計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流電機(jī)轉(zhuǎn)速pid控制.docx

1、基于89c52單片機(jī)的PWM直流電機(jī)PID控制調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)老師：衣法臻姓 名：楊浩學(xué) 號(hào)：09212020班 級(jí)：自動(dòng)化0901日 期：2012年7月6日星期五目錄第一章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)31.1直流電機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制與閉環(huán)控制的選取31.2直流電機(jī)調(diào)速方式的選取41.3直流電機(jī)測(cè)速裝置的選取51.4系統(tǒng)控制算法的選取81.5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)10第二章 硬件設(shè)計(jì)112.1 AT89C52芯片介紹112.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803設(shè)計(jì)132.3 數(shù)顯管顯示給定速度和實(shí)際速度模塊152.4 按鍵模塊設(shè)計(jì)162.5 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)18第三章 軟件部分設(shè)計(jì)193.1 數(shù)顯管顯示軟件設(shè)計(jì)部分193.

2、2 外部中斷P3.3計(jì)數(shù)程序213.3 定時(shí)器0中斷軟件設(shè)計(jì)223.4 PWM算法程序設(shè)計(jì)253.5 PID控制算法程序設(shè)計(jì)263.6 按鍵程序設(shè)計(jì)29第四章 基于matlab的PID參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真314.1 各部分傳遞函數(shù)的整定314.2 PID參數(shù)的整定31第五章 結(jié)果分析33第六章 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及感想34參考文獻(xiàn)36附錄一 硬件系統(tǒng)電路原理圖36附錄二 程序源代碼36第一章、 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.1 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制與閉環(huán)控制的選取對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制有一般有兩種方式，一種是開環(huán)控制，一種是閉環(huán)控制。開環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，

3、開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)是精度通常較低，無自動(dòng)糾偏能力；閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制的精度可以達(dá)到很高，而且對(duì)外界的干擾和系統(tǒng)的參數(shù)變化有很好的抑制作用，且可以通過輸出反饋控制系統(tǒng)的控制過程。缺點(diǎn)是存在穩(wěn)定性，振蕩，超調(diào)等一系列問題，對(duì)系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比開環(huán)控制麻煩。經(jīng)過利弊的取舍，本次試驗(yàn)選擇的是閉環(huán)控制，因?yàn)闇?zhǔn)備應(yīng)用PID算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故而需要有實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋與給定的轉(zhuǎn)速形成對(duì)比，進(jìn)而通過算法輸出PWM波形來控制直流電機(jī)。R(t) +既然選擇了直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，可根據(jù)反饋機(jī)制大概做出其控制模型。c(t)e(t)輸出PWM直流電機(jī)PID算法測(cè)速裝置1.2 直流電機(jī)調(diào)速方式的

4、選取直流無刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測(cè)并提供信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi)，兩兩相差1200安裝，共安裝三個(gè)。為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式?；谥绷麟姍C(jī)的特性,本次試驗(yàn)使用的是PWM脈寬調(diào)制方法。脈寬調(diào)制

5、(PWM)是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。PWM對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好;電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡(jiǎn)單。PWM的原理：理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果

6、基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)

7、制波。1.3 直流電機(jī)測(cè)速裝置的選取經(jīng)過查閱了大量資料，發(fā)現(xiàn)目前常用的測(cè)速裝置有三種。1.3.1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為勵(lì)磁式和永磁式兩種。勵(lì)磁式由勵(lì)磁繞組接成他勵(lì)，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。由于永磁式不需另加勵(lì)磁電源，也不因勵(lì)磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用較廣。根據(jù)已學(xué)過的直流發(fā)電機(jī)的工作原理知，電刷兩端的感應(yīng)電勢(shì) ：Ea = Cen=Ke n可知1.電刷兩端的感應(yīng)電勢(shì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。2.直流發(fā)電機(jī)能夠把轉(zhuǎn)速信號(hào)換成電勢(shì)信號(hào)，從而用來測(cè)速。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)的要求為：1.輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線為線性。2.輸出特性的斜率要大。3.溫度變化對(duì)輸出特性的影

