单片机课程设计基于51单片机的直流电机转速测量与控制

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1、单片机原理与应用课程设计院 系 信息工程学院 班 级 自动化121 学生姓名 学 号 日 期 2015/7/9 任务要求基于51单片机的直流电机转速测量与控制一、设计目的1.通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识复习和掌握，对单片机课程的应用有进一步的了解。2.掌握定时器、终端的设置和变成原理。3.掌握单片机原理、结构、指令、接口及应用。4.通过此次课程设计能够将单片机硬件结合起来，获得单片机应用系统设计的基本理论，基本只是和基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法。二、基本要求1.,以80C51的基本知识和方法为基础，通过系统扩展达到应用单片机的目的。2.根据应用系统结构规

2、模的要求，掌握单片机外部扩展系统的硬件设计的基本过程，正确合理选择期间，绘制应用系统原理图。3.根据设计任务和要求，画出程序整体流程图，然后进行各程序模块的设计，编写控制程序。4.掌握如何应用单片机仿真器或编程器来开发应用及仿真调试的过程，反复修改测试直至完成任务。三、设计内容设计并调试一个程序使其实现如下功能：1.在实验平台上通过键盘输入一个转速的设定值（例如25rpm），并在数码管上显示；2.采用比例调节方法，使电机转速稳定在设定值；3.测量电机的转速，并在实验平台数码管上显示；4.转速稳定后，可随时修改转速设定值；5.优化比例调节系统，使电机转速的调节时间较短，并尝试加入积分、微分环节，

3、改善转速的静态和动态特性。电机转速不允许出现振荡。基于51单片机的直流电机转速测量与控制摘要：本设计主要完成以AT89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。采用霍尔传感器进行速度测量，利用PID控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。动态显示实际转速。电机可以快速的达到设定值，且不会出现震荡现象。关键词：直流电机，STC89C51，矩阵键盘，设定值，霍尔传感器，DAC0832，PID正文1. 系统设计本设计主要完成以STC89C51单片机为核心的直流电机的测速系统，通过矩阵键盘给定转速，并在数码管上显示设定值。采用霍尔传感器进

4、行速度测量，利用PID控制和DAC0832进行模数转换使直流电机转速稳定在设定值。动态显示实际转速。系统结构图如下图所示STC89C51单片机矩阵键盘数码管显示直流电机霍尔传感器测速PID控制DAC0832图1 系统结构图本系统主要使用了STC89C51单片机、霍尔传感器测速、DC0832模数转换进行转速控制。现将主要模块介绍如下：1.1 STC89C51STC89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图所示。图2 STC89C51ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6

5、的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。 PSEN：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。 EA ：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在 外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端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。VSS：地线。

6、VCC：+5V电源。1.1 DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图3 DAC0832D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE

7、1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：

8、电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；AGND：模拟信号地；DGND：数字信号地。试验箱DAC0832如下图所示图4 实验箱DAC08321.2 霍尔传感器测速及转速计算方法1.2.1霍尔传感器测速原理霍尔传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔传感器的霍尔元件在

9、产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。另外，霍尔传感器的测量必须配合磁场的变化，因此在霍尔传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。本试验箱的霍尔传感器如下图所示图5 实验箱霍尔传感器1.2.2测速方法由于直流电机转速较小，所以采用T法测速，T发测速的原理如下T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。如要

10、增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。计算公式为：T法测速的分辨率 法测速误差率 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。测速流程图如下图所示开始检测外部中断是否触发开定时器1否否检测下一脉冲是否到达计算两脉冲时间间隔，计算转速是否结束图6 转速测量流程图1.3 键盘扫描显示使用64的小键盘，向列扫描码地址逐列输出低电平，然后从行码地址读回。图7 64的键盘矩阵如果有键按下，则相应行的值应为低，如果无键按下，由于上拉的作用，行码值为高。这样就可以通过输出的列码

11、和读取的行码来判断按下的是什么键。在判断有键按下后，要有一定的延时，防止键盘抖动。初始化地址参数显示缓冲区初始化 输出列扫描信号数码管显示列扫描信号移位有键输入？ 否 读入行信号 是读取键值该列有键输入？ 是键值转换为显示数据 否6列扫描完？ 否返回 是按照行列计算键值得键码等待键盘释放返回图8 键盘扫秒流程图1.3 PID控制本次的课程设计采用的PID控制，调速性能好，通过调节比例常数、积分常数、微分常数使得转速控制达到想要的精度。PID参数的调节有试凑法和实验法，本课程设计采用的是实验法。现介绍如下：实验法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察

12、各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤中选择的比例系数减小伟原来的50%-80%，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减少积分时间，加大积分作用，并相应调节比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。整定微分环节若经过步骤，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。2 硬件电路的连接和程序的调试本次的课程设计是基于SICElab-G210

13、0实验箱设计，采用模块化结构。实验箱如下图所示图9 SICElab-G2100实验箱硬件接线如下：把第17号模块“并行数模转换”中的DAC0832输出Aout孔连第23号模块“直流电机”的Dcin孔，数模转换DAC0832的CS17孔和Xfer孔连第38号模块“片选信号”中的YS2孔，WR1孔和WR2孔连第33号模块“控制总线”的/WR孔，CKM孔（霍尔传感器输出孔）连“Lab51CPU板”的P3.2孔。第38号模块“片选信号”中YS0（0800H）孔连第40号模块“键盘+数码管”CS40孔。连线连线孔1连线孔2连线连线孔1连线孔21AoutDcin5WR2/WR2CS17Xfer6CKMP3

