课程设计（论文）基于单片机的转速控制系统设计.doc

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1、目 录1单片机作息时间控制钟的功能规划12 方案设计22.1硬件方案设计22.2 软件设计方案32.2.1 程序实现的基本功能32.2.2 程序操作流程设计方案33 硬件电路设计与分析33.1 单片机最小系统电路33.2数码管显示电路43.3 按键接口电路53.4 LED指示电路63.5 蜂鸣器接口电路63.6 RS-232接口电路74 软件设计74. 1 主控模块程序74. 2 中断调用程序94. 3数码管时间显示刷新程序104. 4 按键修改北京时间、打铃时间程序114. 5 打铃子程序125调试与测试126 技术小结137 单片机作息时间控制钟的使用说明148 心得体会149参考文献15

2、附录1 电路原理图16附录2 程序清单17摘要本课程设计是一个基于单片机的转速控制系统设计，以STC89C51芯片为核心，硬件系统包括电源、主控模块、按键模块和LCD显示模块和霍尔传感器测电机转动等四大模块。系统软件部分由主函数控制模块、定时中断和外部中断模块、初值定义模块、按键修改部分、LCD初始化模块、PID控制转速模块、回路控制转速模块等组成。其设计的目的是实现实时控制电机转速，并用LCD液晶显示器显示出设定转速、当前采集电机转速、占空比和PID控制参数。设计原理是根据LCD显示原理、按键线反转法识键和译键动态扫描显示原理、单片机的定时中断原理、外部中断直接将霍尔传感器所检测的脉冲进行计

3、数原理。通过硬件和软件设计最后实现实验要求的功能：按键设定并显示转速、实时显示采集转速，按键控制电机停转，PWM转速闭环控制。关键字：STC89C51芯片 转速 PWM控制 1 转速控制系统的基本功能设计规划本课程设计单片机选用STC89C51单片机。根据系统功能要求，系统核心为单片机，其外设由电机、LCD液晶显示和4*4矩阵按键四模块组成。其中各模块的具体功能如下：单片机控制PWM实时占空比来控制电机的转速，通过外部中断计数霍尔传感器检测的脉冲数，经过软件设计计算在一分钟内的转速显示在LCD上，4*4矩阵按键修改设定速度、PID控制参数以及选则回路控制转速的模式。在规定4*4矩阵键盘时，设定

4、16个按键一次为116；110为数字按键，修改具体某一位时，按键按下的值减一位显示的值，按键13为回路控制模式选择按键，按下奇数次为PID控制，偶数次为分控制档对占空比进行控制；按键14为修改设定速度按键，按下1次修改速度百位，按下2次修改速度十位，按下3次修改个位，按下4次，修改千位，然后一次循环；按键15为修改PID参数按键，依次对P、I、D进行修改；按键16为电机转动启停键，按下奇数次为停止，偶数次为启动。LCD液晶显示，分四行，第一行显示设定速度，第二行显示采集速度，第三行显示PWM占空比，第四行显示PID控制参数。其中功能详细如下: 按键设定并显示转速，实时显示实际转速；按键控制电机

5、起停；PWM转速闭环控制。其系统组成结构图如下：MCU单片机控制中心LCD显示电机键盘接口图1 系统组成结构图2 方案设计2.1硬件方案设计本设计中，单片机STC89C51为整个系统的控制部件，是转速控制系统的核心控制部件。其中振荡电路采用外接晶体的接法，靠单片机利用内部时钟方式来完成。它是系统的主频率，为单片机执行服务时的基准，其晶振采用频率为11.0592MHZ和1.5pF电容。单片机的基本结构中还包括复位电路，采用外部复位电路，是上电复位及按键复位的一种实用电路。对于显示电路，采用LCD液晶显示的方式，对设定转速、采集转速、占空比、PID进行实时显示。电机转速通过霍尔传感器采集脉冲，其霍

