摘要在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制占有至關(guān)重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬PID控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實(shí)際中，由于現(xiàn)場的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果，因此采用模擬PID控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字PID技術(shù)漸漸發(fā)展起來，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬PID所完成的控制任務(wù)，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用面越來越廣。本設(shè)計(jì)以上面提到的數(shù)字PID為基本控制算法，以SST89EE554RC單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時利用霍爾傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采數(shù)碼管和4×4鍵盤作為人機(jī)交互界面，啟動后可以通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)控制簡單，反應(yīng)靈敏，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。目錄前言 ４一.總體設(shè)計(jì)方案 ４二.硬件單元模塊設(shè)計(jì) ５（1）LED顯示模塊 ５（2）直流電機(jī)驅(qū)動單元 ６（3）基于霍爾傳感器的測速模塊 ６（4）單片機(jī)控制單元 ６三.軟件功能調(diào)試 ７（1）主程序設(shè)計(jì) ７（2）PWM波軟件軟件設(shè)計(jì) ８（3）顯示子程序 ９（4）鍵盤處理子程序 １０（５）測速軟件設(shè)計(jì) １１（６）控制算法子程序 １２四.設(shè)計(jì)總結(jié) １３五.參考文獻(xiàn) 1５附錄 1６TOC\o"1-3"\f\h\z\u 前言在工業(yè)控制領(lǐng)域中，直流電機(jī)是常見的機(jī)電裝置，以單片機(jī)為控制器對電機(jī)進(jìn)行控制，運(yùn)用串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的遠(yuǎn)程測控。通過采用周期測量法測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，運(yùn)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動控制，為直流電機(jī)的控制提供了一種低成本高精度的測控方案。在工業(yè)自動控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會用用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動、傳動和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對電機(jī)的控制要求越來越精確和迅速，對環(huán)境的適應(yīng)要求越來越高。隨著科技的發(fā)展，通過對電機(jī)的改造，出現(xiàn)了一些針對各種應(yīng)用要求的電機(jī)，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等非傳統(tǒng)電機(jī)。但是在一些對位置控制要求不高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機(jī)如直流電機(jī)乃有很大的優(yōu)勢，而要對其進(jìn)行精確而又迅速的控制，就需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。隨著微電子和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字控制系統(tǒng)有控制精確，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，受環(huán)境影響小，功能復(fù)雜，系統(tǒng)修改簡單，有很好的人機(jī)交換界面等特點(diǎn)。一、總體設(shè)計(jì)概述單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡介：單片機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的平滑調(diào)速。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。