课程设计（论文）基于单片机的转速控制系统设计

1、综合设计报告目 录1单片机作息时间控制钟的功能规划12 方案设计22.1硬件方案设计22.2 软件设计方案32.2.1 程序实现的基本功能32.2.2 程序操作流程设计方案33 硬件电路设计与分析33.1 单片机最小系统电路33.2数码管显示电路43.3 按键接口电路53.4 led指示电路63.5 蜂鸣器接口电路63.6 rs-232接口电路74 软件设计74. 1 主控模块程序74. 2 中断调用程序94. 3数码管时间显示刷新程序104. 4 按键修改北京时间、打铃时间程序114. 5 打铃子程序125调试与测试126 技术小结137 单片机作息时间控制钟的使用说明148 心得体会149

2、参考文献15附录1 电路原理图16附录2 程序清单17摘要本课程设计是一个基于单片机的转速控制系统设计，以stc89c51芯片为核心，硬件系统包括电源、主控模块、按键模块和lcd显示模块和霍尔传感器测电机转动等四大模块。系统软件部分由主函数控制模块、定时中断和外部中断模块、初值定义模块、按键修改部分、lcd初始化模块、pid控制转速模块、回路控制转速模块等组成。其设计的目的是实现实时控制电机转速，并用lcd液晶显示器显示出设定转速、当前采集电机转速、占空比和pid控制参数。设计原理是根据lcd显示原理、按键线反转法识键和译键动态扫描显示原理、单片机的定时中断原理、外部中断直接将霍尔传感器所检测

3、的脉冲进行计数原理。通过硬件和软件设计最后实现实验要求的功能：按键设定并显示转速、实时显示采集转速，按键控制电机停转，pwm转速闭环控制。关键字：stc89c51芯片 转速 pwm控制 171 转速控制系统的基本功能设计规划本课程设计单片机选用stc89c51单片机。根据系统功能要求，系统核心为单片机，其外设由电机、lcd液晶显示和4*4矩阵按键四模块组成。其中各模块的具体功能如下：单片机控制pwm实时占空比来控制电机的转速，通过外部中断计数霍尔传感器检测的脉冲数，经过软件设计计算在一分钟内的转速显示在lcd上，4*4矩阵按键修改设定速度、pid控制参数以及选则回路控制转速的模式。在规定4*4

4、矩阵键盘时，设定16个按键一次为116；110为数字按键，修改具体某一位时，按键按下的值减一位显示的值，按键13为回路控制模式选择按键，按下奇数次为pid控制，偶数次为分控制档对占空比进行控制；按键14为修改设定速度按键，按下1次修改速度百位，按下2次修改速度十位，按下3次修改个位，按下4次，修改千位，然后一次循环；按键15为修改pid参数按键，依次对p、i、d进行修改；按键16为电机转动启停键，按下奇数次为停止，偶数次为启动。lcd液晶显示，分四行，第一行显示设定速度，第二行显示采集速度，第三行显示pwm占空比，第四行显示pid控制参数。其中功能详细如下: 按键设定并显示转速，实时显示实际转

5、速；按键控制电机起停；pwm转速闭环控制。其系统组成结构图如下：mcu单片机控制中心lcd显示电机键盘接口图1 系统组成结构图2 方案设计2.1硬件方案设计本设计中，单片机stc89c51为整个系统的控制部件，是转速控制系统的核心控制部件。其中振荡电路采用外接晶体的接法，靠单片机利用内部时钟方式来完成。它是系统的主频率，为单片机执行服务时的基准，其晶振采用频率为11.0592mhz和1.5pf电容。单片机的基本结构中还包括复位电路，采用外部复位电路，是上电复位及按键复位的一种实用电路。对于显示电路，采用lcd液晶显示的方式，对设定转速、采集转速、占空比、pid进行实时显示。电机转速通过霍尔传感

6、器采集脉冲，其霍尔传感器的fr接在p14口控制电机的占空比，fc接在p32口，直接外部中断采集脉冲；lcd显示器的cs接p10，sid接p11，sclk接p12，3个led指示灯分别接在p15、p16、p17上，按键接在p2口上。其具体接线原理图如下：stc89c51单片机4*4按键lcdled灯电机p14p32p10p11p15p17p16p12p2图2 转速控制系统连接原理图2.2 软件设计方案2.2.1 程序实现的基本功能1)、lcd显示设定速度、采集速度、pwm占空比、pid参数;2)、按键修改设定速度、pid参数；3)、按键控制电机启停;4)、pwm转速闭环自动控制。2.2.2 程序

