CN203225046U - 一种基于单片机的机电系统pid自动控制实验教学平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，该平台包括上位机和下位机，其中上位机包括PC机、串口软件、数据曲线绘图软件；下位机包括单片机、电机、电机驱动模块、电机测速模块、LED灯指示模块、数码管显示模块、脉冲整形模块、串口通信模块、按键扫描模块，学生可以在上位机和下位机对系统初始参数进行设定，单片机对电机进行驱动并测量其速度，然后返回数据给数码管和上位机显示，上位机数据曲线绘图软件根据数据将其绘制成速度-时间关系曲线，可以满足课程教学和实践应用的需求。

Description

一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台

技术领域

本实用新型涉及一种机电系统PID自动控制教学用具，具体涉及一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台。

背景技术

机电系统在国民经济和军事系统方面有着广泛的应用前景，机电系统通常包括机械本体部分、动力驱动部分、测试传感部分、控制及信息处理部分、执行机构部分。而在控制及信息处理部分通常采用单片机技术。近年来，单片机技术迅猛发展，在机械电子工程、自动控制技术、计算机信息技术、传感器检测技术等领域得到广泛的应用。在模拟控制系统中，PID控制规律是最常用的控制规律，而PID控制的各个环节对控制系统的动态性能和稳定性能具有不同的影响。

单片机技术发展非常迅速，新型单片机及外围器件日新月异。目前市场上常见的单片机开发板针对性不强，也没有将单片机技术、机械电子工程、自动控制技术、传感检测技术、电子电路技术等在系统工程的基础上加以综合应用，无法满足课程教学和实践应用的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台。

为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案。

该实验教学平台包括下位机，所述下位机包括电机、单片机、电机驱动模块、电机测速模块、LED灯指示模块、数码管显示模块、脉冲整形模块、串口通信模块和按键扫描模块，电机驱动模块、LED灯指示模块、数码管显示模块、脉冲整形模块、串口通信模块以及按键扫描模块分别与单片机相连，电机测速模块与脉冲整形模块相连，电机与电机驱动模块相连。

所述实验教学平台还包括与串口通信模块相连的上位机。

所述上位机为PC机。

所述单片机可选多种型号，如51系列、AVR系列或PLC系列，本平台采用ATMEGA8芯片。

所述电机驱动模块主要采用ULN2803芯片。

所述电机测速模块包括NPN型对射式光电传感器，NPN型对射式光电传感器的光发射器以及接收器分别设置于电机扇叶两侧。

所述LED灯指示模块包括4个发光二极管。

所述数码管显示模块包括共阴极四位一体数码管以及两片用于控制共阴极四位一体数码管进行动态显示的74HC573锁存器芯片。

所述脉冲整形模块主要采用74HC14芯片。

本实用新型的有益效果为：本实用新型所述实验教学平台采用模块化思想，结构简单，设计合理，原理清晰，能够使机电工程、自动控制工程、计算机嵌入式等学科的学生了解并掌握机电控制系统的工作全过程，将单片机技术、机械电子工程、自动控制技术、计算机信息技术、传感检测技术以及电子电路技术等在系统工程的基础上加以综合应用，可以满足课程教学和实践应用的需求。

本实用新型所述实验教学平台可以进行在线编程，进行LED灯指示、数码管显示、串口通讯、电机驱动、电机测速、电机调速、PID算法设计、数据曲线生成等实验，从而使学生更好的了解并掌握机电控制系统的工作全过程。

本实用新型所述实验教学平台可采用多种单片机芯片进行教学，不仅包括日常教学多采用的51系列单片机芯片，而且包括实际工业应用中使用的AVR系列、PLC系列等单片机芯片，通用性强，缩短了学校教学和社会应用中的差距，让学生更好的掌握单片机技术原理及开发应用流程，能够更深层次的提高学生的动手动脑能力。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的工作流程图；

