《protel應(yīng)用》課程設(shè)計基于pid算法的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 信息sy1101班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 基于PID算法的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)初始條件：（1）可選元件：C51系列單片機，LED數(shù)碼管，直流電機、開關(guān)、電容、電阻等。（2）可用儀器：示波器，萬用表等。（3）仿真軟件：Proteus，Keil , Protel或Altium Designer等。要求完成的主要任務(wù):（1）使用Protel或Altium Designer完成直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖設(shè)計。（2）使用Protel或Altium Designer完成直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的PCB繪制。（3）使用Proteus仿真軟件完

2、成基于PID算法的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的功能仿真。時間安排：(第18周)（1）第1天：選題及任務(wù)安排。（2）第2-4天：設(shè)計方案確定及電路設(shè)計。（3）第5天：電路測試及結(jié)果分析（鑒主15樓通信工程專業(yè)實驗室）。（4）第6-7天：撰寫報告及答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽字： 年 月 日摘 要本系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，采用PWM技術(shù)和PID控制算法對電機進行控制，完成了直流電機的轉(zhuǎn)速自動測量及轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)功能。在本系統(tǒng)中，數(shù)碼管模塊實時顯示直流電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值及瞬時值，STC89C52單片機通過虛擬串口向虛擬示波器發(fā)送數(shù)據(jù)，達到實時顯示電機轉(zhuǎn)速曲線的目的，為PI

3、D參數(shù)的整定提供依據(jù)。本系統(tǒng)采用當前流行的PCB繪圖軟件Altium Designer進行硬件電路原理圖的設(shè)計及其PCB繪制，并且由Proteus仿真軟件完成了整個系統(tǒng)的仿真，證實了本設(shè)計的可行性。關(guān)鍵詞： STC89C52；PWM；PID算法；直流電機；PCB；仿真全套完整版設(shè)計，加153893706AbstractIn the system, STC89C52 microcontroller is used as the core, and PWM technology and PID control algorithm are adopted to control the DC moto

4、r, finally, the function of automatic speed measurement and regulating are achieved. The setting value and instantaneous value of DC motor speed are also displayed on the digital tube , and STC89C52 microcontroller sends data to the virtual oscilloscope to display the motor instantaneous speed curve

5、 through virtual serial port .Altium Designer, which is regarded as a current popular PCB drawing software, is used to drawing the hardware circuit schematic and PCB in the designing. We also use Proteus software to complete the simulation of the entire system. By analyzing the simulation results, f

6、easibility of this design is confirmed.Key words: STC89C52; PWM; PID algorithm; DC motor; PCB; Simulation目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc391043944 摘 要 PAGEREF _Toc391043944 h I HYPERLINK l _Toc391043945 Abstract PAGEREF _Toc391043945 h II HYPERLINK l _Toc391043946 目 錄 PAGEREF _Toc391043946 h I H

7、YPERLINK l _Toc391043947 1引言 PAGEREF _Toc391043947 h 1 HYPERLINK l _Toc391043948 1.1直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)背景 PAGEREF _Toc391043948 h 1 HYPERLINK l _Toc391043949 1.2本設(shè)計實現(xiàn)的基本功能 PAGEREF _Toc391043949 h 2 HYPERLINK l _Toc391043950 2 設(shè)計方案 PAGEREF _Toc391043950 h 3 HYPERLINK l _Toc391043951 2.1系統(tǒng)整體方案 PAGEREF _Toc3910

8、43951 h 3 HYPERLINK l _Toc391043952 2.2控制器模塊設(shè)計方案 PAGEREF _Toc391043952 h 3 HYPERLINK l _Toc391043953 2.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案 PAGEREF _Toc391043953 h 4 HYPERLINK l _Toc391043954 2.4電機轉(zhuǎn)速獲取方案 PAGEREF _Toc391043954 h 4 HYPERLINK l _Toc391043955 2.5顯示模塊設(shè)計方案 PAGEREF _Toc391043955 h 5 HYPERLINK l _Toc391043956 3 硬件電

9、路設(shè)計 PAGEREF _Toc391043956 h 6 HYPERLINK l _Toc391043957 3.1 STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路 PAGEREF _Toc391043957 h 6 HYPERLINK l _Toc391043958 3.2 STC89C52單片機串口通信電路 PAGEREF _Toc391043958 h 7 HYPERLINK l _Toc391043959 3.3 USB供電電路 PAGEREF _Toc391043959 h 7 HYPERLINK l _Toc391043960 3.4按鍵與反相器電路 PAGEREF _Toc39104396

