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1、-毕业设计（论文）-直流电机PID控制系统的设计与实现-第 33 页毕业设计论文题 目 直流电机PID控制系统的设计与实现 学生姓名 学号 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 通信1202班 指导教师 完成地点 物理与电信工程学院实验室 2016年 6 月 5 日陕西理工学院本科毕业设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程(通信1202) 学生姓名 一、毕业设计题目 直流电机 PID 控制系统设计与实现 二、毕业设计工作自 2015 年 11 月 9 日 起至 2016 年 5 月 18 日止三、毕业设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业设计应完成内容及相关要
2、求：设计内容：基于Labview语言和工控机系统或基于单片机控制器，实现对直流电机速度的精确控制。在研究过程中掌握直流电机的工作原理，PID控制器的基本原理及其实现技术，其中重点研究PID算法和程序设计方法。开发的控制系统具有良好的人机交互接口。 设计要点：（1）熟悉直流电机的工作原理；（2）掌握直流电机的控制模式方法（3）学会PID算法设计和实现；（4）根据设计方案，设计出控制器，制作电路板，完成样品制作、调试、改进；（5）系统测试与性能分析，分析存在的技术问题，并提出改进的方法；（6）撰写论文。 五、毕业设计应收集资料及参考文献：1.在学校网页点击图书馆（注意：需要在学校内部上网），进入图
3、书馆网页后点击数据库服务的中文数据库使用以下数据库进行资料搜集：（1）中国知网(CNKI) （2）中国学术期刊全文数据库（3）中国博硕士学位论文全文数据库（4）维普资讯中文期刊服务平台（5）万方期刊全文数据库（6）万方硕博论文全文数据库（7）百链云图书馆2.进入图书馆网页后点击数据库服务的外文数据库使用以下数据库进行资料搜集：（1）BKS外文电子书（2）EI数据库（3）Springer（4）ASME（美国机械工程师协会）3.也可在网上搜索其它数据库（1）IEL(IEEE/IEE Electronic Library)(美国电气与电子工程师学会和英国电气工程师学会)，数据库访问地址：http:/
4、ieeexplore.ieee.org（2）Science Online（科学在线），数据库访问地址：http:/www.sciencemag.org 六、毕业设计的进度安排：1.开题报告截止日期：2016年3月18日完成任务：（1）开题报告撰写，并于指定时间在系统中提交开题报告。（2）完成在系统中下达的外文翻译原文并提交。2. 论文(设计)实施阶段截止日期：2016年5月18日完成任务：（1）查阅文献资料拟定毕业论文（设计）大纲，进行相关实验、调查或文献综述。（2）4月中旬必须在系统中提交中期检查，教师审核后按照整改意见修改。（3）提交初稿，教师进行初审，退回修改，直到初稿审核通过，进行定稿
5、阶段。3. 评阅及答辩阶段截止日期：2016年6月13日完成任务：（1）定稿论文评阅，答辩PPT制作。（2）论文答辩，答辩后按照修改意见对论文进行终稿定稿。 指导教师签名 专业负责人签名 学院领导签名 批准日期 2016-01-10 直流电机PID控制系统的设计与实现（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业1202班， 陕西 汉中 72300）指导老师：摘要 本次设计主要了解了直流电机的构造及工作原理，并基于单片机设计直流电机PID控制系统的电路。以STC12C5A60S2为控制核心，5-24V直流电机为被控对象，采用KEIL c51编写下位机程序，以PID控制电机的转速，实现对直流电
6、机速度的精确控制。并在研究过程中掌握PID控制器的基本原理及实现技术，开发的控制系统具有良好的人机交互接口。关键字 直流电机；单片机；PID；Design and implementation of PID control system for DC motorLiu shuiling（Grade12,Class02,Major of Communication Engineering，School of Physicsand telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000,S
7、haanxi）Tutor: Zhao Feng Abstract: The design of the main understanding of the structure and working principle of the DC motor,and the circuit of DC motor PID control system based on single chip microcomputer.With STC12C5A60S2 as the control core,524V DC motor as controlled object.Using C51 KEIL to p
8、repare the next bit machine program,and PID control of motor speed to achieve the DC motor speed control.And in the course of the study to master the basic principles and implementation technology of PID controller, the development of the control system has a good human-computer interaction interfac
9、e. Key words: DC motor;Singlechip;PID;目录1 绪论11.1 题目研究意义11.2 无刷直流电机研究现状及发展趋势12 基本理论22.1 无刷直流电机结构22.2 PID算法42.2.1 模拟PID52.2.2 数字PID62.2.3 数字PID参数整定方法83 硬件设计103.1 单片机最小系统模块113.2 显示控制模块133.3 驱动模块设计134 软件设计144.1 主程序设计154.2 PID控制子程序设计184.3 PWM脉冲宽度调制子程序设计204.4 上位机应用软件225 制作与调试235.1 硬件制作235.2 硬件调试246 总结26致谢
10、28参考文献29附录A 英文文献原文30附录B 英文文献译文40附录C 源程序481 绪论1.1 题目研究意义电机的历史非常悠久，可以追溯到19世纪初。当时，电机本来是为了旋转而发明的一种设备。随着技术的发展，电机被用在各种各样的地方，电机的材料、构造及控制方法都得到了大幅度的提高，对电机的转动转动精度与效率等有了更多要求。近年因为地球温暖化问题，从保护环境的观点来说，高效而清洁的电机技术将愈发重要。从控制层面来看，关键技术是矢量控制技术和高精度的伺服控制技术。本次课题以直流无刷电机为研究对象，并用PID控制系统实现对伺服电机的精确控制。目前，国内外对无刷直流电机的定义一般有两种：一种定义认为
