直流电机转速PID控制课程设计报告Word文件下载.doc

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