计算机控制系统课程设计-直流电机测速调速系统.doc

西安工业大学课程设计（论文）用纸
XI`AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
课程名称 直流电机测速调速实验
专 业： 电气工程及其自动化
班 级：
姓 名：
学 号：
指导教师： 秦刚
成 绩:
2016 年 7 月 11日
计算机控制系统课程设计
——直流电机测速调速系统
一、 选定题目：电机速度控制系统
二、设计目的和要求：
计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它不仅需要微型机控制理论、程序设计方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。课程设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、控制软件的设计等，以便使学生掌握计算机控制系统设计的总体思路和方法.
三、功能需求：
1、基本功能：
（1）该系统使用实验箱的直流电机、1602液晶、DA、键盘等模块完成设计；
(2)直流电机通过DA模块使用PWM方式进行驱动及调速；
（3)能够通过1602液晶显示当前转速及PWM占空比；
（4）通过按键控制电机的启动和停止。
2、扩展功能:
（1）能够通过按键手动输入目标转速（转/秒），启动电机后控制电机稳定在目标转速；
(2）使用1602液晶实时显示目标转速、当前转速及启停状态（on/off）。
四、 实验思路：
本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的调速，并通过单片机控制速度的变化。本设计的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提,是整个系统执行的基础,它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理,最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制.
用51来产生PWM波就必须要用软件编程的方法来模拟。方法大概可以分为软件延时和定时器产生两种方法.本次课程设计我们采用定时器产生PWM方波。
定时器产生PWM：这种方法利用了定时器溢出中断，在中断服务程序改变电平的高低,在程序较复杂、多操作时仍能输出较准确的pwm波形。
五、实验设备：
单片机开发实验仪一台；
AT89C51；
LCD1602；
DA数模转换；
按键；
光电开关
六、实验原理:
1、硬件框图：
硬件部分主要由电位器、模数转换模块、 51单片机、显示模块、驱动电路和无刷直流电机组成。其功能框图如下：
2、硬件介绍：
1）1602液晶显示模块电路
1602C字符型液晶:CS：片选信号,低电平有效;RS:选择读写的是指令或数据,L：指令，H：为数据.RW：读写控制端，L:写操作，H：读操作。
12864J图形点阵液晶:CS：片选信号，低电平有效；CS1/2：左右半屏使能选择,H:左半屏,L：右半屏；RS：选择读写的是指令或数据，L：指令，H：为数据。RW：读写控制端，L：写操作，H:读操作。
12864M图形点阵液晶：JP6的16脚是空脚，JP6的15脚是PSB：PSB接高电平,CPU与液晶使用并行接口连接,连接方法与12864J完全相同;PSB接低电平，CPU与液晶使用串行接口连接，此时，RS、RW、E与CPU的I/O管脚相连（STAR ES59PA才有该功能）.

（1602C字符型液晶)
(1602C字符型液晶)

（12864J图形点阵液晶）
2）DAC0832数模转换
CS：片选,低有效；
OUT：转换电压输出;
OUT1:经功放电路的电压输出；
电位器W5：调整基准电压.
3)发光管、按键、开关

JP65：发光管控制接口，0－灯亮，1－灯灭
第 页

按键电路原理图

开关电路原理图
JP74:按键控制接口；按下－0信号，松开－1信号
JP80：开关控制接口；闭合－0信号，断开－1信号
4） AT89C51
本课题中控制芯片的作用主要是与ADC0809相连接，采集模数转换后得到的8位二进制码，过公式计算后得到电压值,同时连接四位数码管进行显示.综合考虑,选用AT89C51即满足要求。 
简介：
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案. 
AT89C51引脚图如下： 
主要特性：与MCS-51 兼容·；4K字节可编程FLASH存储器；寿命：1000写/擦循环;  数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz—24MHz  ; 三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM  ；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道； 低功耗的闲置和掉电模式； 片内振荡器和时钟电路；直流电机转速测量/控制
5）使用光电开关测速第 页

CTRL：控制电压（DAC0832经功放电路提供)输入；
REV：光电开关脉冲输出（用于转速测量)；
LIGHT：低电平点亮发光管。
3、 软件设计
主程序设计:
主程序是一个循环程序，其主要思路是,先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值,然后用PID增量式算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。
主程序流程图如下：
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五、实验总结：
计算机控制技术的课程设计相比硬件的课程设计,简直难了不止一个档次，作为主要的编程人员,当我实际要去控制一个物体的时候，我才知道自己以前学的知识有多么的不牢固，不过真真正正的去做一个实物控制程序的时候，才能真切的体会到以前书本上学的知识是如何运用到实际的，我基本上可以说是为了应付考试勉勉强强学了一些，这次实际做到项目设计后，才理解其真正的含义.