11、只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机；另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。但迄今为止，还没有一个公认的统一标准对无刷直流电机进行准确的分类或定义。无刷直流电机由于其具有结构简单、出力大、和效率高等特点，已在国防、航空航天、机器人、工业过程控制、精密机床、汽车电子、家用电器和办公自动化等领域中得到了较好的应用。本次研究题目为直流电机PID控制系统的设计与实现，基于单片机控制系统，实现对无刷直流电机的精确控制。PID控制在电机中的应用十分广泛。它是目前连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是
12、根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。PID控制算法在相当多的控制领域的应用中都取得了比较满意的效果，而由微机、单片机、DSP等数字芯片实现的数字PID控制算法，由于其软件系统的灵活性，使算法得到了进一步的修正和完善。PID控制算法的种类很多，由于应用场合不同，对算法的要求也有所不同。本次设计的重点是PID算法和PID程序设计方法，通过Keil语言进行编程，实现对直流电机PID控制系统的设计，以及对直流电机速度的精确控制。并学会PID算法的设计与实现，根据方案，设计出控制器，并制作电路板，完成样品的制作、调试、以及改进。并对样品进行系统分析与性能测试，
13、提出改进方案。1.2 无刷直流电机研究现状及发展趋势现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机和各种其他类型电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦。相比之下，同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围；异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速，而且必须从电网
14、吸取滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数；开关磁阻电机转子既无绕组也无永磁体，其结构简单、成本低廉，在低速时具有较大的转矩，控制换相时无上下桥直通等问题，但其噪声和转矩波动相对较大，这在某种程度上限制了该类型电机的推广应用；直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统，如电力牵引、起重设备等。目前，小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用。但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使得电机寿命缩短，并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而限制了其在某些特殊场合的应用。因此，在一些对
15、电机性能要求较高的中小型应用场合，继续新型高性能电机的出现。无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831年法拉第发现电磁感应现象，从此奠定了现代电机的理论基础。19世纪四十年代，第1台直流电机研制成功。无刷电动机的诞生标志是1955年美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的
16、发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 2 基本理论2.1 无刷直流电机结构无刷直流电机通常是由电机本体、转子位置传感器和电子开关线路（逆变电路）三部分组成，就其基本结构而言，可以认为是一个电动机系统，其原理框图如图2.1所示。直流电源电机本体逆变器输出控制器控制信号位置传感器 图2.1 无刷直流电机原理框图用电子开关线路和转子位置传感
17、器代替原直流电机的电刷和机械换向器。直流电源通过电子开关线路向电机定子绕组供电，由位置传感器检测电机转子位置，驱动电机旋转。无刷直流电机通常是由电机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。（1） 电机本体 无刷直流电机的电机本体主要包括定子和转子两部分，在结构上和永磁同步电动机相似，但是没有笼形绕组和其他启动装置。 无刷直流电机的转子是由永磁体组成的，磁钢的磁极N和S是交替放置的。根据所需要的磁场密度选择合适的永磁体，按一定的极对数p（2p=2,4,）组成，产生气隙磁通。图2.2为两种不同结构的转子示意图。 图2.2（a）是在铁芯外表面粘贴径向充磁的瓦片形成稀土永磁体，有时也采用矩形小条
18、拼装成瓦片形磁极，以降低电机的制造成本。图2.2（b）是在铁芯中嵌入矩形稀土永磁体，这种结构可以获得较大的磁通，但需要作隔磁处理。 除上述两种转子结构外，还有在铁芯外套上一个整体稀土永磁环的环形转子结构，环形磁体径向充磁为多极，适用于体积和功率较小的永磁无刷直流电动机，这种结构的转子制造工艺性较好。另外，在电动车驱动中还常常采用外转子结构，将无刷直流电动机装在轮毂之内，直接驱动电动车辆，这种结构的电机其定子绕组出线和位置传感器引线都从电机的轴引出。图2.2 电机转子结构形式 无刷直流电机的定子为电枢，有多相对称绕组，一般为三相、四相、五相不等。定子是由定子冲片（钢片叠加而成）和放置在各个槽中的
19、绕组组成，一般无刷直流电动机的定子结构和同功率的异步电机相同，不同的只是它绕组的分布方式。大部分无刷直流电动机的三相绕组是绕成星形的，每相绕组都是由若干个线圈组成的，每极下的绕组数目都是均等的。 （2）位置传感器 位置传感器也是无刷直流电动机的重要组成部分。无刷直流电动机为了实现无刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁钢放在转子上，这与传统的有刷直流永磁电机正好相反，即无刷直流电动机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。但是，这样还是不够的，因为用一般的直流电源给定子上的各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁钢相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。只有
20、实时检测电动机转子的位置，再根据转子的位置信号按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连的电力电子开关器件，给电动机的不同相通以对应的电流，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场，电动机才可以跟着磁场转动起来。 所以无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换向装置，显然在这里转子位置传感器和功率逻辑开关电路起到了电子换向起的作用，它有多种结构形式，常见的有电磁式、光电式和霍尔元件式。（3） 电子开关线路 电子开关线路（逆变器）用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，有三相半空和三相全控两种，主要由功率
