基于51单片机的闭环控制附带源程序

1、电气技术研究生课程设计报告题 目 基于51单片机的直流电机 PID调速系统学 院机械与汽车工程学院专业班级 车辆工程学 号 2023学生姓名 木飞指导教师 完成日期2017 年01月12日1 引言研究对象介绍选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑 调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的 应用。从控制的角度来看， 直流调速还是交流拖动系统的基础。早期 直流电动机的控制均以模拟电路为基础， 采用运算放大器、 非线性集 成电路以及少量的数字电路组成， 控制系统的硬件部分非常复杂， 功 能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技

2、术的发展和应用范围的推广。2 设计原理、方法及概述设计原理及方法直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两 种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。 但是对 于直流电动机的转速有以下公式：？n=UCc?-TR内/CrCc?其中：U- 电压；R内一励磁绕组本身的电阻；？一每极磁通（Wb）; CC-电势常 数；Cr-转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢 控制法，改变电枢回路电阻，也可采用磁场控制法。对于要求在一定 范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能是有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速， 但是调速范 围不大，往往只是配

3、合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围 的减弱升速。因此，自动控制的直流调速往往以变压调速为主。本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制 直流电机调速的方法。PWI控制技术以其控制简单、灵活和动态响应 好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式， 也是人们研究 的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限， 结合 现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM空制技术发展的主要方向之一。 ?设计总概述以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而 控制电动机的转速为依据， 实现对直流电动机的平滑调速， 并通过单 片机控制速度的变化。 本文所研

4、究的直流电机调速系统主要是由硬件 和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它 主要为软件提供程序运行的平台。 而软件部分， 是对硬件端口所体现 的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功 能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。 但是此设计中电机只需 要正转，所以相对来说简单点。3硬件设计8051单片机简介AT89C52是一个低电压，高性能CMOS?位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据 存储器（RAM）,器件采用ATME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

5、内置通用8位中央处理器和Flash 存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52有 40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同 时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行 通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可 以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别 是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。部分功能如 下：（1）8kB可反复擦写（大于1000次）Flash ROM;（2）32 个双向 I/O 口 ;（3）256x8bit 内部 RAM;（4）3个16位可编程定时/计数器

6、中断；(5) 时钟频率0-24MHz;(6) 2个串行中断，可编程UART串行通道；(7) 2个外部中断源，共8个中断源；(8) 2个读写中断口线，3级加密位;直流电机设计中采用直流电机，自带高精度的磁编码器，性能介绍如图一所示,接线说明如图二所示：性能介绍图一接线图二L298N恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N简称H桥。L298是SGS公司 的产品，比较常见的是15脚MUltiWatt封装的L298N,内部同样包 含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相 步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相 电机，输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节

7、输出电压；可以直接用单片机的IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号 VSS VSS可接4. 57 V 电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+ 2. 546 V。输出 电流可达2. 5 A ,可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分 别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 L298 可驱 动2个电动机，0UT1 0UT2和0UT3 OUT4之间可分别接电动机，本 实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA EnB接控制使能端，控制电机的停转。 L298 芯片驱动电路图如下：

8、图 1 L298 芯片驱动电路图系统总体电路图中控制器模块为系统的核心部件， 电位器和显示器是用来实现 人机交换功能， 其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机 中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生 PWM 脉冲送到电机驱动电路中， 经过放大后控制直流电机转速， 同时利用 速度检测模块将当前转速反馈到控制器中， 控制器经过数字 PID 运算 后改变PWh脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。显示模块图1系统方案框图4软件设计PID算法PI调节器是电力拖动自动控制中最常用的的一种，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设 计，然后再离散

9、化，得到数字控制器的算法。PI调节器的传递函数如式所示:WPI(S)KP S 1()和u(t)的关系时()若输入误差函数为e(t),输出函数为u(t),则e(t)域表达式可写成：u(t) Kpe(t)Ki e(t)dt 式子中KP为比例系数，KiI为比例系数。将式转化为差分方程，得到数字Pl调节器的表达式，其第k拍输出k为：u(k) Kpe(k) KiTSam e(i)()i 1式中TSam为采样周期。增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算出输出值。增量式PI 调节器算法为：u(k) u(k 1) Kpe(k) e(k 1) KiTSame(k)()在控制系统中，常需要对调节器的输出实施