还有本次项目,我们采用了LCD显示屏作为显示单元，比LED数码管复杂，LCD液晶显示屏这也是以前没有运用到过的，所以总体来说，这次课程设计带给我的不仅仅是旧知识的复习，还有新的探索。
本课程设计得以完成，首先要感谢秦刚老师，因为课程设计在他的悉心指导下才能顺利完成。他渊博的专业知识,严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范、朴实无华、平易近人的人格魅力对我的影响非常深远。本设计从选题到完成,每一部步是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。
通过此次的课程设计，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在课程设计的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献,培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破.在以往的传统学习模式下，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西,学会了怎么更好地处理知识和实践相结合的问题.
在课程设计的写作过程中也学到了做任何事情所要的态度和心态，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视,，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。
再次感谢给我鼓励的老师、同学和朋友，谢谢！!第 页

六、 附件:程序
#include〈reg52.h〉
＃include<math.h>
/＊**＊*＊******＊**＊*＊＊以下硬件连线设置**＊＊****＊＊*＊＊＊/
sbit key0=P1^0; //占空比（设定值）增按键；且rev接int0
sbit key1=P1^1; //占空比（设定值）减按键
sbit power = P1^7； //启停按键
sbit auto_run=P1^5; //自动运行按键
sbit set=P1^4; //set按键
sbit left=P1^2； //左移光标
sbit right=P1^3； //右移光标
sbit LCD_RS=P3^0; //1602的RS
sbit LCD_RW=P3^1； //1602的RW
sbit sys_data=P3^4； //继电器控制脚,用于切换DA功率输出方向（电机or加热电阻)
xdata unsigned char dac0832_addr _at_ 0xd000；//DA的地址
xdata unsigned char LCD_DATA _at_ 0x8000;//LCD1602的地址
/***＊＊＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊＊＊＊以下为系统的状态量设置＊*＊＊******＊***/
bit rps_triger=0; //转速（温度）刷新显示控制,1为需要刷新显示，0为不需要刷新显示
bit scale_triger=0； //占空比刷新显示控制
bit power_triger=0; //电源指示刷新显示控制
bit power_data=0; //电源状态,0为关断,1为运行
bit set_triger=0; //设置状态，0为正常运行，1为设置模式
bit auto_triger=0; //auto（自动调整）状态,0为正常模式，1为自动调整模式
bit auto_triger_triger=0； //auto标志刷新显示控制，当auto状态被被改变时才需刷新显示
/**＊＊*＊＊＊*****＊＊****以下为系统的数据量*＊＊＊*＊＊＊***＊＊**＊＊/
char set_data=0； //设置模式下设置的是第几位，0～3（转速设定为4位),0～2（温度设定为3位）
unsigned int scale=10; //占空比数据（2倍关系，可以控制到0。5％)，初值为5％
unsigned int rps=0; //转速计数变量
unsigned int rps1=0; //目标值变量
unsigned int rps_data=0； //转速值
unsigned int time=0; //每秒计数变量（计数周期为250u秒，故4000次为1秒）
unsigned int time2=0； //检测插值计数变量（0.05秒检测1次，实时调整比例系数）
unsigned int time3=0; //比例系数控制（若当前值和目标值差值值大，则调整迅速，反之则缓慢调整）
unsigned char time_scale=0； //占空比总周期计数变量，一个周期200次,可以精确到0。5%
unsigned int time_check[4］=｛1000，3000，6000,10000}；//转速调整时间系数表格
unsigned char check=0； //检测周期等级，分为0～4共5个等级,0为极小时间系数，4为稳定不变
void _nop_（void);
/***＊＊＊＊＊＊*＊**＊*＊＊＊*延时函数*＊**＊＊*＊＊＊*＊***＊*/
void delay（int a）
{
while（a--）;
}
/＊＊＊*＊＊＊*＊****＊＊＊＊＊＊外部中断初始化＊＊*＊＊＊＊＊＊*＊＊*＊＊**/
void init_int0(）
｛
