课程设计（论文）-基于单片机的转速控制系统设计.doc

重庆科技学院课程设计报告重庆科技学院课程设计任务书设计题目：基于单片机的转速控制系统设计学生姓名雷阳斌课程名称智能义器义表设计与调试专业班级测控普07地 点实验楼I512起止时间2010.6.21至2010.7.2设计内容及要求要求设计的转速控制系统完成以下功能：1.基本功能按键设定并显示转速，实时显示实际转速按键控制电机起停、正反转PWM转速闭环控制。设计参数1.转速调节范围：1500转/分-3000转/分2.测速误差10%进度要求1. 布置任务、方案设计，硬件设计（1天）2. 画电路图（1天）3. 软件设计，画流程图（1天）4. 程序设计和调试（6天）5. 设计验收、撰写报告（1天）详见进度安排表参考资料1.程德福.智能义器. 机械工业出版社. 2009.92.胡文金.单片机系统实训教程.重庆：重庆大学出版社,20053.林金阳.基于MC51单片机的直流电机PWM调速系统.长春工程学院学报(自然科学版)2009年第10卷第3期其它说明.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。.若填写内容较多可另纸附后。3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。教研室主任： 指导教师：钟秉翔、张义辉- 37 -摘要在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。本设计以AT89C51单片机为核心，以独立键盘做为输入达到控制直流电机的启停、速度，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中采用PWM技术和PID控制技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。还利用了Labview8.5做为上位机对电机的实时转速显示监控和用它来给电机设定转速。关键词：AT89C51，直流电机，PID控制，LabvieABSTRACTIn the industrial automation systems and a variety of smart products are often used to drive the motor, transmission and control, and modern intelligent control system for motor control requirements become more accurate and rapid, meet the increasing demands on the environment high. The design of AT89C51 microcontroller as the core, to separate the keyboard as input to control DC motor start and stop, speed, and the completion of the basic requirements and the requirements to play a part. PWM technique used in the design and PID control technology to control the motor, through the calculation of duty cycle to achieve accurate speed control purposes. Also used as a host computer Labview8.5 real-time speed display of motor control and use it to set the motor speed.Keywords: AT89C51, DC motor, PID control, Labview目录1绪论1.1 课程设计题目 -基于单片机的转速控制系统设计1.2 设计内容及要求1.2.1 基本功能按键设定并显示转速，实时显示实际转速按键控制电机起停、正反转PWM转速闭环控制。1.2.2 扩展功能实现与PC机的通讯：将转速的设定值和实测值发送到PC机显示，PC机可以设定速度，发送到单片机1.2.3 设计参数 转速调节范围：1500转/分-3000转/分 测速误差10% 1.3 设计目的及意义本课程是测控技术与仪器本科专业的重要实践课程，是智能仪器仪表设计技术课程的一个综合性、设计性的实践环节。通过这门课程的学习与实践，能够提出仪器系统的设计思路、论证设计方案；熟悉智能仪器仪表开发、研制的过程，软硬件设计方法和设计步骤；初步学会设计智能仪器仪表软硬件设计及调试的方法，具备技术实现能力；基本上能够处理实践过程中出现的问题并提出解决办法；提高理论付诸于实践的能力，提高工程设计能力和处理实际问题的能力，开发和创新能力。2 总体方案规划2.1 直流电机控制原理及特点对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图1所示。转速输出偏差转速设定值 调节器驱动电路直流电机+ -测速装置图 1 直流电机速度控制方案 2.2 直流电机调速控制方式选择2.2.1 电阻网络或数字电位器采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。2.2.2 继电器采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。2.2.3 达林顿组成的驱动芯片采用由达林顿管组成的驱动电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；桥型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于上述三种方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.3 PWM脉宽调制方式调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。