10、0 h 8 HYPERLINK l _Toc391043961 3.5數(shù)碼管顯示電路 PAGEREF _Toc391043961 h 8 HYPERLINK l _Toc391043962 3.6 L298電機驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc391043962 h 9 HYPERLINK l _Toc391043963 4 軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc391043963 h 10 HYPERLINK l _Toc391043964 4.1 PID算法概述 PAGEREF _Toc391043964 h 10 HYPERLINK l _Toc391043965 4.1.1模擬PID PA

11、GEREF _Toc391043965 h 10 HYPERLINK l _Toc391043966 4.1.2數(shù)字PID PAGEREF _Toc391043966 h 11 HYPERLINK l _Toc391043967 4.1.3數(shù)字PID參數(shù)確定方法 PAGEREF _Toc391043967 h 13 HYPERLINK l _Toc391043968 4.2主程序 PAGEREF _Toc391043968 h 14 HYPERLINK l _Toc391043969 4.3定時器0中斷服務(wù)程序 PAGEREF _Toc391043969 h 15 HYPERLINK l _T

12、oc391043970 4.4 PID控制輸出程序 PAGEREF _Toc391043970 h 15 HYPERLINK l _Toc391043971 5 Altium Designer PCB繪制 PAGEREF _Toc391043971 h 17 HYPERLINK l _Toc391043972 5.1 Altium Designer簡介 PAGEREF _Toc391043972 h 17 HYPERLINK l _Toc391043973 5.2 PCB板設(shè)計流程 PAGEREF _Toc391043973 h 18 HYPERLINK l _Toc391043974 5.3

13、 PCB繪制相關(guān)規(guī)則 PAGEREF _Toc391043974 h 19 HYPERLINK l _Toc391043975 5.3.1元件布局規(guī)則 PAGEREF _Toc391043975 h 19 HYPERLINK l _Toc391043976 5.3.2 PCB布線規(guī)則 PAGEREF _Toc391043976 h 19 HYPERLINK l _Toc391043977 5.4 PCB展示 PAGEREF _Toc391043977 h 20 HYPERLINK l _Toc391043978 5.4.1 STC89C52單片機模塊 PAGEREF _Toc391043978

14、 h 20 HYPERLINK l _Toc391043979 5.4.2數(shù)碼管顯示模塊 PAGEREF _Toc391043979 h 21 HYPERLINK l _Toc391043980 5.4.3 L298電機驅(qū)動模塊 PAGEREF _Toc391043980 h 22 HYPERLINK l _Toc391043981 6 仿真分析 PAGEREF _Toc391043981 h 24 HYPERLINK l _Toc391043982 7 心得體會 PAGEREF _Toc391043982 h 25 HYPERLINK l _Toc391043983 參考文獻 PAGEREF

15、 _Toc391043983 h 26 HYPERLINK l _Toc391043984 附錄一 PAGEREF _Toc391043984 h 27 HYPERLINK l _Toc391043985 附錄二 PAGEREF _Toc391043985 h 29 HYPERLINK l _Toc391043986 附錄三 PAGEREF _Toc391043986 h 301引言1.1直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)背景直流電機調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電機的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電機的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電機的機械特性，使電機的運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機

16、具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動領(lǐng)域應(yīng)用歷史悠久。對直流電機轉(zhuǎn)速的控制既可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比，其性能大大提高。理想空載轉(zhuǎn)速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負載時電機轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多。當要求的靜差率相同時， 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。PID控制算法是控制理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種算法。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握

17、，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)偏差的比例、積分、微分進行控制的。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)

18、是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。在運動控制系

19、統(tǒng)中PID控制技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，是機器人等高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，它可以對運動部件的位置、速度等進行實時控制管理，使其符合相應(yīng)的控制要求，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、醫(yī)療、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)等領(lǐng)域，并受到各行各業(yè)地重視。1.2本設(shè)計實現(xiàn)的基本功能（1）按鍵設(shè)定電機轉(zhuǎn)速；（2）按鍵控制電機起停、正反轉(zhuǎn)；（3）PWM轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；（4）數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速設(shè)定值和轉(zhuǎn)速瞬時值；（5）上位機轉(zhuǎn)速實時曲線顯示。2 設(shè)計方案2.1系統(tǒng)整體方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)計系統(tǒng)方框圖如圖2-1所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示模塊用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機