6、尔传感器的FR接在P14口控制电机的占空比，FC接在P32口，直接外部中断采集脉冲；LCD显示器的CS接P10，SID接P11，SCLK接P12，3个LED指示灯分别接在P15、P16、P17上，按键接在P2口上。其具体接线原理图如下：STC89C51单片机4*4按键LCDLED灯电机P14P32P10P11P15P17P16P12P2图2 转速控制系统连接原理图2.2 软件设计方案2.2.1 程序实现的基本功能1)、LCD显示设定速度、采集速度、PWM占空比、PID参数;2)、按键修改设定速度、PID参数；3)、按键控制电机启停;4)、PWM转速闭环自动控制。2.2.2 程序操作流程设计方案

7、本设计是基于单片机的转速控制系统的设计，所以核心内容是单片机控制，通过不断地脉冲计数、计算速度、PWM占空比的调节、刷新显示。以及按键扫描和执行相应的按键功能，按照设计功能，先写LCD显示和按键扫描程序设计和调试，然后转速检测程序设计及调试，再进行PWM占空比的回路控制调节电机转速程序设计及调试，在各个功能都调试好后，整体下载到实验箱中进行调试与测试，最后达到实验预期的功能。 3 硬件电路设计与分析3.1 单片机最小系统电路最小系统为转速控制的控制中心，也是最小的单片机组成，其包括一块STC89C51芯片、复位部分、晶振时间频率控制部分和电源部分。电源部分为整个单片机提供电源。复位部分接在单片

8、机的REST引脚，EA接高电平为访问片内程序存储器，EA接低电平访问片外程序存储器，当EN访问的程序大于4KB时自动转换到外部程序存储器。晶振部分为接18、19两个引脚，为整个单片机访问提供时间频率，频率越高，单片机执行速度越快。其单片机的最小系统电路如下：图3 单片机最小系统电路3.2 LCD液晶显示电路LCD液晶显示模块，为点阵字符型液晶显示模块，有自带驱动IC和液晶显示控制IC。其内部有字符发生器和显示数据存储器，该模块具有与MCU接口：8位或4位并行/3位串行数据总线接口。CS与单片机的P10口连接，SID与P11口连接，SCLK与P12口连接，B_Light为背光显示，可以不连接，通

9、过LCD电路实现数据和命令的发送、汉字和字母的显示。其LCD显示电路图如下：图4 LCD显示电路图3.3 按键接口电路系统中，由于需要对设定速度、PID控制参数的的修改，实现实时转速控制在一定误差范围内，所以系统在单片机P2口加入4*4的矩阵按键分别对其修改，其中从左至右、从上到下，将按键依次定义为116，110为数字按键，按键13、按键14、按键15、按键16为功能按键。 其按键接口电路为：图5 按键接口电路3.4 LED指示电路本系统有3个共阴极的发光二极管，其中当D1亮指示PWM控制转速模式，D2发光二极管亮指示修改设定速度模式，D3亮指示修改PID参数，当三个灯都亮，则说明电机为启动状

10、态，3个发光二极管都灭，则说明电机为停止状态。其LED灯电路图如下：图6 LED指示电路3.5 电机转速采集控制电路 系统中电机转速控制采集部分电路由一个PNP三极管，一个电动机和一个霍尔传感器组成，通过P14口单片机控制PWM占空比，P32口输出单位时间内的脉冲数到单片机。其具体电路图如下所示：图7 电机转速采集电路4 软件设计4. 1 主控模块程序根据系统功能描述，可以将软件大致划分为6个模块：主函数模块，系统参数初始化模块，LCD初始化、发送命令、发送数据和显示汉字和显示字母模块，按键识键和功能设置模块，中断模块和PWM控制模块。主程序执行的过程就是先进入主程序初始化，在没有按键按下的时

