PID直流电机调速————课程设计报告

课程设计报告

课程名称：单片机课程设计

题目：基于51单片机PID直流电机调速

随着科技的日益进步，对自动化的要求也越来越高，直流电动机应用领域更加广泛。例如，军事方面的雷达天线惯性导航火炮瞄准等控制；工业方面的数控机床加工生产设备工业机器人的控制；计算机外围设备及办公设备中各种光盘驱动器扫描仪打印机传真机复印机等设备的控制。因此，设计一款可控性好精度高的电机控制系统是非常有意义的。本文介绍了一种以AT89S51单片机为控制核心的直流电机控制系统模型。

本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。设计中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外本系统中使用了红外对管对直流电机的转速进行测量，经过整形电路后将测量值送到单片机，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PID运算从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PID运算程序初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。

[关键字] PWM信号红外对管PID运算

一、设计任务、要求 (3)

1.1 设计任务 (3)

1.2 设计要求 (3)

二、方案总体设计 (4)

三、硬件设计 (5)

3.1 单片机最小系统 (5)

3.2 四位数码管显示 (5)

3.3 电机驱动电路 (5)

3.4 红外测速电路 (6)

3.5 整形电路 (7)

3.6 整体电路 (7)

四、软件设计 (8)

4.1 算法实现 (8)

4.1 主程序流程 (8)

4.2 定时器1中断流程 (9)

五、硬件设计 (10)

5.1 软件介绍 (10)

5.2 硬件调试 (10)

5.3 软件调试 (10)

六、设计总结、心得体会 (11)

七、参考文献 (12)

附录一：源程序 (13)

一、设计任务、要求

1.1 设计任务

设计一个基于51单片机的PID直流电机调速系统。

1.2 设计要求

根据单片机原理及应用课程的要求，主要进行两个方面的设计，即单片机最小系统和存储器扩展设计、接口技术应用设计。其中，单片机最小系统主要要求学生熟悉单片机的内部结构和引脚功能、引脚的使用、复位电路、时钟电路、4个并行接口和一个串行接口的实际应用，从而可构成最小应用系统，并编程进行简单使用。

具体的要求有以下几点：

✓系统采用DXP软件设计电路原理，设计布局必须合理美观；

✓实物采用洞洞板焊接，布局采用万能板专用绘图软件；

✓4位数据显示功能；

✓具有至少2个独立按键，通过按键可设置不同运行方式；

✓系统具有较好的模块化，功能、程序等分块合理；

二、方案总体设计

方案一：用三极管搭H桥，实现电机正反转的控制。电路部分较为复杂，焊接也显得更麻烦一点。

方案二：以驱动芯片ULN2003作为电机驱动，ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽等特点。UNL2003是是漏极开路输出，它的驱动能力为500mA，能够驱动直流电机、步进电机等。

由于这里不需正反转的控制，也为了使焊接更方便，提高成功率。所以电机芯片驱动方案选择方案二。

总体设计：

图1 整体硬件设计

总体方案工作原理：使用STC89C52单片机作为主控制芯片，按键控制改变电机的设定值，通过红外对管进行转速的测量，与设定值进行比较，通过PID算法控制电机达到设定转速。

三、硬件设计

3.1 单片机最小系统

单片机最小系统由51单片机，晶振电路，复位电路，电源组成。大家都比较熟悉，这里不再赘述。

3.2 四位数码管显示

在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。本系统中前三位显示电压的整数位，最后一位显示转速的小数位。

4-LED显示器引脚如图2所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED 的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。

图2 四位LED引脚

3.3 电机驱动电路

电机驱动电中是采用ULN2003来驱动。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

图3 ULN2003引脚图

图3为ULN2003的引脚图，其中IN1~IN7为输入控制端；OUT1~OUT7为输出端；8脚为芯片的接地端；9脚为公共端，该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。

如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。

图4 一对达林顿管

图4为一对达林顿管示意框图，它反映了每一对输入与输出的内部结构。从图中可看出，它内部实际就是由三极管组成，所以实际电机驱动用三极管搭H桥或其他驱动电路也是可以实现驱动电机的。

图5 电机驱动电路

图5为本设计的直流电机驱动电路。当P1.0中为高电平时，其内部三极管导通，使电机转动。当P1.0为低电平时，内部三极管截止，电路断开，电机停止转动。所以在程序中可以利用P1.0口输出PWM波来控制电机的转速。

3.4 红外测速电路

图6 红外对管测速

红外测速部分电路如图6所示，发射管工作时发出红外线，当接收管收到红外信号时，其电阻变小（本设计相当于从无穷大变到1k左右）。利用其电阻变化，改变接收管分压情况。挡片是利用圆盘上剪四个孔，当挡片随电机转动时，接收管两端电平发生变化，产生脉冲。