IT0=1；
EX0=1；
EA=1；
}
/＊*＊**＊****＊*＊*＊*＊＊*计数器0初始化＊＊*＊***＊*＊***＊*＊＊/
void T0_init（)
｛
TMOD = 0x01;
TH0 = 0xff; //计数周期为250u秒
TL0 = 0x1a；
ET0=1;
EA=1；
TR0=1;
}
/＊*＊*＊*＊＊*＊*＊＊*＊＊*＊＊LCD1602相关函数***＊＊＊*＊******＊＊*/
void LCD_write_com（unsigned char com)
{
LCD_RS=0;
LCD_RW=0;
LCD_DATA=com；
delay（80);
｝
void LCD_write_data（unsigned char dat）
{
LCD_RS=1;
LCD_RW=0；
LCD_DATA=dat；
delay（80）；
｝
/**＊**＊＊＊＊＊*＊＊LCD1602在电机调速系统下的初始化函数＊*＊＊**＊＊*＊＊**/
void LCD_init（void)
{
LCD_write_com（0x38)；
LCD_write_com（0x0c）;
LCD_write_com(0x06）;
LCD_write_com（0x01）；
LCD_write_com(0x80）;
LCD_write_data(’R'）;
LCD_write_data（’P');
LCD_write_data（’M’)；
LCD_write_com(0x88）；
LCD_write_data(’S’)；
LCD_write_data（’e');
LCD_write_data（'t'）;
LCD_write_com(0xc8）；
LCD_write_data('R’）;
LCD_write_com（0xcd）;
LCD_write_data(’。’）;
LCD_write_com(0xcf）；
LCD_write_data(’%’);
LCD_write_com(0x8b）;
LCD_write_data（rps1/1000+0x30）；
LCD_write_data(rps1％1000/100+0x30)；
LCD_write_data（rps1％100/10+0x30);
LCD_write_data(rps1％10+0x30）；
}
/****＊＊＊＊＊******光标闪烁开***＊**＊＊＊＊*＊**＊/
void flash_on(void）
｛
LCD_write_com(0x0f）;
｝
/**＊**＊＊*＊＊＊*＊＊＊光标闪烁关＊**＊＊*＊*＊＊＊＊＊＊*/
void flash_off(void）
{
LCD_write_com(0x0c);
}
/**＊＊*＊＊*＊***显示当前转速或温度*＊*＊******＊**＊/
void display_rps（void)
｛
flash_off()；
LCD_write_com（0x80）；
LCD_write_data('R')；
LCD_write_data（'P’);
LCD_write_data(’M’）;
LCD_write_data（rps_data/1000+0x30);
LCD_write_data（rps_data%1000/100+0x30);
LCD_write_data（rps_data％100/10+0x30）;
LCD_write_data（rps_data％10+0x30）;
rps_triger=0；
}
/＊***＊＊*＊****显示当前占空比**＊＊**＊*****＊*/
void display_scale（void）
｛
flash_off();
LCD_write_com（0xcb);
LCD_write_data(scale/2/10+0x30）;
LCD_write_data（scale/2%10+0x30）；
LCD_write_com（0xce);
LCD_write_data（scale%2＊5+0x30）；
scale_triger=0；
}
/*＊*********＊显示auto模式的状态*****＊**＊＊*＊＊＊/
void display_auto(void)
{
flash_off（）;
if（auto_triger==1）
｛
LCD_write_com（0xc3）；
LCD_write_data('a'）；
LCD_write_data('u'）；
LCD_write_data（'t’)；
LCD_write_data('o'）;
}
else
{
LCD_write_com（0xc3)；
LCD_write_data(' ’）;
LCD_write_data(' ’）；
LCD_write_data(' ’)；
LCD_write_data（’ ’）；
}
auto_triger_triger=0;
｝
/＊＊*******＊＊＊显示power的状态（on或off）*****＊*＊＊****/
void display_power(void）
｛
flash_off（);
LCD_write_com（0xc0)；
if(power_data==0）
{
LCD_write_data('o’）；
LCD_write_data（’f')；
LCD_write_data(’f’）；
power_triger=0;
auto_triger=0;
}
else
｛
LCD_write_data（'o'）;
LCD_write_data（’n');
LCD_write_data（' '）；
power_triger=0;
auto_triger=0;