20、中，并且通過控制器顯示到顯示模塊上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。圖2-1 系統(tǒng)整體方案框圖2.2控制器模塊設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受PID算法控制的PWM脈沖，并對電機當前速度進行采集處理。對于控制器的選擇有以下二種方案。方案一：采用傳統(tǒng)的STC89C52單片機作為運動物體的主控制器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，具有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 個I/O 口線，3個1

21、6 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。我們可以利用其定時器輸出PWM波，利用其外部中斷實現(xiàn)電機反饋脈沖計數(shù)。方案二：采用比MCS-51內(nèi)核單片機功能更強大的ARM處理器，如STM32F103ZE。STM32F103ZE處理速度更快（一般為72M），片上資源更多，功耗低，體積小，可在線調(diào)試，其定時器帶有PWM輸出模式和外部脈沖計數(shù)模式，通過配置相關(guān)寄存器后可直接用與PWM輸出和電機反饋脈沖計數(shù)。方案一和方案二都可以達到功能要求。但從編程復(fù)雜度來看，方案一中的STC89C52單片機編程較為簡單，易于實現(xiàn)；方案二中STM32F1

22、03ZE的編程有兩種方法，一是直接操作寄存器，二是使用ST官方提供的固件函數(shù)庫，但是無論使用哪種方法，相比STC89C52單片機的編程都比較復(fù)雜。而且從成本角度來看，ARM處理器及其相關(guān)調(diào)試工具價格較高，相比之下方案一的成本更低。綜上所述，本次設(shè)計選擇方案一。2.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案本次設(shè)計的主要目的是控制電機的轉(zhuǎn)速，因此電機驅(qū)動模塊必不可少，其方案有如下兩種。方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、可靠性下降。 方案二：采用專用的電機驅(qū)動芯片，例如L298電機驅(qū)動芯片，由于它內(nèi)

23、部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全可靠，所以我們在應(yīng)用時只需考慮芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率?；谏鲜龇治?，電機驅(qū)動模塊選用方案二。2.4電機轉(zhuǎn)速獲取方案在仿真環(huán)境Proteus中只有一種直流電機集成了測速傳感器，在搜索欄里搜索motor-encoder，即可得到這種電機模型。本設(shè)計中設(shè)置電機轉(zhuǎn)一圈發(fā)出60個脈沖。根據(jù)實際運轉(zhuǎn)情況及結(jié)合所編寫程序，確定轉(zhuǎn)速公式為：V=N*15; (2-1)式2-1中，V為轉(zhuǎn)速；N為每個采樣周期中直流電機反饋的脈沖個數(shù)；15為程序中設(shè)定的直流電機轉(zhuǎn)速與反饋脈沖

24、數(shù)的比值。Proteus仿真環(huán)境中，帶測速功能的直流電機模型如下圖2-2所示圖2-2 帶測速功能的直流電機模型2.5顯示模塊設(shè)計方案由于本設(shè)計需要顯示的參數(shù)比較少，因此可以用最簡單的LED數(shù)碼管來作為顯示模塊。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點。 3 硬件電路設(shè)計3.1 STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路圖3-1 STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路原理圖復(fù)位電路：單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C4的大小直接影響單片機的復(fù)位時間，一般采用1030uF。電容值越大,STC89C52單片機系統(tǒng)需要的復(fù)位時間越短。晶振電路：單片機最小系統(tǒng)晶振Y1也可以采

25、用6MHz、11.0592MHz、12MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，本設(shè)計中選取11.0592MHz的晶振。單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。單片機最小系統(tǒng)起振電容C2、C3一般采用1533pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好。上拉電阻：P0口為開漏輸出，作為輸出口時需加上拉電阻，阻值一般為10k。其他接口內(nèi)部有上拉電阻，作為輸出口時不需外加上拉電阻。3.2 STC89C52單片機串口通信電路圖3-2 串口通信電路原理圖計算機的串口為RS-232C負邏輯電平，其中高電平為 -12V,低電平為+12V，而51單片機的高電

