基于51单片机的直流电机转速测量与控制.docx
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基于51单片机的直流电机转速测量与控制
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
学生姓名张晓峰
学号121404010432
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,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
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:
1.1STC89C51
STC89C51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2STC89C51
ALE:
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
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。
VCC:
+5 V电源。
1.1DAC0832
DAC0832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3DAC0832
D0~D7:
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LE1,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:
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DAC0832
1.2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
T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
图6转速测量流程图
1.3键盘扫描显示
使用6×4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76×4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。
否
是
是
否
否
返回
是
图8键盘扫秒流程图
1.3PID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-G2100实验箱设计,采用模块化结构。
实验箱如下图所示
图9SICElab-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2
1
Aout
Dcin
5
WR2
/WR
2
CS17
Xfer
6
CKM
P3.2
3
Xfer
YS2
7
CS40
YS0
4
WR1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,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"
#defineLEDLen6
unsignedcharcount;
unsignedcharTS;
floatDA;
longintn;
unsignedintt;
unsignedcharKey_temp;
unsignedchark_TEMP[2];
xdataunsignedcharCS0832_at_0xA000;
xdataunsignedcharOUTBIT_at_0x8002;
xdataunsignedcharOUTSEG_at_0x8004;
xdataunsignedcharIN_at_0x8001;
charcodedx516[3]_at_0x0023;
unsignedcharLEDBuf[LEDLen];
codeunsignedcharLEDMAP[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71
};
codeunsignedcharKeyTable[]={
0x16,0x15,0x14,0xff,
0x13,0x12,0x11,0x10,
0x0d,0x0c,0x0b,0x0a,
0x0e,0x03,0x06,0x09,
0x0f,0x02,0x05,0x08,
0x00,0x01,0x04,0x07
};
intPID();//PID函数声明
voidInit();//初始化函数声明
voiddelay(unsignedcharms)//延时函数
{
unsignedcharx,y;
for(x=ms;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
unsignedcharTestKey()//检测是否有键值键入
{
OUTBIT=0;
return(~IN&0x0f);
}
unsignedcharGetKey()//获取键值
{
unsignedcharPos;
unsignedchari;
unsignedchark;
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;
elseif(k&4)
i+=2;
elseif(k&8)
i+=3;
OUTBIT=0;
dodelay(10);while(TestKey());
return(KeyTable[i]);
}
elsereturn(0xff);
}
voidDisplayLED()//显示转速
{
unsignedchari;
unsignedcharPos;
unsignedcharLED;
Pos=0x20;
for(i=0;i { OUTBIT=0; LED=LEDBuf[i]; OUTSEG=LED; OUTBIT=Pos; delay(5); Pos>>=1; } OUTBIT=0; } voidt0()interrupt1//PID控制,采样周期500ms {TS++; TH0=256-50000/256; TL0=256-50000%256; if(TS==10) {TS=0; DA=PID(); } } voidtime1_int(void)interrupt3//计算脉冲周期 { TH1=256-50000/256; TL1=256-50000%256; t++; } voidex0()interrupt0 { 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; } intPID()//PID控制函数 { unsignedcharP=1.4;//比例常数 unsignedcharI=2.2;//积分常数 unsignedcharD=0.2;//微分常数 unsignedintLastError=0;//Error[-1] unsignedintPrevError=0;//Error[-2] unsignedintError=0;//Error[0] intOut;//outcome Error=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=Error; //输出限幅 if(Out<0) { Out=0; } if(Out>255) { Out=255; } returnOut; } voidInit()//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0 ET0=1;//开定时器0中断 ET1=1;//开定时器1中断 EA=1;//开总中断 } voidmain()//主函数 { unsignedchari=0; n=0; Init();// while (1) {CS0832=DA; if(TestKey()) { Key_temp=GetKey()&0x0f; LEDBuf[i]=LEDMAP[Key_temp]; k_TEMP[i]=Key_temp; i++; if(i==2) {i=0; } } Key_temp=k_TEMP[0]*10+k_TEMP[1];//将获得的键值转换成十进制数 LEDBuf[4]=LEDMAP[n/10]; LEDBuf[5]=LEDMAP[n%10];//显示实时转速 DisplayLED(); } }
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