8、響要小。4.輸出電壓的波紋要小。5.正反轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的輸出特性要一致。圖中實(shí)線為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的理想輸出特性，虛線為實(shí)際輸出特性，實(shí)際特性與要求的線性特性之間存在誤差，且該誤差與負(fù)載電阻有關(guān)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，且在一定范圍內(nèi)能夠滿足系統(tǒng)的需求。缺點(diǎn)是其輸出的是電壓值，如果使用在數(shù)字信號(hào)電路里是必須得用AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。而且其需要處于線性區(qū)，但是現(xiàn)實(shí)中線性的系統(tǒng)基本上很少，故而現(xiàn)在已經(jīng)不常用。鑒于本實(shí)驗(yàn)使用的是單片機(jī)控制系統(tǒng)，故而此測(cè)速方式不適用。1.3.2 霍爾傳感器測(cè)速霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hal

9、l，18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2脈沖,且其周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號(hào)得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時(shí)間,可測(cè)得任意一相霍爾傳感器的一個(gè)正脈沖的寬度,則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為： V=N*30;V:速度 R/m

10、inN:每秒采樣的脈沖個(gè)數(shù)霍爾傳感器輸出的是脈沖，可以直接將輸出脈沖接入單片機(jī)外部計(jì)數(shù)器，故而非常簡(jiǎn)單實(shí)用。1.3.3 光電編碼器測(cè)速其效果跟霍爾測(cè)速一致，但是霍爾元件利用的是電磁產(chǎn)生脈沖，光電編碼器利用的是光產(chǎn)生脈沖。它的原理是通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤上有很多縫隙，縫隙每經(jīng)過紅外管一次就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，進(jìn)而直接輸入單片機(jī)，經(jīng)過算法處理得到實(shí)際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過分析，本次試驗(yàn)選取的是光電碼盤測(cè)速。首先是因?yàn)橥瑫r(shí)測(cè)量霍爾元件和光電編碼器，發(fā)現(xiàn)光電編碼器的靈敏度更高，且其價(jià)格便宜。最關(guān)鍵的是它很好用。1.4 系統(tǒng)控制算法的選取控制算法是微機(jī)化控制軟件系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，可以說整個(gè)系統(tǒng)的控制

11、功能主要由控制算法來實(shí)線。所以控制算法的好壞直接決定了這個(gè)系統(tǒng)的好壞。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制，稱為PID控制。它能滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最廣的控制算法。由于是用單片機(jī)控制的系統(tǒng)，故而我們采用數(shù)字PID控制。1.4.1 模擬PID控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式1.4.2 數(shù)字PID控制器的差分方程式中 稱為比例項(xiàng) 稱為積分項(xiàng) 稱為微分項(xiàng)1.4.3 常用的控制方式 1、P控制 2、PI控制 3、PD控制 4、PID控制 1.4.4 PID算法的兩種類型 1、位置型控制例如圖515調(diào)節(jié)閥控制 2、增量型控制例如圖516步進(jìn)電機(jī)控制 由于控制的

12、是直流電機(jī)，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用控制直流電機(jī)的直流PWM裝置和晶閘管整流裝置時(shí)，可以采用數(shù)字PID位置型控制算法；當(dāng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)采樣周期控制輸出的控制量時(shí)，是相對(duì)于上次控制量的增加，故此時(shí)要采用數(shù)字PID增量型控制算法。由于此實(shí)驗(yàn)控制的是直流電機(jī)，故而采用數(shù)字PID位置型控制算法。數(shù)字PID控制器主要參數(shù)是Kp，i，D和采樣周期Ts。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)是選取合適的PID控制器參數(shù)使整個(gè)系統(tǒng)具有滿意的動(dòng)態(tài)特性，并滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求。具體的參數(shù)選取要靠matlab仿真，仿真結(jié)果見下文matlab篇。1.5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)用AT89C52單片機(jī)作為控制核心；用uln2003驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，用pwm波來

13、控制此芯片間接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；用光電編碼器測(cè)速進(jìn)行反饋；用復(fù)位開關(guān)進(jìn)行電機(jī)給定速度的調(diào)節(jié)，由加速鍵，減速鍵和清零鍵構(gòu)成。如圖：速度脈沖PWM鍵盤調(diào)速碼盤測(cè)速直流電機(jī)數(shù)顯管顯示給定速度和實(shí)際速度驅(qū)動(dòng)電路STC89C52單片機(jī)第二章、硬件設(shè)計(jì)2.1 AT89C52芯片介紹AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著

14、廣泛的應(yīng)用。其主要功能特性:1、兼容MCS51指令系統(tǒng)2、8k可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM；3、32個(gè)雙向I/O口；4、256x8bit內(nèi)部RAM；5、3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；6、時(shí)鐘頻率0-24MHz；7、2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通道；8、2個(gè)外部中斷源，共8個(gè)中斷源；9、2個(gè)讀寫中斷口線，3級(jí)加密位；10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89C52為40 腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc5

15、2 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13

16、腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。AT89C52 參數(shù)AT89C52 基本參數(shù)FLASH (bytes)8KRAM (Bytes)256最大頻率 (MHz)24Vcc (V)520%AT89C52 其他特性I/O引腳32ISP-AT89C52 封裝類型PDIP40, PLCC44, TQFP44, PQFP442.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803的設(shè)計(jì)此驅(qū)動(dòng)芯片采用的是高電壓大電流

17、八達(dá)林頓晶體管陣列,該陣列的八個(gè)NPN達(dá)林頓管連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流二極管。ULN2803的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容，而ULN2804可使6至15伏高電平CMOS或PMOS優(yōu)化。它的最大額定值為如下表：ULN2803是一個(gè)7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)ULN2803輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)ULN2803輸出端為高電平，繼電器得電吸合。本次試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路如下：通過在1B接口輸入PWM波形，1C口輸出相反電平。2.3 數(shù)顯管

18、顯示給定速度和實(shí)際速度模塊此處用的是共陰極數(shù)顯管，為四位數(shù)顯管。其段選接在P0口，由于P0口是高阻態(tài)，故而接在單片機(jī)上時(shí)要接上拉電阻，一般上拉電阻定為10k。其位選接在P2口。驅(qū)動(dòng)數(shù)顯管的芯片有很多，有一個(gè)很流行的是74HC573鎖存器，但是由于單片機(jī)的接口充足，所以這里沒有采用驅(qū)動(dòng)裝置，用的是小的數(shù)顯管，也不需要用三極管放大電流，所以側(cè)重它的編程。顯示的方法是應(yīng)用的動(dòng)態(tài)顯示，應(yīng)用人的視覺暫留來顯示數(shù)值。此模塊電路圖如下：2.4 按鍵模塊設(shè)計(jì)鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤?？寇浖幊虂碜R(shí)別的鍵盤稱為非編碼鍵盤，在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，用的較多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨(dú)立鍵盤和行列式鍵盤

19、。單片機(jī)檢測(cè)按鍵的原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)I/O口既可作為輸出也可作為輸入使用，當(dāng)檢測(cè)按鍵時(shí)用的是它的輸入功能，我們把按鍵的一端接地，另一端與單片機(jī)的某個(gè)I/O口相連，開始時(shí)先給該I/O口賦以高電平，然后讓單片機(jī)不斷的檢測(cè)該I/O口是否變?yōu)榈碗娖剑?dāng)按鍵閉合時(shí)，既相當(dāng)于該I/O口通過按鍵與地相連，變成低電平，程序一旦檢測(cè)到I/O口變成低電平則說明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。但是在按鍵按下的時(shí)候，由于按鍵是彈性的，這過程會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短和按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為510ms。通常我們手動(dòng)按下鍵然后立即釋放，這個(gè)動(dòng)作中穩(wěn)定閉合的時(shí)間超過20ms。因此單片機(jī)在檢測(cè)鍵盤是否按下時(shí)都要加上去抖動(dòng)操作