10、限幅。在数字控制 算法中，要对U限幅，只需要在程序中设置限幅值。不考虑限幅时， 位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅时，则两者略有差异。 增量式PI调节器算法只需要输出限幅，而位置式算法必须同时设置 积分限幅和输出限幅。若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较 大的退饱和超调。算法模块如下：int e=0,e 1=0,e2=0;float uk=0,uk1=,duk=;/PID 输出值float kp=5,ki=,kd=;/PID控制系数上面是初始化部分void PIDCo ntrol() /PID 偏差计算e=temp-num； 变量temp是AD采集过来的值，num是通过 M法测出点值

11、duk=(kp*(e-e1)+ki*e+kd*(e-2e1+e2)Uk=Uk1+duk;out=(int)uk;if(out>250)out=100;else if(out<0)out=0;uk1=uk;e2=e1;e1=e;value=out; /value 最后送给 PWM。这部分是子程序M 法测速在一定时间TC内测取旋转编码器输出脉冲个数 M1,用以计算这 段时间内的转速，称作M法测速。把M1除以TC就可以得到旋转编码 器输出脉冲的频率 f1=M1/TC, 所以又称频率法。电机每转一圈共产生 Z个脉冲(Z=f咅频系数*编码器光栅数)，把fl除以Z就得到在单位 时间内电机的转速

12、。在习惯上，时间TC以S为单位，而转速是以r/min为单位，则电动机的转速为n=60M1/ZTc由于Z和TC都是常数，因此转速n与计数值M1成正比，故此 测速方法称M法测速。具体程序部分用外部中断计数和定时器来完成，程序如下：void exter0() interrupt 0 /外部中断脉冲计数/M法测速度(外部中断O和定时器O用在M法测速上)Inlpuse+;void timerO() interrupt 1THO = Ox3C;/ 重装初值TLO = OxbO;time+;if(time>=2O) /1s 钟读取一次转速( 2*6Oms) EXO = O;TRO = O;num=In

13、lpuse; / 计算转速Inlpuse=O;PIDControl();/ 1OOms 控制一次Inlpuse=O;EXO = 1;TR0 = 1;参数设定在程序中修改 PID 调节算法中的比例系列、积分系数和微分系 数可以得到不同特性的转速曲线。 参数改变， 转速响应的超调量和调 整时间发生变化。 系统的稳定性和快速性是一对矛盾， 因此我们必须 选择一个合适的 PI 参数。在调试过程中，当令kp =5、ki =、kd=时系统的快速性和稳定 性达到最佳状态。电位器的AD采集模块AD 采集模块利用是我是直接调用了开发板里面的程序，这个 模块可以也可以自己制作。我用的XPT2046是一款4线制电阻

14、式触摸 屏控制器，内含12位分辨率125KHZ转换速率逐步逼近型A/D转换器。 此芯片支持从到的低电压I/O接口。XPT2046能通过执行两次A/D转 换查出被按屏幕位置，除此之外，还可以测量加在触摸屏上的压力。 主要特性如下：（1）工作电压范围为到（2）支持的数字 I/O 口（3）内 建参考电压（ 4）内建结温测量功能（5）触摸压力测量，具有自动省电功能（6）采用 3 线制 SPI 通信接口 程序见最后的程序清单。5 课题总结从课题选定开始，先是看了一遍课本以及网上找了对应的论文， 然后看了老师发的试验资料以及各个元器件的原理和用法， 最后把硬 件焊接起来，然后想如何测测速，如何给定，如何用

15、PID 进行控制，最后如何通过PID去控制PWM的占空比。在调试的过程中遇到一个很 简单和致命的问题，就是我用的开发板和L298N开始的时候没有共接 地导致调速一直失败，最后通过用示波器观测PW输出的波形发现了 问题，当真正的实现调速的时候感觉很好， 终于通过自己的努力完成 了一项有点技术含量的事情。继续加油。全部程序如下：对于程序，每个读者的 I/0 口或者用的 ad 采集 方式不一样， 程序可能不同， 但是解决闭环问题的核心是读取给定值用AD转换，读取测速值用外部中断和定时器中段， PWM输出也用一 个定时器。#include""#include""

16、/- 定义使用的 IO-/#define GPIO_DIG P0sbit PWM=P10;int e=0,e1=0,e2=0;/PID 偏float uk=0,uk1=,duk=;/PID 输出值float kp=5,ki=,kd=;/PID控制系数int out=0;sbit IN2=P11;/- 定义一个全局变量 -/unsigned int value,timer1;uint num;uint Inlpuse=0,num=0;/ 脉冲计数单元uint temp,count,temp1;unsigned int time=0;sbit zhongduan=P32;sbit LSA=P22;

