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1、常熟理匸学院实训任务报告书目录1. 智能仪器综合设计课程设计任务书21. 1课程设计任务31.2课程设计目的31.3课程设计要求31.4课程设计容31.5课程设计报告要求31.6课程设计进度安排41.7课程设计考核办法42. 设计方案52. 1总体方案52. 2PID 算法52. 2. 1PID控制的基本组成52. 2. 2PID控制中的主要技术指标分析62. 3PWM脉冲控制83. 硬件模块93. 1主体模块93.2显示与键盘模块103. 3转动源模块123.4复位电路134. 软件模块144. 1主程序流程图144. 2初始化模块144.3中断模块165. 收获与体会18参考文献19附录2
2、0161智能仪器综合设计课程设计任务书题目：直流电机转速测量与控制系统的设计1.1课程设计任务日常生活和生产中，需要对各种电机的转速进行测量。该综合设计要求完成基于 AT89C52单片机的直流电机转速测量与控制系统的设计。采用光电式传感器进行信号的 转换，再经过整形、放大等电路处理，将信号送入单片机进行数据处理，能够对设定的 电机转速进行自动PID调节，自动调节的效果可通过LabVIEW软件编写的上位机进行观 察和调整。12课程设计目的通过本次课程设计使学生掌握：1）微机接口技术与I/O通道电路的设计及实现方 法；2）控制程序的设计及实现方法；3）微机控制系统的实际调试技巧。从而提髙学生 对微
3、机实时控制系统的设计和调试能力。1.3课程设计要求1、该装置要求在智能仪器综合实验平台上完成软件编程与实现。2、用数码管来分别显示工作状态、设定速度和实际速度。3、用3只按钮来分别作为开机/关机键、速度设定上升键和下降键。4、速度设定围5003000转/分，在某个速度设置点，要求使用PID控制。1. 4课程设计容1、硬件电路原理图；2、软件流程图及程序；3、实物调试及结果。1. 5课程设计报告要求报告中提供如下容:1、目录2、正文（1）课程设计任务书；（2）总体设计方案；（3）硬件原理图（protel软件）；（4）程序流程图及清单（子程序不提供清单，但应列表反映每一个子程序的名 称及其功能）；
4、（5）实物调试及结果。3、收获、体会4、参考文献1. 6课程设计进度安排周次工作日工作容第周1布置课程设计任务，查找相关资料2熟悉单片机、模数转换器3完成总体设计方案4画出硬件原理图及程序流程图5搭建硬件电路第周1调试硬件电路2完成软件的构思并画出流程图3编写程序并调试4编写程序并调试5编写程序并调试第周1编写程序并调试2编写程序并调试及准备课程设计报告3编写程序并调试及准备课程设计报告4完成课程设计报告并按规定时间提交5答辩1. 7课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三 个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%. 40%o2.设计方案
5、2. 1总体方案本次课程任务使用改变PWH脉冲控制直流电机转速。按动按键对MCU设定值，将产 生的PWH波输送给电机驱动部分，转动源模块开始工作，光电转速传感器测得代表直流 电动机速度的脉冲信号并将其反馈给MCU, MCU在比较转速设定值和实际值的基础上， 以PID控制算法来调节PWM波，从而对电动机速度进行控制，LED用于显示转速的设定 值和实际值。图2. 1方案流程图2. 2PID算法PID控制的基本原理2. 2.1PID控制的基本组成PID控制由反馈系统偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合而成，这 3种基本控制规律各具特点。P比例控制：比例控制莽在控制输入信号e(t)变化时
6、，只改变信号的幅值而不改变 信号的相位，采用比例控制可以提高系统的开环增益。该控制为主要控制部分。D微分控制：微分控制器对输入信号取微分或差分，微分反映的是系统的变化率， 因此微分控制是一种超前预测性调节，可以预测系统的变化，增大系统的阻尼，提高相 角裕度起到改善系统性能的作用。但是，微分对干扰也有很大的放大作用，过大的微分会使系统震荡加剧。I积分控制：积分是一种累加作用，它记录了系统变化的历史，因此，积分控制反 映的是控制中历史对当前系统的作用。积分控制往系统中加入了零极点，可以提高系统 的型别(控制系统型别即为开环传递函数的零极点的重数，它表争了系统跟随输入信号 的能力)，消除静差，提高系
7、统的无差度，但会使系统的震荡加剧，超调增大，动态性 能降低，故一般不单独使用，而是与PD控制相结合。PID的复合控制：综合以上几种控制规律的优点，使系统同时获得很好的动态和稳 态性能。PI：控制规律的基本输入/输出关系可用微分方程表示：式中，e(t)为控制器的输入偏差信号；K为比例控制增益；7；为积分时间常数；为 微分时间常数。相应的传递函数为：(2)(3)如W+护加)7；=1/27；1 +尸梵若41则式(2)还可以写成G($)=(DJT式中由式(3)可见，PID控制器向原系统增加了 一个零极点，从而使系统从0型提高到1型，还提供两 个负实零点，同时提高系统稳态性能和动态性能。PID控制器可由
8、模拟执行元件或具有运算功能的 数字器件实现。数字PID的实现需要式进行离散化，取釆样周期为T ,改写式(3),得1 z,e -en叫=Kp(en + -dejT + Td= Kpen + Kt 工勺 + Kd (en 丿()1Z(4)式中，K严KpTITK产KpTJT为控制器输出的控制量，式中(4)即为数字PID控 制器的直接算法。也可取其递推算法；叫=匕一 bi =心(q -耳_J +匕+ Kd (q - NJ -efl_2)( 5)式中，Kp, S K。的选取一般取决于经验以及实验现场的调整。2. 2. 2PID控制中的主要技术指标分析动态指标超调6% ,单位阶跃响应的最大值/?(),超过
