直流电机转速测量与控制系统的设计

1、常熟理工学院实训任务报告书目录1.智能仪器综合设计课程设计任务书21.1课程设计任务31.2课程设计目的31.3课程设计要求31.4课程设计内容31.5课程设计报告要求31.6课程设计进度安排41.7课程设计考核办法42.设计方案52.1总体方案52.2PID算法52.2.1PID控制的基本组成52.2.2PID控制中的主要技术指标分析62.3PWM脉冲控制83.硬件模块93.1主体模块93.2显示与键盘模块103.3转动源模块123.4复位电路134.软件模块144.1主程序流程图144.2初始化模块144.3中断模块165.收获与体会18参考文献19附录201.智能仪器综合设计课程设计任务

2、书题目：直流电机转速测量与控制系统的设计1.1课程设计任务日常生活和生产中，需要对各种电机的转速进行测量。该综合设计要求完成基于AT89C52单片机的直流电机转速测量与控制系统的设计。采用光电式传感器进行信号的转换，再经过整形、放大等电路处理，将信号送入单片机进行数据处理，能够对设定的电机转速进行自动PID调节，自动调节的效果可通过LabVIEW软件编写的上位机进行观察和调整。1.2课程设计目的通过本次课程设计使学生掌握：1）微机接口技术与I/O通道电路的设计及实现方法；2）控制程序的设计及实现方法；3）微机控制系统的实际调试技巧。从而提高学生对微机实时控制系统的设计和调试能力。1.3课程设计

3、要求1、该装置要求在智能仪器综合实验平台上完成软件编程与实现。2、用数码管来分别显示工作状态、设定速度和实际速度。3、用3只按钮来分别作为开机/关机键、速度设定上升键和下降键。4、速度设定范围5003000转分，在某个速度设置点，要求使用PID控制。1.4课程设计内容1、硬件电路原理图；2、软件流程图及程序；3、实物调试及结果。1.5课程设计报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）课程设计任务书；（2）总体设计方案；（3）硬件原理图（protel软件）；（4）程序流程图及清单（子程序不提供清单，但应列表反映每一个子程序的名称及其功能）；（5）实物调试及结果。3、收获、体会4、参考文献

4、1.6课程设计进度安排周次工作日工作内容第一周1布置课程设计任务，查找相关资料2熟悉单片机、模数转换器3完成总体设计方案4画出硬件原理图及程序流程图5搭建硬件电路第二周1调试硬件电路2完成软件的构思并画出流程图3编写程序并调试4编写程序并调试5编写程序并调试第三周1编写程序并调试2编写程序并调试及准备课程设计报告3编写程序并调试及准备课程设计报告4完成课程设计报告并按规定时间提交5答辩1.7课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。2.设计方案2.1总体方案本次课程任务使用改变PWM脉冲控制

5、直流电机转速。按动按键对MCU设定值，将产生的PWM波输送给电机驱动部分，转动源模块开始工作，光电转速传感器测得代表直流电动机速度的脉冲信号并将其反馈给MCU，MCU在比较转速设定值和实际值的基础上，以PID控制算法来调节PWM波，从而对电动机速度进行控制，LED用于显示转速的设定值和实际值。 图2.1 方案流程图 2.2PID算法 PID控制的基本原理2.2.1PID控制的基本组成 PID控制由反馈系统偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合而成，这3种基本控制规律各具特点。 P比例控制：比例控制器在控制输入信号e(t)变化时，只改变信号的幅值而不改变信号的相位，采用比例控制可以提

6、高系统的开环增益。该控制为主要控制部分。 D微分控制：微分控制器对输入信号取微分或差分，微分反映的是系统的变化率，因此微分控制是一种超前预测性调节，可以预测系统的变化，增大系统的阻尼，提高相角裕度起到改善系统性能的作用。但是，微分对干扰也有很大的放大作用，过大的微分会使系统震荡加剧。I积分控制：积分是一种累加作用，它记录了系统变化的历史，因此，积分控制反映的是控制中历史对当前系统的作用。积分控制往系统中加入了零极点，可以提高系统的型别（控制系统型别即为开环传递函数的零极点的重数，它表争了系统跟随输入信号的能力），消除静差，提高系统的无差度，但会使系统的震荡加剧，超调增大，动态性能降低，故一般不

