基于51单片机的直流电机PID闭环调速系统.doc

基于51单片机的直流电机PID闭环调速系统1.电机转速反馈：原理：利用光电编码器作为转速的反馈元件，设电机转一周光电编码器发送N个PWM波形，利用测周法测量电机转速。具体实现：将定时器0设置在计数模式，用来统计一定的时间T内接受到的脉冲个数M个，而定时器0置在计时模式，用来计时T时间。则如果T时间接受到M个PWM波形，而电机转一圈发出N个PWM波形，则根据测周法原理，电机的实际的转速为：real_speed=M/（N*T），单位转/秒。若将定时器1置在计数模式，则PWM波形应该由P33脚输入。代码实现：/定时器0初始化，用来定时10msvoid Init_Timer0(void)TMOD |= 0x01; /使用模式1，16位定时器 ，且工作在计时模式 TH0=(65536-10000)/256; /定时10msTL0=(65536-10000)%6; EA=1; /总中断打开ET0=1; /定时器中断打开TR0=1; /定时器开关打开/ 计数器1初始化，用来统计定时器1计时250ms内PWM波形个数void Init_Timer1(void)TMOD |= 0x50; /使用计数模式1，16位计数器模式 TH1=0x00; /给定初值，由0往上计数TL1=0x00;EA=1; /总中断打开ET1=1; /定时器中断打开TR1=1; /定时器开关打开 /定时器0的中断服务子函数，主要完成脉冲个数的读取，实际转速的计算和PID控制以及控制结/果输出等工作void Timer0_isr(void) interrupt 1unsigned char count;TH0=(65536-10000)/256; /重新赋值 10msTL0=(65536-10000)%6; count+; if (count=25) /如果达到250ms，则计算一次转速并进行一次控制运算 count=0;/清零以便于定时下一个250ms TR1=0;/关闭定时器1，统计脉冲个数 real_speed=(256*TH1+TL1)*4/N;/250ms内脉冲个数并由此计算转速 TH1=0x00; /计数器1清零，重新开始计数 TL1=0x00; TR1=1; OUT=contr_PID();/进入PID控制 ，PID控制子函数代码在后面给出 write_add(0x40,OUT);/进行DA转换，将数字量转换为模拟量，后面会介绍到 2.PID控制： PID的基本原理在这里不作具体讲解，这里主要给出PID算法的实现，通过调节结构体中比例常数（Proportion）、积分常数（Integral）、微分常数（ Derivative）使得转速控制达到想要的精度。试凑法：注意这里参数调节采用实验凑试法，试凑法也有其规律，下面做出讲解： 实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的输出结果，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。（1）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。（2）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（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节 若经过步骤（2），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。代码实现unsigned int Proportion=8;/比例常数 Proportional Constunsigned int Integral=3;/积分常数 Integral Constunsigned int Derivative=1;/微分常数 Derivative Constunsigned int LastError=0;/Error-1unsigned int PrevError=0;/Error-2 unsigned int Error=0;/Error0int Out=0;/outcome int contr_PID() Error=expc_speed-real_speed;/计算偏差 /进行增量式PID计算 Out=Out+ Proportion*(Error-LastError)+ Integral*Error+ Derivative*(Error+PrevError-2*LastError); /进行误差更新 PrevError=LastError; LastError=Error; /上下限幅处理 if(Out255) Out=255;/DA转换为8位，最大数值为255，故当大于255时，限制为255 return Out; 3.电机驱动：原理：直流有刷电机既可以用模拟电压驱动，又可以用PWM驱动.如果用PWM驱动时，刚刚PID后的输出可以直接对应到PWM高电平持续的时间，PWM周期为T，则低电平对应为T-Out即可，这个实现比较简单。这里介绍利用DA将数字量Out转化为模拟电压驱动电机的方法。模拟电压驱动实现：将数字量转化为模拟量的最常用方法就是使用DA转换。在一般的使用中我比较喜欢的一款芯片是PCF8591。它内部集成了4路8位AD转换和1路8位DA转换，与单片机之间使用IIC通信方式。由于IIC通信只需要SDA和SCL两根信号线，因此很省IO口，并且一个芯片AD，DA都有了，很方便。具体的PCF8591资料请参考其datasheet，这里直接给出其封装好的IIC通信代码，使用直接就可以了。这里面其他的函数不用管，因为它们最终在两个函数中被调用，即write_add()和read_add()中。前者实现DA转换，有两个参数，第一个参数是控制DA转换对应寄存器地址，取0x40，第二个是要转换的数据，即返回的OUT，使用时直接一句代码：write_add(0x40,OUT)就能将数字信号转换为模拟电压信号。后者实现AD转换，只有一个参数，就是选择AD转换的4个通道，通过宏定义可以定义出其四个通道：#define AD_IN0 0x40#define AD_IN1 0x41#define AD_IN2 0x42#define AD_IN3 0x43使用时只需要一句代码：dat=read_add(AD_IN2)就能实现将第二个通道的模拟信号转换为数字信号。 