2.4直流电机速度获取方式2.4.1 霍尔传感器由图2可知,电机每转一圈,每一相霍尔传感器产生2脉冲,且其周期与电机转速成反比,因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间,可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度,则电机的实际转速为： V=N*30;V:速度 R/minN:每秒采样的脉冲个数 电机转一圈 图2 霍尔传感器信号2.4.2 红外对管由图3可知,电机每转一圈,红外对管产生2脉冲,因此可以利用红外对管传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间,则电机的实际转速为： V=N*15; 电机转1圈V:速度 R/minN:每秒采样的脉冲个数 图3 红外对管信号基于上述两种测速装置，从测量精度和价格上考虑，选择第二种测量方案，用红外对管来测量电机转速。2.5 总体设计框图本系统采用AT89C51作为控制核心，用独立键盘来选择控制模式和数码管来显示设定转速和测量转速。由上述提供的方案和最后选择结果，则用达林顿管组成的驱动芯片作为本系统的驱动电路和用红外对管作为该系统的测量电路。AT89C51单片机LED数码管显示单元驱动电路直流电机上位机红外对管键 盘 图4 直流电机控制系统总体框图2.6 人机界面设计3 硬件设计3.1 AT89C51芯片介绍3.1.1 芯片特点AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 图5 AT89C51引脚图与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式3.1.2 芯片功能概述AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个IO 口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 AT89C51 有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现的。PD 是掉电模式，当PD=1 时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU 通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。3.2 电机驱动电路设计3.2.1 ULN2003D芯片介绍ULN2003D高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围语广,常用于自动化密集的的场合。ULN2003D是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。如图6所示图6 ULN2003D逻辑图3.2.2 ULN2003D构成的单向驱动电路设计单片机输出的电机控制信号由74LS14与非门把输出信号反向再输入ULN2003D芯片的输入端，由对应的输出端控制电机。图7 电机驱动电路3.3 按键模块设计按键模块由三个独立按键组成，它们分别控制电机的速度增加、减小、停止。电机状态的设定要点是按键的去抖动处理。软件法去抖动的实质是软件延时，即检测到某一键状态变化后延时一段时间，再检测该按键的状态是否保持着，如是则作为按键处理，否则，视为抖动，不予理睬。去抖动的延时时间一般参考资料多描述为20ms左右，在实际应用中应大于20ms。否则，会导致按一次多处理，影响程序正常执行。图8 按键接口电路3.4 数码管显示模块设计数码管主要是用于数字的显示。数码管有共阴和共阳的区分，单片机都可以进行驱动，但是驱动的方法却不同。四位数码管循环电路是由1K的电阻、IN4148二极管和数码管组成，电源+5V通过560的电阻直接给数码管的7个段位供电，P0.0-P0.7对应了两个接数码管的A,B,C,D,E,F,G和小数点位，P2口接位选码。当相应的端口变成低电平时，驱动相应的NPNS8550三极管会导通，+5V通过IN4148二极管和驱动三极管给数码管相应的位供电，这时只要P0口送出数字的显示代码，数码管就能正常显示需要的数字。图9 数码管显示电路3.5 红外对管测速电路设计红外对管，其中一个是发射管，一个是接受管，在电机测速作脉冲感应器用，它的原理是，深色物的红外反射率因不同的材料而不同，发射管发射出红外线，在材料上反射回来，由接受管接受。当有信号反射回来时输出低电平，没有反射时输出高电平。 图 10 红外对管测速电路3.6 串口电路设计MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。其引脚图如图3.6所示。其内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路，由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道，由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电，15脚GND、16脚VCC（+5V）。图 11 串口电路图4 软件设计本程序主要分为6大块，主程序、按键处理程序、刷新显示程序、数码管输出程序、定时器0的中断服务程序，串口中断服务程序。主程序主要做了系统初始化，定时器0的初始化和主循环等，可以把按键处理和刷新显示程序及发送数据程序放到主循环中。4.1 主程序主程序主要做了系统初始化，定时器0的初始化、按键扫描、数码管显示定时向上位机发送数据和PWM输出。 