1、單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)院 系 信息工程學(xué)院 班 級(jí) 自動(dòng)化121 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 日 期 2015/7/9 任務(wù)要求基于51單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制一、設(shè)計(jì)目的1.通過本次課程設(shè)計(jì)加深對(duì)單片機(jī)課程的全面認(rèn)識(shí)復(fù)習(xí)和掌握，對(duì)單片機(jī)課程的應(yīng)用有進(jìn)一步的了解。2.掌握定時(shí)器、終端的設(shè)置和變成原理。3.掌握單片機(jī)原理、結(jié)構(gòu)、指令、接口及應(yīng)用。4.通過此次課程設(shè)計(jì)能夠?qū)纹瑱C(jī)硬件結(jié)合起來，獲得單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論，基本只是和基本技能，掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法。二、基本要求1.,以80c51的基本知識(shí)和方法為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)擴(kuò)展達(dá)到應(yīng)用單片機(jī)的目的。2.根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)

2、模的要求，掌握單片機(jī)外部擴(kuò)展系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的基本過程，正確合理選擇期間，繪制應(yīng)用系統(tǒng)原理圖。3.根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，畫出程序整體流程圖，然后進(jìn)行各程序模塊的設(shè)計(jì)，編寫控制程序。4.掌握如何應(yīng)用單片機(jī)仿真器或編程器來開發(fā)應(yīng)用及仿真調(diào)試的過程，反復(fù)修改測(cè)試直至完成任務(wù)。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)并調(diào)試一個(gè)程序使其實(shí)現(xiàn)如下功能：1.在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過鍵盤輸入一個(gè)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值（例如25rpm），并在數(shù)碼管上顯示；2.采用比例調(diào)節(jié)方法，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值；3.測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)碼管上顯示；4.轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，可隨時(shí)修改轉(zhuǎn)速設(shè)定值；5.優(yōu)化比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時(shí)間較短，并嘗試加入積分、微分環(huán)節(jié)，

3、改善轉(zhuǎn)速的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。電機(jī)轉(zhuǎn)速不允許出現(xiàn)振蕩。基于51單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制摘要：本設(shè)計(jì)主要完成以at89c51單片機(jī)為核心的直流電機(jī)的測(cè)速系統(tǒng)，通過矩陣鍵盤給定轉(zhuǎn)速，并在數(shù)碼管上顯示設(shè)定值。采用霍爾傳感器進(jìn)行速度測(cè)量，利用pid控制和dac0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換使直流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。動(dòng)態(tài)顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)可以快速的達(dá)到設(shè)定值，且不會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)，stc89c51，矩陣鍵盤，設(shè)定值，霍爾傳感器，dac0832，pid正文1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要完成以stc89c51單片機(jī)為核心的直流電機(jī)的測(cè)速系統(tǒng)，通過矩陣鍵盤給定轉(zhuǎn)速，并在數(shù)碼管上顯示設(shè)定值。采用霍爾傳感器進(jìn)

4、行速度測(cè)量，利用pid控制和dac0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換使直流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。動(dòng)態(tài)顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示stc89c51單片機(jī)矩陣鍵盤數(shù)碼管顯示直流電機(jī)霍爾傳感器測(cè)速pid控制dac0832圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)主要使用了stc89c51單片機(jī)、霍爾傳感器測(cè)速、dc0832模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。現(xiàn)將主要模塊介紹如下：1.1 stc89c51stc89c51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列如圖所示。圖2 stc89c51ale：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ale用于控制把p0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ale是以晶振1/6

5、的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。 psen：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部rom時(shí)，有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部rom單元的讀操作。 ea ：訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)rom的讀操作限定在 外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)rom的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。rst：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。xtal1和xtal2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。vss：地線。

6、vcc：+5v電源。1.1 dac0832dac0832是8分辨率的d/a轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)da芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。d/a轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。圖3 dac0832d0d7：8位數(shù)據(jù)輸入線，ttl電平，有效時(shí)間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò))；ile：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效；cs：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；wr1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ile、cs、wr1的邏輯組合產(chǎn)生le

7、1，當(dāng)le1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，le1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存；xfer：數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；wr2：dac寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由wr2、xfer的邏輯組合產(chǎn)生le2，當(dāng)le2為高電平時(shí)，dac寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，le2的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入dac寄存器并開始d/a轉(zhuǎn)換。iout1：電流輸出端1，其值隨dac寄存器的內(nèi)容線性變化；iout2：電流輸出端2，其值與iout1值之和為一常數(shù)；rfb：反饋信號(hào)輸入線，改變r(jià)fb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；vcc：

