基于單片機的直流電機轉(zhuǎn)速PID控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

1、基于單片機的直流電機轉(zhuǎn)速pid控制系統(tǒng)設(shè)計單片機原理課程設(shè)計任務(wù)書班級：自動化07 姓名： 指導教師：曹利鋼 2010年6月7日設(shè)計題目：基于單片機的直流電機轉(zhuǎn)速pid控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)和要求1.直流電機型號自選2.對直流電機轉(zhuǎn)速實時顯示3.對轉(zhuǎn)速實現(xiàn)恒值控制4.轉(zhuǎn)速控制范圍：1090，其中為電機額定轉(zhuǎn)速5.穩(wěn)態(tài)精度達：5r/min。設(shè)計成果設(shè)計說明書一份電路圖一份參考資料1.胡漢才.單片機原理及接口技術(shù)(第2版)m.北京：機械工業(yè)出版社，20042.陳光東，趙性初.單片機微型計算機原理與接口技術(shù)(第2版)m.武漢：華中科技大學出版社，1999教研室主任簽字： 年 月 日目 錄第一章直流電機

2、工作原理41.1 工作原理41.2、直流電機pid控制原理方框圖5第二章硬件設(shè)計與實現(xiàn)82.1 硬件設(shè)計82.2系統(tǒng)面板圖15第三章流程設(shè)計173.1 軟件設(shè)計流程圖17第四章程序說明204.1 直流電機部分程序204.2 溫度檢測部分程序28第五章說明及調(diào)試366.1 調(diào)試過程366.2 運行結(jié)果37第6章 課程設(shè)計體會39第7章 參考文獻 39 第一章 直流電機工作原理1.1 工作原理 本設(shè)計中的電子鐘的核心是at89c51。硬件電路主要由六部分構(gòu)成：pid控制電路、復位電路、鍵盤電路、顯示電路、串行通信電路以及溫度檢測電路。 pid控制電路是電子鐘硬件電路的核心，沒有pid控制電路，直流

3、電機無法正常穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)電路采用的晶振11.0592mhz，一號單片機定時器采用的是定時器0工作在方式2定時，用于實現(xiàn)一定時間的計時，定時時間為10ms。復位電路可使單片機回復到初始狀態(tài)。鍵盤可實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定及啟動的操作。溫度檢測是通過ds18b20芯片實現(xiàn)，在溫度顯示中還要注意數(shù)的轉(zhuǎn)換。在該設(shè)計中還用到定時器1工作在方式2用來產(chǎn)生9600的波特率，用在兩片單片機之間串行傳送數(shù)據(jù)。1、 外部中斷int1當電機轉(zhuǎn)一圈時向外部中斷進行一次中斷計數(shù)，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量。2、 一號單片機轉(zhuǎn)速顯示 當電機轉(zhuǎn)動時，顯示部分可以把電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速或者是通過通信由溫度計算的轉(zhuǎn)速顯示出來，同時在

4、右側(cè)部分顯示電機當下的轉(zhuǎn)速。 二號單片機的溫度顯示與之類似。3、 溫度測量溫度測量有專門的芯片ds18b20。ds18b20 可編程溫度傳感器有 3 個管腳。gnd 為接地線，dq 為數(shù)據(jù)輸入輸出接口， 通過一個較弱的上拉電阻與單片機相連。vdd 為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可 由外部提供電源，范圍 3o55 v。當 dsi8b20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶 符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的 0，1 字節(jié)。單片機可通過單線接口讀 到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 0062 5lsb 形式表示。4、 按鍵選擇一號單

5、片機的鍵盤采用44的按鍵方式檢測按鍵。p0、p1口不斷掃描按鍵的行和列從而計算出所選擇的數(shù)值，進而執(zhí)行相關(guān)的程序。二號單片機原理類似。5、 直流電機驅(qū)動部分一號單片機根據(jù)端口采集到的電機的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過pid計算，通過另一端口發(fā)送pwm波，從而使電機改變轉(zhuǎn)速。1.2、直流電機pid控制原理方框圖 圖2.2 電路連接圖第二章 硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1硬件設(shè)計直流電機pid控制電路的核心是兩塊89c51，用兩塊89c51作控制是為了電機控制和溫度檢測互不干擾，其中一塊控制電機，另一塊實現(xiàn)溫度檢測。2.1.1 按鍵電路設(shè)計根據(jù)功能需要，本控制電路需要設(shè)置一下功能鍵：按鍵設(shè)定轉(zhuǎn)速。在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了

6、減少i/o口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如p1口）就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，下圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的i/o口作為輸出端，而列線所接的i/o口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高

