原標(biāo)題：基于51單片機(jī)的PID電機(jī)驅(qū)動設(shè)計（含驅(qū)動程序+接線圖）

基于51單片機(jī)的PID直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

在現(xiàn)代自動化控制領(lǐng)域，直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類機(jī)器人、智能小車、自動化生產(chǎn)線以及精密儀器中。然而，要實現(xiàn)對直流電機(jī)精確、平滑的調(diào)速和位置控制，僅依靠簡單的開環(huán)控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。閉環(huán)控制是解決這一問題的核心，其中，PID（比例-積分-微分）控制算法以其卓越的性能和普適性，成為了最常用且最有效的控制策略之一。本篇文章將深入探討如何基于經(jīng)典的51系列單片機(jī)，設(shè)計并實現(xiàn)一套完整的PID直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。我們將從系統(tǒng)架構(gòu)、元器件選型、硬件電路設(shè)計到軟件編程實現(xiàn)，進(jìn)行全面而詳盡的闡述，并對每個環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)進(jìn)行深入分析。

1. 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

本設(shè)計采用的PID電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)為一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其核心思想是，通過編碼器實時獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置信息，將其作為系統(tǒng)的反饋值。這個反饋值會與我們設(shè)定的目標(biāo)值（例如期望的轉(zhuǎn)速或位置）進(jìn)行比較，得到偏差。然后，PID控制器根據(jù)這個偏差，計算出新的控制量，通過電機(jī)驅(qū)動芯片去改變加在電機(jī)兩端的電壓或PWM占空比，從而調(diào)整電機(jī)的實際運(yùn)行狀態(tài)，使其不斷逼近目標(biāo)值。

整個系統(tǒng)的核心組件包括：

• 中央處理器（CPU）：這里我們選擇AT89C51/STC89C52系列單片機(jī)作為主控芯片。它負(fù)責(zé)接收目標(biāo)值、讀取編碼器反饋、執(zhí)行PID算法、并輸出PWM信號。

• 電機(jī)驅(qū)動模塊：負(fù)責(zé)放大單片機(jī)輸出的弱PWM信號，提供足夠的電流和電壓來驅(qū)動直流電機(jī)。我們選用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，它集成度高，能夠方便地控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度。

• 速度/位置傳感器：采用增量式光電編碼器。它安裝在電機(jī)尾部，隨電機(jī)轉(zhuǎn)動，輸出方波脈沖信號。通過計算單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，可以精確地得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速；通過累加脈沖數(shù)，則可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度或位置。

• 直流電機(jī)：本設(shè)計采用額定電壓12V的直流減速電機(jī)，帶有編碼器，適用于智能小車或小型機(jī)械臂等應(yīng)用。

• 電源模塊：提供系統(tǒng)工作所需的穩(wěn)定電源。一般需要兩路電源，一路是5V穩(wěn)壓電源為單片機(jī)和編碼器供電，另一路是12V電源為電機(jī)供電。

2. 核心元器件選型與分析

選擇合適的元器件是設(shè)計成功的基礎(chǔ)，我們對每一個核心元器件的選擇都進(jìn)行了深入的考量。

2.1 主控芯片：STC89C52RC單片機(jī)

我們之所以選擇STC89C52RC作為主控芯片，而非其他更高級的單片機(jī)，是基于以下幾點(diǎn)考慮：

• 經(jīng)典的51架構(gòu)：51單片機(jī)架構(gòu)成熟穩(wěn)定，資料豐富，開發(fā)環(huán)境簡單，對于初學(xué)者友好。其強(qiáng)大的定時器/計數(shù)器資源非常適合處理編碼器的脈沖計數(shù)和PWM信號的生成。

• 功能強(qiáng)大：STC89C52RC是STC公司對傳統(tǒng)51單片機(jī)的增強(qiáng)版，它內(nèi)置了8K字節(jié)的Flash程序存儲器，512字節(jié)的RAM，并且擁有3個16位定時器/計數(shù)器（T0、T1、T2），這為PID算法的實現(xiàn)提供了足夠的計算空間和定時資源。特別是T2定時器，它能夠配置為自動重裝載模式，非常適合用來產(chǎn)生精準(zhǔn)的PWM波形，或者用于對編碼器脈沖進(jìn)行高頻計數(shù)。

• 集成度高：它內(nèi)置了**ISP（在系統(tǒng)編程）**功能，通過串口即可下載程序，無需額外的編程器，極大地簡化了開發(fā)流程。

• 性價比高：STC89C52RC的價格低廉，能夠滿足大部分實驗和小型項目的需求，同時保持了系統(tǒng)的低成本。

2.2 電機(jī)驅(qū)動芯片：L298N

L298N是一款經(jīng)典的雙路全橋驅(qū)動芯片，它能夠驅(qū)動兩個直流電機(jī)，或者一個兩相步進(jìn)電機(jī)。我們選擇它的理由是：

• 大電流驅(qū)動能力：L298N的最大驅(qū)動電流可達(dá)2A，峰值電流可達(dá)3A，能夠輕松驅(qū)動我們選用的直流減速電機(jī)，避免因電流不足導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或無法啟動。

• 雙路驅(qū)動：L298N芯片內(nèi)置了兩個獨(dú)立的H橋，可以同時驅(qū)動兩個電機(jī)。如果我們的項目是四輪小車，只需要兩個L298N芯片即可實現(xiàn)對四個電機(jī)的控制，具有很好的擴(kuò)展性。

