【正文】 1 基于單片機(jī)的 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 單片機(jī)原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 班級(jí)： 自動(dòng)化 07 姓名： 指導(dǎo)教師： 曹利鋼 2020年 6月 7日 設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 ： 10％ Nn ～ 90％ Nn ，其中 Nn 為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 ：177。 5r/min。 設(shè)計(jì)成果 設(shè)計(jì)說明書一份 電路圖一份 參考資料 .單片機(jī)原理及接口技術(shù) (第 2版 )[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 ，趙性初 .單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) (第 2版 )[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社， 1999 教研室主任簽字： 年 月 日 3 目 錄 第 一 章 直流電機(jī)工作原理 ................................. 4 工作原理 ......................................... 4 、直流電機(jī) PID 控制原理方框圖 ....................... 5 第 二 章 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ................................... 8 硬件設(shè)計(jì) ......................................... 8 系統(tǒng)面板圖 ....................................... 15 第 三 章 流程設(shè)計(jì) ........................................ 17 軟件設(shè)計(jì)流程圖 .................................. 17 第 四 章 程序說明 ........................................ 20 直流電機(jī)部分程序 ................................. 20 溫度檢測部分程序 ................................. 28 第 五 章 說明及調(diào)試 ...................................... 36 調(diào)試過程 ........................................ 36 運(yùn)行結(jié)果 ........................................ 37 第六章 課程 設(shè)計(jì)體會(huì) ……………………………………………… 39 第七章 參考文獻(xiàn)…………………………………………………… 39 4 第一章 直流電機(jī)工作原理 工作原理 本設(shè)計(jì)中的電子鐘的核心是 AT89C51。硬件電路主要由六部分構(gòu)成： PID控制電路、復(fù)位電路、鍵盤電路、顯示電路、串行通信電路以及溫度檢測電路。 PID 控制電路是電子鐘硬件電路的核心，沒有 PID控制電路，直流電機(jī)無法正常穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)電路采用的晶振 ，一號(hào)單片機(jī)定時(shí)器采用的是定時(shí)器 0工作在方式 2定時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間的計(jì)時(shí)，定時(shí)時(shí)間為 10ms。復(fù)位電路可使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。鍵盤可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定及啟動(dòng)的操作。溫度檢測是通過 DS18B20芯片實(shí)現(xiàn)，在溫度顯示中還要注意數(shù)的轉(zhuǎn)換。在該設(shè)計(jì)中還用到定時(shí)器 1 工作在方式 2用來產(chǎn)生 9600的波特率，用在兩片單片機(jī)之間串行傳送數(shù)據(jù)。 外部中斷 INT1 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈時(shí)向外部中斷進(jìn)行一次中斷計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。 一號(hào)單片機(jī)轉(zhuǎn)速顯示 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，顯示部分可以把電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速或者是通過通信由溫度計(jì)算的轉(zhuǎn)速顯示出來，同時(shí)在右側(cè)部分顯示 電機(jī)當(dāng)下的轉(zhuǎn)速。 二號(hào)單片機(jī)的溫度顯示與之類似。 5 溫度測量 溫度測量有專門的芯片 DS18B20。 DS18B20 可編程溫度傳感器有 3 個(gè)管腳。 GND 為接地線， DQ 為數(shù)據(jù)輸入輸出接口， 通過一個(gè)較弱的上拉電阻與單片機(jī)相連。 VDD 為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可 由外部提供電源，范圍 3． O～ 5． 5 V。當(dāng) DSI8B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶 符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的 0， 1 字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀 到該數(shù)據(jù)，讀取 時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 0． 062 5℃／LSB 形式表示。 按鍵選擇 一號(hào)單片機(jī)的鍵盤采用 4 4 的按鍵方式檢測按鍵。 