7、单独使用，而是与PD控制相结合。PID的复合控制：综合以上几种控制规律的优点，使系统同时获得很好的动态和稳态性能。PID控制规律的基本输入/输出关系可用微分方程表示： （1）式中，e(t)为控制器的输入偏差信号; 为比例控制增益；为积分时间常数；为微分时间常数。 相应的传递函数为： （2）若则式(2）还可以写成 （3）式中 ，。由式（3）可见，PID控制器向原系统增加了一个零极点，从而使系统从0型提高到1型，还提供两个负实零点，同时提高系统稳态性能和动态性能。PID控制器可由模拟执行元件或具有运算功能的数字器件实现。数字PID的实现需要式(1)进行离散化，取采样周期为T，改写式(3)，得 （4

8、）式中，为控制器输出的控制量，式中（4）即为数字PID控制器的直接算法。也可取其递推算法; （5）式中，的选取一般取决于经验以及实验现场的调整。2.2.2PID控制中的主要技术指标分析n 动态指标超调% ，单位阶跃响应的最大值，超过稳态值 h() 的百分比，即 (6)若则响应无超调。超调量反映的是系统的振荡性.调节时间、 单位阶跃响应h(t) 与稳态值h() 之间的偏差达到规定的允许范围（2或5），且以后不再超出此范围的最短时间。调节时间描述系统响应的快慢。 一个好的控制系统应该有尽可能小的超调和尽可能短的调节时间，且超调量与调节时间在很多情况下是矛盾的：小的超调量要求系统有大的阻尼系数，而阻

9、尼系数过大又会使响应速度下降。不同的系统对两个指标的要求有所不同。通过选择适当的控制方法可以使这两个指标达到平衡，使系统的整体性能达到最优。 在PID控制中，加入微分项就是为了增大系统的阻尼，同时由于微分控制是一种超前控制，因此，会加快响应速度。n 稳态误差稳态误差由系统的结构、输入作用类型决定。定义为系统的稳态误差。为了提高系统的无差度，可以提高系统的型别（加入积分项）和增大系统的开环放大系数的措施。需要注意的是：积分级数太多和开环放大系数过大都会造成系统不稳定，因此，要合理选择。 图2.2和图2.3、图2.4、图2.5、图2.6为理想情况和实际情况下常遇到的PID控制的阶跃响应曲线 图2.

10、2 理想响应曲线 图2.3 无超调量 图2.4 超调量偏大 图2.5积分时间太长 图2.6超调量偏大积分时间偏小2.3PWM脉冲控制在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图2.7中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图2.7的a为矩形脉冲，图2.7的b为三角脉冲，图2.7的c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应

11、基本相同。图2.7三个脉冲形状直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高，故采用。3.硬件模块3.1主体模块主体模块使用AT89C51单片机图3.1 AT89C51单片机其组成有一个8 位CPU、一个偏内振荡器及时钟电、128 字节的片内数据存储器、4K

12、B 的 片内程序存储器、可寻址的64KB 字节外部数据存储器和64KB 字节外部程序存储 器的控制电路、21 字节的专用寄存器、4 个8 位并行I/O 接口、一个全双工的串 行口、2 个16 位的定时器/计数器和一个布尔处理机。在MCS-51 系列单片机中 具有5 个中断源和2 个中断优先级，片内采用单一总线结构连接。51单片机优点众多性价比优异；集成度高、体积小、有很高的可靠性；控制功能强；扩展性能好，非常容易构成各种应用系统。3.2显示与键盘模块显示与键盘模块使用按键与数码管实现，P1.0、P1.1分别实现减速与加速控制,P1.7实现设置转速，数码管实现实时显示转速。图3.2 按键连接图3