图中：1为上位机，2为串口软件、3为数据曲线绘图软件、4为单片机、5为电机、6为电机驱动模块、7为电机测速模块、8为LED灯指示模块、9为数码管显示模块、10为脉冲整形模块、11为串口通信模块、12为按键扫描模块；F0为烧录上位机下载的电机控制程序；F1为上位机下发的电机额定转速设定指令；F2为接收按键扫描信息确定PID控制参数；F3为输出控制信息给电机驱动模块进行电机驱动；F4为接收电机测速模块传送的电机实时转速数据；F5为输出显示信息给LED灯指示模块进行显示；F6为输出电机实时转速给数码管显示模块进行显示；F7为输出电机实时转速给上位机进行显示；F8为将电机控制程序下载给单片机进行烧录；F9为将电机额定转速设定指令下发给单片机；F10为接收下位机上传的电机实时转速数据进行显示；F11为将实时转速数据绘制成速度-时间关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1，本实用新型所述实验教学平台包括下位机，所述下位机包括电机5、单片机4、电机驱动模块6、电机测速模块7、LED灯指示模块8、数码管显示模块9、脉冲整形模块10、串口通信模块11和按键扫描模块12，电机驱动模块6、LED灯指示模块8、数码管显示模块9、脉冲整形模块10、串口通信模块11以及按键扫描模块12分别与单片机4相连，电机测速模块7与脉冲整形模块10相连，电机5与电机驱动模块6相连。

所述单片机4为51系列、AVR系列或PLC系列单片机芯片。所述电机驱动模块6采用ULN2803芯片。所述电机测速模块7包括NPN型对射式光电传感器，NPN型对射式光电传感器的光发射器以及接收器分别设置于电机扇叶两侧。所述LED灯指示模块8包括4个发光二极管。所述数码管显示模块9包括共阴极四位一体数码管以及两片用于控制共阴极四位一体数码管进行动态显示的74HC573锁存器芯片。所述脉冲整形模块10采用74HC14芯片。

所述实验教学平台还包括与串口通信模块11相连的上位机1。所述上位机1为PC机。

参见图2，系统初始化后，判断采样周期到否，根据采样结果计算电机实时转速，送给数码管以及上位机PC机显示，同时调用PID控制算法对电机转速进行调节，以PWM方式驱动电机，上位机对接收到的实时转速绘制速度-时间关系曲线图。学生可以在上位机和下位机分别对系统初始参数（电机额定速度、PID控制参数）进行设定，从速度-时间关系曲线图上直观形象的认识到系统初始参数对控制效果的影响。

上位机和下位机可分开使用，移除上位机，下位机可继续运行并实现功能。电机速度控制方法采用PID控制策略，编写PID控制算法。上位机和下位机都可以设定PID控制参数，而且系统即时响应参数动态调节。

实施例

一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，该平台包括上位机和下位机，其中上位机包括PC机、串口软件、数据曲线绘图软件；下位机包括单片机、电机、电机驱动模块、电机测速模块、LED灯指示模块、数码管显示模块、脉冲整形模块、串口通信模块、按键扫描模块。上位机通过传输线与下位机单片机实现连接，单片机分别与电机驱动模块、电机测速模块、LED灯指示模块、数码管显示模块、串口通信模块、按键扫描模块电信号连接。

下位机单片机完成的功能有：

第一、烧录上位机PC机下载的电机控制程序；第二、接收上位机PC机下发的电机额定转速设定指令；第三、接收按键扫描信息确定PID控制参数；第四、输出控制信息给电机驱动模块进行电机驱动；第五、接收电机测速模块传送的电机实时转速数据；第六、输出显示信息给LED灯指示模块进行显示；第七、输出电机实时转速给数码管显示模块进行显示；第八、输出电机实时转速给上位机PC机进行显示。

上位机完成的功能有：

第一、将电机控制程序下载给单片机进行烧录；第二、将电机额定转速设定指令下发给单片机；第三、接收下位机上传的电机实时转速数据进行显示；第四、将实时转速数据绘制成速度-时间曲线。

上述实验教学平台所需+5V、+12V工作电压，由外部电源设备提供。

上位机包括PC机、串口软件、数据曲线绘图软件。PC机即能独立运行、完成特定功能的个人计算机，最低配置为CPU：2GHZ，内存：2GB，硬盘：360GB，显存：1GB，操作系统为Windows2003/XP/Windows7。PC机的任务是对单片机进行在线编程（ISP），控制程序使用C语言编写，并将其下载给单片机。采用PC机对单片机进行在线编程（ISP）能够对单片机上的空白元器件写入用户代码，不需要从电路板上取下元器件，是时下广泛应用的单片机编程模式。ISP技术的优势是不需要编程器就可以对单片机进行实验和开发，单片机芯片直接焊接在电路板上，调试结束即为成品，免去了调试时频繁插取芯片而对芯片和电路板造成不必要的破坏。串口软件由VisualC++6.0编写，其任务是实现上位机与下位机的数据通信，对下位机电机的额定转速进行设定，并接收下位机上传的电机实时转速进行显示。数据曲线绘图软件由Visual C++6.0编写，其任务是根据上位机接收到的下位机上传的电机实时转速数据进行绘图，将其绘制成二维速度-时间关系曲线，可以直观形象的认识到系统初始参数对控制效果的影响。

