基于51单片机的闭环控制 附带源程序文档格式.docx
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而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。
但是此设计中电机只需要正转，所以相对来说简单点。
3硬件设计
8051单片机简介
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
部分功能如下：
（1）8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM;
（2）32个双向I/O口;
（3）256x8bit内部RAM;
（4）3个16位可编程定时/计数器中断;
（5）时钟频率0-24MHz;
（6）2个串行中断，可编程UART串行通道;
（7）2个外部中断源，共8个中断源;
（8）2个读写中断口线，3级加密位;
直流电机
设计中采用直流电机，自带高精度的磁编码器，性能介绍如图一所示，
接线说明如图二所示：
性能介绍图一
接线图二
L298N
恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N，简称H桥。
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；
可以直接用单片机的IO口提供信号；
而且电路简单，使用比较方便。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
L298芯片驱动电路图如下：
图1L298芯片驱动电路图
系统总体电路
图中控制器模块为系统的核心部件，电位器和显示器是用来实现人机交换功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。
在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。
PWM脉冲
图1系统方案框图
4软件设计
PID算法
PI调节器是电力拖动自动控制中最常用的的一种，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计，然后再离散化，得到数字控制器的算法。
PI调节器的传递函数如式所示：
（）
若输入误差函数为e（t）,输出函数为u（t）,则e（t）和u（t）的关系时域表达式可写成：
（）
式子中
为比例系数，
为比例系数。
将式转化为差分方程，得到数字PI调节器的表达式，其第k拍输出为：
式中
为采样周期。
增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算出输出值。
增量式PI调节器算法为：
（）
在控制系统中，常需要对调节器的输出实施限幅。
在数字控制算法中，要对u限幅，只需要在程序中设置限幅值。
不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅时，则两者略有差异。
增量式PI调节器算法只需要输出限幅，而位置式算法必须同时设置积分限幅和输出限幅。
若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较大的退饱和超调。
算法模块如下：
inte=0,e1=0,e2=0;
floatuk=0,uk1=,duk=;
//PID输出值
floatkp=5,ki=,kd=;
//PID控制系数
上面是初始化部分
voidPIDControl（）//PID偏差计算
{
e=temp-num;
//变量temp是AD采集过来的值，num是通过M法测出点值
duk=（kp*（e-e1）+ki*e+kd*（e-2e1+e2））
uk=uk1+duk;
out=（int）uk;
if（out>
250）
{
out=100;
}
elseif（out<
0）
out=0;
uk1=uk;
e2=e1;
e1=e;
value=out;
//value最后送给PWM。
}
这部分是子程序
M法测速
在一定时间Tc内测取旋转编码器输出脉冲个数M1，用以计算这段时间内的转速，称作M法测速。
把M1除以Tc就可以得到旋转编码器输出脉冲的频率f1=M1/Tc,所以又称频率法。
电机每转一圈共产生Z个脉冲（Z=倍频系数*编码器光栅数），把f1除以Z就得到在单位时间内电机的转速。
在习惯上，时间Tc以s为单位，而转速是以r/min为单位，则电动机的转速为:
n=60M1/ZTc（）
由于Z和Tc都是常数，因此转速n与计数值M1成正比，故此测速方法称M法测速。
具体程序部分用外部中断计数和定时器来完成，程序如下：
voidexter0（）interrupt0//外部中断脉冲计数
{//M法测速度（外部中断0和定时器0用在M法测速上）
Inlpuse++;
voidtimer0（）interrupt1
{
TH0=0x3c;
//重装初值
TL0=0xb0;
time++;
if（time>
=20）//1s钟读取一次转速（2*60ms）
{EX0=0;
TR0=0;
num=Inlpuse;
//计算转速
Inlpuse=0;
PIDControl（）;
//100ms控制一次
Inlpuse=0;
EX0=1;
TR0=1;
}
参数设定
在程序中修改PID调节算法中的比例系列、积分系数和微分系数可以得到不同特性的转速曲线。
参数改变，转速响应的超调量和调整时间发生变化。
系统的稳定性和快速性是一对矛盾，因此我们必须选择一个合适的PI参数。
在调试过程中，当令kp=5、ki=、kd=时系统的快速性和稳定性达到最佳状态。
电位器的AD采集模块
AD采集模块利用是我是直接调用了开发板里面的程序，这个模块可以也可以自己制作。
我用的XPT2046是一款4线制电阻式触摸屏控制器，内含12位分辨率125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器。
此芯片支持从到的低电压I/O接口。
XPT2046能通过执行两次A/D转换查出被按屏幕位置，除此之外，还可以测量加在触摸屏上的压力。
主要特性如下：
（1）工作电压范围为到
（2）支持的数字I/O口
（3）内建参考电压
（4）内建结温测量功能
（5）触摸压力测量，具有自动省电功能
（6）采用3线制SPI通信接口
程序见最后的程序清单。
5课题总结
从课题选定开始，先是看了一遍课本以及网上找了对应的论文，然后看了老师发的试验资料以及各个元器件的原理和用法，最后把硬件焊接起来，然后想如何测测速，如何给定，如何用PID进行控制，最后如何通过PID去控制PWM的占空比。
在调试的过程中遇到一个很简单和致命的问题，就是我用的开发板和L298N开始的时候没有共接地导致调速一直失败，最后通过用示波器观测PWM输出的波形发现了问题，当真正的实现调速的时候感觉很好，终于通过自己的努力完成了一项有点技术含量的事情。
继续加油。
全部程序如下：
对于程序，每个读者的I/0口或者用的ad采集方式不一样，程序可能不同，但是解决闭环问题的核心是读取给定值用AD转换，读取测速值用外部中断和定时器中段，PWM输出也用一个定时器。
#include"
"
//--定义使用的IO--//
#defineGPIO_DIGP0
sbitPWM=P1^0;
//PID偏
intout=0;
sbitIN2=P1^1;
//--定义一个全局变量--//
unsignedintvalue,timer1;
uintnum;
uintInlpuse=0,num=0;
//脉冲计数单元
uinttemp,count,temp1;
unsignedinttime=0;
sbitzhongduan=P3^2;
sbitLSA=P2^2;
sbitLSB=P2^3;
sbitLSC=P2^4;
//--定义全局变量--//
unsignedcharcodeDIG_CODE[17]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
//0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E、F的显示码
ucharDisplayData[8];
//用来存放要显示的8位数的值
voidDigDisplay（void）;
voidPIDControl（）//PID偏差计算
out=0;
voidSetSpeed（void）
temp1=Read_AD_Data（0x94）;
//AIN0电位器（100us采集一次
temp=2*temp1>
>
5;
//temp的变化范围在0-250之间
voidDigDisplay（void）
unsignedchari;
unsignedintj;
DisplayData[7]=DIG_CODE[num%10000/1000];
DisplayData[6]=DIG_CODE[num%1000/100];
DisplayData[5]=DIG_CODE[num%100/10];
DisplayData[4]=DIG_CODE[num%10/1];
DisplayData[3]=DIG_CODE[temp%10000/1000];
DisplayData[2]=DIG_CODE[temp%1000/100];
DisplayData[1]=DIG_CODE[temp%100/10];
DisplayData[0]=DIG_CODE[temp%10/1];
for（i=0;
i<
8;
i++）
switch（i）//位选，选择点亮的数码管，
{
case（0）:
LSA=0;
LSB=0;
LSC=0;
break;
//显示第0位
case
（1）:
LSA=1;
//显示第1位
case
（2）:
LSB=1;
//显示第2位
case（3）:
//显示第3位
case（4）:
LSC=1;
//显示第4位
case（5）:
//显示第5位
case（6）:
//显示第6位
case（7）:
//显示第7位
}
GPIO_DIG=DisplayData[i];
//发送段码
j=50;
//扫描间隔时间设定
while（j--）;
GPIO_DIG=0x00;
//消隐
{//M法测速度（外部中断0和定时器0用在M法测速上）
voidT1_time（）interrupt3
count1++;
if（count1>
=100）count1=0;
//计时100us*100=10ms=100Hz
if（count1<
value）pwm=1;
//占空比
elsepwm=0;
voidSystemInit（）
{
TMOD=0x21;
//设定时器0为工作方式1,定时器1为工作方式2（自动重装初值）
//设定50ms一次中断
TH1=0x9c;
//设定100us一次中断
TL1=0x9c;
EA=1;
//开总中断
ET0=1;
//开定时器0中断
ET1=1;
//开定时器1中断
//开外部中断0
IT0=1;
//启动下降沿触发有效
TR1=1;
//启动定时器1
TR0=1;
//启动定时器0
voidmain（）
SystemInit（）;
while
（1）
DigDisplay（）;
AD采集模块：
（这一部分程序只是AD采集模块，用的芯片是XPT2046，用spi通信方式，最后改变电位器可以改变temp的值，这部分程序读者可以自己解决，）
#ifndef__XPT2046_H_
#define__XPT2046_H_
//---包含头文件---//
#include<
//---重定义关键词---//
#ifndefuchar
#defineucharunsignedchar
#endif
#ifndefuint
#defineuintunsignedint
#ifndefulong
#defineulongunsignedlong
//---定义使用的IO口---//
sbitDOUT=P3^7;
//输出
sbitCLK=P3^6;
//时钟
sbitDIN=P3^4;
//输入
sbitCS=P3^5;
//片选
uintRead_AD_Data（ucharcmd）;
uintSPI_Read（void）;
voidSPI_Write（uchardat）;
/****
*函数名：
TSPI_Start
*输入：
无
*输出：
*功能：
初始化触摸SPI
****/
voidSPI_Start（void）
CLK=0;
CS=1;
DIN=1;
CLK=1;
CS=0;
SPI_Write
dat：
写入数据
使用SPI写入数据
voidSPI_Write（uchardat）
uchari;
i<
i++）
DIN=dat>
7;
//放置最高位
dat<
<
=1;
CLK=0;
//上升沿放置数据
CLK=1;
SPI_Read
读取到的数据
使用SPI读取数据
uintSPI_Read（void）
uinti,dat=0;
12;
i++）//接收12位数据
dat|=DOUT;
returndat;
Read_AD_Data
cmd：
读取的X或者Y
endValue：
最终信号处理后返回的值
读取触摸数据
uintRead_AD_Data（ucharcmd）
uintAD_Value;
SPI_Write（cmd）;
for（i=6;
i>
0;
i--）;
//延时等待转换结果
//发送一个时钟周期，清除BUSY
_nop_（）;
AD_Value=SPI_Read（）;
returnAD_Value;
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