1、3.1 系统设计要求103.2 系统模块设计12第四章硬件设计与实现174.1 硬件设计174.2系统面板图24第五章流程设计265.1 软件设计流程图26第六章程序说明306.1 直流电机部分程序306.2 温度检测部分程序37第七章说明及调试467.1 调试过程467.2 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Proportion Integration Differentiation)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
2、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
3、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
4、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/TIe(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)+
5、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(Dual In Line Package),内
6、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:l P0.0P0.7 P0口8位双向口线(在引脚的3932号端子)。l P1.0P1.7 P1口8位双向口线(在引脚的18号端子)。l P2.0P2.7 P2口8位双向口
7、线(在引脚的2128号端子)。l P3.0P3.7 P3口8位双向口线(在引脚的1017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D0D7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A0A7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
8、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
9、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。
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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 3O55 V。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 0062 5LSB 形式表示。4、 按键选择一号单片机的键盘采用44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
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