8、電源輸入端，vcc的范圍為+5v+15v；vref：基準(zhǔn)電壓輸入線，vref的范圍為-10v+10v；agnd：模擬信號(hào)地；dgnd：數(shù)字信號(hào)地。試驗(yàn)箱dac0832如下圖所示圖4 實(shí)驗(yàn)箱dac08321.2 霍爾傳感器測(cè)速及轉(zhuǎn)速計(jì)算方法1.2.1霍爾傳感器測(cè)速原理霍爾傳感器在測(cè)量機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速時(shí)，被測(cè)量機(jī)械的金屬齒輪、齒條等運(yùn)動(dòng)部件會(huì)經(jīng)過傳感器的前端，引起磁場(chǎng)的相應(yīng)變化，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件穿過霍爾元件產(chǎn)生磁力線較為分散的區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)相對(duì)較弱，而穿過產(chǎn)生磁力線較為幾種的區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)就相對(duì)較強(qiáng)。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器就是通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應(yīng)元件時(shí)，產(chǎn)生霍爾電勢(shì)。霍爾傳感器的霍爾元件在

9、產(chǎn)生霍爾電勢(shì)后，會(huì)將其轉(zhuǎn)換為交變電信號(hào)，最后傳感器的內(nèi)置電路會(huì)將信號(hào)調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號(hào)。另外，霍爾傳感器的測(cè)量必須配合磁場(chǎng)的變化，因此在霍爾傳感器測(cè)量非鐵磁材質(zhì)的設(shè)備時(shí)，需要事先在旋轉(zhuǎn)物體上安裝專門的磁鐵物質(zhì)，用以改變傳感器周圍的磁場(chǎng)，這樣霍爾傳感器才能準(zhǔn)確的捕捉到物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本試驗(yàn)箱的霍爾傳感器如下圖所示圖5 實(shí)驗(yàn)箱霍爾傳感器1.2.2測(cè)速方法由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速較小，所以采用t法測(cè)速，t發(fā)測(cè)速的原理如下t法是測(cè)量兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間換算成周期，從而得到頻率。因存在半個(gè)時(shí)間單位的問題，可能會(huì)有1個(gè)時(shí)間單位的誤差。速度較高時(shí)，測(cè)得的周期較小，誤差所占的比例變大，所以t法宜測(cè)量低速。如要

10、增加速度測(cè)量的上限，可以減小編碼器的脈沖數(shù)，或使用更小更精確的計(jì)時(shí)單位，使一次測(cè)量的時(shí)間值盡可能大。計(jì)算公式為：t法測(cè)速的分辨率 法測(cè)速誤差率 低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長，測(cè)得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m2多，所以誤差率小，測(cè)速精度高，故t法測(cè)速適用于低速段。測(cè)速流程圖如下圖所示開始檢測(cè)外部中斷是否觸發(fā)開定時(shí)器1否否檢測(cè)下一脈沖是否到達(dá)計(jì)算兩脈沖時(shí)間間隔，計(jì)算轉(zhuǎn)速是否結(jié)束圖6 轉(zhuǎn)速測(cè)量流程圖1.3 鍵盤掃描顯示使用64的小鍵盤，向列掃描碼地址逐列輸出低電平，然后從行碼地址讀回。圖7 64的鍵盤矩陣如果有鍵按下，則相應(yīng)行的值應(yīng)為低，如果無鍵按下，由于上拉的作用，行碼值為高。這樣就可以通過輸出的列碼

11、和讀取的行碼來判斷按下的是什么鍵。在判斷有鍵按下后，要有一定的延時(shí)，防止鍵盤抖動(dòng)。初始化地址參數(shù)顯示緩沖區(qū)初始化 輸出列掃描信號(hào)數(shù)碼管顯示列掃描信號(hào)移位有鍵輸入？ 否 讀入行信號(hào) 是讀取鍵值該列有鍵輸入？ 是鍵值轉(zhuǎn)換為顯示數(shù)據(jù) 否6列掃描完？ 否返回 是按照行列計(jì)算鍵值得鍵碼等待鍵盤釋放返回圖8 鍵盤掃秒流程圖1.3 pid控制本次的課程設(shè)計(jì)采用的pid控制，調(diào)速性能好，通過調(diào)節(jié)比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)使得轉(zhuǎn)速控制達(dá)到想要的精度。pid參數(shù)的調(diào)節(jié)有試湊法和實(shí)驗(yàn)法，本課程設(shè)計(jì)采用的是實(shí)驗(yàn)法。現(xiàn)介紹如下：實(shí)驗(yàn)法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察

12、各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟中選擇的比例系數(shù)減小偉原來的50%-80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減少積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)節(jié)比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟，pi控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成pid控制。先置微分時(shí)間td=0，逐漸加大td，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和pid控制參數(shù)。2 硬件電路的連接和程序的調(diào)試本次的課程設(shè)計(jì)是基于sicelab-g210

