1、計算機控制技術課程設計報告設計課題： 直流電機轉速閉環控制 （采用單片機教學實驗系統） 班 級： 報 告 人： 指導教師： 完成日期： 2011 年 9 月 22 日重慶大學本科學生計算機控制技術基礎課程設計任務書課程設計題目直流電機轉速閉環控制（采用單片機教學實驗系統）學院自動化學院專業自動化專業年級（1）已知參數和設計要求1）用單片機產生PWM方波調制直流電機以一定速率旋轉，人為給一個速度漂移，霍爾元件測出速度并根據PID算法跟蹤校正速度漂移。2）要求用LED或LCD時實顯示電機速度。3）要求在10秒內PID算法糾正速率漂移。（2）實現方法采用單片機教學實驗系統實現 （限4人選做）學生應完

2、成的工作：1）硬件設計：要求完成控制系統框圖；繪制完整的控制系統電原理圖；說明各功能模塊的具體功能和參數；結合實驗室現有的單片機教學實驗系統進行系統組成，對整個系統的工作原理進行全面分析，論述其結構特點、工作原理、優、缺點和使用場合。分析和論述系統采用的主要單元的工作原理和特性。2）軟件設計：要求合理分配系統資源，完成直流電機轉速閉環控制的程序設計（如：系統初始化；主程序；A/D轉換；D/A轉換；標度變換；顯示與鍵盤管理；控制算法處理；輸出等）。3）對設計控制系統進行系統聯調。4）編寫課程設計報告：按統一論文格式、統一報告紙和報告的各要素【封面、任務書、目錄、摘要、序言、主要內容（包括設計總體

3、思路、設計步驟、原理分析和相關知識的引用等）、總結、各組員心得體會、參考書及附錄（包括系統框圖、程序流程圖、電原理圖和程序原代碼）】進行編寫，字數要求不少于4000字，要求設計報告論理正確，邏輯性強，文理通順，層次分明，表達確切。目前資料收集情況（含指定參考資料）：計算機硬件技術基礎實驗教程 黃勤等編著 重慶大學出版社單片微型計算機機與接口技術 李群芳等編著 電子工業出版社計算機控制技術王建華等編著 高等教育出版社課程設計的工作計劃：（1）2011年9月19日熟悉設計任務和要求。（2）2011年9月20日確定設計方案。（3）2011年9月21日硬件調試。（4）2011年9月22日軟件及系統調試

4、。（5）2011年9月23日設計答辯。任務下達日期 2011年 9月 19 日完成日期 2011年 9 月 24日指導教師 （簽名）學 生 （簽名）說明：1、學院、專業、年級均填全稱，如：光電工程學院、測控技術、2003。2、本表除簽名外均可采用計算機打印。本表不夠，可另附頁，但應在頁腳添加頁碼。摘要在運動控制系統中，電機轉速控制占有至關重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬PID控制是最早發展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結構，并且參數整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬PID控制系統中，參數一旦整定好后，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實際中，由于現場的系統參數、

5、溫度等條件發生變化，使系統很難達到最佳的控制效果，因此采用模擬PID控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計算機技術與智能控制理論的發展，數字PID技術漸漸發展起來，它不僅能夠實現模擬PID所完成的控制任務，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優點，應用面越來越廣。本設計以上面提到的數字PID為基本控制算法，以SST89EE554RC單片機為控制核心，產生占空比受數字PID算法控制的PWM脈沖實現對直流電機轉速的控制。同時利用霍爾傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現轉速閉環控制，達到轉速無靜差調節的目的。在系統中采數碼管和44鍵盤作為人機交互界面，啟動后可以通過顯示部件了解電機當前的轉速

6、。該系統控制簡單，反應靈敏，具有很強的抗干擾能力。目 錄前言一.總體設計方案二.硬件單元模塊設計（1）單片機控制單元（2）直流電機驅動單元（3）基于霍爾傳感器的測速模塊（4）LED顯示模塊三.軟件功能調試（1）主程序設計（2）PWM波軟件軟件設計（3）顯示子程序（4）鍵盤處理子程序（5）定時處理程序（6）測速軟件設計四.設計總結17五.參考文獻17附錄 17前言 在工業控制領域中，直流電機是常見的機電裝置，以單片機為控制器對電機進行控制，運用串口通信技術實現電機的遠程測控。通過采用周期測量法測量電機的轉速，運用PWM技術實現對電機的驅動控制，為直流電機的控制提供了一種低成本高精度的測控方案。在

