基于51单片机的直流电机转速测量与控制

1、单片机原理与应用课程设计院 系 信息工程学院 班 级 自动化1201班 学生姓名 学 号 日 期 基于51单片机的直流电机转速测量与控制 直流电动机作为执行元件，被广泛应用于控制领域，这次设计采用单片机作为控制芯片，控制算法采用PID控制，加上相应的输入输出通道，构成一个单闭环控制系统，使电机转速稳定运行，并通过数码管显示转速设定值和实际值。一、基本要求： 1.以80C51的基本知识和方法为基础，通过系统扩展达到应用单片机的目的。 2.根据应用系统结构规模的要求，掌握单片机外部扩展系统的硬件设计的基本过程，正确合理选择期间，绘制应用系统原理图。 3.根据设计任务和要求，画出程序整体流程图，然后

2、进行各程序模块的设计，编写控制程序。 4.掌握如何应用单片机仿真器或编程器来开发应用及仿真调试的过程，反复修改测试直至完成任务。二、设计内容 设计并调试一个程序使其实现如下功能： 1.在实验平台上通过键盘输入一个转速的设定值（例如25rpm），并在数码管上显示； 2.采用比例调节方法，使电机转速稳定在设定值； 3.测量电机的转速，并在实验平台数码管上显示； 4.转速稳定后，可随时修改转速设定值； 5.优化比例调节系统，使电机转速的调节时间较短，并尝试加入积分、微分环节，改善转速的静态和动态特性。电机转速不允许出现振荡。三、设计原理转速是工程上一个常用参数，旋转体的转速常以每秒钟或每分钟转数来表

3、示。转速测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量，再变换过程中大多是有规律的重复运动；霍尔开关传感器由于其体积小，无接触动态特性好，使用寿命长等特点，在测量旋转体的转速领域得到了广泛的应用。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势，其大小和外磁场的磁场强度及电流大小成比例。 根据霍尔效应原理，将一块永久磁铁固定在电机封轴上的转盘边沿，转盘岁北侧轴旋转，磁钢也跟着同步旋转，在转盘附近安置一个霍尔器件，则霍尔器件首次刚所产生的磁场影响输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出该脉冲

4、的周期或频率即可计算出转速。  直流电机的转速与施加于电机两端的电压、电流大小有关,这次设计利用DAC0832控制输出到直流电机的电压值，即通过控制DAC0832的模拟输出信号量来控制电机的转速。当测出电机转速小于设定值时增大D/A输出电压；当测出电机转速大于设定值时减小D/A输出电压,从而使电机以某一速度恒速旋转。四、实验接线1、把DA0832的片选CS17孔和Xfer孔接至译码器YS2(0A000H-0AFFFH)孔相连接；2、DA0832的WR1孔和WR2孔连控制总线区的/WR孔相连接；3、把数模转换DAC0832输出Aout孔连直流电机DCin孔相连接；4、CS40与YS0相

5、连接；5、CKM孔（霍尔器件输出孔）连P3.2孔相连接。连线连线孔1连线孔21CS17Xfer2XferYS23WR1WR24WR2/WR5AoutDCin6CS40YS07CKMP3.2五、实现方法 1、整体结构设计键盘被按下后，通过检测把键码给单片机，单片机通过数码管显示设定值，同时判断实际值与设定值是否相等，调用PID函数进行调速，将PID调速函数的返回值进行DA转换，输入给电机，通过霍尔传感器测得电机的值，再与设定值比较，直到两值相等。可通过键盘再次输入另外一个值，重复上面的步骤，使电机转速达到设定值。数码管显示80C52单片机键盘霍尔传感器控制电机DA转换PID调速 2、转速测定方法

6、设计 转速测控方法有频率法和周期法，因为电机转速较低，所以采用周期法进行计算，保证其精度。在设计中采用霍尔传感器采集信号，霍尔传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后通过外部中断测出相应的脉冲周期，计算转速，通过定时器0控制PID采样周期，将处理好的信号接入单片机的T0计数口进行编程计数，最后在数码管上显示结果。周期法即T法测速，T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量