26、平為+5V，低電平為0V.,因此51單片機與PC機進行通信時需要進行電平轉(zhuǎn)換。這里使用的是MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。3.3 USB供電電路圖3-3 USB供電電路原理圖整個系統(tǒng)采用USB供電口進行供電，用6腳帶鎖開關(guān)S1作為電源開關(guān)。LED1為電源指示燈，R1為限流電阻，電容C1為去耦電容。3.4按鍵與反相器電路圖3-4 按鍵、反相器電路原理圖本系統(tǒng)使用獨立按鍵S4、S5來調(diào)整電機速度，其中J1、J2分別與STC89C52單片機的P1.1和P1.2相連。反相器7404用來調(diào)整電機正反轉(zhuǎn)。3.5數(shù)碼管顯示電路圖3-5 數(shù)碼管顯示電路原理圖本系統(tǒng)采用2個4位數(shù)碼管來顯示速度設(shè)定值和速度瞬時值。由于

27、STC89C52單片機的I/O驅(qū)動電流有限，因此我們采用74HC573來放大驅(qū)動電流。3.6 L298電機驅(qū)動電路圖3-6 L298電機驅(qū)動電路原理圖 L298電機驅(qū)動電路主要由光耦芯片（TLP521）、L298芯片和續(xù)流二極管組成。光耦主要起到隔離作用，防止電機驅(qū)動電路對單片機控制電路造成干擾。L298是直流電機驅(qū)動芯片，續(xù)流二極管作用是給電感性負載（如電機線圈）提供續(xù)流通路。4 軟件設(shè)計4.1 PID算法概述控制算法是控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)，目前學(xué)術(shù)界提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實

28、際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法。下面分別介紹模擬PID、數(shù)字PID及其參數(shù)整定方法。4.1.1模擬PID在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示，系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)及控制對象組成。圖4-1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。在實際應(yīng)用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將P、I、D基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。例如P調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器，P

29、ID調(diào)節(jié)器等。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 （4-1） = （4-2）式4-1中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。式4-2中為設(shè)定值，為實際輸出值。簡單的說，PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。由式4-1可得，模擬

30、PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 （4-3） 由于本設(shè)計主要采用數(shù)字PID算法，所以對于模擬PID只做此簡要介紹。4.1.2數(shù)字PID在數(shù)字系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計，實際上是計算機算法的設(shè)計。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設(shè)計。為將模擬PID控制規(guī)律離散化，我們把圖4-1中、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式（4-2）變?yōu)?：= （4-4）當采樣周期T很小時可以用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 （4-5）

31、 （4-6）這樣，式（4-1）便可離散化以下差分方程 （4-7） 上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用，稱為比例項，即 (4-8)第二項起積分控制作用，稱為積分項即 (4-9) 第三項起微分控制作用，稱為微分項即 (4-10)這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用，常用的組合有：P控制： （4-11）PI控制： （4-12）PD控制： （4-13）PID控制： （4-14）式（4-7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置。因此，式（4-7）又稱為位置型PID算式。由（4-7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,

32、不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（4-7）進行改進。根據(jù)式（4-7）不難看出的表達式，即 （4-15）將式（4-7）和式（4-15）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為 （4-16）從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為（4-17）式（4-17）中： 稱為比例增益； 稱為積分系數(shù)； 稱為微分系數(shù)。4.1.3數(shù)字PID參數(shù)確定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要

33、求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。本設(shè)計主要依據(jù)經(jīng)驗法來調(diào)試PID參數(shù)。經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來調(diào)整P、I、D三者參數(shù)的大小的。 下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：（1）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)，實際微分系數(shù)，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。（2）取比例系數(shù)為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。（3）積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)

34、調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。（4）引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此時可適當增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。4.2主程序主程序主要做了系統(tǒng)初始化，定時器0的初始化、按鍵掃描、數(shù)碼管顯示，定時向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)和PWM輸出。流程圖如下圖所示：圖4-2 主程序流程圖4.3定時器0中斷服務(wù)程序定時器0中斷程序中用來對數(shù)碼管顯示送段友和位碼，以及在固定周期內(nèi)計算轉(zhuǎn)速和進行PID計算 。流程圖如下圖所示：圖4-3 定時器中斷服務(wù)程序流程圖