7、工業自動控制系統和各種智能產品中常常會用用電動機進行驅動、傳動和控制，而現代智能控制系統中，對電機的控制要求越來越精確和迅速，對環境的適應要求越來越高。隨著科技的發展，通過對電機的改造，出現了一些針對各種應用要求的電機，如伺服電機、步進電機、開關磁阻電機等非傳統電機。但是在一些對位置控制要求不高的電機控制系統如傳動控制系統中，傳統電機如直流電機乃有很大的優勢，而要對其進行精確而又迅速的控制，就需要復雜的控制系統。隨著微電子和計算機的發展，數字控制系統應用越來越廣泛，數字控制系統有控制精確，硬件實現簡單，受環境影響小，功能復雜，系統修改簡單，有很好的人機交換界面等特點。總體設計概述單片機直流電機

8、調速簡介：單片機直流調速系統可實現對直流電動機的平滑調速。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。本系統以SST89E554RC單片機為核心，通過單片機控制，C語言編程實現對直流電機的調速。系統控制方案的分析：本直流電機調速系統以單片機系統為依托，根據PWM調速的基本原理，通過PI控制以直流電機電

9、樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速為依據，實現對直流電動機的平滑調速，并通過單片機控制速度的變化。本文所研究的直流電機調速系統主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統執行的基礎，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現的信號，加以采集、分析、處理，最終實現控制器所要實現的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。硬件部分硬件部分由電源模塊、單片機控制單元、電機驅動電路、LED顯示電路、霍爾傳感器電路構成。鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉速相應的PWM脈沖，另一口輸出方波，根據方波測出

10、轉速，比較給定轉速與實際轉速得到差值再通過P控制來實現電動機轉速的控制。電動機的運轉狀態通過LED顯示出來。電動機所處速度顯示。每次電動機啟動后開始計時，停止時LED顯示出本次運轉所用時間，時間精確到0.1s。總體設計方案的硬件部分詳細框圖如圖一所示數碼管顯示小鍵盤單片機直流電機及驅動單片機本次實驗采用的是SST89E554RC單片機，鍵盤掃描及顯示直流電機驅動電路基于霍爾傳感器的測速電路 工作原理：霍爾開關集成電路中的信號放大器將霍爾元件產生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH放大后再經信號變換器、驅動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉過

11、了一個齒。單位時間內輸出的脈沖數N，因此可求出單位時間內的速度VNT。軟件設計主程序設計主程序主程序是一個循環程序，其主要思路是，先設定好速度初始值，這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值，然后用P算法輸出控制系數給PWM發生電路改變波形的占空比，進而控制電機的轉速。主程序流程圖如下：開始結束調用控制算法子程序調用鍵盤處理子程序調用轉速顯示子程序調用pwm波調制子程序延時開定時器0初始化PWM波軟件軟件設計SST89E554RC提供了一個特殊的16位定時器，該定時器具有5個16位捕捉/比較模塊。每個模塊都可被編程工作于以下四種模式：上升和/或下降沿捕捉，軟件定時器，高輸出（HSO）和

12、脈沖寬度調制（PWM）。第五個模塊除上述四種模塊外還可以編程為看門狗定時器。 每個模塊都有一個外部引腳，與P1口復用：模塊0連接至P1.3（CEX0），模塊1連接至P1.4（CEX1），模塊0連接至P1.5（CEX2），模塊1連接至P1.6（CEX3），模塊1連接至P1.7（CEX4）.其結構框圖如下：PCA定時/計數器P1.5/CEX2P1.3/CEX0P1.4/CEX1P1.6/CEX3P1.7/CEX4模塊1模塊2模塊3模塊4模塊0在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”

