本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制器的軟件設(shè)計(jì)二級(jí)學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化完成日期2014年5月10日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報(bào)告D其他目錄1緒論111直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展112直流電機(jī)調(diào)速方法與PWM調(diào)控技術(shù)113設(shè)計(jì)意義和設(shè)計(jì)目標(biāo)22系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案321硬件部分3211硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)3212功能作用3213各模塊功能的簡單介紹322軟件部分4221程序整體設(shè)計(jì)框圖4222各子程序功能介紹43軟件設(shè)計(jì)531單片機(jī)I/O分配表532PWM程序模塊5321PWM輸出原理6322PWM子程序框圖7323PWM子程序733觸摸屏顯示程序模塊7331觸摸屏子程序框圖和界面設(shè)計(jì)8332觸摸屏模塊程序934編碼器速度采集模塊9341速度采集程序框圖10342速度采集模塊程序1035上位機(jī)設(shè)計(jì)10351上位機(jī)和單片機(jī)通信方法10352使用上位機(jī)的優(yōu)點(diǎn)11353上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)1136PID控制器的參數(shù)整定12361PID控制器的參數(shù)整定的方法介紹12362PID算法的具體實(shí)現(xiàn)13362PID算法實(shí)現(xiàn)代碼1437單片機(jī)“看門狗”的設(shè)計(jì)15371單片機(jī)“看門狗”原理15372“看門狗”具體實(shí)現(xiàn)1538EEPROM的設(shè)計(jì)15381EEPROM在設(shè)計(jì)中的作用15382EEPROM程序代碼164軟件調(diào)試和STC燒錄1641安裝KEIL416411在KEIL4中添加STC元件庫16412程序的編譯和調(diào)試16413生成C語言程序文件及HEX文件1742下載STC官網(wǎng)的ISP工具17421燒錄程序17總結(jié)和展望18參考文獻(xiàn)18附錄20附錄APWM子程序20附錄B觸摸屏部分子程序21附錄C速度采集模塊子程序24附錄DPID算法子程序25附錄EEEPROM子程序26附錄F主程序28附錄G作品展示30致謝31基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制器的軟件設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，利用PID控制器和PWM原理對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。根據(jù)硬件線路的搭建，編寫程序，實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制和觸摸屏的本地控制，調(diào)用芯片內(nèi)部的PWM功能模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，然后利用驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的運(yùn)行速度、方向等的功能。關(guān)鍵詞STC12C5A60S2單片機(jī)PWM直流電機(jī)；PID算法SOFTWAREDESIGNOFDCMOTORCLOSEDLOOPSPEEDCONTROLLERBASEDONMCUABSTRACTTHISTHESISMAINLYINTRODUCEDTHATHOWTHECOLSEDSPEEDREGULATINGSYSTEMMETHODOFDCMOTORFUNCTIONING,WITHTHEHELPOFPWMDECIPLINEANDTHEPIDCONTROLLERUSEDBYSTC12C5A60S2CHIPBYCONSTRUCTINGHARDWIREDCIRCUITANDWRITINGPROGRAMS,THISRESEARCHAIMSTOMAKEFULLUSEOFTHEINTERNALPWMFUNCTIONMODULEOFTHECHIPTOSENDPWMSIGNAL,WITHTHEMETHODSOFUPPERCOMPUTERSLONGRANGECONTROLANDTOUCHSCREENLOCALCONTROL,ANDTOMONITORTHESPEEDANDDIRECTIONOFMOTOR,CONTROLLEDBYDRIVECIRCUITKEYWORDSTC12C5A60S2CHIPPWMDCMOTORPID1緒論11直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動(dòng)制動(dòng)性能良好，且能在寬闊的范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在電力、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，如今，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已實(shí)現(xiàn)智能化控制，而當(dāng)中是離不開單片機(jī)的高速發(fā)展。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展為自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。由于單片機(jī)的體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉，計(jì)算機(jī)性能強(qiáng)等特點(diǎn)，單片機(jī)在調(diào)速方面的應(yīng)用也越趨廣泛。12直流電機(jī)調(diào)速方法與PWM調(diào)控技術(shù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低谷時(shí)受到磁場飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過調(diào)節(jié)電阻來實(shí)現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。