35、4.4 PID控制輸出程序當電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變,或電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時，會引起偏差的階躍，使增大，PID的輸出將急劇增加或減小，以至于超過控制量的上下限，此時電機的轉(zhuǎn)速雖然不斷上升,但由于控制量受到限制,其增長的速度減慢,偏差將比正常情況下持續(xù)更長的時間。PID控制輸出程序主要是根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和轉(zhuǎn)速當前值來計算輸出控制量，根據(jù)控制量控制PWM的占空比，達到調(diào)速的目的。其程序流程圖如下：圖4-4 PID控制輸出程序流程圖5 Altium Designer PCB繪制5.1 Altium Designer簡介隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和印制電路板加工工藝不斷提高，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的不斷涌

36、現(xiàn)，現(xiàn)代電子線路系統(tǒng)已經(jīng)變得非常復(fù)雜。同時電子產(chǎn)品有在向小型化發(fā)展，在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更復(fù)雜的電路功能，正因為如此，對印制電路板的設(shè)計和制作要求也越來越高?？焖?、準確的完成電路板的設(shè)計對電子線路工作者而言是一個挑戰(zhàn)，同時也對設(shè)計工具提出了更高要求，像Cadence、PowerPCB以及Protel等電子線路輔助設(shè)計軟件應(yīng)運而生。其中Protel在國內(nèi)使用最為廣泛。本此設(shè)計主要采用Altium Designer（Protel新版本）實現(xiàn)硬件電路的PCB繪制。Altium Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真

37、、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進行設(shè)計。熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。Altium Designer主要由兩大部分組成，每一部分都有幾個模塊.第一部分是電路設(shè)計部分，主要由原理設(shè)計系統(tǒng)和印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)組成。原理設(shè)計系統(tǒng)包括用于設(shè)計原理圖的原理圖編輯器,用于修改和生成原理圖元件的原件編輯器，以及各種報表的生成器。印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)包括用于設(shè)計電路板的電路板編輯器以及用于修改和生成元件封裝的元件封裝編輯器。第二部分是電路仿真與可編程邏輯器件設(shè)計部分，主要用于電路仿真和可編程邏

38、輯器件的設(shè)計。Altium Designer采用數(shù)據(jù)庫的管理方式。Altium Designe軟件沿襲了Protel以前版本方便易學(xué)的特點，內(nèi)部界面與Protel 99大體相同，新增加了一些功能模塊，功能更加強大。新增的層堆棧管理功能，可以設(shè)計32個信號層，16個地電層，16個機械層。新增的3D功能讓您在加工印制版之前可以看到板的三維效果。增強的打印功能，使開發(fā)真可以輕松修改打印設(shè)置控制打印結(jié)果。5.2 PCB板設(shè)計流程用Altium Designer 繪制PCB板的流程圖如圖5-1所示。圖5-1 PCB設(shè)計流程圖5.3 PCB繪制相關(guān)規(guī)則5.3.1元件布局規(guī)則元件布局不僅影響PCB的美觀，而

39、且還影響電路的性能。在元件布局時應(yīng)注意一下幾點：（1）先布放關(guān)鍵元器件（如單片機、DSP、存儲器等），然后按照地址線和數(shù)據(jù)線的走向布放其他元件。（2）高頻元器件引腳引出的導(dǎo)線應(yīng)盡量短些，以減少對其他元件及其電路的影響。（3）模擬電路模塊與數(shù)字電路模塊應(yīng)分開布置，不要混合在一起。 （4）帶強電的元件與其他元件距離盡量要遠，并布放在調(diào)試時不易觸碰的地方。 （5）對于重量較大的元器件，安裝到PCB上要安裝一個支架固定，防止元件脫落。（6）對于一些嚴重發(fā)熱的元件，必須留出安裝散熱片的空間。（7）電位器、可變電容等元件應(yīng)布放在便于調(diào)試的地方。5.3.2 PCB布線規(guī)則Altium Designer 提供

40、了自動布線功能，但是為了提升自己的能力，本次設(shè)計我們不使用自動布線功能，而使用手動布線。布線時應(yīng)遵循以下基本原則。（1）輸入端導(dǎo)線與輸出端導(dǎo)線應(yīng)盡量避免平行布線，以免發(fā)生耦合。（2）在布線允許的情況下，導(dǎo)線的寬度盡量取大些，一般不低于10mil。（3）導(dǎo)線的最小間距是由線間絕緣電阻和擊穿電壓決定的，在允許布線的范圍內(nèi)應(yīng)盡量大些，一般不小于12mil。 （4）微處理器芯片的數(shù)據(jù)線和地址線應(yīng)盡量平行布線。（5）布線時盡量少轉(zhuǎn)彎，若需要轉(zhuǎn)彎，一般取45度走向或圓弧形。在高頻電路中，拐彎時不能取直角或銳角，以防止高頻信號在導(dǎo)線拐彎時發(fā)生信號反射現(xiàn)象。 （6）電源線和地線的寬度要大于信號線的寬度。5.4