13、.3数码管显示3.3转动源模块设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即时的转速。转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而

14、避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用6个过孔，从而留下了6个同等的间距。这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。脉冲发生源的硬件结构图如图3.1所示.。图3.4脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）3.4复位电路复位是单片机的初始化操作，以便使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。除了进入系统的正常初始化之外，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于思索状态时，也可按复位键重新启动。89C51单片机

15、复位信号的输入端是RST引脚，高电平有效。RST端的外部复位电路有两种操作方式：上电自动复位和按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。图3.5复位电路单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H 地址单元开始执行。4.软件模块4.1主程序流程图在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图4.1所示。 图4.1 主程序流程图4.2初始化模块AT89C52有两个定时器/计数器T0 和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为1

16、3 位进行定时或计数。计数器的功能是对T0 或T1 外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。定时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生1 个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到1 个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1，当所有位都位1时，再加1 就会产生溢出，将向CPU 提出定时器溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。定时器有4 种工作方式：方式0、方式1、方式2 和方式3，在此对工作方式不做具体介绍。

17、工作方式寄存器TMOD 的设定：GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TMOD 各位的含义如下：GATE：门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=1 时工作于计数方式；当C/T=0 时工作于定时方式.M1、M0: 为工作方式选择位，用于对T0 的四种工作方式，T1 的三种工作方式进行选择，选择情况如下表3-1：M1M0=00 为方式0;M1M0=01 为方式1；表3-1 M1、M0 为工作方式选择位M0M1工作方式方式说明00013位定时/计数器01116位定时/计数器1028位自动重置定时/计数器113两个8位定时/计数器

18、(只有T0有)图4.2定时计数子程序流程图对定时器T0与计数器T1的初始化程序如下void time01_initiat()TMOD=0X11; /计数器0和定时器1TL0=0Xfc;TH0=0X4b;/计数器0赋初值 TH1=0X4C;TL1=0X00;/定时器1赋初值 EA=1; /所有中断开放PT0=1; /定时器T0中断为高优先级ET0=1;/允许T0溢出中断ET1=1; /允许T1溢出中断TR0=0; /TR1=0; /IT0=1; /跳沿触发方式EX0=0; /禁止外部中断0中断4.3中断模块AT89C52单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断

19、允许寄存器IE 的各位来控制的。中断允许寄存器IE 的字节地址为A8H，可以进行位寻址.表4-2中断位寻址表IED7D6D5D4D3D2D1D0(A8H)EAET2ESE1EX1ET0EX0EA：中断允许总控位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。ET2：定时器/计数器T2 的溢出中断允许位ES：串行口中断允许位。ET1：定时器/计数器T1 的溢出中断允许位。EX1：外部中断INT1 的中断允许位。ET0：定时器/计数器T0 的溢出中断允许位。EX0：外部中断INT0 的中断允许位。4.3显示模块本系统采用动态数码管显示，所以程序如下：void display_num4(uint

20、 num)uint qian;uint bai;uint shi;uint ge; /定义qian,bai,shi,geqian=num/1000;if(qian=0) qian=10;display_num1(qian,4); /千位bai=num%1000;bai=bai/100;if(qian=10&bai=0) bai=10;display_num1(bai,3); /百位shi=num%100;shi=shi/10;if(qian=10&bai=10&shi=0)shi=10;display_num1(shi,2); /十位ge=num%10;display_num1(ge,1);

21、/个位 图4.3显示程序流程图5.收获与体会经过了一番努力，在老师和同学的帮助下，我顺利结束了此次的课程设计，在这个过程中，我了解了许多，感悟了许多。实践是检验真理的唯一标准，经过这次作品设计，我深深理解了这句话，在经过了仿真与实物的运用后，单片机各个部分的功能显得明确而具体。这在作品设计之前只知道概念的我看来简直不可思议，所以说，只有将理论与实际结合起来，才能让人映像深刻并真正理解。这次实习是我学习生活中不可缺少的重要经历，其收获与意义可见一斑。首先，我可以将自己所学的知识应用于实际的工作中，理论和实际是不可分的，在实践中学的知识得到了巩固，解决问题的能力也得到了锻炼，其次，本次实习开阔了我