其中脈寬調(diào)制（PULSEWIDTHMODULATION,PWM）是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞電壓的接通和斷開的時(shí)間比（即占空比）來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度降低。只要按照一定的規(guī)律改變通斷電的時(shí)間，就可使電機(jī)的速度保持在某一穩(wěn)定值上。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性1、主電路線路簡單，需用的功率器件少；2、開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；3、低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)110000左右；4、若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；5、功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；6、直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高；7、處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有ON，要么完全無OFF。電壓或電流源是以一種通ON或斷OFF的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。13設(shè)計(jì)意義和設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)意義是了解PID控制器和PWM調(diào)速原理，掌握使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的方法。并通過利用PID控制器和PWM調(diào)速原理提高直流電機(jī)調(diào)速的效率與調(diào)速范圍、降低系統(tǒng)成本并實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。設(shè)計(jì)的主要要求如下（1）根據(jù)PWM原理，產(chǎn)生可控占空比的脈沖輸出（2）根據(jù)PID算法，快速的計(jì)算出特定速度對(duì)應(yīng)的占空比的脈沖輸出（3）控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的升降（4）實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（5）反饋并顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（6）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制（上位機(jī)）和本地控制（觸摸屏）設(shè)計(jì)內(nèi)容如下設(shè)計(jì)的課題是“基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制器的軟件設(shè)計(jì)”，它是以單片機(jī)STC12C5A60S2作為硬件核心控制部件，結(jié)合觸摸屏和L298N驅(qū)動(dòng)器，以及其他外圍設(shè)備組成的系統(tǒng)。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案21硬件部分211硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，由驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、光電編碼器、編碼器接口電路、觸摸屏顯示、上位機(jī)通訊接口電路和上位機(jī)組成，其設(shè)計(jì)框架如圖1所示。圖1單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖212功能作用本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、光電編碼器、編碼器接口電路、觸摸屏顯示、上位機(jī)通訊接口電路和上位機(jī)構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)、能夠反饋并顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，能形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制（上位機(jī)）和本地控制（觸摸屏）。由觸摸屏和上位機(jī)負(fù)責(zé)控制信號(hào)的輸入，使用STC系列單片機(jī)內(nèi)置的PWM功能模塊，產(chǎn)生出具有特定占空比的輸出電壓，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大電路，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和方向。另外使用P1的A/D口把電動(dòng)機(jī)的即時(shí)運(yùn)行狀態(tài)傳輸回單片機(jī)中，經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析與轉(zhuǎn)換，再顯示在觸摸屏上，做監(jiān)測使用。1213各模塊功能的簡單介紹（1）穩(wěn)壓電源模塊能為電路提供穩(wěn)定的5V電壓（2）單片機(jī)模塊高速穩(wěn)定的進(jìn)行運(yùn)算和控制功能（3）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)（4）觸摸屏顯示模塊顯示和控制直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)單片機(jī)光電編碼器器驅(qū)動(dòng)電路編碼器接口上位機(jī)通訊接口觸摸屏直流電機(jī)穩(wěn)壓電源上位機(jī)（5）上位機(jī)通訊模塊搭建單片機(jī)與上位機(jī)的通信通道（6）帶編碼盤的直流電機(jī)模塊為單片機(jī)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)22軟件部分221程序整體設(shè)計(jì)框圖程序整體設(shè)計(jì)框架如圖2所示圖2程序框圖源程序主要是由各子程序組成，通過調(diào)用子程序，把各個(gè)硬件的功能協(xié)調(diào)在一起，達(dá)到本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。