41、 PCB展示考慮模塊的重復(fù)利用原則，在設(shè)計本系統(tǒng)的PCB時，我們將本系統(tǒng)分為三大模塊來分別繪制PCB，這樣繪制好的PCB模塊以后可以根據(jù)需要再多次使用。這三個PCB模塊分別為：STC89C52單片機模塊，數(shù)碼管顯示模塊，L298電機驅(qū)動模塊。5.4.1 STC89C52單片機模塊STC89C52單片機模塊主要由原最小系統(tǒng)模塊、串口通信模塊、USB供電模塊、按鍵和反相器模塊構(gòu)成，總電路原理圖見附錄一。其PCB 2D效果圖、3D效果圖如下所示：圖5-2 STC89C52單片機模塊PCB 2D效果圖圖5-3 STC89C52單片機模塊PCB 3D效果圖5.4.2數(shù)碼管顯示模塊數(shù)碼管顯示模塊單獨繪制一

42、塊PCB，以便今后復(fù)用。其原理圖見圖3-5，其PCB 2D效果圖、3D效果圖如下：圖5-4 數(shù)碼管顯示模塊PCB 2D效果圖圖5-5 數(shù)碼管顯示模塊PCB 3D效果圖5.4.3 L298電機驅(qū)動模塊L298電機驅(qū)動模塊也單獨繪制一塊PCB，便于今后復(fù)用。其原理圖見圖3-6，其PCB 2D效果圖、3D效果圖如下：圖5-6 L298 電機驅(qū)動模塊PCB 2D效果圖圖5-7 L298電機驅(qū)動模塊PCB 3D效果圖6 仿真分析經(jīng)仿真調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當PID參數(shù)設(shè)定為=0.06，=0.05，=0時，系統(tǒng)會達到很好的調(diào)速效果，因此本系統(tǒng)是在=0.06，=0.05，=0時進行仿真的。仿真總原理圖見附錄二。圖6-1

43、 速度顯示值本次仿真以轉(zhuǎn)速設(shè)定值1000為例。當鍵盤輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值1000后，系統(tǒng)運行20s左右，轉(zhuǎn)速實際值將接近轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并且接下來的時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速實際值始終穩(wěn)定在1000左右，最大誤差約為5%。虛擬示波器顯示速度實時曲線如下：圖6-2 虛擬示波器實時速度曲線顯示7 心得體會經(jīng)過一周的忙碌和學(xué)習(xí)，本次課程設(shè)計圓滿結(jié)束。此次的課程設(shè)計讓我受益頗深，不僅復(fù)習(xí)了STC89C52單片機的編程，而且學(xué)習(xí)了PID算法和Altium Designer軟件的操作，畫出了電路的原理圖和PCB圖。通過本次課程設(shè)計，我明白了自主學(xué)習(xí)的重要性。本次課程設(shè)計是我第一次接觸PID算法，通過在網(wǎng)上查閱資料和在圖書管借閱書

44、籍，我對PID算法有了一定的了解，而且通過編程實現(xiàn)了PID算法，最終調(diào)試完成整個系統(tǒng)。課程設(shè)計雖然做完了，但現(xiàn)在學(xué)的這點知識還遠遠不夠，特別是Altium Designer這個軟件的功能非常強大，要能夠熟練運用我們還有很多要學(xué)習(xí)?？傊@次課程設(shè)計完成的還算順利，雖然也遇到過一些問題，但通過和同學(xué)討論一起學(xué)習(xí)都能解決。不管怎樣，這些都是一次鍛煉,一次知識的積累,一次能力的提高。完全可以把這些當作基礎(chǔ)東西，只有掌握了這些最基礎(chǔ)的，才可以更進一步，取得更好的成績。很少有人會一步登天，永不言棄才是最重要的。這對于我們的將來是有很大的幫助的。正所謂“紙上談兵終覺淺,覺知此事要躬行”。學(xué)習(xí)任何知識，僅從理

