基于51单片机的闭环控制 附带源程序文档格式.docx

1、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8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes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/

2、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）Flash ROM;（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

3、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457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电

4、压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，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1 L298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

5、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

6、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 ：int e=0,e1=0,e2=0;float uk=0,uk1=,duk=;/PID输出值float kp=5,ki=,kd=;/PID控制

7、系数 上面是初始化部分void PIDControl（） /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（out250） out=100; else if（out=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

8、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

9、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

10、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-/#define GPIO_DIG P0sbit PWM=P10;/PID偏 int out=0;sbit IN2=P11;/-定义一个全局变量-/ unsigned int value,timer1;uint num;uint Inlpuse=0,num=0

11、;/脉冲计数单元uint temp,count,temp1;unsigned int time=0;sbit zhongduan=P32;sbit LSA=P22;sbit LSB=P23;sbit LSC=P24;/-定义全局变量-/unsigned char code DIG_CODE17=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uchar DisplayData8;/用来存放要显示的8位数的值voi

12、d DigDisplay（void）; void PIDControl（） /PID偏差计算 out=0; void SetSpeed（void） temp1= Read_AD_Data（0x94）; / AIN0 电位器（100us 采集一次 temp=2*temp15; /temp的变化范围在0-250之间void DigDisplay（void） unsigned char i; unsigned int j; DisplayData7=DIG_CODEnum%10000/1000; DisplayData6=DIG_CODEnum%1000/100; DisplayData5=DIG_

13、CODEnum%100/10; DisplayData4=DIG_CODEnum%10/1; DisplayData3=DIG_CODEtemp%10000/1000; DisplayData2=DIG_CODEtemp%1000/100; DisplayData1=DIG_CODEtemp%100/10; DisplayData0=DIG_CODEtemp%10/1; for（i=0;i= 100） count1 = 0; /计时100us*100=10ms=100Hz if（count1 value） pwm = 1; /占空比 else pwm = 0;void SystemInit（）

14、 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 void main（） 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，

15、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-/#ifndef uchar#define uchar unsigned char#endif#ifndef uint#define uint unsigned int#ifndef ulong#define ulong unsigned long/-定义使用的IO口-/sbit DOUT = P37; /输出sbit CLK = P36; /时钟sbit DIN = P34; /输入sbit CS =

16、 P35; /片选uint Read_AD_Data（uchar cmd）;uint SPI_Read（void）;void SPI_Write（uchar dat）;/*函数名：TSPI_Start*输 入：无*输 出：*功 能：初始化触摸SPI*/void SPI_Start（void） CLK = 0; CS = 1; DIN = 1; CLK = 1; CS = 0;SPI_Writedat：写入数据使用SPI写入数据void SPI_Write（uchar dat） uchar i; i 7; /放置最高位 dat 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（）; return AD_Value;