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

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(gè)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(shí)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(dòng)模塊、顯示模塊；軟件部分由主函數(shù)控制模塊、定時(shí)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(shí)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(gè)可以控制電機(jī)的啟動(dòng)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(duì)電機(jī)的控制。三個(gè)獨(dú)立按鍵中Mode鍵進(jìn)行模式切換，UP、DN鍵可以對(duì)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(shí)速度顯示”模塊中，利用外部中斷0對(duì)霍爾元件脈沖記數(shù)，輸出送到單片機(jī)，在定時(shí)器0下對(duì)信號(hào)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(shí)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，然后改變PWM的值實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路。主要包含兩部分：時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)。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(gè)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(shí)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MODE鍵進(jìn)行模式選擇，UP和DN鍵對(duì)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(gè)發(fā)光二極管分別接接P34、P35、P36、P37。當(dāng)有低電平0來時(shí)，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(shí)，表示電機(jī)反轉(zhuǎn)。D2、D3、D4指示燈對(duì)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(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)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(shí)序圖如圖2.4所示。串行數(shù)據(jù)傳送共分三個(gè)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(gè)段位供電，P0.0-P0.7對(duì)應(yīng)了兩個(gè)接數(shù)碼管的A,B,C,D,E,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(dòng)模塊設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用三極管構(gòu)成的“橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)”，將單片機(jī)端口輸出的信號(hào)放大，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制端1、2同為高電平或低電平時(shí)，電機(jī)兩段電平一致，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制端1為高，2為低時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(shí)引起磁場變換，利用磁場對(duì)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)量的信號(hào)變化。霍爾傳感器測轉(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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)器的初始化，然后根據(jù)按鍵判斷，沒有按鍵按下的時(shí)候，LCD顯示初始設(shè)置值，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，則執(zhí)行按鍵所對(duì)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)傳送的方式。在LCD顯示字程序中，要先對(duì)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(gè)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(dòng)控制轉(zhuǎn)速”、模式4為“PID自動(dòng)控制轉(zhuǎn)速”；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(gè)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(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制時(shí)，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)行器和控制對(duì)象組成，通過調(diào)節(jié)器的PID控制可以使被控對(duì)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(duì)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(shí)器中斷中進(jìn)行進(jìn)一步處理。它與定時(shí)器中斷的工作原理都為當(dāng)中斷發(fā)出請(qǐng)求的時(shí)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(shí)器中斷定時(shí)器T0為每隔一秒對(duì)采集到的脈沖處理，最后計(jì)算成每分鐘的速度；同時(shí)定時(shí)器0還對(duì)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(shí)器計(jì)算實(shí)時(shí)速度的流程圖如3.3所示，通過定時(shí)器完成PWM控制調(diào)節(jié)流程圖如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(shí)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(shí)器賦初值 Y圖3.3定時(shí)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(shí)采用keil51編程軟件，程序的調(diào)試是分模塊調(diào)試，一個(gè)一個(gè)模塊調(diào)試無誤后組合起來，按照以下五個(gè)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(dòng)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(duì)所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(gè)版塊一個(gè)版塊的運(yùn)行，暫時(shí)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(shí)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(gè)思想應(yīng)用到程序卻花了我們不少時(shí)間。液晶顯示模塊，我們放棄了前幾次試驗(yàn)中的代碼，對(duì)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(gè)：一個(gè)是啟動(dòng)時(shí)的歡迎界面，顯示設(shè)計(jì)名稱及個(gè)人相關(guān)信息；另一個(gè)是工作界面，顯示內(nèi)容包括實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)情況3) 模式2的時(shí)候，通過UP和DN鍵設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，修改范圍為1500-30004) 模式3的時(shí)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(shí)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(shí)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(huì)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(shí)間雖然不長，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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jí)的方式避免在控制過程中的交錯(cuò)使程序執(zhí)行出錯(cuò)。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(duì)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?cè)O(shè)計(jì)也不會(huì)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(bào)(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