45、論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的，所以在學(xué)習(xí)了數(shù)字電路、單片機之后緊接著來一次Protel課程設(shè)計是很及時、很必要的。這樣不僅能加深我們數(shù)字電路、單片機的認知，而且還及時、真正的做到了學(xué)以致用，提高了我們的實踐能力。參考文獻1 何立民. MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990：83-87.2 沙占友. 單片機外圍電路設(shè)計M. 北京：電子工業(yè)出版社, 2003：21.3 泰繼榮. 現(xiàn)代直流控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：機械工業(yè)出版社，1993：141-145.4 閆勝利. Altium Designer實用寶典-原理圖與PCB設(shè)計M

46、.北京：電子工業(yè)出版社，2007.5 韓國棟，趙月飛，婁建安. Altium Designer Winter 09電路設(shè)計入門與提高M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.6 姚雷博，郭超，董紅政基于Proteus仿真軟件的80C51單片機教學(xué)研究J北京：中國電力教育，2010，(31) :71727 肖建平. 基于Proteus的單片機實驗教學(xué)改革研究J北京：中國科技信息，2009，(18) :2462478 袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲基于Proteus的單片機課程教學(xué)與實驗改革J上海：實驗室研究與探索，2007，26，(12) :75789 孫傳友. 測控系統(tǒng)原理與設(shè)計M .北京：北京航空航天大學(xué)

47、出版社, 2003：160166，174.10 王兆安. 電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社, 2006：150152.11 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實用教程M. 北京：科學(xué)出版社, 2003：33.12 Behzad Razavi.Design of Analog CMOS and Integrated CircuitsM.McGraw-Hill Companies，2001：28-36.13 Tao Wu，Ykang Yang，Yongxuan Huang，etal. H-PID Controller Parameters Tuning via Genetic AlgorithmsC

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49、錄二圖四 proteus仿真電路圖附錄三主程序代碼如下：#include#include#includePID.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define TH0_Value 0 xf8#define TL0_Value 0 xcc /2msunsigned char code Duan=0 x3F, 0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F;/共陰極數(shù)碼管，0-9段碼表uchar Data_Buffer8=0,0,0,0,0,0,0,0;uint

50、SpeedSet=1000; /速度設(shè)定值uint Inpluse=0,num=0;/脈沖計數(shù)uint cnt=0;uint PWMTime=0;/脈沖寬度sbit AddSpeed=P11;/速度加按鍵sbit SubSpeed=P12;/速度減按鍵sbit PWM_FC=P10; /pwm輸出管腳 bit flag0=0;bit flag1=0;float uk1=0.0;/pid輸出值int out=0;PIDStru_Float g_PidSt_A;/PID變量void AllInit(void);void Refresh(void);void SetSpeed(void);void

51、delayms(uchar x);void PWMOUT(void);/*主函數(shù)*/void main(void)char a,b; AllInit();while(1) SetSpeed(); Refresh();/把顯示數(shù)組中的數(shù)更新 PWMOUT(); if(flag0=1)flag0=0;/ES=0;/TI=1;/num=0 xee33;b=num&0 xff;a=(num8);SBUF=a;/SUBF接受/發(fā)送緩沖?while(!TI);TI=0;SBUF=b;/SUBF接受/發(fā)送緩沖?while(!TI);TI=0;/ES=1; /*初始化函數(shù)*/void AllInit(void

52、) TMOD=0 x21;/定時器1用于串口(8位自動重裝初值)，定時器2用于定時(16位定時器)TH0=TH0_Value;/248TL0=TL0_Value;/204 2msET0=1;/打開定時器0中斷TR0=1;/啟動定時器0EX0=1;/打開外部中斷0允許位IT0=1;/外部中斷0為跳變沿觸發(fā)方式PCON=0 x00;/串口波特率正常 SM0D=0;SCON=0 x50;/ 10位異步收發(fā)（8位數(shù)據(jù)） ，波特率可變由定時器 1的溢出率決定TH1=0 xfd;TL1=0 xfd;/波特率28800TR1=1; /啟動定時器1ES=0; /打開串行口中斷EA=1; /打開總中斷PID_I

53、nit_Float(&g_PidSt_A,0.060,0.05,0);/*pwm輸出*/void PWMOUT(void)if(cnt250) cnt=0;/*顯示刷新函數(shù)*/void Refresh(void) 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_Buffer7=num%10;/*速度設(shè)定函數(shù)*/void