本系統(tǒng)以SST89E554RC單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)控制，C語言編程實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的調(diào)速。系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，通過PI控制以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動對電機(jī)速度的有效控制。二、硬件部分硬件部分由電源模塊、單片機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動電路、LED顯示電路、霍爾傳感器電路構(gòu)成。鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出方波，根據(jù)方波測出轉(zhuǎn)速，比較給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速得到差值再通過P控制來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LED顯示出來。電動機(jī)所處速度顯示。每次電動機(jī)啟動后開始計(jì)時，停止時LED顯示出本次運(yùn)轉(zhuǎn)所用時間，時間精確到0.1s?？傮w設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示數(shù)碼管顯示小鍵盤單片機(jī)數(shù)碼管顯示小鍵盤單片機(jī)直流電機(jī)及驅(qū)動直流電機(jī)及驅(qū)動鍵盤掃描及顯示 直流電機(jī)驅(qū)動電路基于霍爾傳感器的測速電路工作原理：霍爾開關(guān)集成電路中的信號放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號變換器、驅(qū)動器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個齒。單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時間內(nèi)的速度V＝NT。單片機(jī)本次實(shí)驗(yàn)采用的是SST89E554RC單片機(jī)，三、軟件設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值，然后用P算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主程序流程圖如下：開始結(jié)束調(diào)用控制算法子程序調(diào)用鍵盤處理子程序調(diào)用轉(zhuǎn)速顯示子程序調(diào)用pwm波調(diào)制子程序延時開定時器0初始化開始結(jié)束調(diào)用控制算法子程序調(diào)用鍵盤處理子程序調(diào)用轉(zhuǎn)速顯示子程序調(diào)用pwm波調(diào)制子程序延時開定時器0初始化PWM波軟件軟件設(shè)計(jì)SST89E554RC提供了一個特殊的16位定時器，該定時器具有5個16位捕捉/比較模塊。每個模塊都可被編程工作于以下四種模式：上升和/或下降沿捕捉，軟件定時器，高輸出（HSO）和脈沖寬度調(diào)制（PWM）。第五個模塊除上述四種模塊外還可以編程為看門狗定時器。每個模塊都有一個外部引腳，與P1口復(fù)用：模塊0連接至P1.3（CEX0），模塊1連接至P1.4（CEX1），模塊0連接至P1.5（CEX2），模塊1連接至P1.6（CEX3），模塊1連接至P1.7（CEX4）.其結(jié)構(gòu)框圖如下：PCA定時/計(jì)數(shù)器P1.5/CEX2P1.3/CEX0P1.4/CEX1P1.6/CEX3P1.7/CEX4模塊1模塊2模塊3模塊4模塊0PCA定時/計(jì)數(shù)器P1.5/CEX2P1.3/CEX0P1.4/CEX1P1.6/CEX3P1.7/CEX4模塊1模塊2模塊3模塊4模塊0在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均速度為Va=Vmax*D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax是指電機(jī)在全通電時的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本設(shè)計(jì)中采用軟件延時方式對脈沖寬度進(jìn)行控制，PWM模式被用于產(chǎn)生一個連續(xù)的占空比可調(diào)的方波信號。脈沖寬度調(diào)制通過比較PCA定時器的低字節(jié)（CL）和比較寄存器的低字節(jié)（CCAPnL）產(chǎn)生8位PWM脈沖。當(dāng)CL<CCAPnL時，輸出高電平。輸出頻率取決于PCA定時器的信號源。占空比由寫入比較寄存器的高字節(jié)（CCAPnH）控制，計(jì)算如下：CCAPnH=256（1–Dutycycle）其中CCAPnH為8位整型數(shù)，Dutycycle為百分?jǐn)?shù)。鍵盤查詢處理子程序：由于只用到了三個按鍵，所以按鍵查詢比較簡單，只需要行信號一位送零即可，然后列信號讀進(jìn)來，與鍵值進(jìn)行比較，即可知道是哪個鍵按下。