9、稳态值h(-)的百分比，即8% =/亿）-心）心）xlOO%若h（fjXTAL1P曲 DUPD.1D1PD2WD2XTAL2PC .WUHPLJSftDSpen*PDDS on ? ran?irLJ.I1P2IW卩2伽P22XM0PSENP2JW11ALEP2.UA12阴P2M”P2.715pintn rvpvnP1.1P5.1/1XDP12K2AU1UP13P3J0NT1P1.4P3XnuPISPFP15P35VURP1.7P3.7 用 D133ATO9CS123於捋J736更我口 无21222321252627羽1D1112CZ1 I1S16仃图3. 1 AT89C51单片机其组成有一个8
10、位CPU、一个偏振荡器及时钟电、128字节的片数据存储器、4KB的 片程序存储器、可寻址的64KB字节外部数据存储器和64KB字节外部程序存储器的控 制电路、21字节的专用寄存器.4个8位并行I/O接口. 一个全双工的串行口、2个 16位的定时器/计数器和一个布尔处理机。在MCS-51系列单片机中具有5个中断源 和2个中断优先级，片采用单一总线结构连接。51单片机优点众多性价比优异；集成度高、体积小、有很高的可靠性；控制功能强; 扩展性能好，非常容易构成各种应用系统。3. 2显示与键盘模块显示与键盘模块使用按键与数码管实现,P1.O.P1.1分别实现减速与加速控制.P1.7 实现设置转速，数码
11、管实现实时显示转速。C1C218U1i-XTALI31-XTAL2PSENALE EAP1flP1.1P12P1JP1.4-P15 P1SP1.7PDUftDD P0.1JWD1 PD2AD2 P恥 D3 pciwm PDDS P影 D6 PD.TDrP2W3 P2.1X0S P21Q P23(M g4 、UD*O nxs 尹ux3 yEDU* plu LOMA/、二 QK3 -ituo、1c、: 、 _?D*a7 .二衣入】图3. 3数码管显示3. 3转动源模块设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极 管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，
12、而当没有物体挡在中 间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端间加入电动机，并 在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的 检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干 个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮 子即时的转速。转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可 以在单位时间尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正 好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实 际个数受到技术的限制。为了达到预
13、定的效果设计在转盘过孔的设计上采用6个过孔， 从而留下了 6个同等的间距。这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。 脉冲发生源的硬件结构图如图3. 1所示.o图3.4脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）3.4复位电路复位是单片机的初始化操作，以便使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始 状态，并从这个状态开始工作。除了进入系统的正常初始化之外，当单片机系统在运行 出错或操作错误使系统处于思索状态时，也可按复位键重新启动。89C51单片机复位信号的输入端是RST引脚，髙电平有效。RST端的外部复位电路 有两种操作方式：上电自动复位和按键手动复位。按键手动复位有电平方式和
14、脉冲方式 两种。4-5VVcc.c80C52JJ22pFRST/VPDrLVss(a)上电复位电路其中包括使程序计数器PC = 000011,单片机的复位操作使单片机进入初始化状态, 这表明程序从0000H地址单元开始执行。4.软件模块4.1主程序流程图在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中 软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图4. 1所示。开始初始化定时器计时器刷新数码管延时2ms显示图4.1主程序流程图4. 2初始化模块AT89C52有两个定时器/计数器TO和T1,每个定时器/计数器均可设置成为16位， 也可以设置成为13位进行
15、定时或计数。计数器的功能是对TO或T1外来脉冲的进行计 数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。定时功能是通过计数器的计数来实现的, 每个机器周期产生1个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1,因此定时时间等于计数 个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到1个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1,当所有位都位1时，再加1就会产生溢出，将向CPU提出定时器 溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定 时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。定时器有4种工作方式: 方式0、方式1、方式2和方式3,在此对工作方式不做具体介绍。工作方式寄存器
