中南大学机电一体化实验报告(张友旺版)

实验目的了解直流电机PWM的工作原理；用汇编语言编程并用PID调速方法实现直流电机的调速；培养综合应用所学知识来指导实践的能力；掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法，进一步掌握电路调试等技能。实验设备1•天煌单片机综合开发实验台（包含直流电机、51单片机、F/V、A/D、ADC0809等模块）2.PC机一台实验原理PWM的调速原理PWM调速是通过改变输出脉冲的占空比，从而改变电机转速的一种调速方法。PWM调速分为单极性和双极性两种。在单极性方式下，电机的转动方向不变，改变的只是转速；而在双极性方式下，电机的转动方向和转速都是可变的。本实验是单极性控制，其基本原理如下：假设一个脉冲周期内，高电平电压为U,持续时间为t；低电平s1为0V，持续时间为t.则脉冲周期T二t+t，该周期内平均电压212U=t*U/T。令a二t/T,则U二a*U,a表示占空比。当高电平电压不01s10s变的情况下，电机两端电压的平均值U取决于占空比a的大小。改变0a的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。对象模块（PWM电机调速模块）工作原理直流电机PWM调速模块由测速电路和PWM调速电路两部分组成。模块的电源由接口总线引入。本模块使用的电机为5V直流电机。1）电机测速部分直流电机测速原理介绍电机测速部分由光电开关完成，电机带动一个周边均匀分布圆孔的金属圆盘，当电机转动时，圆盘跟着一起转动。光源发出的光通过圆孔照射到光电器件上，当圆孔随着电机轴转动时，光电开关可以输出和圆孔数目相同的脉冲，从而测得转速。电机测速部分电路说明光电开关产生与电机转速有一定关系的脉冲后，通过LED显示出此时的频率（由于本次试验仅是对频率的调控，所以之后不再区分转速与频率），信号经F/V转换，转换成电压信号，而单片机只能处理数字信号，所以还要通过A/D转换，模拟信号输入到ADC0809模块中，再由ADC0809模块输入到51单片机中，测速部分完毕。2）电机调速部分①PWM调速电路原理及方法说明上一步的测速结果输出到51单片机中后，与预期转速值转换后的频率值相比较，得到E，然后通过PID算法，将频率差值变为电压k差值，再通过一定的占空比即PWM输出实际期望电压值，调速完成。ADC0809模块ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809START端为A/D转换启动信号，ALE端为通道选择地址的锁存信号。实验电路中将其相连，以便同时锁存通道地址并开始A/D采样转换，故启动A/D转换只需如下两条指令：MOVDPTR,#PORTMOVX@DPTR,AA中为何内容并不重要，这是一次虚拟写。在中断方式下，A/D转换结束后会自动产生EOC信号，将其与8031CPU板上的INT0相连接。在中断处理程序中，使用如下指令即可读取A/D转换的结果：MOVDPTR,#PORTMOVXA,@DPTRD奇CEQvccKTALIPii.iJADkK7AIJPii.WADlPtl.WADlPU.4JAQ4pu.y-u»Fm.hUgPU.WuWf?R£TCaATOPLtl/nrarD奇CEQvccKTALIPii.iJADkK7AIJPii.WADlPtl.WADlPU.4JAQ4pu.y-u»Fm.hUgPU.WuWf?R£TCaATOPLtl/nrarPl.畑EKALEPlJ!ruPl.4ra.<mDruM.OTjlDPIj6円朝亟WJWTLPL7鬥.曲14PlOTl円拥nr氏.嘶P21/A1DW.W)P24?A]2PIWA]lFIiyA]4VMiPiT^AISDd莎~革馳IWIALEEF系统组成软件设计1．思路描述本实验要实现的功能是电机调速。直流电机调速部分：由于电位器输出为模拟电压，而单片机所能处理的仅为数字信号，所以要经过ADC0809将电位器的输出转换成数字信号。因此编程时要启动IN0,启动A/D转换，并用软件延时一点时间等待转换结果，然后读取转换结果并将其存入指定的寄存器供调用。直流电机的调节需要改变输出脉冲的占空比,因此需要编写一个能输出方波的子程序。本次试验中,我采用的是计时器,将高低电平的持续时间经过计算,变为计时器的动作步数,从而达到调速的目的。2.程序流程图3.程序清单（见附页）调试说明实验现象当电位器旋到最小电压输出时，电机停止旋转，LED模块显示“00”；逐步增大电位器的电压输出，直流电机的转速逐步加快,LED显示增大；当电位器旋到最大电压输出时，电机转速最大，LED显示“FF”。列举问题LED显示由“00”逐渐增大到“FF”过程中显示正常，但是过一段时间后变为“00”，并不再改变。原因分析经分析为计数器计数溢出。计数器记录的是方波脉冲，再从“00”增大到“FF”过程中是可以正常计数，但当计数超过“FF”时，计数器发生溢出，所以显示变成“00”。可以通过添加中断程序，当计数器发生溢出时，CPU响应中断，并将计数器清零，重新计数可以解决此问题。实验总结（1）实验实现功能本实验实现了通过PWM方法使输出电压改变从而改变直流电机转速的目标，并且电机的转速可以显示出来。因此，本实验既达到了动态调节电机转速，又实现了实时检测电机运转情况。2）实验不足及改正意见本实验虽然实现了最初的目标，但是经过PID方法调速，PWM技术调节电压，还是存在一定的误差，主要是忽略了微分环节，限于实验条件，结果还是可以接受。另外，此实验只利用了单片机的某一些端口,并且也是一些不很复杂的输出和输入，数据转换功能，并未充分利用单片机的片内资源。就这一点来看，由本实验出发，单片机所能实现的功能还有待进一步在后续的试验中继续开发。实验编程使用的是汇编语言,具有编写的程序效率高，占用的存储空间小，运行速度快，能直接管理和控制硬件设备,直接访问存储器及I/O接口电路等优点。但其可读性和可维护性较差，编写程序需要对硬件电路及存储器特别了解,是设计程序时不能把精力全部集中到程序所能实现的功能上。如果程序很长的话，无论是读懂还是修改都是一件很麻烦的事。因此，建议适当学习高级语言，如C语言的单片机程序编写。可以减少在程序设计阶段一些不必要的麻烦。实验总结通过一学期的单片实验，学到了很多有用的东西。特别是单片机综合实验，让我对单片机和汇编语言程序设计都有了新的理解。首先，对MCS-51单片机的工作原理和具体的功能实现有了一个更高的认识。对于硬件电路，以前只是大概了解，实验后，对单片机的各个端口，寄存器都有了一个比较系统的认识。其次，学会了汇编语言的程序编写。汇编语言具有编写的程序效率高，占用的存储空间小，运行速度快等优点，相比于高级语言和机器语言都有一定的优势。因此，掌握汇编语言的程序编写对于以后的学习都会有很大的帮助。另外，汇编语言的学习还可以帮助理解单片机的硬件电路工作原理，一举两得。再次，单片机的功能很强大，所能实现的功能并不仅限于这些实验。单片机还能实现更多更实用的功能，应该