}
}
/**＊＊＊＊＊＊＊*＊＊调整输出占空比函数*＊＊*＊＊**＊**＊＊*/
void check_rps（void）
{
if（power_data==0） return；
if(rps1<rps_data)
｛
scale—-；
if(scale<=1） scale=1;
}
else if(rps1〉rps_data)
{
scale++;
if（scale>=199） scale=199;
}
scale_triger=1；
｝
/***＊**＊****＊显示电机调速系统下set模式函数＊*＊****＊＊***＊＊/
void display_set(void）
｛
switch(set_data）
{
case 0：flash_on(）；LCD_write_com（0x8b）;LCD_write_data(rps1/1000+0x30);LCD_write_com（0x8b);delay（1000）；break;
case 1：flash_on（)；LCD_write_com(0x8c）；LCD_write_data（rps1%1000/100+0x30);LCD_write_com（0x8c）；delay（1000）;break;
case 2：flash_on（）;LCD_write_com(0x8d）；LCD_write_data（rps1％100/10+0x30)；LCD_write_com(0x8d);delay(1000)；break;
case 3：flash_on(）；LCD_write_com(0x8e）;LCD_write_data(rps1%10+0x30)；LCD_write_com(0x8e);delay(1000);break；
default：flash_off（)；break;
｝
}
/＊**＊*＊＊****＊以下为各个按键的函数＊＊＊*＊*＊***＊＊*＊/
/****＊*＊＊＊＊＊＊power电源键****＊＊*＊*＊***＊/
void fn_power（)
｛
if（power==1） return;
else
｛
delay（20）； //按键去抖
if（power==0)
｛
while（power!=1)；
power_data=～power_data;
power_triger=1;
set_triger=0；
auto_triger_triger=1；
}
else return；
}
｝
/*＊＊*****＊＊＊*自动调整模式键＊＊**＊****＊＊***/
void fn_auto（）
{
if(auto_run==1) return;
else
{
delay（20)； //按键去抖
if(auto_run==0）
｛
while(auto_run!=1);
if（power_data==0) auto_triger=0;
else auto_triger=～auto_triger；
auto_triger_triger=1；
set_triger=0；
}
else return;
｝
}
/***＊＊**＊＊＊*＊set设置模式键＊**＊＊***＊*＊*＊*/
void fn_set（）
｛
if(set==1) return；
else
｛
delay（20）; //按键去抖
if（set==0)
{
while（set！=1);
set_triger=～set_triger；
auto_triger=0;
auto_triger_triger=1;
｝
else return；
}
}
/＊***＊**＊＊＊＊*减键（set模式为调整目标值,运行模式调整占空比）**＊**＊*＊*****＊/
void fn_key0()
｛
if(key0==1) return;
else
｛
delay(20）; //按键去抖
if(key0==0）
｛
while（key0!=1);
if(set_triger==1)
｛
switch（set_data)
｛
case 0：if（rps1/1000>=1) rps1=rps1—1000； break;
case 1:if（rps1％1000/100〉=1) rps1=rps1—100； break;
case 2：if(rps1％100/10>=1) rps1=rps1-10； break;
case 3：if(rps1％10〉=1） rps1=rps1-1; break;
}
}
else
{
if(scale〈=1) scale=1；
else scale—-；
scale_triger=1;
｝
}
else return;
}
｝
/＊＊＊＊＊*＊***＊*加键（set模式为调整目标值，运行模式调整占空比）*＊＊*＊**＊＊***＊*/
void fn_key1(）
｛
if（key1==1) return;
else
{
delay（20); //按键去抖
if(key1==0）
｛
while（key1!=1）；
if(set_triger==1）
｛
switch（set_data）
{
case 0：if（rps1/1000<9) rps1=rps1+1000； break；
case 1:if(rps1％1000/100〈9） rps1=rps1+100； break；
case 2：if（rps1%100/10<9） rps1=rps1+10； break;
case 3：if(rps1％10<9) rps1=rps1+1； break；
｝
｝
else
{
if(scale〉=199） scale=199；