13、來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比為D= t1 / T，則電機的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax 是指電機在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見，當我們改變占空比D = t1 / T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。本設計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進行控制 ，PWM模式被用于產生一個連續的占空比可調的方波信號。脈沖寬度調制通過比較PCA定時器的低字節（CL）和比較寄存器的低字節（CCAPnL）產生8位PWM脈沖。當CL

14、CCAPnL時，輸出高電平。輸出頻率取決于PCA定時器的信號源。占空比由寫入比較寄存器的高字節（CCAPnH）控制，計算如下：CCAPnH=256（1Duty cycle）其中CCAPnH為8位整型數，Duty cycle為百分數。鍵盤查詢處理子程序： 由于只用到了三個按鍵，所以按鍵查詢比較簡單，只需要行信號一位送零即可，然后列信號讀進來，與鍵值進行比較，即可知道是哪個鍵按下。延時延時否否關閉PWM輸出PWM否延時是開始否否是是是是否是是Key自加1轉速增大60判斷2鍵是否按下判斷2鍵是否按下轉速減小60判斷1鍵是否松開判斷1鍵是否按下判斷key是否為奇判斷0鍵是否松開判斷0鍵是否按下顯示子程

15、序：利用數組方式定義顯示緩存區，緩存區有8位，分別存放各個LED管要顯示的值。顯示子程序為一帶參子程序，參數為顯示緩存的數組名，通過for(i=0;i8;i+)方式對每位加上位選碼，送到P0口并進行延時。送轉速的十位數段選送十位數對應的位選送百位數對應的位選送轉速的百位數段選送千位數對應的位選開始送轉速的千位數段選送轉速的個位數段選送個位數對應的位選測速軟件設計 測速子程序：開始結束開定時器T0定時器T0初始化關定時器T0輸出轉速計算轉速控制算法子程序：PI控制輸出控制量否求得控制量是如果偏差為0對偏差進行累加求得轉速偏差開始參考文獻、單片機原理及應用（清華大學出版社，黃勤主編，李楠副主編）、

16、計算機硬件技術基礎實驗教程（重慶大學出版社，黃勤主編，高富強副主編）、微型計算機控制技術（機械工業出版社，黃勤主編，李楠副主編）、附錄程序清單#include SST89x5x4.h #define uchar unsigned char#define uint unsigned int Ucharcode LK10=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,; /段選碼uchar LK14=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/位選碼sbit p1_0=P10;sbit p1_1=P11;sbit p1_2=P12;sbit p1

17、_5=P15;uchar key,V=0,pid;uchar pid_P=17;/比例系數uchar pid_I=13; /積分系數 int data z,counter;int data n,t;int speed=0;int set_speed=3000;/設定值int temp=128;sfr CCAPM4=0xde;sfr CCAP4H=0xFe;sfr CCON=0xD8;void delay(int k)/延時子程序1 int data i,j; for(i=0;ik;i+) for(;j121;j+) ; void delay2()/延時子程序2 unsigned char i,

18、j; for(i=0;i20;i+) for(j=0;j2;j+) ; void display(int num) /顯示當前速度 p1_5=1; P0=LKnum/1000;P2=LK10;delay(10); P0=LK(num/100)%10;P2=LK11;delay(10); P0=LK(num%100)/10;P2=LK12;delay(10); P0=LKnum%10;P2=LK13;delay(10); void display0() /顯示設定速度 uint i, num; p1_5=1;num=set_speed;for(i=0;i100;i+) P0=LKnum/1000

19、;P2=LK10;delay(100); P0=LK(num/100)%10;P2=LK11;delay(100); P0=LK(num%100)/10;P2=LK12;delay(100); P0=LKnum%10;P2=LK13;delay(100); void int0() interrupt 0 using 1/斷INT1子程序t+;/脈沖加1void key_scan()/鍵盤掃描 p1_5=0; if(p1_0=0) delay(2); if(p1_0=0) while(p1_0=0); key+; if(key%2=0) CCON=0x00; else CCON=0x40; if(key%2=1) if(p1_1=0) delay(2); if(p1_1=0) while(p1_1=0); set_speed=set_speed+60;display0(); if(p1_2=0) delay(2); if(p1_2=0) while(p1_2=0); set_speed=se