7、的时间值尽可能大。计算公式为：T法测速的分辨率 法测速误差率 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高。3、PID调整转速设计 在实际应用中，最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它因结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 

8、; （1）比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。  （2）积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，

9、可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免

10、了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，这次设计用的工程整定方法，它主要依赖个人调试经验，直接在控制系统的试验中进行，方法简单、易于掌握。通过试验，在实际运行中进行调整与完善，利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下： （1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； （2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡

11、周期； （3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。int PID ( ) /PID调速函数unsigned char Kp=2.0; /比例常数unsigned char Ki=2.5; /积分常数unsigned char Kd=0.2; /微分常数unsigned int error1=0;unsigned int error2=0;unsigned int error=0;int qi_n; /定义期待转速error=Key_temp-n;qi_n+=Kp*(error-error1)+Ki*error+Kd*(error+error2-2*error1);error2=

12、error1;error1=error;if(qi_n<0) /上下限幅处理qi_n=0;/驱动电机的电压不可能小于零，故当输出小于零时，输出值应为零if(qi_n>255)qi_n=255; /DA转换为8位，最大数值为255，故当大于255时，限制为255return qi_n; PID采样周期设定的为500ms，即每500ms调用一次PID函数，把PID返回值给DAC0832，控制电机转速，霍尔传感器测量电机转速，返回给单片机，逐步使电机转速与设定值相等。 4、键盘扫描显示 使用6×4的小键盘，向列扫描码地址逐列输出低电平，然后从行码地址读回。如果有键按下，则相应行

13、的值应为低，如果无键按下，由于上拉的作用，行码值为高。这样就可以通过输出的列码和读取的行码来判断按下的是什么键。在判断有键按下后，要有一定的延时，防止键盘抖动。初始化地址参数显示缓冲区初始化 输出列扫描信号数码管显示列扫描信号移位有键输入？ 否读入行信号 是读取键值该列有键输入？ 是键值转换为显示数据 否6列扫描完？ 否返回 是按照行列计算键值得键码等待键盘释放返回六、运行结果七、调试：调试看起来简单，却真的是最让人头疼的，一个很小的语句都用可能影响程序的结果，硬件对程序的影响也很大，同一片单片机，同一个程序，在不同的试验箱上运行结果就不同。首先写程序的时候，大家都没有头绪，几个人围着一台电脑

14、讨论如何构建程序轮廓，功能的实现应该采用什么样的方法，把这个问题解决之后，便开始了调试。主要出现下面几个问题：1、数码管显示转速的两位跳动，不稳定，来回闪。解决办法：仔细检查程序，理通程序，与同学讨论，把程序进行修改，下载，运行；如果结果不满意，再修改，运行；直到显示正确结果。数码管显示出现问题一般都是程序逻辑的问题使数码管显示不稳定，调整程序一般都可以解决。 2、不响应中断 CPU不响应中断或不响应某一个中断，这种错误的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。 错误的原因：中断控制寄存器的初值设置不正确，使CPU没有开

15、放中断或不许某个中断源请求；或者对片内的定时器、串行口等特殊功能寄存器和扩展的I/O口编程有错误，造成中断没有被激活。解决办法：用调试的方法，观察程序，分步调试，出现错误的地方进行程序一点一点的修改，并认真总结，再下载，运行，调试。3、数码管显示结果震荡，在设定转速左右震荡解决办法：刚开始是调整PID参数，但一直没有完全解决，后来换了台实验箱，发现电机转速还是挺稳定的。可能因为一些硬件对转速的影响也比较大，比如电机的阻力等等。八、心得体会： 周六、周日通过和几位有编程经验的同学探讨，把程序轮廓和流程图构建了出来，并且把程序内容基本上写完了。周一上午到实验室调试，才发现，自己感觉写好的程序，电动