下位机包括单片机、电机、电机驱动模块、电机测速模块、LED灯指示模块、数码管显示模块、脉冲整形模块、串口通信模块、按键扫描模块。

单片机选用AVR系列单片机中的ATmega16芯片。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止震荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。ATmega16芯片是一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

单片机ATmega16芯片，除常规连接外，PB5端口与ISP接口的10端口连接，PB6端口与ISP接口的2端口连接，PB7端口与ISP接口的4端口连接，RESET端口与ISP的6端口连接，PD7端口与IN8端口连接，VCC端口、AVCC端口、AREF端口接5V电源，GND端口接地。

单片机ATmega16芯片与外部部件的电路连接为：

（1）电机驱动模块

电机驱动模块接收单片机PWM信号，实现电机的PWM调速，采用ULN2803芯片，可实现8路驱动。在步进电机的驱动控制中，可实现2路步进电机的控制。电路连接为：

ULN2803电机驱动芯片的8端与单片机的PD7端连接；ULN2803电机驱动芯片的9端接地；ULN2803电机驱动芯片的10端接12V电源，并与电机正极连接；ULN2803电机驱动芯片的11端与电机负极连接，并于二极管阴极连接，二极管阳极经过电阻（1K）与12V电源连接。

（2）电机测速模块

电机测速模块通过测量电机转动速度，将测量信号传送给单片机，由单片机进行计算获得电机的实时转动速度，通过与电机额定速度进行比较，然后进行速度条件。主要采用NPN型对射式光电传感器构成，对射式光电传感器分成两部分：光发射器和接收器，分别放在电机扇叶两侧。电路连接为：

对射式光电传感器的光发射器正极串联电阻（0.5K）与5V电源连接；对射式光电传感器的光发射器负极接地；对射式光电传感器的接收器正极串联电阻（5K）与5V电源连接；对射式光电传感器的接收器负极接地；对射式光电传感器的接收器正极与74HC14芯片的A1端连接。

（3）LED灯指示模块

LED灯也就是发光二极管，是嵌入式中最常见的显示设备。当电流从发光二极管的正极流向负极时，二极管导通发光。上述教学平台设置4个LED灯，可在实验过程中起到提示、警示等作用。LED灯指示模块电路连接为：

第一LED灯正极串联电阻（1K）与5V电源连接，负极与单片机的PC2端口连接；第二LED灯正极串联电阻（1K）与5V电源连接，负极与单片机PC3端口连接；第三LED灯正极串联电阻（1K）与5V电源连接，负极与单片机PC4端口连接；第四LED灯正极串联电阻（1K）与5V电源连接，负极与单片机PC5端口连接。

（4）数码管显示模块

数码管也是一种常见的显示设备，将7个LED灯组合起来，使用74HC573锁存器芯片就可以使其显示0～F这15个字符，上述教学平台采用共阴极四位一体数码管，使用两片74HC573锁存器（P1DULA锁存器和P2WELA锁存器）芯片控制其动态显示，可以显示电机的实时转速。数码管显示模块电路连接为：

四位一体数码管的12端口与P2WELA锁存器的13端口连接；四位一体数码管的9端口与P2WELA锁存器的14端口连接；四位一体数码管的8端口与P2WELA锁存器的15端口连接；四位一体数码管的6端口与P2WELA锁存器的16端口连接；

四位一体数码管的11端口与P1DULA锁存器的13端口连接；四位一体数码管的7端口与P1DULA锁存器的14端口连接；四位一体数码管的4端口与P1DULA锁存器的15端口连接；四位一体数码管的2端口与P1DULA锁存器的16端口连接；四位一体数码管的1端口与P1DULA锁存器的17端口连接；四位一体数码管的10端口与P1DULA锁存器的18端口连接；四位一体数码管的5端口与P1DULA锁存器的19端口连接；四位一体数码管的3端口与P1DULA锁存器的20端口连接。

74HC573锁存器的电路连接为：

P1DULA锁存器的1端口、2端口连接5V电源；3～10端口与PB0～PB7端口连接；11端口接地；12端口与PC1端口连接；13～20端口分别与四位一体数码管连接。