20、，有專用的去抖動(dòng)電路，也有專用的去抖動(dòng)芯片，但通常我們用軟件掩飾的方法就能很容易的解決抖動(dòng)問題，而沒有必要再添加多余的硬件電路。剛開始想用4*4鍵盤輸入給定速度，但是仔細(xì)考慮了一下性價(jià)比，經(jīng)過慎重選擇，我拋棄了這個(gè)鍵盤，改用3個(gè)復(fù)位開關(guān)調(diào)節(jié)給定速度。具體過程是：一個(gè)復(fù)位開關(guān)決定了速度的加，每一次加一定的速度值；還有一個(gè)復(fù)位開關(guān)見決定了速度的減，每一次減一定的速度值；還有一個(gè)復(fù)位鍵是用來置零的。加速鍵接在p1.0口上，減速鍵接在P1.1口上，置零鍵接在P1.3口上。2.5 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的是紅外管輸入脈沖，深色物的紅外反射率因不同的材料而不同，發(fā)射管發(fā)射出紅外線，在材料上反射回來，由接受

21、管接受。當(dāng)有信號(hào)反射回來時(shí)輸出低電平，沒有反射時(shí)輸出高電平。這個(gè)光電編碼器整體是買來的實(shí)物，在仿真軟件protues中沒有很合適的仿真物，我用可以直接輸出脈沖的直流電機(jī)代替了。買的時(shí)候我進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它非常的靈敏，作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量綽綽有余了。第三章、 軟件部分設(shè)計(jì)3.1 數(shù)顯管顯示軟件設(shè)計(jì)部分（void SegRefre()）數(shù)顯管有八位，前四位顯示的是給定速度，后四位現(xiàn)實(shí)的是實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速。假設(shè)前四位數(shù)顯管為管A，后四位為管B,則經(jīng)過分析研究作出數(shù)顯管AB的程序流程圖分別如下：NY是否有鍵按下SubSpeed按下時(shí)，一下減50AddSpeed按下時(shí)，一下加50Stop按下時(shí)，要求

22、數(shù)顯管清零數(shù)顯管A顯示給定轉(zhuǎn)速單片機(jī)初始化STARTSTART初始化測(cè)速模塊數(shù)顯管B顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速/1s刷新一次程序?yàn)椋簐oid SegRefre() /數(shù)碼管顯示刷新 Data_Buffer0 = SpeedSet/1000; Data_Buffer1 = SpeedSet%1000/100; Data_Buffer2 = SpeedSet%100/10; Data_Buffer3 = SpeedSet%10; Data_Buffer4 = num/1000; Data_Buffer5 = num%1000/100; Data_Buffer6 = num%100/10; Data_Buff

23、er7 = num%10; 3.2 外部中斷p3.3計(jì)數(shù)程序（void exter0() interrupt 0）此外部中斷主要用于對(duì)測(cè)速產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。程序流程圖為：返回脈沖計(jì)數(shù)測(cè)轉(zhuǎn)速脈沖輸入程序如下：void exter0() interrupt 0 /外部中斷脈沖計(jì)數(shù) Inpluse+;3.3 定時(shí)器0中斷軟件設(shè)計(jì)（void timer0() interrupt 1）定時(shí)器0中斷主要用于數(shù)顯管顯示數(shù)值和一定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣計(jì)算PID控制，初始化中斷時(shí)間設(shè)置為2ms。程序流程圖為：START計(jì)時(shí)器初始化NY返回?cái)?shù)顯管顯示，送段，位碼計(jì)算轉(zhuǎn)速并PID控制1s計(jì)時(shí)標(biāo)志位程序如下：v

