单片机PID控制直流电机转速.doc
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本科毕业设计
单片机PID控制直流电机转速
学生姓名：
学生学号：
院（系）：
电气信息工程学院
年级专业：
电子信息工程
指导教师：
助理指导教师：
二〇一五年五月
-2-
本科毕业设计（论文）摘要
摘要
在运动控制系统中，对电机转速的控制有着十分重要的作用，其控制的手段，方式与算法很多。
模拟PID控制是起源比较早的控制策略之一，经过长期的发展，形成了典型的结构，参数整定相对方便，并且能满足一般的控制场景；但不足的是在模拟PID控制系统中，参数一旦整定，在整个控制过程中都是不能改变的，而在实际中，由于现场的系统参数、速度、温度等环境时刻改变，使系统难以到最佳的控制效果，故采用模拟PID控制较难获得令人满意的控制效果。
随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。
本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以STM32F103C8单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。
同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。
在系统中采用OLED显示屏作为显示部件，通过4×4矩阵键盘设定转速，启动，启动后可以通过显示部件了解电机当前的转速，当前误差。
该系统控制精度高，具有很强的抗干扰能力。
关键词PID,PWM脉冲,占空比,无静差调节
I
本科毕业设计（论文）ABSTRACT
ABSTRACT
Inthemotioncontrolsystem,themotorspeedcontrolhasaveryimportantroleinmanyofitscontrolmeans,methodsandalgorithms.AnalogPIDcontrolistheoriginofoneofthecontrolstrategiesearlier,afteralong-termdevelopment,theformationofatypicalconfiguration,parametersettingisrelativelyeasy,andcanmeetthegeneralcontrolofthescene;butthedownsideisthattheanalogPIDcontrolsystems,parameteroncetuning,theentirecontrolprocessisnotchanged,butinpractice,duetosystemparametersscene,speed,temperatureandotherenvironmentalchangesintime,thesystemisdifficulttocontrolthebestresults,itisdifficulttoobtainusinganalogPIDcontrolsatisfactorycontroleffect.Withthecomputertechnologyandintelligentcontroltheory,digitalPIDtechnologygraduallydeveloped,itcannotonlyrealizetheanalogPIDcontroltaskscompleted,andincludesacontrolalgorithmflexible,highreliability,applicationsurfaceandwider.
ThedesignofdigitalPIDcontroltheabove-mentionedbasicalgorithmtoSTM32F103C8microcontrollercore,thedutycyclebyadigitalPIDalgorithmgeneratesthePWMpulsecontroltoachieveDCmotorspeedcontrol.AtthesametimetheuseofphotoelectricsensorstoconvertthemotorspeedtopulsefrequencybacktotheSCM,closed-loopspeedcontrol,tospeedstaticerroradjustmentpurposes.OLEDdisplayusingadisplayunitinthesystem,by4×4matrixkeyboardsetthespeed,startbydisplayingpartofthecurrentunderstandingofthemotorspeed,thecurrenterrorafterstarting.Thesystemcontrolandhighprecision,hasastronganti-jammingcapability.
KeywordsPID,PWMimpulse,dutyfactor,astaticmodulation
II
本科毕业设计（论文）目录
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状和水平 1
1.3PID控制器的发展趋势 2
2设计方案与论证 3
2.1设计要求和技术指标 3
2.1.1基本功能 3
2.1.2技术指标 3
2.2系统设计方案 3
2.3控制器模块设计方案 4
2.4电机驱动模块设计方案 4
2.5速度采集模块设计方案 5
2.6显示模块设计方案 5
2.7键盘模块设计方案 6
2.8电源模块设计方案 6
2.9确定方案 7
3硬件电路设计 8
3.1STM32F103C8最小系统 8
3.1.1STM32F103xx简介 8
3.1.2STM32F103XX管脚图与原理图 9
3.24x4矩阵键盘 10
3.3L298N电机驱动模块 10
3.4光电编码器 11
3.5OLED显示屏 12
3.5.1OLED简介 12
3.5.2四线串行信号线选择及时序图 12
3.5.3OLED驱动芯片SSD1306 13
4软件设计 14
4.1PID简介及算法实现 14
4.1.1PID简介 14
4.1.2PID算法实现 14
4.2主函数流程图 15
4.3定时中断速度采集 16
4.3.1STM32F103xx通用定时器简介 16
4.3.2速度采集原理及定时器流程图 17
4.4外部中断及中断处理流程图 17
4.4.1外部中断/事件控制器（EXTI） 17
4.4.2键盘中断处理流程图 18
5系统测试结果 19
5.1系统调试数据 19
5.2系统效果图 20
结论 21
参考文献 22
附录A 23
附录B 42
致谢 46
1
本科毕业设计（论文）1绪论
1绪论
1.1课题背景
21世纪，科学技术日新月异，显然，伴随着科技的飞速发展，控制技术也得到了快速的发展，现代控制设备的性能和结构都发生了翻天覆地的变化。
我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。
目前，工业的自动化水平已成为度量各个行业现代化水平的一个十分重要的标志。
然而，自PID控制器问世以来已有70多年历史，控制理论的发展也经历了古典、现代和智能控制理论三个阶段。
却没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。
现在大多数的调节器基本都源自PID。
为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？
原因之一是PID解决了自动控制理论所需要解决的最基本问题，既系统的快速性、准确性和稳定性。
通过调节参数，在系统稳定的前提下，满足系统的抗扰和负载能力，同时，在PID中加入了积分项，使之成为一阶或多阶的系统，而这样的系统阶跃响应稳态误差为零。
另一个原因则是其结构简单、工作可靠、调整方便。
因此，PID控制技术也成为了工业控制的主要技术之一。
随着我国国力日益强盛和全球经济的快速发展，PID控制技术已经渗透到了铁道运输、钢铁生产、汽车制造、航天航空、物流配送、医疗、饮料生产等各个领域。
一大批机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国际市场，参与国际竞争也成为现实需求。
但是由于中国科技相对落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技术与解决方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。
1.2国内外研究现状和水平
比例-积分-微分（PID）控制器被广泛应用于化工，冶金，机械，轻工等热工和工业过程控制系统中，是最常见的一种控制调节器。
PID有几个重要的功能：
提供反馈控制，通过积分作用能消除稳态误差，通过衍生诉讼预测未来。
因此，PID控制器是特别适合的动力性能和控制性能过程中是良性的要求不高的场合。
PID控制是一种分布式控制系统，该系统还包括在一些特殊用途的控制系统的一个重要组成部分。
在工业过程控制，95％以上的控制回路是PID结构的，而且大多数是实际PI控制回路。
PID控制器许多有用的功能由于商业秘密并没有被广泛传播，比如模式切换和防止卷起装置等技术便是典型例子。
现场总线的出现则是另一个重要的发展，这将对分布式系统的控制结构产生深远的影响。
PID控制器的现场总线概念的一个重要组成部分，也可能与现场总线的发展被标准化。
国际上有一些研究文章陈述了当前工业控制的状况，如1989年，日本电子测量仪器协会对过程控制系统制造在国际上做的调查报告。
该报告显示，90％以上的控制环路的是PID结构。
在加拿大造纸厂额外的统计报告显示，一个典型的造纸厂一般有2000多控制回路，其中PI控制在97％以上，而只有20％的控制回路是相当令人满意的。
究其原因一般情况差控制回路性能参数设定不当的30％，30％是阀门的问题。
控制器的性能差的另外20％有多种原因，如传感器的问题，不正确的采样频率滤波器和其他选项和问题。
Ender也得到类似的统计：
该过程已被安装在控制器处于手
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