7、電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 圖2.1 按鍵電路參見表2.1。按鍵鍵名功能屬性09設(shè)定設(shè)定轉(zhuǎn)速值自動復位確定確定確定設(shè)定值自動復位清除清除去除設(shè)定值自動復位運行運行開始運行自動復位表2.1 按鍵功能表 按鍵操作說明如下： 09鍵：通過此按鍵設(shè)定要求電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。設(shè)定過程中數(shù)值依次左移，實現(xiàn)百十個位的設(shè)定。 確定鍵：該鍵為自動復位鍵，當設(shè)定完成后按確定鍵就可以使設(shè)定值賦給相應變量。 清除鍵：清除已經(jīng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。運行鍵：設(shè)定值完畢則可以點此鍵進行相應的運行。2.1.2 復位電路 復位是單片機的初始化

8、操作，以便使cpu和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當單片機系統(tǒng)在運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于思索狀態(tài)時，也可按復位鍵重新啟動。 復位后，pc內(nèi)容初始化為0000h，使單片機從0000h單元開始執(zhí)行程序。89c51單片機復位信號的輸入端是rst引腳，高電平有效。rst端的外部復位電路有兩種操作方式：上電自動復位和按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。本設(shè)計用的是按鍵電平復位時相當于rst端接高電平。如圖2.2所示。需要注意的是單片機連接了8255a，復位電路也需與8255a的reset相連。電路為上電復位電路，它是利用電

9、容充電來實現(xiàn)的。在接電瞬間，reset端的電位與vcc相同，隨著充電電流的減少，reset的電位逐漸下降。只要保證reset為高電平的時間大于兩個機器周期，便能正常復位。該電路除具有上電復位功能外，若要復位，只需按reset鍵，此時電源vcc經(jīng)電阻r1、r2分壓，在reset端產(chǎn)生一個復位高電平。2.1.3顯示電路本設(shè)計中使用led數(shù)碼管顯示電機的設(shè)定和實際轉(zhuǎn)速以及溫度值。電路設(shè)計如下： 圖2.3 轉(zhuǎn)速的顯示電路溫度的顯示電路在另一個單片機中完成，圖相似。2.1.4溫度檢測系統(tǒng)設(shè)置了一路溫度檢測在該系統(tǒng)中，圖4.6是一路溫度硬件圖。圖2.4 ds18b20測溫原理框圖圖2.5 溫度檢測的硬件圖

10、2.1.5串行通訊 該系統(tǒng)用到兩片單片機，因此單片機還需要連接串行接口，電路略。2.1.6晶振電路設(shè)計在at89s51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2。而在芯片內(nèi)部，xtal1和xtal2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。其電路如圖2.7。圖2.7 晶振電路2.1.7 電機驅(qū)動電路通過端口采集電機轉(zhuǎn)速進而輸出pwm波完成電機控制。pwm（pulse width modulation）控制技術(shù)就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的

11、寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）；面積等效原理是pwm技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論；一種典型的pwm控制波形spwm：脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形稱為spwm波。 圖2.7 電機驅(qū)動電路2.1.8報警電路當溫度過高或者過低時，報警電路會自動報警。圖2.8 報警電路2.2系統(tǒng)面板圖時間控制模塊面板圖如圖2.8，溫度測量模塊面板圖如圖2.9。圖2.9 直流電機控制模塊面板圖圖2.10 溫度測量模塊面板圖第三章 流程設(shè)計 3.1 軟件設(shè)計流程圖3.1.1 主程序流程圖電機調(diào)試程序流程：溫度測量程序流程：3.1.2 速度顯示子程序流程圖 圖5.2速度顯示子程序流程圖3

12、.1.3 溫度采集程序流程圖 3.3 溫度采集程序流程圖 3.4 報警子程序流程圖3.1.4串行通信接受與發(fā)送流程圖 第四章 程序說明4.1 直流電機部分程序#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit p34=p34;sbit p26=p26;sbit p36=p36;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f ; uchar code chose=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20;uin

13、t shu6=1,2,3,4,5,6;uchar q=0,i=0,m=0,n=0;uint count,miaoshu,sv,k=0,k2=0,sv1,sv2; /定義計數(shù)值，實際溫度值，設(shè)定的溫度值uchar sec,tcnt,flag,flag1;int rk,yk,uk,uk_1=0,ek,ek_1=0,ek_2=0; /pid計算參數(shù)signed char t=20,kp=30,td=8,ti=100,q0,q1,q2; /pid參數(shù)其值經(jīng)反復調(diào)試得來uchar data buf4=0,1,1,1;/字型顯示中間變量/*/延時子程序用來產(chǎn)生1ms的延時，用于在程序中的等待/*/延時1m