24、oid timer0() interrupt 1 static unsigned char Bit = 0;/靜態(tài)變量，退出程序后，值保留 static unsigned int time = 0; static unsigned int aa = 0; TH0 = THCO; TL0 = TLCO; aa + ; /100MS串口輸出一次數(shù)據(jù) if ( aa = 50) aa = 0; flag0 = 1; cnt + ;/ PID脈沖周期 Bit + ; time + ;/轉(zhuǎn)速測(cè)量周期 if(Bit = 8) Bit=0; P2 = 0xff;/先關(guān)位 P0 = DuanData_Buff

25、er Bit ;/開段碼 switch(Bit)/送位碼 case 0: P2 = 0XFE; break; case 1: P2 = 0XFD; break; case 2: P2 = 0XFB; break; case 3: P2 = 0XF7; break; case 4: P2 = 0XEF; break; case 5: P2 = 0XDF; break; case 6: P2 = 0XBF; break; case 7: P2 = 0X7F; break; if(time = 500) /1s鐘讀取一次轉(zhuǎn)速 time = 0; num = Inpluse*10; /計(jì)算轉(zhuǎn)速 Inp

26、luse = 0; PIDControl();/ 1s 控制一次 3.4 PWM算法程序設(shè)計(jì)（void PWMOUT()）Pwm是通過PID計(jì)算出來的偏差來調(diào)整輸出脈沖的寬度還控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的。程序流程圖如下：STARTN輸出高電平PWM脈寬PID輸出值輸出低電平Y(jié)返回程序如下：void PWMOUT() /PWm輸出 if ( cnt 250) cnt = 0 ; 3.5 PID控制算法程序設(shè)計(jì)（void PIDControl()）當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變,或電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí),會(huì)引起偏差的階躍,使e增大,PID的輸出uk將急劇增加或減小,以至于超過控制量的上下限,電機(jī)的轉(zhuǎn)速SPEEDS

27、ET雖然不斷上升,但由于控制量受到限制,其增長(zhǎng)的速度減慢,偏差E將比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間保持在較大的偏差值,該程序主要是把設(shè)定的轉(zhuǎn)速減當(dāng)前測(cè)量得到的轉(zhuǎn)速來計(jì)算偏差，從而用PWM輸出方式來確定輸出脈沖的寬度。程序流程圖如下：返回輸出pwmUk=250判斷uk范圍計(jì)算uk給定pid參數(shù)計(jì)算duk求偏差值eSTART程序如下：void PIDControl() /PID偏差計(jì)算 e = SpeedSet - num ; duk=( Kp*(e - e1) + Ki*e + Kd*(e - 2*e1 + e2)/100 ; uk = uk1 + duk ; out = (int)uk ; if(o

28、ut 250) out = 250 ; else if(out 0 ; i-) for(j = 50 ; j 0 ; j-) ; 3.6 按鍵程序設(shè)計(jì)由于按鍵與數(shù)顯管的顯示相關(guān)，故其程序流程圖已給，下面只給其算法如下：void SetSpeed() /按鍵 速度設(shè)定 if ( AddSpeed=0) delay(20) ;/有鍵按下 if( AddSpeed=0) SpeedSet=SpeedSet+50 ; if( SpeedSet9999) SpeedSet=0; while(!AddSpeed);/等待按鍵釋放 if ( SubSpeed = 0) /速度減 delay(20); if(

29、 SubSpeed = 0) SpeedSet -= 50; /有鍵按下 if (SpeedSet=0) SpeedSet = 0; while(!SubSpeed); if (Stop = 0) /電機(jī)停止 delay(20); if(Stop=0) SpeedSet = 0; PWM_FC = 1 ; while(!Stop); 第四章、 基于matlab的PID參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真4.1 各部分傳遞函數(shù)參數(shù)的整定有前面所說的控制模型可知，系統(tǒng)的架構(gòu)模型有PID,PWM,直流電機(jī)這3個(gè)，故而只需求取PWM,和直流電機(jī)的傳遞函數(shù)即可。經(jīng)查資料知道Pwm的傳遞函數(shù)為： 直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為：根據(jù)傳遞

