基于单片机的直流电动机转速闭环控制系统1.ppt

基于单片机的直流电动机转速闭环控制系统 自动化教研室 1项目目标 2设计要求 3方案设计 4硬件设计 5软件设计 6项目总结 内容提要 1 项目目标 1 具有实践性 能让学生从事设计 制作工作 2 具有专业综合性 能让学生在系统中应用专业理论知识 如 单片机原理及应用 自动控制理论 交直流调速系统 计算机控制系统等课程内容 3 具有工程训练性 能让学生在实习期间培养诸多的工程技术素质 2 设计要求 实现闭环调速系统 含有人机接口 含有A D或D A 方便今后扩展 改进 低成本 3 方案设计 学生学习过其基本原理 具有普遍性 代表性 带有Flash 方便擦写 廉价 一 MCU方案 AT89S51 52系列STC89C52系列 二 被控对象方案 方便应用自动控制原理 交直流调速控制 计算机控制系统等专业知识 驱动电路简单 小功率 廉价 12V直流伺服减速电机 三 人机接口方案 学生学习过其基本原理 具有普遍性 代表性 最基本的键盘 显示 廉价 LED数码管4 4键盘 四 电机驱动方案 学生学习过其基本原理 具有普遍性 代表性 实现方便 廉价 H桥驱动直流电机采用PWM调速 五 ADC与DAC的选用 学生学习过其基本原理 具有普遍性 代表性 实现方便 廉价 ADC0804 4 硬件设计 MCU 4 4键盘2组4位LED显示 A D转换 连续平滑给定 调速 电流检测 PWM 驱动电路 测速反馈 直流电机 一 基本方式设计 1 控制方式选择 1 程序查询方式便于程序控制 编程简单 易于调试 占用CPU时间长 效率低 实时性不高 2 中断控制方式效率高 实时性强编程复杂 不易于调试 3 DMA方式速度快 不经过CPU 需要DMA控制器及控制线 I 所有外设与CPU并行接口II 并行口线不够 需要扩展III 除ADC0804采用中断方式 CPU采用程序控制方式控制其它所有I O设备 2 通信方式选择 1 并行方式 2 串行方式 为了减轻软件编程的压力 MCU的硬中断INT0 INT1空闲 3 驱动方式选择 H桥驱动直流电机采用PWM调速 键盘 显示就需要4 8 32位 所以必然扩展 二 I O接口地址扩展 由于I O设备不是太多 LED位选码需要一个373 LED段选码需要一个373 键盘输入 输出各需要一个373和244 总的芯片数量在可承受的范围内 1 并行扩展接口芯片 价格贵系统更加复杂 2 要求不高 简单地使用数据锁存器的方法输出接口 可用74373输入接口 可用74244 1 I O独立编址方式需要有专门的指令来区分 8088 IN OUT 单独的控制线信号 Z80 MREQ IORQ 8088 M IO 2 I O与存储器统一编址方式占用存储器地址空间 M6800 51 96 数据处理功能强 I O和存储器可共用译码电路 I 所选MCU为89S52系列 因此必须I O与存储器统一编址 II 必须先计算I O占用的51外部RAM地址范围 三 I O接口地址编码 1 I O接口编址方式 为占用最少口线 LED采用动态显示 这样2组LED共需要8个位选 8位占1地址 2组LED共用一个段码口线 8位占1地址 键盘输出 输入各占用1地址 共2地址 ADC0804片选需要1地址 ADC0804扩展为8通道 需要8地址 若不设计译码电路 共需要用8根地址线 则设计使用P2口 高8位地址 2 本项目采用的I O接口编址方式 1 AD15给LED位选信号地址 信号由MCU向LED写 2 AD8给LED段码地址 信号由MCU向LED写 3 AD9给键盘行地址 信号由MCU向键盘写 列扫 4 AD10给键盘列地址 信号由键盘列向MCU读 5 AD11给ADC0804片选地址 信号由MCU向0804写 6 AD12 AD13 AD14给ADC0804扩展8通道预留地址 信号由MCU向通道写 由于没有外扩RAM 所以I O占用外部RAM可以有很大范围 采用地址直接接口 省去译码电路 