16、TH0D的设定:GATC/TMlM0GATC/TMlMOEETM0D各位的含义如下：GATE： H控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=l时工作于计数方式；当C/T二0时工作于定 时方式.Ml, M0：为工作方式选择位，用于对T0的四种工作方式，T1的三种工作方式 进行选择，选择情况如下表3-1： M1MO=OO为方式0:M1MO=O1为方式1;表3-1 Ml. M0为工作方式选择位M0M1工作方式方式说明00013位定时/计数器01116位定时/计数器1028位自动重置定时/计数器113两个8位定时/计数器（只有T0有）化并启动
17、定时器图4. 2定时计数子程序流程图 对定时器T0与计数器T1的初始化程序如下void timeOlinitiat() 一TM()D=OX 11； /计数器0和定时器1TLO=OXfc；TH0=0X4b；/计数器0赋初值TH1=OX4C；TL1=OXOO；/定时器1赋初值EA=1；/所有中断开放PTO=1；/定时器TO中断为高优先级ETO=1； /允许TO溢出中断ET1=1； 允许T1溢出中断TRO=O； /TR1=O； /ITO=1； /跳沿触发方式EXO=O： /禁止外部中断0中断43中断模块AT89C52单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是 由部的中断允许寄存
18、器IE的各位来控制的。中断允许寄存器IE的字节地址为A8H,可 以进行位寻址.表4-2中断位寻址表IE7DD6D5D4D3D2DIDO(A8H)AEET2ESElEX10ET0EXEA：中断允许总控位。EA=O,屏蔽所有的中断请求；EA二1,开放中断。 ET2：定时器/计数器T2的溢出中断允许位ES：串行口中断允许位。ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。EX1：外部中断INT1的中断允许位。ETO：定时器/计数器TO的溢出中断允许位。EXO：外部中断INTO的中断允许位。4. 3显示模块本系统采用动态数码管显示，所以程序如下：void displaym4(uint num)uint q
19、ian； uint bai:uint shi:uint ge； /定义 qian,bai,shi,geqian=num/1000；if(qian=O) qian=10； display numl (qian, 4): 千位 bai=num%1000；bai=bai/100；if(qian=10&bai=0) bai=10； display numl (bai, 3) ；/百位shi=num%100；shi=shi/10；if (qian=10&bai=10&shi0)shi=10；di splay numl (shi, 2) ；/十位ge=num%10；display num! (ge, 1)
20、 ；/个位开始显示缓存初始LED显示初始化数码显示图4. 3显示程序流程图5.收获与体会经过了一番努力，在老师和同学的帮助下，我顺利结束了此次的课程设计，在这个 过程中，我了解了许多，感悟了许多。实践是检验真理的唯一标准，经过这次作品设计，我深深理解了这句话，在经过了 仿真与实物的运用后，单片机各个部分的功能显得明确而具体。这在作品设计之前只知 道概念的我看来简直不可思议，所以说，只有将理论与实际结合起来，才能让人映像深 刻并真正理解。这次实习是我学习生活中不可缺少的重要经历，其收获与意义可见一斑。首先，我 可以将自己所学的知识应用于实际的工作中，理论和实际是不可分的，在实践中学的知 识得到了
21、巩固，解决问题的能力也得到了锻炼，其次，本次实习开阔了我的视野，使我 对法律在现实中的运作有所了解。通过这次设计，我深刻理解到要做好一件事情，必须有系统的思维方式和方法，要 有耐心和恒心去钻研努力，要善于运用资源丰富充实自己，要有整体的目光来看待事物, 再从局部到整体慢慢实现，这样才会有效率。参考文献1 金規先进PID控制MATLAB仿真（第2版）M.:电子工业,2006.2 阿奇主编.MATLAB实用教程M.:电子工业，2004.3 思雨预测控制算法和PID控制算法J,燕山大学工学硕士学位论文，2003.4 蔡美琴等.MCS-51系列单片机系统及其应用第二版，高等教育.5 全利单片机原理及其
22、接口技术，高等教育.6 文定，王东林过程控制系统的MATLAB仿真，机械工业.附录#includeMreg52. h#include mathh#define uchar unsigned char#define uint unsigned intucharcodexianshi11 = 0xFC, 0x60, OxDA,0xF2,0x66,0xB6,OxbE,OxEO,OxFE,0xF6,0x00； sbit PWM二P7；sbit keyl二P0；sbit key2二Pl；sbit key3=Pl 2；uint wide=50； /脉宽计数 uint tl=0： /低电平脉宽 uint t