17、sbit LSB=P23;sbit LSC=P24;/- 定义全局变量 -/unsigned char code DIG_CODE17= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;、d、E、F 的显示码8 位数的值/0 、1、2、3、4、5、6、7、 8、9、A、b、uchar DisplayData8;/ 用来存放要显示的 void DigDisplay(void);void PIDControl() /PID 偏差计算e=temp-num; duk=(kp*(e-e1)+

18、ki*e+kd*(e-2e1+e2) uk=uk1+duk;out=(int)uk;if(out>250)out=100;else if(out<0)out=0;uk1=uk;e2=e1;e1=e;value=out;void SetSpeed(void)temp1= Read_AD_Data(0x94); / AIN0 电位器 (100us 采集一次 temp=2*temp1>>5; /temp 的变化范围在 0-250 之间void DigDisplay(void)unsigned char i;unsigned int j;DisplayData7=DIG_COD

19、Enum%10000/1000;DisplayData6=DIG_CODEnum%1000/100;DisplayData5=DIG_CODEnum%100/10;DisplayData4=DIG_CODEnum%10/1;DisplayData3=DIG_CODEtemp%10000/1000;DisplayData2=DIG_CODEtemp%1000/100;DisplayData1=DIG_CODEtemp%100/10;DisplayData0=DIG_CODEtemp%10/1;for(i=0;i<8;i+)switch(i) / 位选，选择点亮的数码管，case(0):LS

20、A=0;LSB=0;LSC=0; break;/显示第0位case(1):LSA=1;LSB=0;LSC=0; break;/显示第1位case(2):LSA=0;LSB=1;LSC=0; break;/显示第2位case(3):LSA=1;LSB=1;LSC=0; break;/显示第3位case(4):LSA=0;LSB=0;LSC=1; break;/显示第4位case(5):LSA=1;LSB=0;LSC=1; break;/ 显示第 5 位 case(6):LSA=0;LSB=1;LSC=1; break;/ 显示第 6 位 case(7):LSA=1;LSB=1;LSC=1; br

21、eak;/ 显示第 7 位GPIO_DIG=DisplayDatai;/ 发送段码 j=50; / 扫描间隔时间设定 while(j-);GPIO_DIG=0x00;/ 消隐void exter0() interrupt 0 /外部中断脉冲计数 /M 法测速度 (外部中断 0 和定时器O用在M法测速上)Inlpuse+;void timerO() interrupt 1THO = Ox3c;/ 重装初值TLO = OxbO;time+;if(time>=2O) /1s 钟读取一次转速 ( 2*6Oms) EXO = O;TRO = O; num=Inlpuse; / 计算转速 Inlpu

22、se=O;PIDControl();/ 1OOms 控制一次 Inlpuse=O;EXO = 1;TRO = 1;void T1_time() interrupt 3/ 计时 1OOus*1OO=1Oms=1OOHz / 占空比count1+;if(count1 >= 1OO) count1 = O; if(count1 < value) pwm = 1; else pwm = O;void SystemInit()TMOD = 0x21; 工作方式 2( 自动重装初值 )TH0 = 0x3c;TL0 = 0xb0;TH1 = 0x9c;TL1 = 0x9c;EA = 1;ET0

23、= 1;ET1 = 1;EX0 = 1;IT0 = 1;/ 启动定时器 1/ 启动定时器 0/ 设定时器 0 为工作方式 1, 定时器 1 为/ 设定 50ms 一次中断/ 设定 100us 一次中断/ 开总中断/ 开定时器 0 中断/ 开定时器 1 中断/ 开外部中断 0/ 启动下降沿触发有效TR1 = 1;TR0 = 1; void main()SystemInit(); while(1) DigDisplay();AD采集模块：（这一部分程序只是 AD采集模块，用的芯片是XPT2046,用SPi通信方式，最 后改变电位器可以改变 temp 的值，这部分程序读者可以自己解决， ）#ifnd

24、ef _XPT2046_H_#define _XPT2046_H_ /- 包含头文件 -/ #include<>#include<>/-重定义关键词 -/#ifndef uchar #define uchar unSigned char #endif #ifndef uint #define uint unsigned int #endif #ifndef ulong#define ulong unsigned long#endif/- 定义使用的 IO 口 -/sbit DOUT= P37;/输出sbit CLK =P36;/时钟sbit DIN =P34;/输入sbit CS =P35;/片选uint Read_AD_Data(uchar cmd);uint SPI_Read(void);void SPI_Write(uchar dat);#