222各子程序功能介紹1PID算法控制子程序能快速計(jì)算出相應(yīng)速度的對(duì)應(yīng)輸出占空比大小2PWM信號(hào)輸出控制子程序控制單片機(jī)輸出PWM信號(hào)3速度檢測控制子程序檢測直流電機(jī)的速度大小4直流電機(jī)狀態(tài)控制子程序控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、關(guān)閉、和正反轉(zhuǎn)5上位機(jī)通訊控制子程序控制單片機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信6觸摸屏輸入控制子程序檢測觸摸屏的按鍵狀態(tài)7觸摸屏顯示控制子程序顯示反應(yīng)電機(jī)狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)8門狗監(jiān)測子程序單片機(jī)運(yùn)行異常時(shí)進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位主控程序直流電機(jī)狀態(tài)控制子程序PWM信號(hào)輸出控制子程序PID算法控制子程序上位機(jī)通訊控制子程序觸摸屏顯示控制子程序速度檢測控制子程序看門狗監(jiān)測程序觸摸屏輸入控制子程序3軟件設(shè)計(jì)31單片機(jī)I/O分配表單片機(jī)I/O分配表如表1所示表1I/O分配表單片機(jī)I/O連接端口描述P0DB0DB7觸摸屏數(shù)據(jù)線P2DB8DB15觸摸屏數(shù)據(jù)線P10D_CLK觸摸信號(hào)P11D_CS觸摸信號(hào)P12D_DIN觸摸信號(hào)P13PWMPWM信號(hào)輸出P14SD_CSSD卡片選信號(hào)P15SD_DISD卡串行數(shù)據(jù)輸入P16SD_DOSD卡串行數(shù)據(jù)輸出P17SD_CLKSD卡時(shí)鐘信號(hào)P30RXD上位機(jī)通信P31TXD上位機(jī)通信P32RS觸摸屏數(shù)據(jù)/命令選擇P33WR觸摸屏讀/寫選擇P34RD觸摸屏使能信號(hào)P35A相編碼盤信號(hào)P36CS觸摸屏片選信號(hào)P37REST觸摸屏復(fù)位信號(hào)線P44D_OUT觸摸信號(hào)P45D_PENIRQ觸摸信號(hào)P46IN1電機(jī)轉(zhuǎn)向控制P47IN2電機(jī)轉(zhuǎn)向控制32PWM程序模塊表2STC12C5A60S2單片機(jī)PCA模塊寄存器設(shè)置工作模式表根據(jù)表2和設(shè)計(jì)要求PCA模塊寄存器設(shè)置工作模式的原理和方法，只需要采用P13輸出8位PWM信號(hào)，無需中斷，故設(shè)置寄存器CCAPM00X42即可。2321PWM輸出原理圖3PCAPWM/MODE/可調(diào)制脈沖寬度輸出模式脈寬調(diào)制PWM，PULSEWIDTHMODULATION是一種使用程序來控制波形占空比、周期、相位、波形的技術(shù)，在三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A轉(zhuǎn)換等場合有廣泛的應(yīng)用。STC12C5A60S2系列單片機(jī)的PCA模塊可以通過程序設(shè)定，使其工作于8位PWM模式，PWM的頻率PCA時(shí)鐘輸入源頻率/256。PWM模式的結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于所有模塊共用僅有的PCA定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器EPCNL,CCAPNL有關(guān)。當(dāng)寄存器CL的值小于EPCNL,CCAPNL時(shí)，輸出為低；當(dāng)寄存器CL的值等于或大于EPCNL,CCAPNL時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，EPCNH,CCAPNH的內(nèi)容裝載到EPCNL,CCAPNL中。要使能PWM模式，模塊CCAPMN寄存器的PWMN和ECOMN位必須置位。因此只需要在程序中修改CCAPXH的值，就可以改變PWMX的占空比輸出。322PWM子程序框圖圖4PWM程序框圖323PWM子程序PWM子程序見附錄A33觸摸屏顯示程序模塊電阻觸摸屏的工作原理主要是通過壓力感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕內(nèi)容的操作和控制的，這種觸摸屏屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜，其中第一層為玻璃或有機(jī)玻璃底層，第二層為隔層，第三層為多元樹脂表層，表面還涂有一層透明的導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面經(jīng)硬化處理、光滑防刮的塑料層。在多元脂表層表面的傳導(dǎo)層及玻璃層感應(yīng)器是被許多微小的隔層所分隔電流通過表層，輕觸表層壓下時(shí)，接觸到底層，控制器同時(shí)從四個(gè)角讀出相稱的電流及計(jì)算手指位置的距離。這種觸摸屏利用兩層高透明的導(dǎo)電層組成觸摸屏，兩層之間距離僅為25微米。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一個(gè)接觸，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇悖刂破鱾蓽y到這個(gè)接通后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5V相比，即可得觸摸點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，同理得出X軸的坐標(biāo)，這就是所有電阻技術(shù)觸摸屏共同的最基本原理。3具體實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)主要采用對(duì)觸摸屏觸摸坐標(biāo)信號(hào)的檢測和相應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示，寄存器初始化占空比0增加占空比加速減少占空比減速CCAPOH減少CCAPOL減少CCAPOH增加CCAPOL增加開始來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制和狀態(tài)顯示。331觸摸屏子程序框圖和界面設(shè)計(jì)NY圖5LCD子程序框圖首先對(duì)觸摸屏的端口進(jìn)行定義，然后對(duì)指令寄存器寫入所需要的指令，設(shè)置顯示的效果，最后輸入將要顯示的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器以便顯示。圖6啟動(dòng)頁面初始化顯示屏顯示開始頁面觸摸坐標(biāo)檢測執(zhí)行相關(guān)操作顯示相應(yīng)界面開始有效觸摸信號(hào)圖7監(jiān)控頁面圖8功能設(shè)置頁面332觸摸屏模塊程序觸摸屏模塊程序見附錄B34編碼器速度采集模塊原理利用光電編碼器作為轉(zhuǎn)速的反饋元件，設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)一周光電編碼器發(fā)送N個(gè)PWM波形，利用測周法測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。具體實(shí)現(xiàn)將定時(shí)器0設(shè)置在計(jì)數(shù)模式，用來統(tǒng)計(jì)一定的時(shí)間T內(nèi)接受到的脈沖個(gè)數(shù)M個(gè)，而定時(shí)器1置在計(jì)時(shí)模式，用來計(jì)時(shí)T時(shí)間。則如果T時(shí)間接受到M個(gè)PWM波形，而電機(jī)轉(zhuǎn)一圈發(fā)出N個(gè)PWM波形，則根據(jù)測周法原理，電機(jī)的實(shí)際的轉(zhuǎn)速為SPEEDM/（NT），單位轉(zhuǎn)/秒。若將定時(shí)器1置在計(jì)數(shù)模式，則PWM波形應(yīng)該由P33腳輸入。4341速度采集程序框圖圖9軟件測速的方框圖342速度采集模塊程序速度采集模塊程序見附錄C35上位機(jī)設(shè)計(jì)351上位機(jī)和單片機(jī)通信方法利用RS232芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)的串口通信。具體實(shí)現(xiàn)上位機(jī)采用微軟的MFC進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，通過API接口函數(shù)實(shí)開始初始化啟動(dòng)按鍵是否按下計(jì)數(shù)器計(jì)脈沖數(shù)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)檢測50MS計(jì)的脈沖數(shù)N采集在誤差范圍內(nèi)的3次計(jì)數(shù)值平均值,再根據(jù)公式N20/448計(jì)算出速度速度反饋給CPU進(jìn)行處理現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。由于在速度采集模塊中使用了一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)定時(shí)器，而STC12C5A60S2單片機(jī)新增了一個(gè)獨(dú)立波特率發(fā)生器，對(duì)與需要較多定時(shí)器的系統(tǒng)，這將可以完全解放定時(shí)器T1，是非常方便的。故在本設(shè)計(jì)中采用STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部的獨(dú)立波特率發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信。波特率為9600。5352使用上位機(jī)的優(yōu)點(diǎn)使用上位機(jī)的優(yōu)點(diǎn)操作方便簡單，顯示一目了然，可以快速處理復(fù)雜數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，可以保存大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)等。353上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)圖10上位機(jī)監(jiān)控界面圖11整體監(jiān)控界面圖12權(quán)限登錄界面36PID控制器的參數(shù)整定361PID控制器的參數(shù)整定的方法介紹PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下1首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；2僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；3在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。6采用PID控制器可以對(duì)直流電機(jī)快速，穩(wěn)定的調(diào)速，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，所以本設(shè)計(jì)將采用PID控制器去實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。362PID算法的具體實(shí)現(xiàn)REUUY_圖13增量式PID控制算法的簡化示意圖PID控制算法公式為（26）1221如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一旦確定、，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由（26）求出控制量。本設(shè)計(jì)采樣周期T為速度采樣周期（50MS），通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)體中比例常數(shù)PID增量算法直流電機(jī)受控對(duì)象（PROPORTION）、積分常數(shù)（INTEGRAL）、微分常數(shù)（DERIVATIVE）使得轉(zhuǎn)速控制達(dá)到想要的精度。試湊法注意這里參數(shù)調(diào)節(jié)采用實(shí)驗(yàn)湊試法，試湊法也有其規(guī)律。如表3所示。實(shí)驗(yàn)湊試法是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的輸出結(jié)果，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分“。表3增益常數(shù)和系統(tǒng)變化趨勢的關(guān)系增益常數(shù)（系數(shù)）上升時(shí)間過沖建立時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差減少增大很小變化減小減少增大增加消除很小變化減小減少很小變化（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）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（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(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)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（2），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TD0，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)。