延時延時否否關(guān)閉PWM輸出PWM否延時是開始否否是是是是否是是Key自加1轉(zhuǎn)速增大60判斷2鍵是否按下判斷2鍵是否按下轉(zhuǎn)速減小60判斷1鍵是否松開判斷1鍵是否按下判斷key是否為奇判斷0鍵是否松開判斷0鍵是否按下延時延時否否關(guān)閉PWM輸出PWM否延時是開始否否是是是是否是是Key自加1轉(zhuǎn)速增大60判斷2鍵是否按下判斷2鍵是否按下轉(zhuǎn)速減小60判斷1鍵是否松開判斷1鍵是否按下判斷key是否為奇判斷0鍵是否松開判斷0鍵是否按下顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8位，分別存放各個LED管要顯示的值。顯示子程序?yàn)橐粠⒆映绦?，參?shù)為顯示緩存的數(shù)組名，通過for(i=0;i<8;i++)方式對每位加上位選碼，送到P0口并進(jìn)行延時。開始開始送轉(zhuǎn)速的千位數(shù)段選送轉(zhuǎn)速的千位數(shù)段選送千位數(shù)對應(yīng)的位選送千位數(shù)對應(yīng)的位選送轉(zhuǎn)速的百位數(shù)段選送轉(zhuǎn)速的百位數(shù)段選送百位數(shù)對應(yīng)的位選送百位數(shù)對應(yīng)的位選送轉(zhuǎn)速的十位數(shù)段選送轉(zhuǎn)速的十位數(shù)段選送十位數(shù)對應(yīng)的位選送十位數(shù)對應(yīng)的位選送轉(zhuǎn)速的個位數(shù)段選送轉(zhuǎn)速的個位數(shù)段選送個位數(shù)對應(yīng)的位選送個位數(shù)對應(yīng)的位選結(jié)束結(jié)束測速軟件設(shè)計(jì)測速子程序：開始結(jié)束開定時器T0定時器T0初始化關(guān)定時器T0輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)速開始結(jié)束開定時器T0定時器T0初始化關(guān)定時器T0輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)速控制算法子程序：輸出控制量否求得控制量是如果偏差為0對偏差進(jìn)行累加求得轉(zhuǎn)速偏差開始輸出控制量否求得控制量是如果偏差為0對偏差進(jìn)行累加求得轉(zhuǎn)速偏差開始四、心得體會李景峰：此次課程設(shè)計(jì)總體來講并非很難，但是由于自己大意，一開始就想實(shí)現(xiàn)很多功能，結(jié)果重心轉(zhuǎn)移，在其他功能上花了很多時間，也沒有見效，還把思路給搞亂了，以至于最后只是簡單地完成了控制任務(wù)，沒有額外擴(kuò)展。，測速用的是中斷計(jì)數(shù)外加一秒鐘定時。這就是這次課程設(shè)計(jì)的全部?？傮w來說時間還是蠻緊張，如果一開始思路就比較清晰的話，效果應(yīng)該不會很差，而我在中途兩次改變方案，以至于如此，以后一定會記住這次教訓(xùn)。6.2計(jì)控課程設(shè)計(jì)心得體會08自動化2班陳文博為期一周的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)很快就結(jié)束了，這次的時間比較緊，對我們的考驗(yàn)比較大，我們這次的設(shè)計(jì)主要的用單片機(jī)的知識來進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們開始設(shè)計(jì)主要分四個部分，我主要負(fù)責(zé)硬件連接和顯示這部分。其中顯示部分是我與另外一個組員負(fù)責(zé)，主要是幫助他來完成。硬件連接主要是在試驗(yàn)箱部分連線，把段選和位選分別與P的各個接口相連接，電機(jī)與電源和中斷接口相連，輸入輸出各接口相連接等，相對來說是簡單的部分，所以我又幫忙設(shè)計(jì)顯示部分，這部分我們用了三個按鍵外加四個數(shù)碼管，簡單的做了一個人機(jī)交互界面，PWＭ輸出用的是這款單片機(jī)中特有的十六位輸入捕捉輸出比較功能寄存器。通過鍵盤掃描實(shí)現(xiàn)了速度的顯示?？傊?，這次設(shè)計(jì)還是收獲了一些我不懂得知識，也感謝隊(duì)友的幫助與支持。通過本次計(jì)控課程設(shè)計(jì)，一則是讓我以前課堂上所學(xué)的內(nèi)容復(fù)習(xí)了一遍并有了更深入的理解，提高了我的理論素養(yǎng)；二則是讓我掌握了調(diào)試程序的方法，動手能力有所提高。這次我們是分工來做課程設(shè)計(jì)，然而僅有分工缺少了協(xié)作。雖然各自都把自己負(fù)責(zé)的程序編了出來，但是在銜接時卻十分困難，花費(fèi)了很多時間。這是這次課程設(shè)計(jì)中的不足之處，以后需改正。總之，本次課程設(shè)計(jì)，雖然我做的東西不多，但是我把遇到的問題都搞清楚了，解決了，所以我覺得我的收獲很大。董勇：這次課程設(shè)計(jì)雖然我做的不是很多，但我學(xué)到了許多沒學(xué)過的知識，尤其是以前沒學(xué)過的單片機(jī)。通過自己的自學(xué)，單片機(jī)的編程方面有了很大的進(jìn)步同時也復(fù)習(xí)了下C語言，溫故而知新，讓我對C語言有了進(jìn)一步理解。