30、函數(shù)搭建的仿真模型為：4.2 PID參數(shù)的整定下面我們通過仿真來確定離散PID控制器的參數(shù)，一般有兩種方法。我們用試湊法 試湊法要求按照先求出Kp，后求出，最后求出的順序來調(diào)試系統(tǒng)的PID參數(shù)，目標(biāo)是知道調(diào)到滿意的結(jié)果為止。由于直流電機(jī)的純滯后時(shí)間為零點(diǎn)零幾秒左右，可以選擇一個(gè)足夠短的采樣周期，使其為直流電機(jī)對(duì)象的純滯后時(shí)間的十分之一以下。在此我選擇十分之一，因此Ts是零點(diǎn)零幾秒的數(shù)量級(jí)，確定它為0.001s來整定控制參數(shù)。經(jīng)過整定后發(fā)現(xiàn)當(dāng)Kp=0.5，Ki=7，Kd=0.001時(shí)比較合適。波形如下從仿真波形可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間為0.3s左右，沒有超調(diào)，靜差為0，說明其過度特性很好。也說明

31、1ms的采樣周期很合適。第五章、 結(jié)果分析這里主要分析的結(jié)果是電機(jī)啟動(dòng)到電機(jī)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間：仿真開始：達(dá)到給定速度時(shí)：可知其所需要的時(shí)間為31秒，比想象中的長(zhǎng)，但是誤差很小，基本上達(dá)到指定速度后就不會(huì)再改變了。我也試著改進(jìn)參數(shù)使其時(shí)間變得更短，但是實(shí)際操作起來發(fā)現(xiàn)當(dāng)你改變參數(shù)的時(shí)候，它的超調(diào)會(huì)很大，而且波動(dòng)很強(qiáng)，不適合作為pid參數(shù)，綜上，pid參數(shù)還是matlab仿真得來的參數(shù)最好的。但是用matlab仿真發(fā)現(xiàn)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間僅為0.3s左右，本人認(rèn)為用proteus仿真出來的更具有實(shí)用性，matlab仿真的主要目的還是選擇最合適的pid參數(shù)。第六章、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及感想這次實(shí)驗(yàn)周

32、期很長(zhǎng)，從6月25號(hào)開始做一直到7月7號(hào)才結(jié)束，期間也碰到了許多難題，在此簡(jiǎn)要總結(jié)一下。由于本人單片機(jī)基礎(chǔ)很不牢固，但是這個(gè)課程設(shè)計(jì)要用到單片機(jī)，所以首先做的是不斷琢磨單片機(jī)的基本功能和基本外設(shè)，如定時(shí)器計(jì)數(shù)器的使用，數(shù)顯管的顯示和鍵盤的輸入，剛開始認(rèn)真研究單片機(jī)的時(shí)候基本上遇到的問題都是問題，舉步維艱，也曾到圖書館翻了很多關(guān)于單片機(jī)的書，經(jīng)過不斷學(xué)習(xí)，最后考慮到有一定的c語言基礎(chǔ)，而匯編語言短時(shí)間內(nèi)學(xué)不扎實(shí)，果斷選擇了用c語言編程。進(jìn)過幾天不斷的學(xué)習(xí)，對(duì)單片機(jī)的理解也越來越深，知道的也越來越多，這為做此課程設(shè)計(jì)打下了很扎實(shí)的基礎(chǔ)。開始做此課設(shè)時(shí)考慮到要輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，但是這期間走了很多彎

