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

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(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(cè)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(pán)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(xiě)由keil

2、 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(cè)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(guò)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(guò)pid算法計(jì)算控制得道相應(yīng)的pwm

3、，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(pán)，實(shí)現(xiàn)模塊切換和一些參數(shù)設(shè)置。其

4、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(lái)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

5、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(lèi)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(yáng)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(guò)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

6、,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(jiàn)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(cè)及控制模塊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)通過(guò)檢測(cè)在電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)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(chǎng)變換，利用磁場(chǎng)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(shì)差，通過(guò)放大等處理得

7、到開(kāi)關(guān)量的信號(hào)變化?；魻杺鞲衅鳒y(cè)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(méi)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(lái)，通過(guò)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)

8、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(jiǎn)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

9、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(lái)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(chēng)作pid控制。經(jīng)過(guò)無(wú)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、

10、執(zhí)行器和控制對(duì)象組成，通過(guò)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(cè)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(guò)定時(shí)器計(jì)算實(shí)時(shí)速度的流程圖如3.3所示，通過(guò)定時(shí)器完成pwm控

11、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(wú)誤后組合起來(lái)，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(kāi)程序編譯生成的hex文件（3）程序下載到單片機(jī)（4）下

12、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(wèn)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(guò)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?gòu)澛?，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(jiǎn)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(chēng)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

13、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(guò)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(guò)數(shù)碼管的顯示來(lái)指示模式的切換2) 模式1的時(shí)候，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)

14、與調(diào)試實(shí)訓(xùn)結(jié)束了，時(shí)間雖然不長(zhǎng)，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(cè)和控制。通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤(pán)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(jiàn)附錄1）。通過(guò)設(shè)定優(yōu)先級(jí)的方式避免在控制過(guò)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(xiě)都是我們小組成員討論后完成的，大家在一起相互取長(zhǎng)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(guò)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(cè)速、pid控制算法思想等等。在前期準(zhǔn)備過(guò)程中，為我們