14、.23XferYS27CS40YS04WR1孔WR2表1 硬件电路连线图10 接线图按图中接线，编写程序，调试PID参数，经过反复的实验，转速可以快速的达到设定值，且不会出现振荡，运行结果如下图所示 图11 转速为4r/s时运行结果 图12 转速为12r/s时运行结果图13 转速为45r/s时运行结果3 创新与改进实验箱自带的有RS232，可以利用串口通讯，将矩阵键盘输入给定值改为通过串口通讯的方式，通过PC机键盘给定，或者编写Labview程序，使用Labview串口给单片机送给定值。4 心得体会经过1个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的程序，必须要有要有扎实的理论基础，还要

15、有坚持不懈的精神。本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：对电机的驱动电路采用的DAC0832，直接将数字量转为模拟量进行控制，精度不高，不过作为学生实验足够了。此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。这次的课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在 老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，林老师在我们完成的基础上添加新的东西，转速给定值可以通过串口通讯，PC机发送数据，

16、也可以编写Labview程序，通过虚拟旋钮给定转速值，为此给我们培训了一下虚拟仪器及检测技术，对Labview做了简单介绍，给我们入了门。对林老师专业知识的渊博表示敬佩，在此我表示感谢！同时，和同学的互相交流，使我有新的创意，新的理解，在此表示感谢！5 附录#include reg52.h#include absacc.h#define LEDLen 6unsigned char count;unsigned char TS;float DA;long int n;unsigned int t;unsigned char Key_temp;unsigned char k_TEMP2;xdata

17、 unsigned char CS0832 _at_ 0xA000;xdata unsigned char OUTBIT _at_ 0x8002; xdata unsigned char OUTSEG _at_ 0x8004; xdata unsigned char IN _at_ 0x8001; char code dx5163 _at_ 0x0023;unsigned char LEDBufLEDLen; code unsigned char LEDMAP = 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77,

18、 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71;code unsigned char KeyTable = 0x16, 0x15, 0x14, 0xff, 0x13, 0x12, 0x11, 0x10, 0x0d, 0x0c, 0x0b, 0x0a, 0x0e, 0x03, 0x06, 0x09, 0x0f, 0x02, 0x05, 0x08, 0x00, 0x01, 0x04, 0x07;int PID(); /PID函数声明void Init(); /初始化函数声明void delay(unsigned char ms) /延时函数unsigned char x,y;for(x

19、=ms;x0;x-)for(y=110;y0;y-);unsigned char TestKey()/检测是否有键值键入 OUTBIT = 0; return (IN & 0x0f); unsigned char GetKey()/获取键值 unsigned char Pos; unsigned char i; unsigned char k; i = 6; Pos = 0x20; do OUTBIT = Pos; Pos = 1; k = IN & 0x0f; while (-i != 0) & (k = 0); if (k != 0) i *= 4; if (k & 2) i += 1;

20、else if (k & 4) i += 2; else if (k & 8) i += 3; OUTBIT = 0; do delay(10); while (TestKey(); return(KeyTablei); else return(0xff);void DisplayLED() /显示转速 unsigned char i; unsigned char Pos; unsigned char LED; Pos = 0x20; for (i = 0; i = 1; OUTBIT = 0; void t0() interrupt 1 /PID控制，采样周期500msTS+; TH0=25

21、6-50000/256;TL0=256-50000%256;if(TS=10) TS=0; DA=PID();void time1_int(void) interrupt 3 /计算脉冲周期TH1=256-50000/256;TL1=256-50000%256;t+; void ex0() interrupt 0 n=1000/(50*t+(TH1-61)*256+TL1-176)/1000);/计算转速 TR1=1; /启动定时器1 t=0; TH1=256-50000/256; TL1=256-50000%256; int PID() /PID控制函数unsigned char P=1.4

22、;/比例常数unsigned char I=2.2;/积分常数unsigned char D=0.2;/微分常数unsigned int LastError=0;/Error-1unsigned int PrevError=0;/Error-2unsigned int Error=0;/Error0 int Out;/outcomeError=Key_temp-n;/增量式PID计算Out=Out+P*(Error-LastError)+I*Error+D*(Error+PrevError-2*LastError);/误差更新PrevError=LastError;LastError=Erro

23、r;/输出限幅if(Out255)Out=255;return Out; void Init() /初始化函数 IT0=1; /跳变沿触发EX0=1; /外部中断0允许 TMOD = 0X11; TH0 =(65536-50000)/256;TL0 =(65536-50000)%256;/定时器写初值TH1 =(65536-50000)/256;TL1 =(65536-50000)%256;TR0=1;/启动定时器0ET0=1;/开定时器0中断ET1=1;/开定时器1中断EA=1; /开总中断 void main ()/主函数unsigned char i = 0;n=0;Init();/while(1) CS0832=DA; if (TestKey() Key_temp = GetKey() & 0x0f ; LEDBufi = LEDMAPKey_temp; k_TEMPi = Key_temp; i+;if(i=2)i=0; Key_temp = k_TEMP0*10+k_TEMP1;/将获得的键值转换成十进制数LEDBuf4 = LEDMAPn/10; LEDBuf5 = LEDMAPn%10; /显示实时转速DisplayLED();