7、操作流程设计方案本设计是基于单片机的转速控制系统的设计，所以核心内容是单片机控制，通过不断地脉冲计数、计算速度、pwm占空比的调节、刷新显示。以及按键扫描和执行相应的按键功能，按照设计功能，先写lcd显示和按键扫描程序设计和调试，然后转速检测程序设计及调试，再进行pwm占空比的回路控制调节电机转速程序设计及调试，在各个功能都调试好后，整体下载到实验箱中进行调试与测试，最后达到实验预期的功能。 3 硬件电路设计与分析3.1 单片机最小系统电路最小系统为转速控制的控制中心，也是最小的单片机组成，其包括一块stc89c51芯片、复位部分、晶振时间频率控制部分和电源部分。电源部分为整个单片机提供电源。

8、复位部分接在单片机的rest引脚，ea接高电平为访问片内程序存储器，ea接低电平访问片外程序存储器，当en访问的程序大于4kb时自动转换到外部程序存储器。晶振部分为接18、19两个引脚，为整个单片机访问提供时间频率，频率越高，单片机执行速度越快。其单片机的最小系统电路如下：图3 单片机最小系统电路3.2 lcd液晶显示电路lcd液晶显示模块，为点阵字符型液晶显示模块，有自带驱动ic和液晶显示控制ic。其内部有字符发生器和显示数据存储器，该模块具有与mcu接口：8位或4位并行/3位串行数据总线接口。cs与单片机的p10口连接，sid与p11口连接，sclk与p12口连接，b_light为背光显示

9、，可以不连接，通过lcd电路实现数据和命令的发送、汉字和字母的显示。其lcd显示电路图如下：图4 lcd显示电路图3.3 按键接口电路系统中，由于需要对设定速度、pid控制参数的的修改，实现实时转速控制在一定误差范围内，所以系统在单片机p2口加入4*4的矩阵按键分别对其修改，其中从左至右、从上到下，将按键依次定义为116，110为数字按键，按键13、按键14、按键15、按键16为功能按键。 其按键接口电路为：图5 按键接口电路3.4 led指示电路本系统有3个共阴极的发光二极管，其中当d1亮指示pwm控制转速模式，d2发光二极管亮指示修改设定速度模式，d3亮指示修改pid参数，当三个灯都亮，则

10、说明电机为启动状态，3个发光二极管都灭，则说明电机为停止状态。其led灯电路图如下：图6 led指示电路3.5 电机转速采集控制电路 系统中电机转速控制采集部分电路由一个pnp三极管，一个电动机和一个霍尔传感器组成，通过p14口单片机控制pwm占空比，p32口输出单位时间内的脉冲数到单片机。其具体电路图如下所示：图7 电机转速采集电路4 软件设计4. 1 主控模块程序根据系统功能描述，可以将软件大致划分为6个模块：主函数模块，系统参数初始化模块，lcd初始化、发送命令、发送数据和显示汉字和显示字母模块，按键识键和功能设置模块，中断模块和pwm控制模块。主程序执行的过程就是先进入主程序初始化，在

11、没有按键按下的时候，lcd实时显示，当有按键按下的时候，则执行按键所对应的功能。其主函数程序流程图为： 系统初始化开始lcd显示子函数key_flag=0，执行按键功能子程序lcd初始化key_flag=1？reflag=1？reflag =0，lcd显示刷新nyyn图8 主函数模块流程图4. 2 中断调用程序该部分为外部中断0定时器t0和t1的定时中断3部分。外部中断主要是对霍尔传感器检测到的脉冲输入进行技术，定时器t0为每隔一分钟对采集速度进行计算、回路pwm控制计算，以及对按键扫描标志位置1，定时器t1为pwm占空比调节。其工作原理都是当中断发出请求的时候，正在执行主程序的单片机cpu响

12、应中断并服务子程序，服务完后重新返回主程序中。其中各部分程序流程如下所示：入口返回赋计数初值计数值加1计算采集速度，并进行回路控制，和计数值清0计数到0.1s，按键标志位置1计数到1秒计数到0.1秒ynny入口赋计数初值pwm=1pwm=0返回n200ny图9 定时器t0中断服务程序 图10 定时器t1中断服务程序p_count计数加1入口返回图11 外部中断0中断服务程序4. 3 lcd程序 该部分为显示刷新程序，其中包括模式之间的自动转换，时间的刷新和小数点的闪烁三部分。当进入时间刷新子程序时，当count计数到1秒的时候秒加1，刷新时间显示，当秒加到60时分加1，分时间刷新，当分加到60