21、逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑分配关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。电枢绕组可以接成星形和角形，各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。2.2 PID算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和
22、理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。2.2.1 模拟PID在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图2.2所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。图2.3 模拟PID控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差： = （2.1）将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适
23、当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。模拟PID调节器的控制规律为 （2.2）式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。 简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差；（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
24、由式2.2可得，模拟PID调节器的传递函数为 （2.3）由于本设计主要采用数字PID算法，所以对于模拟PID只做此简要介绍。2.2.2 数字PID在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式（2.2）离散化，我们把式2.1中、在第n次采样的数据分别用、表示，于是式（2.1）变为 ：= （2.4）当采样周期T很小时可以用T近似代替，可用近似代替，“积分”用“求和”
25、近似代替，即可作如下近似 （2.5） （2.6）这样，式（2.2）便可离散化以下差分方程 （2.7）上式中是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项,即 （2.8）第二项起积分控制作用,称为积分（I）项即 （2.9）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项即 （2.10）这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有: P控制: （2.11） PI控制: （2.12） PD控制: （2.13） PID控制: （2.14）式（2.7）的输出量为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（2.7）又称为位置型PID算式。由（2
26、.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差,不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（2.7）进行改进。根据式（2.7）不难看出u(n-1)的表达式，即 （2.15）将式（2.7）和式（2.15）相减，即得数字PID增量型控制算式为 （2.16） 从上式可得数字PID位置型控制算式为 （2.17）式中： 称为比例增益； 称为积分系数； 称为微分系数。数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图2.4和2.5所示：图2.4 数字PID位置型控制示意图图2.5 数字PID增量型控制示意图2.2.3 数字PID参数整定方法如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的
27、要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一
28、般实际问题。下面介绍两种常用的简易工程整定法。（1）扩充临界比例度法这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。使用这种方法整定数字调节器参数的步骤是：选择一个足够小的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。用选定的采样周期使系统工作：工作时，去掉积分作用和微分作用，使调节器成为纯比例调节器，逐渐减小比例度（）直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，记下此时的临界比例度及系统的临界振荡周期。选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。 控制度 （2.18）实际应用中并不需要计算
29、出两个误差平方面积，控制度仅表示控制效果的物理概念。通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC与模拟控制效果相当；当控制度为2.0时，DDC比模拟控制效果差。根据选定的控制度，查表2.1求得T、的值。表2.1 扩充临界比例度法整定参数控制度控制规律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22（2）经验法经
30、验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整P、I、D三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。 下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 让调节器参数积分系数=0，实际微分系数=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。 取比例
31、系数为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 积分系数保持不变，改变比例系数，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数增大一些，再调整积分系数，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数和积分系数为止。 引入适当的实际微分系数和实际微分时间，此时可适当增大比例系数和积分系数。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上,I在（3、10）之间,D在1左右。小惯量如：一个小电机闭环控制，一般