22、的视野，使我对法律在现实中的运作有所了解。通过这次设计，我深刻理解到要做好一件事情，必须有系统的思维方式和方法，要有耐心和恒心去钻研努力，要善于运用资源丰富充实自己，要有整体的目光来看待事物，再从局部到整体慢慢实现，这样才会有效率。参考文献1刘金锟.先进PID控制MATLAB仿真(第2版) M.北京:电子工业出版社,2006.2郑阿奇主编.MATLAB实用教程M.北京:电子工业出版社, 2004.3张思雨.预测控制算法和PID控制算法J，燕山大学工学硕士学位论文，2003.4蔡美琴等.MCS-51系列单片机系统及其应用第二版，高等教育出版社.5李全利.单片机原理及其接口技术，高等教育出版社.6

23、刘文定，王东林.过程控制系统的MATLAB仿真，机械工业出版社.附录#includereg52.h#include math.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intucharcode xianshi11=0xFC,0x60,0xDA,0xF2,0x66,0xB6,0xbE,0xE0,0xFE,0xF6,0x00;sbit PWM=P17;sbit key1=P10;sbit key2=P11;sbit key3=P12;uint wide=50;/脉宽计数uint t1=0;/低电平脉宽uint t2=0;/一个周期uint

24、time_low=0;uint time_high=100;bit high_flag=0;bit low_flag=0;bit state_flag=0;uint set_count=50;/设定转速值uint run_count=0;/实际频率的读取uint stop_count=0; /电机转速存储变量uint time=0;int en=0,en_1=0,en_2=0; /定义 三个时刻的误差存储变量float a0=1.7,a1=0.3,a2 =0.002,un=0; /定义PID计算参公式的参数void delay1_ms(uint time);void delay(uint ti

25、me);void display_num1(uint dat,uchar num1);void display_num4(uint num);void time01_initiat(void);void key_precess(void);void pid(void);void main()time01_initiat(); /初始化定时器0和定时器1while(1) key_precess();/键盘扫描函数/1ms延时函数void delay1_ms(uint time) uint i,j; for(i=0;itime;i+) for(j=0;j123;j+); /指定的位上显示 指定的一

26、位数据void display_num1(uint dat,uchar num1)P0=xianshidat;/段显switch(num1)case 1:P2=0x01;break;case 2:P2=0x02;break;case 3:P2=0x04;break;case 4:P2=0x08;break;default: break;delay1_ms(2);/四位数据显示函数void display_num4(uint num)uint qian;uint bai;uint shi;uint ge;qian=num/1000;if(qian=0) qian=10;display_num1(

27、qian,4);bai=num%1000;bai=bai/100;if(qian=10&bai=0) bai=10;display_num1(bai,3);shi=num%100;shi=shi/10;if(qian=10&bai=10&shi=0)shi=10;display_num1(shi,2);ge=num%10;display_num1(ge,1);/四位数据显示函数void display_num4_1(uint num)uint qian;uint bai;uint shi;uint ge;qian=num/1000;if(qian=0) qian=10;display_num1

28、(qian,4);bai=num%1000;bai=bai/100;if(qian=10&bai=0) bai=10;display_num1(bai,3);shi=num%100;shi=shi/10;if(qian=10&bai=10&shi=0)shi=10;display_num1(shi,2);ge=num%10;display_num1(ge,1);void delay(uint time) uint i; for(i=0;itime&key1=1;i+) display_num4_1(stop_count*10);void delay1(uint num) uint i; for(i=0;i300) set_count=50;if(key1=1&key2=1&key3=0&state_flag=0) /KEY3为按