13、时时加1，时时间刷新，最后返回主程序中。当无时间更新的时候，程序返回主程序继续执行中断前的服务。 图12 lcd显示刷新流程图4. 4 按键修改功能程序 该部分为按键执行功能部分，首先是对矩阵按键的线反转法识键和译键，如果有键按 下，当为13按键时，按键控制采集速度控制方法的选择；当为14按键时并有09按键按下 时，按键修改设定速度，否则返回；当为15按键并有09按键按下时，修改pid参数，否则返回；为16按键时按键控制电机的启停。线反转法识/译键入口keynum！=0keynum=13keynum=14keynum=15keynum=16调pid控制pwm调hui（）制pwm按奇数次修改设定

14、速度修改pid参数启动电机停止电机按奇数次09按键09按键返回nynnynyyny图13 按键扫描修改流程图4. 5 pid控制程序 该部分为pid控制转速的占空比，通过完全微分pid增量控制pwm占空比，即当到达一定时间后，对采集进来的实时速度按照完全微分pid计算公式计算出转速的增量，再按一定比例转换成pwm占空比。其具体流程如下所示：yyynn入口参数初始化计算转速偏差en0pid计算转速增量并转换成占空比|en|100pwm_time=0pwm_time=200pwm_time200返回n图14 pid控制程序流程图4. 6 回路自动控制pwm程序 回路自动控制程序为系统软件中用到的另

15、一种pwm控制方法，其设计思想是根据采 集速度与设定速度的差值分为几个不同的档位，对占空比的调节宽度也不同，差值越大所增加的占空比也就越大，其具体流程如下所示：增加一定pwm_time入口返回speed1speed一定值speed1200pwm_time0pwm_time=200pwm_time=0yyyynnnn 图15 回路控制pwm占空比流程图5调试与测试 根据所设计的硬件电路图，连接好电路。软件调试时采用keil3软件的编译环境下，首先建一个工程，编译程序到文本中，其扩展名为.c，然后把文本添加到工程里面，然后编译，如果程序没得错，则打开电源，下载程序到实验箱进行仿真和调试，否则就根据

16、错误提示修改程序，直到没有错误为止。（1） lcd显示和按键程序的调试与测试： 根据实验要求设计好系统的硬件和软件部分后，首先对lcd显示部分和按键扫 描的程序编写，在该部分调试时用led灯做按键指示，如果有按键按下，则led灯亮，并在lcd上显示相应的按键。在该部分调试（2） 作息时间控制打铃程序的调试：当程序无错误时，在数码管上会显示北京时间，所设定的某一打铃时间和显示时间相等时，蜂鸣器就响三下，但后来蜂鸣器却一直响，程序有错误，在对程序进行改进时，采用了几种方法，最后采用了一种最简单的方法，将控制报时的蜂鸣器间断响三次，最后使蜂鸣器处于高电平，最后也能达到最终结果。这部分调试也成功完成了

17、其功能。（3） 时间修改程序的调试：时间修改程序包括显示时间的修改和定时打铃作息时间的修改，该部分相对前两部分的调试和测试都要复杂一些，主要的就是几个按键的功能，只要分工合作好就写程序时思路清晰，各个模块之间衔接好就不会出现很大的问题，该部分应注意的是在扫描是否有按键按下时，要进行按键消抖，目的是消除单片机在扫描是否有按键按下时得到错误的信息。还有就是在在修改时间时，由于在写这部分程序时还不是很完善，所以要按照说明书来操作，以免得到错误的信息。（4） 系统整体调试与测试：在前三个模块都工作正确时，把整个程序都结合起来运行，看看到数码管上显示出设设定的时间，并能正常运行。在作息时间和显示时间相等

18、时可以听到蜂鸣器响三下，在按键修改时间也可以同时进行，达到所设计的预期结果，说明该程序和硬件能实现所设计的基本功能，整个系统功能基本完成，设计实验调试和测试完成。6 技术小结 （1）系统设计过程：本设计是基于sct89c51单片机的转速控制系统，经过对系统通过功能设计、方案设计、硬件设计，软件设计以及调试，最后实现了其基本功能。（2）系统实现的功能：按键设定并显示转速和pid控制参量，按键控制电机起停；实时显示实际转速；pwm转速闭环控制。（3）实现系统稳定简洁的方法：在设计程序的时候，由于考虑到硬件在显示上的稳定、按键扫描的正确判断，所以在其中用到了两个定时器的中断：定时器0对电机转速计数中断和按键扫描周期控制，定时器1对占空比调节控制，外部中断的引入，直接对霍尔传感器采集脉冲输入计数。（4）系统发展趋势：由于时间和个人能力问题，该设计还不够完美，比如在控制转速精度上还需要进一步地完善，还可以加入pc机，实现与pc机的通讯，将转速的设定值和实时测定值发送到pc机上显示等。7 基于单片机的转速控制系统的使用说明8 心得体会该课程设计为设计一个基于单片机的转速控制系统的设计，在设计过程中深刻体会到，只有按照规划步骤一