P2WELA锁存器的1端口、2端口连接5V电源；3～10端口与PB0～PB7端口连接；11端口接地；12端口与PC0端口连接；13～16端口分别与四位一体数码管连接。

（5）脉冲整形模块

脉冲整形模块接收电机测速模块传送的信号，将其脉冲波形整定成方波，然后传送给单片机，极大地提高了电机转速测量的精度。该模块采用74HC14芯片，实现了6路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。脉冲整形模块电路连接为：

74HC573芯片的1端口接5V电源；74HC573芯片的7端口与单片机的PD2端口连接；74HC573芯片的8端口接地；74HC573芯片的14端口与A1端连接。

（6）串口通信模块

串行通信是指数据一位一位按顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需要一对传输线，这样就大大降低了传送成本，特别适合于远距离通信。串行通信有两种基本通信方式：同步通信和异步通信。在同步通信中，数据开始传送前用同步字符来指示(常约定1个、1.5个或2个)，并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示。在异步通信中，数据是一帧一帧(包括一个字符代码或一个字节数据)传送的，在帧格式中，一个字符由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。首先是一个起始位(0个)、然后是5～8位数据位(规定低位在前，高位在后)、接下来是奇偶校验位(可省略)，最后是停止位(1个)。串口通信模块电路连接为：

MAX232芯片的14端口和13端口通过DB9与上位机连接；MAX232芯片的11端口和12端口与单片机的PD1端口和PD0端口连接；MAX232芯片的1端口和3端口之间并联电容C1；MAX232芯片的4端口和5端口之间并联电容C2；MAX232芯片的16端口经电容C3后接5V电源；MAX232芯片的2端口接5V电源；MAX232芯片的6端口经电容C4后接地；MAX232芯片的15端口接地。

（7）按键扫描模块

按键是嵌入式中最常见的输入设备，按键按下与否可检测高低电平。上述教学平台提供常见4×2键盘，分别控制下位机上电、复位、P参数调节、I参数调节、D参数调节。按键扫描模块电路连接为：

开关S1一端接5V电源，另一端接单片机PA0端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为上电；按键S2一端接5V电源，另一端接单片机PA1端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为复位；按键S3一端接5V电源，另一端接单片机PA2端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为P参数增量调节；按键S4一端接5V电源，另一端接单片机PA3端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为P参数减量调节；按键S5一端接5V电源，另一端接单片机PA4端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为I参数增量调节；按键S6一端接5V电源，另一端接单片机PA5端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为I参数减量调节；按键S7一端接5V电源，另一端接单片机PA6端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为D参数增量调节；按键S8一端接5V电源，另一端接单片机PA7端口，同时经过电阻（500K）接地，功能为D参数减量调节。

Claims (9)

1.一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：该实验教学平台包括下位机，所述下位机包括电机（5）、单片机（4）、电机驱动模块（6）、电机测速模块（7）、LED灯指示模块（8）、数码管显示模块（9）、脉冲整形模块（10）、串口通信模块（11）和按键扫描模块（12），电机驱动模块（6）、LED灯指示模块（8）、数码管显示模块（9）、脉冲整形模块（10）、串口通信模块（11）以及按键扫描模块（12）分别与单片机（4）相连，电机测速模块（7）与脉冲整形模块（10）相连，电机（5）与电机驱动模块（6）相连。

2.根据权利要求1所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述实验教学平台还包括与串口通信模块（11）相连的上位机（1）。

3.根据权利要求2所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述上位机（1）为PC机。

4.根据权利要求1所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述单片机（4）为51系列、AVR系列或PLC系列。

5.根据权利要求1所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述电机驱动模块（6）采用ULN2803芯片。

6.根据权利要求1所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述电机测速模块（7）包括NPN型对射式光电传感器，NPN型对射式光电传感器的光发射器以及接收器分别设置于电机扇叶两侧。

7.根据权利要求1所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述LED灯指示模块（8）包括4个发光二极管。

8.根据权利要求1所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述数码管显示模块（9）包括共阴极四位一体数码管以及两片用于控制共阴极四位一体数码管进行动态显示的74HC573锁存器芯片。

9.根据权利要求1所述一种基于单片机的机电系统PID自动控制实验教学平台，其特征在于：所述脉冲整形模块（10）采用74HC14芯片。

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