图12 主程序流程图4.2外部中断0服务程序外部中断0主要用于对红外对管产生的脉冲进行计数 图13 外部中断0流程图 4.3 定时器0中断服务程序定时器0中断程序中用来对数码管显示送段友和位码，以及在固定周期内计算转速和进行PID计算 。 图14 定时器0程序流程图4.4 PWM输出程序PWM程序主要用来控制电机的转速，它通过PID计算出来 的偏差来调整输出脉冲的宽度来控制电机。图15 PWM输出程序流程图4.5 PID控制输出程序当电机转速的设定值突然改变,或电机的转速发生突变时,会引起偏差的阶跃,使e增大,PID的输出uk将急剧增加或减小,以至于超过控制量的上下限,电机的转速SPEEDSET虽然不断上升,但由于控制量受到限制,其增长的速度减慢,偏差E将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值,该程序主要是把设定的转速现当前测量得到的转速来计算偏差，从而用PWM输出方式来确定输出脉冲的宽度。图16 PID控制输出流程图4.6 串口中断发送程序本文中的串口通信指的是单片机与上位机（PC机）之间的串口通信，该通信主要用于测速模块的调试以及在测量转速时，单片机能从上位机（PC机）接收数据或者能将数据发回给上位机（PC机），以便观察电机转动情况，或者获得我们所需要的数据。在本设计中， 采用的是AT89C51芯片的串口UART0来与PC机进行串口通信。在串口UART0的配置中，定时/计数采用方式2是将两个8位计数器TH1和TL1分成独立的两个部分，组成一个8位可自动再装入的定时器/计数器，由TL1作为8位计数器，TH1作为计数初值寄存器，设置初值时同时送TH1和TL1，当TL1计数满回0产生溢出，不仅置位TF1,而且控制TH1中的初值重新装入TL1，继续下一轮计数，此信号送串行通信系统，以设置串行通信波特率，波特率设置公式如式所示：波特率=2 SMOD*(溢出率)/32 。进入发送中断 1字节数据发送完毕 ？1字节数据发送完毕？发送第二字节数据发送1byte数据NYN Y中断返回图17 串口发送程序流程图4.7 串口中断接收程序上位机控制单元解扩出1bit数据后，产生一次中断。接收时首先采用16bits接收窗口、1bit滑动方式来接收通信的同步帧头0x09、0xAF，帧头接收成功后，后续数据按每8bits一个字节的方式进行截取，得到传送的有效数据，同时将得到的有效数据存储在缓冲单元中；接收过程中，按有关的通信协议进行地址判别、长度接收、校验计算。地址相同的模块对符合通信协议的数据进行应答，转入发送态中断返回重组数据4byte数据接收完毕？清零接收标志位进入接收中断NY图18 串口接收程序流程图5 上位机软件设计5.1 LABVIEW软件简介Lab VI EW 是美国国家仪器(NI)公司开发的一种基于图形程序的虚拟仪表编程语言，在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用。LabVIEW程序称为虚拟仪器程序(简称VI)，LabVIEW的强大功能在于层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而且，调用阶数可以是任意的。LabVIEW这种创建和调用子程序的方法使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护川。Lab VI EW 虽有接口卡的驱动和管理程序，但主要是针对M公司自己生产的卡。对于普通的v0卡，可以用PORTIN和PORTOUT功能，但此法应用简单，无法实现较复杂的接口功能;也可以采用动态链接库，根据具体需要编写适当的程序，灵活利用Lab-VIEW的各项功能。用户可以自己编写DLLS实现LabVIEW与硬件的链接川。用VC+十6.0编制动态链接库，首先生成DLL框架，Appwizard将自动生成项目文件，但不产生任何代码，所有代码均需用户自己键人。通用 串 行 总线(UniversalS erialB us，简称USB)是1995年康柏、微软、IBM, DEC等公司，公司，为了解决传统总线的不足而推出的一种新型串行通信标准。该总线接口具有方便安装、高带宽、易扩展等优点。USB的另一大优点是可以总线供电，在数据采集设备中耗电量通常不大，因此可以设计成总线供电。USB的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件及相应不同的功能，从而给使用带来极大方便。本文介绍LabVIEW高速数据采集系统的USB2.0 接口实现方法。5.2 LABVIEW 软件设计5.2.1 LabVIEW串口子VI为了在L A B V I E W 的串口通讯方面的研究有很多，大致可以总结为三种思路。第一种是使用VISA实现串口通讯，第二种是使用MSCOMM控件, 第三种是自己编写动态连接库。本文利用LABVIEW 8.6版的VISA库。LabVIEW串口子VI 是通过RS - 232 实现数据通信的。LabVIEW串口子VI有5 个串行通信节点,分别实现串口初始化、串口写、串口读、检测串口缓存、中断等功能。(1) 串口初始化节点(Serial Port Init . vi) 串口初始化节点用于对串口进行参数设置,包括串口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验、缓存大小和握手信号等。(2) 串口写节点(Serial Port Write. vi) 将需要传送的数据通过输出缓存发送至指定端。LabVIEW的串口子VI 只允许字符串读写。要读写数字,则要用到字符串与数字转换节点Sting to Byte Array。(3) 串口读节点(Serial Port Read. vi) 从串口缓存中读出所传送的数据。(4) 检测串口输入缓存节点(Bytes at Serial Port .vi) 在使用Serial Port Read 节点读串口前,可先用该节点检测当前串口输入缓存中已存的字节数,然后由此指定Serial Port Read 节点从串口输入缓存中读出的字节数,可以保证一次就将串口输入缓存中的数据全部读出。