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

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。&

6、#160;vss：地线。 vcc：+5 v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

7、）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

8、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

9、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

10、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 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7 6×4的键盘矩阵如果有键按下，则相应行的值应

11、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。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

12、“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

13、 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

14、1连线孔21aoutdcin5wr2/wr2cs17xfer6ckmp3.23xferys27cs40ys04wr1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，

15、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

16、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"#define ledlen 6unsigned char count;unsigned char ts;float da;long int n;unsig

17、ned int t;unsigned char key_temp;unsigned char k_temp2;xdata 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,

18、 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 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

19、数声明void delay(unsigned char ms) /延时函数unsigned char x,y;for(x=ms;x>0;x-)for(y=110;y>0;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

20、 = in & 0x0f; while (-i != 0) && (k = 0); if (k != 0) i *= 4; if (k & 2) i += 1; 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; unsign

21、ed char led; pos = 0x20; for (i = 0; i < ledlen; i+) outbit = 0; led = ledbufi; outseg = led; outbit = pos; delay(5); pos >>= 1; outbit = 0; void t0() interrupt 1 /pid控制，采样周期500msts+; th0=256-50000/256;tl0=256-50000%256;if(ts=10) ts=0; da=pid();void time1_int(void) interrupt 3 /计算脉冲周期th1=25

22、6-50000/256;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;/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-2