33、路。剛才是準(zhǔn)備使用4*4矩陣鍵盤進(jìn)行給定轉(zhuǎn)速的輸出，最后鑒于本人的單片機(jī)基礎(chǔ)有限，發(fā)現(xiàn)此程序很復(fù)雜，進(jìn)過很長(zhǎng)時(shí)間的研究，最后明智的拋棄了他，而選擇速度增加鍵減少鍵和清零鍵取代。數(shù)顯管剛開始想選用74HC573鎖存器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)顯管的顯示，但是發(fā)現(xiàn)數(shù)顯管的前4位后后四位如果不使用同一個(gè)顯示算法的話會(huì)簡(jiǎn)單很多，而且最后發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的I/O口很充足，所以就直接用16個(gè)I/O來進(jìn)行數(shù)顯管的顯示了，這樣很適合自己想的算法，然后省下了很大的麻煩。 大的范圍就遇到這兩個(gè)問題，小的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了很多細(xì)節(jié)上的理解錯(cuò)誤，比如數(shù)據(jù)類型的設(shè)定，當(dāng)設(shè)定的速度通過subspeed鍵減小到0的時(shí)候再減會(huì)出現(xiàn)數(shù)顯管上顯示436的

34、數(shù)字，這很不符合邏輯，因?yàn)殚_始已經(jīng)設(shè)定當(dāng)setspeed小于0的時(shí)候永遠(yuǎn)為0。進(jìn)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)setspeed的數(shù)據(jù)類型不能為unsigned，而是singed，因?yàn)楫?dāng)你小于0的時(shí)候，unsigned雖說不輸出負(fù)數(shù)，但是會(huì)輸出它的反碼，反碼會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)值，如果signed的話就不會(huì)這么做，直接為0。事實(shí)上改過來之后就解決了這個(gè)問題，讓我了解到了數(shù)據(jù)類型是多么的重要。還遇到的問題比如數(shù)顯管其他位都很正常，但是只有第二位總是閃，這讓我難為了很久也找不到毛病，最后無意間刪掉了一段沒有用的程序后一切都好了，這讓我了解到程序一定要精簡(jiǎn)，不然你永遠(yuǎn)不會(huì)知道它會(huì)出現(xiàn)什么不可預(yù)知的錯(cuò)誤。其他小的問題也有很多，但

35、是都被我經(jīng)過仔細(xì)的研究慢慢的克服，最后仿真結(jié)果和硬件都很合適。 總之單片機(jī)是個(gè)很細(xì)致的學(xué)科，我們要堅(jiān)持做完，碰到問題一定要仔細(xì)想，這樣才能發(fā)現(xiàn)它的強(qiáng)大。參考文獻(xiàn)：我的參考文獻(xiàn)很少，自己買的其中一本書就是很著名的郭天祥老師書叫51單片機(jī)c語言教程外加全套開發(fā)板，另外圖書館里的單片機(jī)書基本上都翻過。電機(jī)部分參考自控原理書里的電機(jī)傳遞函數(shù)。還有keil教程和proteus教程附錄一 硬件系統(tǒng)電路原理圖附錄二：程序源代碼#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define THCO 0xf8#define TLCO 0

36、x30 /2msuchar code Duan=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;/共陰極數(shù)碼管，0-9段碼表uchar Data_Buffer8=0,0,0,0,0,0,0,0;/數(shù)碼管顯示數(shù)值，數(shù)組變量定義uchar Data4=0,0,0,0;uchar Arry4=0,0,0,0;bitflag1 = 0 ;bit flag0 = 0;unsigned char i = 0 ;sbit AddSpeed=P11;sbit SubSpeed=P12;sbit Stop=P13;/按鍵調(diào)速sbit PWM_FC=P10;/PWM控制端int e=0,e1=0,e2=0;/PID偏float uk=0,uk1=0.0,duk=0.0;/PID輸出值float Kp=0.5,Ki=7,Kd=0.001;/PID控制系數(shù)int out=0;signed int SpeedSet=500;uint cnt=0;uint Inpluse=0,num=0; /脈沖計(jì)數(shù)單元uint PWMTime=0;/脈沖寬度void PIDControl();void SystemInit();void delay(uchar x);void PWMOUT();void SetSpeed();void