P0、 P1 口不斷掃描按鍵的行和列從而計(jì)算出所選擇的數(shù)值，進(jìn)而執(zhí)行相關(guān)的程序。 二號(hào)單片機(jī)原理類似。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分 一號(hào)單片機(jī)根據(jù)端口采集到的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過 PID 計(jì)算，通過另一端口發(fā)送 PWM 波，從而使電機(jī)改變轉(zhuǎn)速。 、直流電機(jī) PID控制原理方框圖 6 復(fù)位鍵盤顯示8 9 C 5 1鍵盤顯示測溫8 9 C 5 1電機(jī)驅(qū)動(dòng)測速報(bào)警串行通信圖 2. 1 直流電機(jī) PI D 控制電路方框圖 7 圖 電路連接圖 8 第二章 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 直流電機(jī) PID控制電路的核心是兩塊 89C51，用兩塊 89C51作控制是為了電機(jī)控制和溫度檢測互不干擾，其中一塊控制電機(jī)，另一塊實(shí)現(xiàn)溫度檢測。 按鍵電路設(shè)計(jì) 根據(jù)功能需要，本控制電路需要設(shè)置一下功能鍵：按鍵設(shè)定轉(zhuǎn)速。在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣 形式，如圖 1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在 交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如P1口）就可以構(gòu)成 4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，下圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，所有的輸入端都是高電 平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 9 a0a1a2a3a4a5a6a70 1 2 34 5 6 78 9 確定 清除運(yùn)行 圖 按鍵電路 參見表 。 按鍵 鍵名 功能 屬性 0~9 設(shè)定 設(shè)定轉(zhuǎn)速值 自動(dòng)復(fù)位 確定 確定 確定設(shè)定值 自動(dòng)復(fù)位 清除 清除 去除設(shè)定值 自動(dòng)復(fù)位 運(yùn)行 運(yùn)行 開始運(yùn)行 自動(dòng)復(fù)位 表 按鍵功能表 按鍵操作說明如下： 0~9 鍵：通過此按鍵設(shè)定要求電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。設(shè)定過程中數(shù)值依次左移，實(shí)現(xiàn)百十個(gè)位的設(shè)定。 確定鍵：該鍵為自動(dòng)復(fù)位鍵，當(dāng)設(shè)定完成后按確定鍵就可以使設(shè) 10 定值賦給相應(yīng)變量。 清除鍵：清除已經(jīng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。 運(yùn)行鍵：設(shè)定值完畢則可以點(diǎn)此鍵進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行。 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，以便使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于思索狀態(tài)時(shí)，也可按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。 復(fù)位后， PC 內(nèi)容初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。 89C51 單片機(jī)復(fù)位信 號(hào)的輸入端是 RST引腳，高電平有效。 RST端的外部復(fù)位電路有兩種操作方式：上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手 動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本設(shè)計(jì)用的是按鍵電平復(fù)位時(shí)相當(dāng)于 RST 端接高電平。如圖 所示。 需要注意的是單片機(jī)連接了 8255A，復(fù)位電路也需與 8255A 的RESET相連。電路為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間， RESET 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RESET的電位逐漸下降。只要保證 RESET 為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周rs tRS Ta2a0C31uFR11k 11 期，便能正常復(fù)位。該電路除具有上電復(fù)位 功能外，若要復(fù)位，只需按 RESET 鍵，此時(shí)電源 VCC經(jīng)電阻 R R2 分壓，在 RESET端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。 顯示電路 本設(shè)計(jì)中使用 LED數(shù)碼管顯示電機(jī)的設(shè)定和實(shí)際轉(zhuǎn)速以及溫度值。電路設(shè)計(jì)如下： I NT 1a0a1a2a3a4a5a6a7A02A14A26A38OE1Y018Y116Y214Y312U 2 : A7 4 HC 2 4 0A011A113A215A317OE19Y09Y17Y25Y33U 2 : B7 4 HC 2 4 0234567891R P 1RE S P A C K 8 圖 轉(zhuǎn)速的顯示電路 溫度的顯示電路在另一個(gè)單片機(jī)中完成，圖相似。 12 溫度檢測 系統(tǒng)設(shè)置了一路溫度檢測在該系統(tǒng)中，圖 。 圖 DS18B20 測溫原理框圖 P 1 . 1P 1 . 1P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 6+5VP 1 . 7P 1 . 7P1.0P 1 . 0P 1 . 2P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 3G NDX T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /