直流电机转速PID控制课程设计报告Word文件下载.doc

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3.1系统设计要求 10

3.2系统模块设计 12

第四章 硬件设计与实现 17

4.1硬件设计 17

4.2系统面板图 24

第五章 流程设计 26

5.1软件设计流程图 26

第六章 程序说明 30

6.1直流电机部分程序 30

6.2温度检测部分程序 37

第七章 说明及调试 46

7.1调试过程 46

7.2运行结果 47

第八章 课程设计体会 49

第一章PID简介

PID（比例积分微分，英文全称为ProportionIntegrationDifferentiation）控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍是应用最广泛的工业控制器。

PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

其输入e（t）与输出u（t）的关系为u（t）=kp（e（（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt）式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：

G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）其中kp为比例系数；

TI为积分时间常数；

TD为微分时间常数。

本次课程设计就是应用数字PID模型作单片机控制编程，其中P、I、D参数可按键输入并用LED数码显示；

单片机PWM调宽输出，开关驱动、电子滤波控制模拟电机（压控振荡器）实现对直流电机的PID调压调速功能。

80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（PUSH）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。

采用40引脚双列直插式DIP（DualInLinePackage），内有128个RAM单元及4K的ROM。

80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。

80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。

由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

　　lP0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

　　lP1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

　　lP2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

lP3.0~P3.7P3口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能

　　1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

　　2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

　　3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

　P1口只做I/O口使用：

其内部有上拉电阻。

　　P2口有两个功能：

　　1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用

　　2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；

　　P3口有两个功能：

　　除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

　　有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，

　　即：

编程脉冲：

30脚（ALE/PROG）

　　编程电压（25V）：

31脚（EA/Vpp）

　　这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失。

　　在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么东东呢？

他起什么作用呢？

都说了是电阻那当然就是一个电阻啦，当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；

所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。

　　ALE/PROG地址锁存控制信号：

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展EEPROM电路，在图中ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。

ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。

当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

关于锁存器的内容，我们稍后也会介绍。

　　在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。

从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

　　PORG为编程脉冲的输入端：

我们已知道，在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？

实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

　　PSEN外部程序存储器读选通信号：

在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

　　1、内部ROM读取时，PSEN不动作；

　　2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

　　3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

　　4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

　　EA/VPP访问和序存储器控制信号

　　1、接高电平时：

　　CPU读取内部程序存储器（ROM）

　　扩展外部ROM：

当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

　　2、接低电平时：

CPU读取外部程序存储器（ROM）。

在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

　　3、8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

　　RST复位信号：

当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

　　XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。

当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；

当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

　　VCC：

电源+5V输入

第二章直流电机工作原理

2.1工作原理

本设计中的电子钟的核心是AT89C51。

硬件电路主要由六部分构成：

PID控制电路、复位电路、键盘电路、显示电路、串行通信电路以及温度检测电路。

PID控制电路是电子钟硬件电路的核心，没有PID控制电路，直流电机无法正常稳定运行。

本系统电路采用的晶振11.0592MHz，一号单片机定时器采用的是定时器0工作在方式2定时，用于实现一定时间的计时，定时时间为10ms。

复位电路可使单片机回复到初始状态。

键盘可实现对直流电机转速的设定及启动的操作。

温度检测是通过DS18B20芯片实现，在温度显示中还要注意数的转换。

在该设计中还用到定时器1工作在方式2用来产生9600的波特率，用在两片单片机之间串行传送数据。

1、外部中断INT1

当电机转一圈时向外部中断进行一次中断计数，从而实现电机转速的测量。

2、一号单片机转速显示

当电机转动时，显示部分可以把电机的设定转速或者是通过通信由温度计算的转速显示出来，同时在右侧部分显示电机当下的转速。

二号单片机的温度显示与之类似。

3、温度测量

温度测量有专门的芯片DS18B20。

DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。

GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。

VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3．O～5．5V。

当DSI8B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。

转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0，1字节。

单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0．0625℃／LSB形式表示。

4、按键选择

一号单片机的键盘采用4×

4的按键方式检测按键。

P0、P1口不断扫描按键的行和列从而计算出所选择的数值，进而执行相关的程序。

二号单片机原理类似。

5、直流电机驱动部分

一号单片机根据端口采集到的电机的转速，经过PID计算，通过另一端口发送PWM波，从而使电机改变转速。

2.2、直流电机PID控制原理方框图

图2.2电路连接图

第三章控制系统方案选择

3.1系统设计要求

总要求：

自动化工程训练是自动化专业学生在完成自动控制理论、单片机原理及应用、计算机控制技术等专业课程学习后的一个重要实践环节，其目的主要在于使学生掌握自动化技术的实际工程应用知识，对典型控制系