else scale++；
scale_triger=1;
}
｝
else return；
}
｝
/*＊＊＊*＊**＊***光标左移键（set模式下有效)*＊*＊＊＊*＊＊***＊＊/
void fn_left（)
{
if（left==1) return；
else
{
delay（20)； //按键去抖
if（left==0)
{
while（left!=1)；
if（set_triger==1）
｛
if（set_data〉=3） set_data=3；
else set_data++;
｝
else return；
}
else return;
｝
}
/*＊*＊＊*****＊*光标右移键（set模式下有效)＊＊＊＊**＊*＊＊*＊＊＊/
void fn_right（）
｛
if(right==1） return；
else
｛
delay（20）； //按键去抖
if（right==0）
｛
while(right!=1);
if（set_triger==1)
{
if(set_data〈=0) set_data=0；
else set_data——；
｝
else return；
}
else return；
｝
｝
/＊＊＊＊＊*＊＊*＊*＊转数计数（外部中断0）＊＊＊＊＊＊＊**＊＊＊＊＊/
void int0() interrupt 0 //外部中断0处理程序
｛
rps++； //对转数计数器进行累加计数
｝
/＊＊**＊**＊****＊**＊定时器0中断服务函数＊＊＊＊＊***＊＊＊*＊＊***/
void timer0（void) interrupt 1
{
unsigned int t；
TH0 = 0xff； //重新装载计时常数
TL0 = 0x1a;
if（time_scale>=200） time_scale=0; //占空比计数控制
if(time>=4000) //如果计满1秒，计秒变量归零,并将rps的转数数据送到转速（温度）数据变量中保存
｛
time=0；
time_scale=0；
if(sys_data==1) rps_data=rps＊60/4; //在电机调速模式下：每转有4个脉冲，所以除以4
rps=0; //rps归零
rps_triger=1; //rps显示开关有效
if（check==4） //跳出稳态的判断
｛
if(sys_data==1）
{
if（abs(rps_data-rps1)〉80) check=1；//如果在电机调速系统下，跳出稳态的条件是转速差超过80rpm
}
}
｝
else
{
time_scale++;
time++; //如果没计满1秒,则继续计数
｝
if（power_data==1） //PWM信号输出
｛
if（time_scale〈=scale） dac0832_addr=0xff;//PWM信号输出
else dac0832_addr=0x00; //PWM信号输出
}
else dac0832_addr=0x00； //PWM信号输出
if（time2〉=200） //数据差值检测,0.5秒1次
{
time2=0;
t=abs(rps_data-rps1)；
//电机调速系统下的参数调整等级划分
if(t>1200） check=0；
else
｛
if（t>500) check=1;
else
｛
if（t>200） check=2;
else
{
if(t>80） check=3；
else check=4； //差值小于80rpm进入稳态模式，不再调整输出占空比
｝
｝
｝
｝
else time2++;
if（check!=4） //在非稳态的情况下查表确定时间参数
{
if(time3>=time_check［check］） //不同的系统查不同的表
｛
time3=0;
if（auto_triger==1) check_rps（）；
}
else time3++;
｝
｝
/*＊＊＊*＊***＊***＊＊*主函数**＊*＊*＊＊*＊*****＊*/
void main（）
｛
key0=1； //读引脚之前要写1
key1=1；
power=1;
set=1；
T0_init()； //T0初始化
init_int0（）; //外部中断int0初始化
while（1)
｛
fn_switch(）; //按键查询函数
fn_power(）; //按键查询函数
fn_set（); //按键查询函数
fn_key0(）； //按键查询函数
fn_key1（)； //按键查询函数
fn_auto()； //按键查询函数
if(power_triger==1) display_power()； //当电源状态有改变时刷新显示电源状态
if(rps_triger==1) display_rps（);//当系统实时数据需要刷新时,刷新实时数据
if(scale_triger==1) display_scale(）； //当占空比发生改变时刷新占空比数据
if(auto_triger_triger==1) display_auto(）;//当auto状态发生改变时刷新auto状态显示
if（set_triger==1) //当进入set状态时
{
fn_left(）; //查询左移右移按键
fn_right（）；
if（sys_data==1） display_set（); //不同的系统（电机调速、温度控制）不同的set状态显示
}
}
}
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