32、P在（1、10）之间,I在（0、5）之间,D在（0.1、1）之间,具体参数要在现场调试时进行修正。3 硬件设计本实验系统选择直流电机调速系统作为被控对象，由STC12C5A60S2核心模块、通信模块、驱动模块、直流电机以及上位机应用软件等组成。（1） 核心模块：STC12C5A60S2单片机；（2） 驱动模块：以L298N作为驱动芯片，以CH340T转为专门的驱动芯片；（3） 显示控制：将TM1638作为数码管的显示控制芯片，以4段共阴极数码管作为显示窗口；（4） 被控对象：以5-24V直流电机（带448线的编码器）为被控对象；直流电机调速系统控制主板51单片机核心模块外部中断脉冲PWMUSB
33、接口编码器直流电机驱动模块上位机应用软件图3.1 系统整体结构图3.1 单片机最小系统模块本次设计中采用了STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。图3.2 STC12C5A60S2单片机1. 增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2.工作电压：STC12C5
34、A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）；3.工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0420MHz；4.用户程序空间：8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k字节；5.片上集成1280字节RAM；6.通用I/O口36个，复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏；每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA；7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用
35、户程序，数秒即可完成；8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；9.看门狗（定时器电路）；10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器；5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)，用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MH
36、z，3.3V单片机为：8MHz12MHz；精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；13.共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块；16.PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路），也可用来当2路D/A使用，也可用
37、来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)；20.工作温度范围：-40-+85(工业级)/0-75(商业级)。图3.3 复位电路和晶振原理图3.2 显示控制模块 将TM1638作为数
38、码管的显示控制芯片，以4段共阴极数码管作为显示窗口。图3.4 数码管显示原理图3.3 驱动模块设计 以5-24V直流电机（带448线的编码器）为被控对象，以L298N作为驱动芯片，以CH340T转为专门的驱动芯片。图3.5 电机驱动模块原理图图3.6 CH340T驱动原理图4 软件设计 本次程序设计利用Keil C51软件进行。Keil C51是德国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发
39、方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。本实验设备PWM、Display、Time、USART等各个子程序均在该编译环境下完成。4.1 主程序设计本次设计以PID算法为控制核心，利用增量式PID控制电机的转速，主程序如下：#include #include #include #include #include #include #include #include Description : motor of Close loopbit RI_Flag = 0;bit Start_Flag = 0;bit Reset_Flag = 0;unsigned char buf
40、f;unsigned char irdata = 1;unsigned char irbuff = 0;unsigned int set_speed = 0;unsigned char arry2;sfr ISP_CONTR=0xC7;void main() int uk = 0; TM1638_Init(); Port_init(); InitMotor(); ENMotor(); PWM_init(); PID_Config(); UART_init(57600); EA=1; while(Start_Flag != 1); Start_Flag = 0; Time0_Config();
41、ConfigINT0(); while(1)if(timer0flag)timer0flag = 0; SendData(speed);display(speed);uk = PID_Control(set_speed,speed);PWM0_Setting(uk);if(RI_Flag)ClosePWM0();InitMotor(); if(Reset_Flag)ISP_CONTR = 0x20;void uart() interrupt 4static unsigned char i = 0;if(TI=1)TI=0;return;if(RI=1)RI=0;irbuff = SBUF;if
42、(irbuff = 0xEE) Start_Flag = 1;if(irbuff = 0xED)RI_Flag = 1;if(irbuff = 0xEC) Reset_Flag = 1;else arryi = irbuff; i+; if(i= 4)i = 0;set_speed = (arry0-0x30)*1000+(arry1-0x30)*100+(arry2-0x30)*10+(arry3-0x30);4.2 PID控制子程序设计本次设计采用了PID闭环设计，PID算法具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。 PID控制子程序如下：#include #include #include 内容：利用增量式PID控制电机转速static float SetSpeed; /设定转速static float A