11、候，LCD实时显示，当有按键按下的时候，则执行按键所对应的功能。其主函数程序流程图为： 系统初始化开始LCD显示子函数key_flag=0，执行按键功能子程序LCD初始化key_flag=1？reflag=1？reflag =0，LCD显示刷新NYYN图8 主函数模块流程图4. 2 中断调用程序该部分为外部中断0定时器T0和T1的定时中断3部分。外部中断主要是对霍尔传感器检测到的脉冲输入进行技术，定时器T0为每隔一分钟对采集速度进行计算、回路PWM控制计算，以及对按键扫描标志位置1，定时器T1为PWM占空比调节。其工作原理都是当中断发出请求的时候，正在执行主程序的单片机CPU响应中断并服务子程

12、序，服务完后重新返回主程序中。其中各部分程序流程如下所示：入口返回赋计数初值计数值加1计算采集速度，并进行回路控制，和计数值清0计数到0.1s，按键标志位置1计数到1秒计数到0.1秒YNNY入口赋计数初值PWM=1PWM=0返回n200NY图9 定时器T0中断服务程序 图10 定时器T1中断服务程序P_count计数加1入口返回图11 外部中断0中断服务程序4. 3 LCD程序 该部分为显示刷新程序，其中包括模式之间的自动转换，时间的刷新和小数点的闪烁三部分。当进入时间刷新子程序时，当count计数到1秒的时候秒加1，刷新时间显示，当秒加到60时分加1，分时间刷新，当分加到60时时加1，时时间

13、刷新，最后返回主程序中。当无时间更新的时候，程序返回主程序继续执行中断前的服务。 图12 LCD显示刷新流程图4. 4 按键修改功能程序 该部分为按键执行功能部分，首先是对矩阵按键的线反转法识键和译键，如果有键按 下，当为13按键时，按键控制采集速度控制方法的选择；当为14按键时并有09按键按下 时，按键修改设定速度，否则返回；当为15按键并有09按键按下时，修改PID参数，否则返回；为16按键时按键控制电机的启停。线反转法识/译键入口keynum！=0keynum=13keynum=14keynum=15keynum=16调PID控制PWM调hui（）制PWM按奇数次修改设定速度修改PID参

14、数启动电机停止电机按奇数次09按键09按键返回NYNNYNYYNY图13 按键扫描修改流程图4. 5 PID控制程序 该部分为PID控制转速的占空比，通过完全微分PID增量控制PWM占空比，即当到达一定时间后，对采集进来的实时速度按照完全微分PID计算公式计算出转速的增量，再按一定比例转换成PWM占空比。其具体流程如下所示：YYYNN入口参数初始化计算转速偏差en0PID计算转速增量并转换成占空比|en|100PWM_time=0PWM_time=200PWM_time200返回N图14 PID控制程序流程图4. 6 回路自动控制PWM程序 回路自动控制程序为系统软件中用到的另一种PWM控制方

15、法，其设计思想是根据采 集速度与设定速度的差值分为几个不同的档位，对占空比的调节宽度也不同，差值越大所增加的占空比也就越大，其具体流程如下所示：增加一定PWM_time入口返回speed1speed一定值speed1200PWM_time0PWM_time=200PWM_time=0YYYYNNNN 图15 回路控制PWM占空比流程图5调试与测试 根据所设计的硬件电路图，连接好电路。软件调试时采用keil3软件的编译环境下，首先建一个工程，编译程序到文本中，其扩展名为.c，然后把文本添加到工程里面，然后编译，如果程序没得错，则打开电源，下载程序到实验箱进行仿真和调试，否则就根据错误提示修改程序

16、，直到没有错误为止。（1） LCD显示和按键程序的调试与测试： 根据实验要求设计好系统的硬件和软件部分后，首先对LCD显示部分和按键扫 描的程序编写，在该部分调试时用LED灯做按键指示，如果有按键按下，则LED灯亮，并在LCD上显示相应的按键。在该部分调试（2） 作息时间控制打铃程序的调试：当程序无错误时，在数码管上会显示北京时间，所设定的某一打铃时间和显示时间相等时，蜂鸣器就响三下，但后来蜂鸣器却一直响，程序有错误，在对程序进行改进时，采用了几种方法，最后采用了一种最简单的方法，将控制报时的蜂鸣器间断响三次，最后使蜂鸣器处于高电平，最后也能达到最终结果。这部分调试也成功完成了其功能。（3）