讓我知道理論和實(shí)際應(yīng)用有一定的差別，不能只學(xué)不用，實(shí)踐也是很重要的一個環(huán)節(jié)。我們不僅要學(xué)好的知識，還要學(xué)會去應(yīng)用知識，學(xué)的知識不去用就很容易忘記并且不能實(shí)現(xiàn)它的價值。通過實(shí)踐，不僅能鞏固學(xué)過的知識，還能讓我們更容易得理解學(xué)過的知識，讓我們有目的的學(xué)習(xí)知識，拓展我們的思維。同時在這過程中也讓我認(rèn)識到了自己的許多不足，像基礎(chǔ)不是很牢固，容易犯小錯誤等，讓我認(rèn)識到自己的不足從而進(jìn)行彌補(bǔ)。這次課程設(shè)計(jì)是大家共同努力的結(jié)果，同時也要感謝那些做的多組員。在這過程中互相幫助，讓我學(xué)到了許多以前不明白的東西，增強(qiáng)了我的實(shí)踐能力。劉翰林：為期一周的課程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼就結(jié)束了，時間是如此的短，導(dǎo)致我們必須抓緊每一分每一秒，在設(shè)計(jì)的過程中，我會相互討論達(dá)成一致的意見，肉麻話開始實(shí)際設(shè)計(jì)。當(dāng)然，其中我們肯定遇到了很多問題，出了一些錯，但是過而能改，善莫大焉。我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。其實(shí)不管是什么樣的問題，開始的時候有多難，不懈努力，遇到問題就總會迎刃而解的。通過大家的努力，我們完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，這不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在設(shè)計(jì)的時候，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。五、參考文獻(xiàn)１、單片機(jī)原理及應(yīng)用（清華大學(xué)出版社，黃勤主編，李楠副主編）２、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程（重慶大學(xué)出版社，黃勤主編，高富強(qiáng)副主編）３、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（機(jī)械工業(yè)出版社，黃勤主編，李楠副主編）４、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用戶手冊（西安唐都科教儀器公司）附錄程序清單#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint ucharcodeLK[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,};ucharLK1[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7}; sbitp1_0=P1^0;sbitp1_1=P1^1;sbitp1_2=P1^2;sbitp1_5=P1^5; uintdataz,counter;uintdatan,t;uintspeed=0;uintset-speed=0;ucharpid_flag=0;uinttemp=150;ucharenter_flag=0;/****k***/sfrCCAPM4=0xde;sfrCCAP4H=0xFe;sfrCCON=0xD8; /***l***/ voiddelay(uintk) { uintdatai,j; for(i=0;i<k;i++) { for(;j<121;j++){;} }}voiddisplay(uintnum){ P0=LK[num/1000];P2=LK1[0];delay(10); P0=LK[(num/100)%10];P2=LK1[1];delay(10);P0=LK[(num%100)/10];P2=LK1[2];delay(10);P0=LK[num%10];P2=LK1[3];delay(10); }int0()interrupt0using1//斷INT1子程序{ t++;//脈沖加1}//定時器T0定時溢出后進(jìn)入的子程序voidtimer0(void)interrupt1using2//中斷部分代碼，見下文的釋疑{ n++; TR0=0;//關(guān)定時器T0 TF0=0; TMOD=0x1;//T0定時，工作方式1 TH0=0X4c; TL0=0Xf7; TR0=1;//開定時器T0 ET0=1; if(n==10) { z=120*t;//由轉(zhuǎn)速n=60/（conunter*T), T=機(jī)器周期 speed=z; t=0; n=0; } }voiddelay2(){uchari,j;for(i=0;i<20;i++)for(j=0;j<2;j++);}voidkey_scan(){ p1_5=0; set_speed=speed pid_flag=1; if(p1_0==0) 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