代码实现：/PCF8591.h #define uchar unsigned char/延时4usvoid delay(void); /iic初始化void init(void); / iic开始信号void start(void) ;/ iic停止信号void stop(void) ;/ iic应答 相当于一个智能的延时函数void respons(void) ;/ iic读一个字节数据uchar read_byte(void) ;/iic写一字节数据void write_byte(uchar date) ;/ 控制DA转换 void write_add(uchar control,uchar date);/ 控制AD转换 uchar read_add(uchar control) ; /PCF8591.c #include#include #define PCF8591 0x90 /默认为写，如果为读，则为0x91 sbit SDA=P20;sbit SCL=P21;/延时4usvoid delay(void) unsigned char i; for(i=1;i0;i-); / iic初始化 void init() SDA=1; delay(); SCL=1; delay(); / iic开始信号void start() SDA=1; delay(); SCL=1; delay(); SDA=0; delay();/ iic停止信号void stop() SDA=0; delay(); SCL=1; delay(); SDA=1; delay(); / iic应答 相当于一个智能的延时函数 void respons() uchar i; SCL=1; delay(); while(SDA=1)&(i250) i+; SCL=0; delay();/ iic读一个字节数据uchar read_byte() uchar i,k; SCL=0; delay(); SDA=1; delay(); for(i=0;i8;i+) SCL=1; delay(); k=(k1)|SDA;/先左移一位，再在最低位接受当前位 SCL=0; delay(); return k; /iic写一字节数据void write_byte(uchar date) uchar i,temp; temp=date; for(i=0;i8;i+) temp=temp1; /左移一位 移出的一位在CY中 SCL=0; /只有在scl=0时sda能变化值 delay(); SDA=CY; delay(); SCL=1; delay(); SCL=0; delay(); SDA=1; delay(); / 控制DA转换 void write_add(uchar control,uchar date) start(); write_byte(PCF8591); respons(); write_byte(control); respons(); write_byte(date); respons(); stop(); / 控制AD转换 uchar read_add(uchar control) uchar date; start(); write_byte(PCF8591); respons(); write_byte(control); respons(); start(); write_byte(PCF8591+1);/把最后一位变成1，读数据 respons(); date=read_byte(); stop(); return date; 主函数：主函数中主要是一些初始化工作，还有按键检测和实际转速和期望转速显示。关于显示部分可以用液晶或者数码管，这里不再具体讲解。 #include#include#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char #define PCF8591 0x90 /默认为写，如果为读，则为0x91#define AD_IN0 0x40#define AD_IN1 0x41#define AD_IN2 0x42#define AD_IN3 0x43 #define KeyPort P1 #define CYCLE 100 /限定的最大转速unsigned int Proportion=8;/比例常数 Proportional Constunsigned int Integral=3;/积分常数 Integral Constunsigned int Derivative=1;/微分常数 Derivative Constunsigned int LastError=0;/Error-1unsigned int PrevError=0;/Error-2 unsigned int Error=0;/Error0int Out=0;/outcome unsigned int expc_speed=0; unsigned int real_speed=0; main() unsigned char num; Init_Timer0(); /初始化定时器0 Init_Timer1(); /初始化计数器1 lcd_init(); init(); while (1) /主循环 num=KeyScan(); /循环调用按键扫描 switch (num) case 1: if(expc_speed0) expc_speed-; lcd_display(4,expc_speed); lcd_display(5,real_speed); /按键扫描函数，返回扫描键值unsigned char KeyScan(void)unsigned char keyvalue;if(KeyPort!=0xff) delay_ms(10); if(KeyPort!=0xff) keyvalue=KeyPort; while(KeyPort!=0xff); switch(keyvalue) case 0xfe:return 1;break; case 0xfd:return 2;break; case 0xfb:return 3;break; case 0xf7:return 4;break; case 0xef:return 5;break; case 0xdf:return 6;break; case 0xbf:return 7;break; case 0x7f:return 8;break; default:return 0;break; return 0;分享： 我个人对MCS-51单片机定时器和计数器区别的理解 2008-02-25 18:43:30| 分类： 默认分类|字号 订阅在51单片机的学习过程中，我们经常会发现中断、计数器/定时器、串口是学习单片机的难点，对于初学者来说，这几部分的内容很难理解。但是我个人觉得这几部分内容是单片机学习的重点，如果在一个学期的课堂学习或者自学中没有理解这几部分内容，那就等于还没有掌握51单片机，那更谈不上单片机的开发了，我们都知道在成品的单片机项目中，有很多是以这几部分为理论基础的，万年历是以定时器为主的，报警器是以中断为主的，联机通讯是以串口为主的。在这几部分内容中，计数器/定时器对于初学者说很容易搞混淆，下面我将对这方面的内容结合自己的学习经验谈几点看法。计数器和定时器的本质是相同的，他们都是对单片机中产生的脉冲进行计数，只不过计数器是单片机外部触发的脉冲，定时器是单片机内部在晶振的触发下产生的脉冲。当他们的脉冲间隔相同的时候，计数器和定时器就是一个概念。在定时器和计数器中都有一个溢出的概念，那什么是溢出了。呵呵，我们可以从一个生活小常识得到答案，当一个碗放在水龙头下接水的时候，过了一会儿，碗的水满了，就发生溢出。同样的道理，假设水龙头的水是一滴滴的往碗里滴，那么总有一滴水是导致碗中的水溢出的。在碗中溢出的水就浪费了，但是在单片机的定时计数器中溢出将导致一次中断，至于什么是中断我们下次再讲，这里只是初步的提下概念，中断就