14、s子程序void delay(uchar z)uchar x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*/顯示子程序用來在數(shù)碼管中顯示電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速或計算轉(zhuǎn)速以及實際轉(zhuǎn)速/*/顯示子程序void display(uint a,uint b)char i;shu0=a/100;shu1=a%100/10;shu2=a%10;shu3=b/100;shu4=b%100/10;shu5=b%10;for(i=0;i6;i+)p2=chosei;p0=tableshui;delay(5); /*/定時器中斷子程序用來產(chǎn)生0.1秒的中斷，以此來測量電機的轉(zhuǎn)速/*/ 定時器中斷

15、0子程序void t0(void) interrupt 1 using 0 /定時t0中斷服務(wù)函數(shù)tcnt+; /每過250ust tcnt 加一if(tcnt=40) /計滿40 次（1/100 秒）時tcnt=0; /重新再計sec+;if(sec=10) /定時0.1 秒，在從零開始計時sec=0; th0=0x06; /對th0 tl0 賦值 tl0=0x06;miaoshu=count; count=0;/*/用來記錄中斷數(shù)，從而得到轉(zhuǎn)速/*/void sdf(void) interrupt 2 using 0 /外部中斷服務(wù)函數(shù) count=count+1; /*/接收來自另一個單

16、片機的中斷并放入一個數(shù)組中以便在顯示函數(shù)中方便調(diào)用此數(shù)據(jù)，其中加了容錯程序，通過一個特殊字符11,來區(qū)別哪一個是三位數(shù)的百位，十位，個位。/*/void jieshou()/接收子程序uchar g; if(ri=1) g=sbuf; if(g=11) m=0; bufm=g; m+; if(m=4) m=0; ri=0;/ren=1; /*/檢測按鍵值計算對應的數(shù)值/*/左移一位void yishu(uchar num)uchar bai,shi,ge;bai=sv1%100/10;shi=sv1%10;ge=num;sv1=bai*100+shi*10+ge;k2=sv1;/xinjia/

17、*/檢測對應的按鍵/*/按鍵子程序void key()uchar i,temp,lie,hang,shu;for(i=0;i4;i+) /求出按鍵值p1=chosei;temp=p1;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)hang=i;if(temp=0xe0)lie=1;else if(temp=0xd0)lie=2;else if(temp=0xb0)lie=3;else if(temp=0x70)lie=4;break; shu=hang*4+lie;/數(shù)為對應的按鍵switch(shu) case 1: if(!flag)yishu(0);break; case 2

18、: if(!flag) yishu(1);break; case 3: if(!flag) yishu(2);break; case 4: if(!flag) yishu(3);break; case 5: if(!flag) yishu(4);break; case 6: if(!flag) yishu(5);break; case 7: if(!flag) yishu(6);break; case 8: if(!flag) yishu(7);break;case 9: if(!flag) yishu(8);break;case 10: if(!flag) yishu(9);break;ca

19、se 11: flag+;/*flag1+*/; break;case 12: sv1=0;miaoshu=0;flag=0;flag1=0;break;case 13: flag1+; break; default: break;while(temp!=0xf0)/放鍵檢測temp=p1;temp=temp&0xf0;for(i=0;i501) uk=501; /限定輸出上限 if(uk100)p34=1; else if(ek=0)p34=1;delay(uk/10);display(sv,miaoshu);p34=0;delay(50-uk/10);/else if(ek0)/p34=0

20、; if(p26=0)display(sv1,miaoshu);else display(sv2,miaoshu); 4.2 溫度檢測部分程序#include#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit data = p11; /ds18b20接入口uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/共陰極字型碼int temp,temp2; /溫度值int ss;

21、/中間的一個變量int dd;int j,i0=0,k;uchar sec,tcnt,flag0,flag1,sec2;uchar data b;/定時器中斷次數(shù)uchar data buf4=0,0,0,0;/字型顯示中間變量uchar data buf24=11,0,0,0;int alarmh=500; /默認報警值int alarml=-10;/定義開關(guān)的接入口sbit k1=p25;/+sbit k2=p26;/-sbit k3=p27;/確認sbit k4=p24;sbit bell=p10;sbit hlight=p12;sbit llight=p13;sbit red=p16;

22、sbit green=p17;sbit p36=p36;bit set=0;bit flag=0;int n;/函數(shù)的聲明區(qū)void key_to1();void key_to2();void delay(uint);void key();void show();/函數(shù)的定義區(qū)/*延時子函數(shù)*/*/延時子程序用來產(chǎn)生延時，用于在程序中的等待/*/void delay(uint num)while(num-) ;/*/ds18b20溫度傳感器所需函數(shù)，分為初始化，讀寫字節(jié)，讀取溫度4個函數(shù)/*/init_ds18b20(void) /傳感器初始化 uchar x=0; data = 1; /dq