PID控制參數(shù)整定結(jié)果,。831362PID算法實(shí)現(xiàn)代碼PID算法實(shí)現(xiàn)代碼見附錄D37單片機(jī)“看門狗”的設(shè)計(jì)371單片機(jī)“看門狗”原理單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)時(shí)，給看門狗引腳送電平的程序便不能被執(zhí)行到，這時(shí)，看門狗電路就會(huì)由于得不到單片機(jī)送來的信號(hào)，便將它和單片機(jī)復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位，從而單片機(jī)將從程序存儲(chǔ)器的起始位置重新開始執(zhí)行程序，這樣便實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位。7372“看門狗”具體實(shí)現(xiàn)單片機(jī)看門狗的開啟和設(shè)置工作模式只要設(shè)置單片機(jī)“看門狗”定時(shí)器寄存器WDT_CONTR的值即可，“看門狗”定時(shí)器寄存器的工作模式如表4表4看門狗定時(shí)器寄存器WDT_CONTR位序號(hào)D7D6D5D4D3D2D1D0位符號(hào)EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1PS0EN_WDT看門狗允許位，當(dāng)設(shè)置為“1”時(shí)，啟動(dòng)看門狗。CLR_WDT看門狗清“0”位，當(dāng)設(shè)為“1”時(shí)，看門狗定時(shí)器將重新計(jì)數(shù)。硬件自動(dòng)清“0”此位。IDLE_WDT看門狗“IDLE”模式位，當(dāng)設(shè)置為“1”時(shí)，看門狗定時(shí)器在單片機(jī)的“空閑模式”計(jì)數(shù)，當(dāng)清“0”該位時(shí),看門狗定時(shí)器在單片機(jī)的“空閑模式”時(shí)不計(jì)數(shù)。PS2、PS1、PS0看門狗定時(shí)器預(yù)分頻值?？撮T狗溢出時(shí)間與預(yù)分頻數(shù)有直接的關(guān)系，公式如下看門狗溢出時(shí)間N預(yù)分頻數(shù)32768/晶振頻率（12）本設(shè)計(jì)采用12時(shí)鐘模式，晶振頻率為12M，預(yù)分頻數(shù)為128，由公式（12）計(jì)算可得看門狗溢出時(shí)間是41943S，故設(shè)置寄存器WDT_CONTR0X3E。38EEPROM的設(shè)計(jì)381EEPROM在設(shè)計(jì)中的作用EEPROM可用于保存一些需要在應(yīng)用過程中修改并且掉電不丟失的參數(shù)數(shù)據(jù)，比如設(shè)定速度，PID參數(shù)，轉(zhuǎn)向等。8382EEPROM程序代碼EEPROM程序代碼見附錄E4軟件調(diào)試和STC燒錄41安裝KEIL4圖14KEIL4界面411在KEIL4中添加STC元件庫在STC新ISP軟件V637選擇KEIL仿真設(shè)置點(diǎn)擊添加MCU型號(hào)到KEIL中。412程序的編譯和調(diào)試打開程序文件MAINC，在界面按快捷鍵F7，對(duì)程序進(jìn)行編譯，讓系統(tǒng)找到程序錯(cuò)誤的地方，方便修改，如圖15圖15程序檢測結(jié)果圖413生成C語言程序文件及HEX文件打開OPTIONFOR“TARGET1”，在OUTPUT欄中勾上CREATEHEXFILE圖16設(shè)置輸出文件的項(xiàng)目然后重新把修改好的程序編譯出來，就可以把生成出來的HEX文件燒錄到單片機(jī)中調(diào)試了。42下載STC官網(wǎng)的ISP工具圖17STC燒錄軟件界面421燒錄程序使用RS232通訊線將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)，USB負(fù)責(zé)為電路板供電?？偨Y(jié)和展望從無到有，從開始的一無所知到最后完成設(shè)計(jì)，對(duì)我而言，感慨良多。本以為很簡單的設(shè)計(jì)，原來要設(shè)計(jì)出來會(huì)牽涉這么多的知識(shí)。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)STC單片機(jī)的有了更深入的了解，像STC12C5A60S2單片機(jī)，內(nèi)置了PWM輸出模塊，內(nèi)置“看門狗”和EEPROM等，在軟件的調(diào)試中也遇到了很多問題，比如速度采集的問題，PID參數(shù)整定的問題，觸摸屏顯示漢字的問題等，不過經(jīng)過不斷的調(diào)試，本設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，并且能保證精確度在合理的范圍內(nèi)。本次設(shè)計(jì)也有很多可以改進(jìn)和提高的地方，來進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比如上位機(jī)通信部分可以用無線WIFI來代替，PID算法參數(shù)的進(jìn)一步整定，程序的進(jìn)一步優(yōu)化等。通過這些方面的改進(jìn)和提高，我相信本設(shè)計(jì)將會(huì)做的更加完美。參考文獻(xiàn)1賀亮從零開始學(xué)51單片機(jī)M北京電子工業(yè)出版社，2012954652李靜，程安宇，陳卓快速學(xué)通51單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)M北京人民郵電出版社，2010810453王淑芳電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)M北京科學(xué)出版社，2008715364從宏壽電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化M西安西安電子科技大學(xué)出版社，2012130655唐俊翟單片機(jī)原理與應(yīng)用M北京冶金工業(yè)出版社，200316376朱清慧PROTEUS教程電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真M北京清華大學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