2 本项目采用的I O接口编址方式 MCU 4 4键盘2组4位LED显示 A D转换 连续平滑给定 调速 电流检测 PWM 驱动电路 测速反馈 电机 2 本项目采用的I O接口编址方式 测速反馈需要对光电编码器脉冲进行计数 必然占用一个外部计数引脚 鉴于控制软件可能用到许多定时器 把T2分配给测速 因此测速脉冲分配P1 0 电机的PWM驱动分配P1 6 电机PWM驱动及测速反馈 1 LED接口电路 位选码地址 1XXXXXXXB段选码地址 XXXXXXX1B 位选码输出 段选码输入 3 I O接口编址方式 键盘行输出地址 XXXXXX1XB键盘列输入地址 XXXXX1XXB 2 键盘接口电路 键盘行输出 键盘列输入 3 I O接口编址方式 3 ADC接口电路 ADC读写地址 XXXX0XXXBADC通道地址 3 I O接口编址方式 4 ADC通道扩展电路 通道0地址 X0000XXXB通道1地址 X0010XXXB 3 I O接口编址方式 4 硬件地址分配表 5 软件设计 1 MCU资源分配中断定时器 计数器时钟 串行口 2 语言选择汇编语言高级语言 C51 3 任务模块化流程图 4 实施 一 系统控制功能 1 键盘给定 键盘 MCU PWM调节 先按 0 后键入4位数字 然后按确定键 A键 此时若给定选择 B键 为 键盘给定 则电机会按设定转速运行 1 转速的设定 2 电位器平滑给定 电位器 ADC MCU PWM调节 给定选择 B键 为 电位器给定 则电机会按设定转速运行 2 启动 停止 加速 减速 1 启动 C键 2 停止 F键 3 加速 D键 4 减速 E键 3 转速实时显示 监测 1 给定值 第一组4位LED实时显示 2 测速值 第二组4位LED实时显示 4 限流保护 当电流大于某个设定值时 转速降为0 也即PWM占空比为0 5 实现限流保护 二 资源分配 三 语言选择 KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发环境 集编辑 编译 仿真于一体 支持汇编 PLM语言和C语言的程序设计提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全Windows界面 界面友好 易学易用 1 不需要了解51单片机的指令系统 仅仅要求初步了解存储器结构 2 程序有规范的结构 可分为不同的函数 使程序结构化 3 程序可读性好 4 提供很多标准库函数 数据处理能力强 5 程序易于做到模块化 移植性好 C51语言的优势 C51存储类型与MCS 51单片机存储空间的对应关系 C51存储类型及其大小和值域 C51的存储模式 初始化 取键值 刷新显示 有键按下 键处理 四 主程序框图 Y N 转速控制采用带转速单闭环的直流电动机调速系统 驱动电路由三极管作开关元件的H桥组成 控制电路主要包括转速给定 转速反馈 PI调节器 PWM波形的产生 五 闭环控制框图及算法 在T1中断里实现 单片机应用系统是以单片机为核心 扩展外围芯片和电路 能完成一定任务的微机系统 单片机具有体积小 成本低 抗干扰强 使用方便灵活等优点 已广泛应用于生产和科技等各个领域 6 项目总结 1 确定系统控制方案 彻底了解控制对象和控制要求 高速对象 电机调速 图像语音识别等 还是慢速对象 温度 流量等过程控制 开环控制还是闭环控制 等等 2 确定控制算法 根据系统数学模型和控制要求 选择单片机的控制规律 直流电机传动系统多用PID控制 交流传动则除PID外 还用矢量变换控制 温度调节等滞后系统多采用达林算法与施密斯预估算法等 3 微机选型 综合考虑控制要求 经济条件等多种因素进行 MCS 51系列单片机是8位高档机 在要求更高的场合 应考虑采用MCS 96系列单片机 对运算速度要求更高的场合 可考虑采用数字信号处理器 DSP 4 硬件设计 在系统控制方案的基础上 根据单片机本身的硬件资源 确定出整个系统的控制电路 单片机片内的资源应充分