23、復位 delay(10); /稍做延時 data = 0; /單片機將dq拉低 delay(80); /精確延時 大于 480us /450 data = 1; /拉高總線 delay(20); x=data; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay(30);readonechar(void) /讀一個字節(jié)uchar i=0;uchar dat = 0;for (i=8;i0;i-) data = 0; / 給脈沖信號 dat=1; data = 1; / 給脈沖信號 if(data) dat|=0x80; delay(8); return(dat);writeo

24、nechar(unsigned char dat)/寫一個字節(jié) uchar i=0; for (i=8; i0; i-) data = 0; data = dat&0x01; delay(10); data = 1; dat=1; delay(8);int readtemperature(void) /讀取溫度uchar a=0;uchar b=0;int t=0;float tt=0;init_ds18b20();writeonechar(0xcc); / 跳過讀序號列號的操作writeonechar(0x44); / 啟動溫度轉(zhuǎn)換init_ds18b20();writeonechar(0x

25、cc); /跳過讀序號列號的操作writeonechar(0xbe); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是溫度a=readonechar();/低位b=readonechar();/高位t=b;t=8;t=t|a;tt=t*0.0625;t= tt*10+0.5; return(t);/*/根據(jù)采集到的溫度的實際值來分別進行正負溫度的顯示，精確到小數(shù)點后一位/*/void display00() /*顯示負值子函數(shù) dd=-(temp-1); buf1=dd/100;buf2=dd/100;buf3=dd%100/10;buf0=dd%10; buf21=0;buf22=0;b

26、uf23=0;/動態(tài)顯示for(j=0;j5;j+) p2=0xff; / 初始燈為滅的 p0=0x00;p2=0xfd; /顯示小數(shù)點p0=0x80; /顯示小數(shù)點delay(100); p2=0xff; / 初始燈為滅的 p0=0x00; p2=0xf7; /片選lcd1 p0=0x40;delay(100); p2=0xff; p0=0x00; p2=0xfb; /片選lcd2 p0=tablebuf2;delay(100);p2=0xff; p0=0x00;p2=0xfd; /片選lcd3p0=tablebuf3;delay(100);p2=0xff; p0=0x00;p2=0xfe;

27、p0=tablebuf0; /片選lcd4delay(100);p2=0xff; /顯示正值子函數(shù)void display()buf1=temp/1000;/顯示百位buf2=temp/100%10;/顯示十位buf3=temp%100/10;/顯示個位buf0=temp%10; /第4位 南北秒個位temp2=temp*7; buf21=temp2/1000;/顯示百位buf22=temp2/100%10;/顯示十位buf23=temp2%100/10;/顯示個位for(j=0;j3;j+) p2=0xff; / 初始燈為滅的 p0=0x00;p2=0xfd; /顯示小數(shù)點p0=0x80;

28、/顯示小數(shù)點delay(300); p2=0xff; / 初始燈為滅的 p0=0x00; p2=0xf7; /片選lcd1 p0=tablebuf1;delay(300); p2=0xff; p0=0x00; p2=0xfb; /片選lcd2 p0=tablebuf2;delay(300);p2=0xff; p0=0x00;p2=0xfd; /片選lcd3p0=tablebuf3;delay(300);p2=0xff; p0=0x00;p2=0xfe;p0=tablebuf0; /片選lcd4delay(300);p2=0xff;/*/掃描按鍵，進行上下限的設(shè)定/*/void key()/按鍵

29、掃描子程序 if(k1!=1) delay(20); if(k1!=1) while(k1!=1) key_to1(); for(n=0;n8;n+) show(); if(k2!=1)delay(20);if(k2!=1) while(k2!=1) key_to2(); for(n=0;n=1100) temp=-550; if(set=0)alarmh=temp;else alarml=temp;void key_to2() tr0=0; /關(guān)定時器 temp-=10;if(tempalarmh|temp=0)hlight=1;llight=0;display();/顯示函數(shù)if(temp

30、0)hlight=0;llight=1;display00();/*/主函數(shù)/*/void main() tcon=0x05; tmod=0x21; scon=0x40;th0=0xd8;tl0=0xf0;th1=0xfc;tl1=0xfc;ea=1;et0=1;tr0=1; tr1=1;/ex0=1;for(n=0;n500;n+)/顯示啟動logo- - - -bell=0;logo(); red=0;while(1) key(); ss=readtemperature(); show();alarm();if(flag=1)bell=!bell; /蜂鳴器滴滴響else bell=0; /*/延時子程序用來產(chǎn)生10ms的延時，用于在程序中的等待，并且每10ms進行一次串行通信，把電機應有的轉(zhuǎn)速值發(fā)給另一個單片機。/*/ void time0(void) interrupt 1 using 1 /每隔10ms執(zhí)行一次此子程序 th0=0x56;tl0=0xdc;temp=ss;ti=0;sbuf=buf2i0;i0+;if(i0=4)i0=0;/*if(i0=3)sbuf=buf2i0;i0=0;else