13、0實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)，采用模塊化結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)箱如下圖所示圖9 sicelab-g2100實(shí)驗(yàn)箱硬件接線如下：把第17號(hào)模塊“并行數(shù)模轉(zhuǎn)換”中的dac0832輸出aout孔連第23號(hào)模塊“直流電機(jī)”的dcin孔，數(shù)模轉(zhuǎn)換dac0832的cs17孔和xfer孔連第38號(hào)模塊“片選信號(hào)”中的ys2孔，wr1孔和wr2孔連第33號(hào)模塊“控制總線”的/wr孔，ckm孔（霍爾傳感器輸出孔）連“l(fā)ab51cpu板”的p3.2孔。第38號(hào)模塊“片選信號(hào)”中ys0（0800h）孔連第40號(hào)模塊“鍵盤+數(shù)碼管”cs40孔。連線連線孔1連線孔2連線連線孔1連線孔21aoutdcin5wr2/wr2cs17xfer6ckmp3

14、.23xferys27cs40ys04wr1孔wr2表1 硬件電路連線圖10 接線圖按圖中接線，編寫程序，調(diào)試pid參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速可以快速的達(dá)到設(shè)定值，且不會(huì)出現(xiàn)振蕩，運(yùn)行結(jié)果如下圖所示 圖11 轉(zhuǎn)速為4r/s時(shí)運(yùn)行結(jié)果 圖12 轉(zhuǎn)速為12r/s時(shí)運(yùn)行結(jié)果圖13 轉(zhuǎn)速為45r/s時(shí)運(yùn)行結(jié)果3 創(chuàng)新與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)箱自帶的有rs232，可以利用串口通訊，將矩陣鍵盤輸入給定值改為通過串口通訊的方式，通過pc機(jī)鍵盤給定，或者編寫labview程序，使用labview串口給單片機(jī)送給定值。4 心得體會(huì)經(jīng)過1個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，留給我印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的程序，必須要有要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要

15、有堅(jiān)持不懈的精神。本產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速和測(cè)速，個(gè)人感覺其中還有許多不夠完善的地方，例如：對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用的dac0832，直接將數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量進(jìn)行控制，精度不高，不過作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)足夠了。此次的設(shè)計(jì)并不奢望一定能成功，但一定要對(duì)已學(xué)的各種知識(shí)能有一定的運(yùn)用能力，我做設(shè)計(jì)的目的是希望能檢查下對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用能力的好壞，并且開始慢慢走上創(chuàng)造的道路，這是非常可貴的一點(diǎn)。這次的課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題，最后在 老師的辛勤指導(dǎo)下，終于迎刃而解。同時(shí)，在老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識(shí)，林老師在我們完成的基礎(chǔ)上添加新的東西，轉(zhuǎn)速給定值可以通過串口通訊，pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，

16、也可以編寫labview程序，通過虛擬旋鈕給定轉(zhuǎn)速值，為此給我們培訓(xùn)了一下虛擬儀器及檢測(cè)技術(shù)，對(duì)labview做了簡單介紹，給我們?nèi)肓碎T。對(duì)林老師專業(yè)知識(shí)的淵博表示敬佩，在此我表示感謝！同時(shí)，和同學(xué)的互相交流，使我有新的創(chuàng)意，新的理解，在此表示感謝！5 附錄#include reg52.h#include absacc.h#define ledlen 6unsigned char count;unsigned char ts;float da;long int n;unsigned int t;unsigned char key_temp;unsigned char k_temp2;xdata

17、 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, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77,

18、 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函數(shù)聲明void init(); /初始化函數(shù)聲明void delay(unsigned char ms) /延時(shí)函數(shù)unsigned char x,y;for(x

19、=ms;x0;x-)for(y=110;y0;y-);unsigned char testkey()/檢測(cè)是否有鍵值鍵入 outbit = 0; return (in & 0x0f); unsigned char getkey()/獲取鍵值 unsigned char pos; unsigned char i; unsigned char k; 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;

20、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() /顯示轉(zhuǎn)速 unsigned char i; unsigned char pos; unsigned char led; pos = 0x20; for (i = 0; i = 1; outbit = 0; void t0() interrupt 1 /pid控制，采樣周期500msts+; th0=25

21、6-50000/256;tl0=256-50000%256;if(ts=10) ts=0; da=pid();void time1_int(void) interrupt 3 /計(jì)算脈沖周期th1=256-50000/256;tl1=256-50000%256;t+; void ex0() interrupt 0 n=1000/(50*t+(th1-61)*256+tl1-176)/1000);/計(jì)算轉(zhuǎn)速 tr1=1; /啟動(dòng)定時(shí)器1 t=0; th1=256-50000/256; tl1=256-50000%256; int pid() /pid控制函數(shù)unsigned char p=1.4;/比例常數(shù)unsigned char i=2.2;/積分常數(shù)unsigned char d=0.2;/微分常數(shù)unsigned int lasterror=0;/error-1unsigned int preverror=0;/err