guān)信息；另一個是工作界面，顯示內(nèi)容包括實(shí)時速度、設(shè)置速度、占空比、PID控制參量。這里可以通按鍵的選擇修改各個

13、參量。其主要功能如下：1) 通過MODE鍵修改模式，模式1為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制；模式2為轉(zhuǎn)速設(shè)定；模式3、4、5分別為PID的設(shè)定；模式的改變通過數(shù)碼管的顯示來指示模式的切換2) 模式1的時候，通過UP和DN鍵設(shè)置電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并由Led燈的亮滅指示燈電機(jī)轉(zhuǎn)動情況3) 模式2的時候，通過UP和DN鍵設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，修改范圍為1500-30004) 模式3的時候，通過UP和DN鍵修改參數(shù)P，修改范圍為0-95) 模式4的時候，通過UP和DN鍵修改參數(shù)I，修改范圍為0-96) 模式5的時候，通過UP和DN鍵修改參數(shù)D，修改范圍為0-9六、 心得體會為期兩周的智能儀器儀表設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)訓(xùn)結(jié)束了，時間雖

14、然不長，我們卻受益匪淺。我們小組的任務(wù)是基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及PID算法調(diào)節(jié)、PWM控制、實(shí)現(xiàn)按鍵兩種對電機(jī)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速的實(shí)時監(jiān)測和控制。通過對電機(jī)驅(qū)動模塊、鍵盤模塊、霍爾傳感器和數(shù)字PID算法等進(jìn)行深入的研究，完成了硬件電路及軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且利用Protel99se軟件繪制出電路圖紙（見附錄1）。通過設(shè)定優(yōu)先級的方式避免在控制過程中的交錯使程序執(zhí)行出錯。充分利用主控芯片資源，縮減外圍電路，使系統(tǒng)集成度高，性能更加穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)我們從硬件原理圖的繪制到元器件的焊接，從軟件算法控制到程序代碼的編寫都是我們小組成員討論后完成的，大家在一起相互取長補(bǔ)短，集思廣益。對硬件的設(shè)計(jì)以及程序算法的優(yōu)化都改進(jìn)了不少。在設(shè)計(jì)過程中，張小云老師為我們解答了許多疑惑，比如霍爾傳感器測速、PID控制算法思想等等。在前期準(zhǔn)備過程中，為我們搜集了相關(guān)資料。假如沒有張老師的悉心指導(dǎo)，我們設(shè)計(jì)也不會完成得如此順利。參考文獻(xiàn)1 程德福智能義器機(jī)械工業(yè)出版社，200992 萬文略單片機(jī)原理及應(yīng)用重慶：重慶大學(xué)出版社，20043 3 胡文金單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教程重慶：重慶大學(xué)出版社，20054 林金陽基于MC51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2009年第10卷第3期5 張洪潤單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程北京：清華大學(xué)出版社，20043附錄 1 系統(tǒng)硬件電路圖附錄 2 程序清單17