(5) 串口中断节点(Serial Port Break. vi) 将端口中断一段时间,中断时间可以设定。5.2.2 LabVIEW串口通讯程序图19 LABVIEW通讯程序图6硬件与软件联合调试6.1 硬件电路测试 图20 电机最大转速PWM电路输出波形 6.2串口收发数据测试串口电路是连接PC机与通信模块的桥梁，可借助串口调试助手对所设计的串口通信电路和通信模块进行测试。如图5.1所示，通过串口调试助手，自动向端口发送数据0xBE、0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06、0x07、0x08、0x09、0xED，数据经串口电路被单片机通信模块接收，通信模块接收到数据后，将数据进行存储，同时又将所接收到的数据发送回来，在串口调试助手的接收窗口上可以看到接收到的数据。图21 串口调试助手工作界面7 总结本设计在硬件上采用了基于PWM技术的桥式驱动电路，解决了电机驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率，且具有一定的防飞能力。但该设计也有不足之处，主要是在关于速度的反馈上，无法提供较为直观的速度表示方式，因此，有必要引入传感器技术对速度进行反馈，以rpm或rps表达当前的转速进行显示在直流电机驱动器中采用PID算法,消除了一般PID调节器算法中的饱和现象,使电机调速稳定,并具有快速跟随性,同时也使电机具有恒转矩调速特性。LabVIEW图形化编程语言,其软件界面友好,操作简单,人机交互性强,编程容易,方便快捷,扩展性好,易于维护。所设计的系统具有稳定时间快,稳定精度高等特点。同传统的单片机控制系统相比,采用虚拟仪器的方法大幅地缩减了开发周期,提高开发质量,且性能好,简单,控制方便灵活。致谢本文是在钟秉翔老师和张义辉老师的精心指导和大力支持下完成的。钟老师和张老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他们渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次设计过程中我也学到了许多知识，实验技能有了很大的提高。参考文献1 王福瑞单片微机测控系统设计大全M北京：JL京航空航天大学出版社，19982 孙育才编单片微型计算机及其应用M江苏：东南大学出版社，19873 王晓明电动机的单片机控制M北京：JL京航空航天大学出版社2OO24 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计M北京：北京航空航天大学出版社，19965 王琰FLASH单片机原理及应用北京：电子工业出版社，19986许永和.USB外围设备设计与应用.北京航空航天大学 出版 社 ，2002.7萧世文.USB2.0 硬件设计.清华大学出版社，2002;15 9 18 5.8 LABVIEW 7 Express 实用技术教程M.中国铁道出版社,2004.9 孙宁. 基于LABVIEW与单片机的教学实验系统J.中国仪器仪表,2005(12).附录一 硬件电路原理图附录二 程序源代码#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define THCO 0xf8#define TLCO 0xcc /2msunsigned char code Duan=0x3F, 0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;/共阴极数码管，0-9段码表unsigned char Data_Buffer8=0,0,0,0,0,0,0,0;/数码管显示数值，数组变量定义unsigned char Data4=0,0,0,0;unsigned char Arry4=0,0,0,0;bitflag1 = 0 ;bit flag0 = 0;unsigned char i = 0 ;sbit AddSpeed=P11;sbit SubSpeed=P12;sbit Stop=P13;/按键调速sbit PWM_FC=P10;/PWM控制端int e=0,e1=0,e2=0;/PID偏float uk=0,uk1=0.0,duk=0.0;/PID输出值float Kp=5,Ki=1.5,Kd=0.9;/PID控制系数int out=0;unsigned int SpeedSet=2000;uint cnt=0;uint Inpluse=0,num=0; /脉冲计数单元uint PWMTime=0;/脉冲宽度void SendString(uint ch);void PIDControl();void SystemInit();void delay(uchar x);void PWMOUT();void SetSpeed();void SegRefre(); void main() SystemInit() ; while(1) SetSpeed() ; SegRefre() ; PWMOUT() ; if( flag0 = 1) flag0 = 0 ; SendString( num ) ; void PIDControl() /PID偏差计算 e = SpeedSet - num ; duk=( Kp*(e - e1) + Ki*e + Kd*(e - 2e1 + e2)/100 ； uk = uk1 + duk ; out = (int)uk ; if(out 250) out = 250 ; else if(out 0 ; i-) for(j = 50 ; j 0 ; j-) ; void PWMOUT() /PWm输出 if ( cnt 250) cnt = 0 ; void SystemInit() TMOD = 0x21;