23、2=0； /个周期 uint time_low=0；uint time_high=100； bit high flag=0；bit low flag=0；bit state_flag=O；uint set_count=50；/设定转速值uint run count=0；/实际频率的读取uint stop_count=0；/电机转速存储变量uint time=0；int en=0,en_l=0,en_2=0；/定义三个时刻的误差存储变量float a0=l. 7,al=0. 3,a2 =0. 002,un=0； 定义 PID 计算参公式的参数 void delayIms(uint time):v
24、oid delay(uint time):void displayml(uint dat,uchar numl):void displaym4(uint num):void timeOl_initiat(void)；void key_precess(void):void pid(void)；void main() time01_initiat()； /初始化定时器0和定时器1 while(l)key_precess() ；/键盘扫描函数/1ms延时函数void delayIms(uint time) uint i,j；for(i=0；itime；i+)for(j=0；j123；j+)；指定的位
25、上显示指定的一位数据void displayml(uint dat,uchar numl)PO=xianshi dat ； /段显 switch(numl)case 1:P2=0x01；break；case 2:P2=0x02；break；case 3:P2=0x04；break；case 4:P2=0x08；break；default： break；delay1 ms ；四位数据显示函数void displaym4(uint num) 一uint qian；uint bai；uint shi；uint ge；qian=num/1000；if (qian=0) qian=10; display
26、 numl (qian,4)；bai=num%1000；bai=bai/100；if(qian=10&bai =0) bai=10； display num1 (bai,3)； shi=num%100；shi=shi/10；if(qian=10&bai=10&shi=0)display num1 (shi,2)；ge=num%10；display numl (ge,1)； 一四位数据显示函数void displaym4_l(uint num) uint qian；uint bai；uint shi；uint ge；qian=num/1000;if (qian=0)qian=10;display
27、 numl (qian,4)； bai二num%1000；bai=bai/100；if(qian=10&bai=0) bai=10； display numl (bai,3)；shi二num%100；shi=shi/10；if(qian=10&bai=10&shi=0) display numl (shi,2)； ge=num%10；display numl (ge,1)； 一void delay(uint time)uint i;for (i=0；itime&keyl=l；i+) display num4 1(stop_count*10)；shi=10；shi=10；void delayl
28、(uint num)uint i;for (i=0；i300) set_count=50； _ 一if (keyl=l&key2=l&key3=0&state_flag=0) /KEY3 为按键减/ while(key3=0)；delayl(20)；if(set_count50) set_count-=l；if(set_count=50) set_count=300； 一 if(state_flag=0) 如果系统处于设置模式，则关闭定时器中断和外部中断，同 时初始化部分变量PWM = 0；EX0=0；TRO二0；TR1=O；run count=0；stop_count=0；time=0；tl
29、=0；t2=0；displaynumd(set_count*10)；if(state_flag=l) /如果系统处于运行模式则显示电机的实际转速值display num4_l(stopcount*10)；void pid(void) /PID 计算输出量en=set_count-stop count；un=aO*en-al*en l+a2*en 2；/计算输出量if(un 400)un = 400；if(un 900)wide=900：/防止超限，确保计算饿wide值有效if(wide10)wide=10；外部中断0用于电机转速测量void int0() interrupt 0EXO二0；ru
30、n_count+；EXO二1；/定时器0用于产生PWH ,占空比通过PID计算获得void timeO() interrupt 1TL0=0X9c；THO=OXFF； /计数器0赋初值lOOusTRO=O；if (1 ow_flag=0) 11+； /低电平时间计时t2+；if(t2=1000) 用于确定PWM的周期,t2乘以定时器的中断周期即为PWM的 周期PWM=1；t2=0；low_flag=0；)if (tl=wide)/wide的值即为低电平的时间PWM二0；tl=0；low_flag=l；TRO二1；void timel() interrupt 3THl=0X4b；TLl=0Xfc； /50ms 定时TR1=O；time+；if (time=20)/定时2s到，读取到的值run_count即为电机每秒的转速值stop_count=runcount ；time=0；runcount=0；pidO； 调用PID算法)TR1=1；