单片机闭环系统控制课程设计报告.docx
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单片机闭环系统控制课程设计报告
单片机原理及应用课程设计报告
设计题目：
直流电机闭环控制系统设计
学生姓名：
黎怡均同组人：
李言
学号：
U201211320
专业：
电气工程及其自动化
班级：
中英1203班
指导老师：
肖波
课设成绩：
评阅人：
目录
一、设计任务及主要技术指标和要求
1.1设计任务
1.2主要技术指标和要求
二、单片机控制直流电机原理
2.151单片机介绍
2.2直流电机转速控制原理
三、软硬件设计
3.1硬件电路设计
3.2软件程序设计
四、系统调试及结果
五、课设总结与体会
六、参考文献
一、设计任务及主要技术指标和要求
1.1设计任务：
1.要求能按设定的值来控制直流电机的转速，实现闭环控制。
2.设定的值和当前检测的转速值要求能显示出来，设定时用按键进行定。
1.2主要技术指标和要求：
1.本课题需要自己设计电机转速测速电路。
二、单片机控制直流电机原理
2.151单片机介绍：
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951.这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。
8051为4KBROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。
其他性能结构一样，有片内128BRAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。
其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。
实验室核心电路板结构为SST89E58RD的MCS51单片机。
2.2直流电机转速控制原理：
2.2.1直流电机工作原理
图2.2.1直流电机的基本工作原理图
对图2.2.1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。
2.2.2PWM调速工作原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”，见图2.3.2所示。
图2.3.2PWM信号的占空比
在PWM调速时，占空比是一个重要参数。
通过改变占空比的值来实现对电机的调速。
三、软硬件设计
3.1硬件电路设计：
3.2软件设计：
C语言代码如下：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uintn,n3;
unsignedlonginttemp1;
unsignedlongintnnn;
sbitPWM=P3^7;//pwm输出
sbitk1=P1^4;//按键定义
sbitk2=P1^5;
sbitk3=P1^6;//显示选择开关
ucharcount;
ucharjd=0;//PWM值0对应0%50对应100%
bitflag;
uchardisplay_data[4];
ucharledcode[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
0x80,0x90};//数码管0-9编码
sfrPORTD=0x80;//P0数据端口
sbitwei_1=P2^0;//4个数码管位选
sbitwei_2=P2^1;
sbitwei_3=P2^2;
sbitwei_4=P2^3;
uintsheding=30;//设置转速
voiddelay（uintz）//延时1MS
{
uinta,b;
for（a=z;a>0;a--）
for（b=120;b>0;b--）;
}
//------------------------------------------------------------
voidtimer0_inti（void）//定时器TO中断初始化
{
TMOD=0X52;//工作模式设置T1计数T0定时
TH0=0x38;//定时200US
TL0=0x38;
TH1=0;
TL1=0;
EA=1;//开总中断
ET0=1;//开定时器0中断
//ET1=1;//开定时器1中断
TR0=1;
TR1=1;
}
voidkey（）//按键扫描函数
{
if（k1==0）//加速
{
delay（10）;
if（k1==0）
{
sheding+=1;//设定值加1
if（sheding>=999）
sheding=999;
}
while（k1==0）;
}
if（k2==0）//减速
{
delay（10）;
if（k2==0）
{
if（sheding>=1）//设定值减1
sheding-=1;
else
sheding=1;
}
while（k2==0）;
}
}
voidtimetoseg（）//数码管转换成段码程序
{
if（k3==0）//按下开关显示设定值
{
display_data[0]=ledcode[sheding/100%10];
display_data[1]=ledcode[sheding/10%10];
display_data[2]=ledcode[sheding%10];
}
else//平时转换显示
{
display_data[0]=ledcode[temp1/100%10];
display_data[1]=ledcode[temp1/10%10];
display_data[2]=ledcode[temp1%10];
}
}
voidshaomiao（）//数码管扫描程序
{
PORTD=display_data[0];//显示第一个数码管
wei_1=0;
delay
（1）;wei_1=1;
PORTD=display_data[1];//显示第2个数码管
wei_2=0;
delay
（1）;wei_2=1;
PORTD=display_data[2];//显示第3个数码管
wei_3=0;
delay
（1）;wei_3=1;
PORTD=display_data[3];//显示第2个数码管
wei_4=0;
}
//------------------------------------------------------------
voidmain（）
{
timer0_inti（）;//中断初始化
while
（1）
{
timetoseg（）;//数码管转换成段码程序
shaomiao（）;
key（）;
if（flag）//自动调节转速功能
{
flag=0;
if（temp1>sheding）//转速大于设定值减小PWM
if（jd>1）
jd--;
else
jd=0;
if（temp1jd++;
if（jd>50）
jd=50;
}
}
}
voidtime0（void）interrupt1
{
n3++;
if（n3==5000）//时间计数//5000*200US=1秒
{
flag=1;
n3=0;
temp1=（TH1*256+TL1）;//这样就得1秒的转速;
TH1=0;TL1=0;
}
if（countPWM=0;//确实小于，PWM输出低电平
else
PWM=1;//PORTA=0;//大于则输高电平
count=（count+1）;//1ms次数加1
if（count>=50）//100hz的频率输出
count=0;
}
四、系统调试及结果
1.Proteus仿真：
按键1、2、3分别控制电机设定速度加1，减1以及电机当前转速的显示。
2.实际接线调试过程经历及结果：
说实话，刚开始看到这个课题的时候，我感觉这似乎是一个不可能的任务脑海中对于单片机，以及直流电机似乎都仅仅停留于书上那寥寥的几张黑白插图，更别谈如何实现对直流电机的闭环控制了。
课设的实现可分为三个阶段：
第一阶段：
查找基本资料。
开始的第一个星期，我几乎天天都往图书馆跑，在一排又一排的书架中寻找着关于课设的资料，眼中对“单片机”、“直流电机调速”这几个关键字异常敏感。
也就是在这段时间疯狂看书期间，我学到了一些简单的c语言编程以及利用PWM调压调速原理。
心中也渐渐安定了一些，课设也似乎渐渐摸到了方向。
第二阶段：
熟悉实验室器件及编程。
这个过程比较揪心，特别在程序的编写上，纠结了好久到底用汇编语言还是用c语言。
最后查找了不少参考程序，发现大都是c语言编的，而且关键是c语言相对于冗长的汇编语言来说显得简洁精炼，而且修改后的可移植性好。
然后就是自己对反馈及PWM波程序的一次又一次的修改和检验，当遇到一次一次未知的error真是特别的烦心，而且在这期间，为了检验程序以及连线是否正确，我还自学了proteus软件，不得不说，这款软件功能真是很强大，可以仿真查看，感觉挺好用的。
经过了好几个白天的调试，终于在仿真上成功了，当时心情特别的激动，仿佛一下就看到了课设的完美结局，可后来却完全不是按剧本发展。
第三阶段：
实验室调试阶段。
当我满怀信心与希望的走进实验室，一接线才发现根本不是想象中的一回事！
特别是开始几次按图连好线路，输好程序进行硬件调试的时候，发现电机根本不受控制似得飞转，原本应该显示转身的数码管也全是乱码条，按键也失去了作用。
当时真是有种很崩溃的感觉，一下子也完全不知道哪里出问题了。
真是慌得要死，后来整整和同伴反思总结了近一天的时间才有了几点头绪，问题可能出在：
1仿真连接和实际电路可能有比较大的差别，比如实验室是数码管是共阳极而仿真图中是共阴极，这样一来程序也必定要随之修改；2实验室分为核心板和通用版，有很多接线是默认连接的，而仿真图中很多时候没有考虑到这些；3可能是实验器件老化损坏，而导致显示和按键失灵。
第二天针对这些做出了改变之后终于成功了。
而经过了这么久的努力，我也感到了一种特别的成就感和欣喜。
终于有了一个比较成功的结果。
五、设计总结与体会
通过这次的单片机课设，我学到了很多，虽说其间的过程比较纠结和郁闷，但所幸最后还是较为圆满的完成了。
而最后在实验室亲手连接好线路并调试好程序，最终数码管和电机也有了预期中的显示和作用后，心中那种成就感是难以言表的。
现在回望这两周，感觉收获颇多。
而当时认为最重要的结果现在看来似乎也并没有那么重要了。
这感觉算一次很正式的课设了，自己在这个课设中也是受益匪浅。
也真切的感受到了付出后收获的喜悦，更是有了应对挫折与失败的经验与办法。
最重要的是感受到了自己的学习能力。
学会了用心去做，去对待生活中的人和事。
而且感受到了伙伴和团队合作的重要性。
是一次很有价值的体验。
六、[参考文献]
[1]汪建主编.单片机原理及应用技术[M],华中科技大学出版社,2012.5
[2]张强，吴红星，谢宗武，基于单片机的电动机控制技术[M]。
中国电力出版社，2008.
[3]王晓明编著.电动机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社，2007.8
[4]谭浩强等编著.C程序设计教程,高等教育出版社.2008.4
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