17、时间修改程序的调试：时间修改程序包括显示时间的修改和定时打铃作息时间的修改，该部分相对前两部分的调试和测试都要复杂一些，主要的就是几个按键的功能，只要分工合作好就写程序时思路清晰，各个模块之间衔接好就不会出现很大的问题，该部分应注意的是在扫描是否有按键按下时，要进行按键消抖，目的是消除单片机在扫描是否有按键按下时得到错误的信息。还有就是在在修改时间时，由于在写这部分程序时还不是很完善，所以要按照说明书来操作，以免得到错误的信息。（4） 系统整体调试与测试：在前三个模块都工作正确时，把整个程序都结合起来运行，看看到数码管上显示出设设定的时间，并能正常运行。在作息时间和显示时间相等时可以听到蜂鸣器

18、响三下，在按键修改时间也可以同时进行，达到所设计的预期结果，说明该程序和硬件能实现所设计的基本功能，整个系统功能基本完成，设计实验调试和测试完成。6 技术小结 （1）系统设计过程：本设计是基于SCT89C51单片机的转速控制系统，经过对系统通过功能设计、方案设计、硬件设计，软件设计以及调试，最后实现了其基本功能。（2）系统实现的功能：按键设定并显示转速和PID控制参量，按键控制电机起停；实时显示实际转速；PWM转速闭环控制。（3）实现系统稳定简洁的方法：在设计程序的时候，由于考虑到硬件在显示上的稳定、按键扫描的正确判断，所以在其中用到了两个定时器的中断：定时器0对电机转速计数中断和按键扫描周期

19、控制，定时器1对占空比调节控制，外部中断的引入，直接对霍尔传感器采集脉冲输入计数。（4）系统发展趋势：由于时间和个人能力问题，该设计还不够完美，比如在控制转速精度上还需要进一步地完善，还可以加入PC机，实现与PC机的通讯，将转速的设定值和实时测定值发送到PC机上显示等。7 基于单片机的转速控制系统的使用说明8 心得体会该课程设计为设计一个基于单片机的转速控制系统的设计，在设计过程中深刻体会到，只有按照规划步骤一步一步地完成设计才会事半功倍，否则就像一团乱麻一样不知所措，既要认真审题，看清题目的要求；然后根据要求找相关资料，找到相关知识，再根据实验室条件，找到合适的方案，根据方案找到需要的元器件

20、及相应的工具；第三，根据设计的要求及相应的芯片功能画图系统的电路原理图和流程图，再写出相应的程序，最后结合硬件电路对所写程序进行调试，达到最后所预期的结果。在根据实际情况写程序时，还要考虑到程序如何更稳定，比如在程序中消抖的子程序应用，就是为了达到这个目的。在写程序时也要值得注意的是，定义变量时，要用于之相关的字符代替，以达到易懂，鲜明的作用，有必要时要对一些程序或语句加以标注等，都是对读程序或修改程序有帮助的。总之在这次课程设计中受益匪浅，从头到尾亲身体会了一个基本单片机系统的设计，掌握了整个系统的设计过程以及一些基本常见的元器件在现实生活中的应用。9参考文献1沈红卫. 单片机的智能系统设计与实现M. 北京电子工业出版社. 2005. 2马淑华等.单片机原理与接口技术 北京：北京邮电大学出版社，2008（P87-P184） 3张毅刚.MCS-51单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社，20034程德福. 智能义器. 机械工业出版社. 2009.95胡文金.单片机系统实训教程.重庆：重庆大学出版社,20056林金阳.基于MC51单片机的直流电机PWM调速系统.长春工程学院学报(自然科学版)2009年第10卷第3期附录1 电路原理图附录2 程序清单