16、机转都不转，调程序把电机调通了，但是震荡的特别厉害，出现了一些问题，通过分步调试，总结经验等把问题一个一个都解决了，感受到了集体力量的强大，不能独自一人战斗，要及时与大家探讨，在老师和同学们的帮助下，我也体会到了程序终于调通时的那种喜悦和满足，很有成就感。我觉得学校的实验平台非常不错，给我们提供了这么好的条件，我们应当好好珍惜，好好利用这几天的时间多学习些知识，不能浪费这么好的资源。我也做到了与同学和老师多沟通、多探讨，尽力把所学的知识通过实验平台更好的吸收和掌握。通过这几天的学习，确实使我对单片机的设计方法有了更深刻的理解和掌握，同时也让我把所学的知识广泛的应用到了实践中，充分的做到了理论与

17、实践相结合。 科研是需要认真、踏实、灵敏，考虑问题要全面，不能有漏洞，其次要多吸取大家的经验，善于总结。这几天老师也非常辛苦，每天陪我们在实验室，指导我们学习，非常感谢也非常庆幸遇到一个这么好的老师！九、课程设计程序#include "reg52.h"#include "absacc.h"#define LEDLen 6float DA;long int n;unsigned int t;unsigned char count;unsigned char time;unsigned char Key_temp;unsigned char k_TEMP2;

18、xdata unsigned char CS0832 _at_ 0xA000; /DA控制口xdata unsigned char OUTBIT _at_ 0x8002; /位控制口 xdata unsigned char OUTSEG _at_ 0x8004; /段控制口 xdata unsigned char IN _at_ 0x8001; /键盘读入口 char code dx5163 _at_ 0x0023; /mon51unsigned char LEDBufLEDLen; code unsigned char LEDMAP = /八段管显示码0F 0x3f, 0x06, 0x5b,

19、 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71;code unsigned char KeyTable = /键码值定义，4*6键盘 0x16, 0x15, 0x14, 0xff, 0x13, 0x12, 0x11, 0x10, 0x0d, 0x0c, 0x0b, 0x0a, 0x0e, 0x03, 0x06, 0x09, 0x0f, 0x02, 0x05, 0x08, 0x00, 0x01, 0x04, 0x07;void delay(unsigned char ms)/延时函数uns

20、igned char x,y;for(x=ms;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);unsigned char TestKey() /检测按键被按下并读入 OUTBIT = 0; return (IN & 0x0f); unsigned char GetKey() /获取键码值 unsigned char Pos; unsigned char i; unsigned char k; i = 6; Pos = 0x20; do OUTBIT = Pos; /确定键所在列 Pos >>= 1; k = IN & 0x0f; while (-i

21、!= 0) && (k = 0); if (k != 0) /键码值=i*4+行 i *= 4; if (k & 2) i += 1; else if (k & 4) i += 2; else if (k & 8) i += 3; OUTBIT = 0; do delay(10); while (TestKey(); return(KeyTablei); /读取键值 else return(0xff);void Display() /用数码管显示设定值和转速值 unsigned char i; unsigned char Pos; unsigned ch

22、ar LED; Pos = 0x20; for (i = 0 ; i < LEDLen ; i+ ) OUTBIT = 0 ; LED = LEDBufi ; OUTSEG = LED ; OUTBIT = Pos ; delay(5); Pos >>= 1 ; OUTBIT = 0 ; int PID() /PID调速函数unsigned char Kp=2.0; /比例常数unsigned char Ki=2.5; /积分常数unsigned char Kd=0.2; /微分常数unsigned int error1=0;unsigned int error2=0;unsigned int error=0;int qi_n ; /定义期待转速error=Key_temp-n;qi_n+=Kp*(error-error1)+Ki*error+Kd*(error+error2-2*error1) ;error2=error1 ;error1=error ;if(qi_n<0) /上下限幅处理qi_n=0; /驱动电机的电压不可能小于零，故当输出小于零时，输出值应为零if(qi_n>255)qi_n=255; /DA转换为8位，最大数值为255，故当大