• 控制簡單：L298N提供了IN1、IN2、IN3、IN4四個邏輯控制輸入端，以及EN A、EN B兩個使能端。通過對IN1和IN2的電平組合，可以輕松控制電機(jī)A的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。而通過對EN A端輸入**PWM（脈沖寬度調(diào)制）**信號，就可以實現(xiàn)對電機(jī)速度的無級調(diào)速，這正是PID控制所需要的核心功能。

• 可靠性高：L298N內(nèi)部集成了過熱保護(hù)功能，當(dāng)芯片溫度過高時會自動關(guān)斷輸出，保護(hù)電機(jī)和芯片本身不受損壞。

2.3 速度傳感器：光電編碼器

編碼器是閉環(huán)控制系統(tǒng)的“眼睛”，其精度直接決定了控制系統(tǒng)的性能。我們選用增量式光電編碼器，其工作原理是：編碼器內(nèi)部有一個帶有等間隔狹縫的碼盤，碼盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過光電對管對光線進(jìn)行遮擋和透射，從而產(chǎn)生一系列方波脈沖。

• A/B相輸出：增量式編碼器通常會輸出兩路相位相差90度的方波信號，即A相和B相。通過比較A相和B相的相位超前關(guān)系，我們不僅可以判斷出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以準(zhǔn)確地判斷出電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。這對于需要正反轉(zhuǎn)控制的PID系統(tǒng)至關(guān)重要。

• 高精度：編碼器的脈沖數(shù)決定了其分辨率。例如，一個360線的編碼器，其A相和B相信號在經(jīng)過四倍頻處理后（在一個周期內(nèi)，上升沿、下降沿、A相和B相的組合變化可以看作4個脈沖），每轉(zhuǎn)一圈可以產(chǎn)生1440個脈沖，為精確的速度和位置控制提供了足夠的分辨率。

2.4 其他輔助元器件

• 穩(wěn)壓芯片：7805穩(wěn)壓芯片用于將12V電源降壓至5V，為單片機(jī)和編碼器供電，確保其在穩(wěn)定電壓下工作。

• 電容：濾波電容（100uF或更大）用于平滑電源電壓，去耦電容（0.1uF）用于濾除高頻噪聲，保證電路的穩(wěn)定性。

• 晶振：12MHz或11.0592MHz的晶體振蕩器，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時鐘源。選擇11.0592MHz是因為它可以精確地產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波特率，方便串口通信進(jìn)行調(diào)試。

3. 硬件電路設(shè)計與接線圖

硬件電路是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。合理的電路設(shè)計和接線是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障。

3.1 電路設(shè)計思路

整個硬件電路分為三個主要部分：單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動電路和編碼器信號處理電路。

• 單片機(jī)最小系統(tǒng)：包括單片機(jī)STC89C52、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路。復(fù)位電路由一個10k電阻和10uF電容組成，實現(xiàn)上電自動復(fù)位。晶振電路由一個12MHz晶振和兩個22pF電容組成。

• 電機(jī)驅(qū)動電路：主要由L298N芯片構(gòu)成。L298N的IN1、IN2端連接到單片機(jī)的IO口，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EN A端連接到單片機(jī)的PWM輸出引腳。這里我們選擇STC89C52的P2.0口作為PWM輸出口。OUT1和OUT2連接到直流電機(jī)的兩個接線柱。L298N的電源端VCC連接12V，邏輯電源VSS連接5V。

• 編碼器信號處理電路：編碼器的VCC和GND連接到5V電源。其A相和B相輸出信號，通常是開漏輸出，因此需要接上拉電阻（4.7kΩ）到5V電源。然后將上拉后的A相和B相信號分別接到單片機(jī)的兩個外部中斷引腳，例如INT0（P3.2）和INT1（P3.3）。通過外部中斷來捕捉編碼器的脈沖，可以保證脈沖不會丟失，從而實現(xiàn)精確計數(shù)。

3.2 系統(tǒng)接線圖

為了清晰起見，我們將以文字描述的方式呈現(xiàn)一個簡化的接線圖，方便讀者理解和搭建。

• 單片機(jī)部分

• VCC接5V，GND接GND。

• RST引腳接復(fù)位電路。

• XTAL1和XTAL2引腳接12MHz晶振和兩個22pF電容。

• P3.2 (INT0) 接編碼器的A相輸出。

• P3.3 (INT1) 接編碼器的B相輸出。

• P2.0 (PWM輸出) 接L298N的EN A引腳。

• P1.0 接L298N的IN1引腳。

• P1.1 接L298N的IN2引腳。

• P0口或P2口可連接一個LCD1602液晶屏，用于顯示目標(biāo)轉(zhuǎn)速、當(dāng)前轉(zhuǎn)速和PID參數(shù)，便于調(diào)試。

• 電機(jī)驅(qū)動部分 (L298N模塊)

• 12V電源輸入：接12V直流電源正極。

• GND：接12V電源負(fù)極。

• 5V電源輸入：接5V穩(wěn)壓電源正極（單片機(jī)5V電源）。

• ENA：接單片機(jī)P2.0。

• IN1：接單片機(jī)P1.0。

• IN2：接單片機(jī)P1.1。

• OUT1和OUT2：接直流電機(jī)的兩個接線柱。

• L298N的邏輯供電（5V）和單片機(jī)的供電需要共地。

• 編碼器部分

• VCC：接5V電源。

• GND：接GND。

• A相輸出：接上拉電阻后到單片機(jī)P3.2 (INT0)。

• B相輸出：接上拉電阻后到單片機(jī)P3.3 (INT1)。

4. 軟件設(shè)計與驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

軟件是整個系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)執(zhí)行PID算法、處理編碼器信號、生成PWM波形和與用戶交互。這里我們將詳細(xì)講解關(guān)鍵的驅(qū)動程序和PID算法實現(xiàn)。

4.1 編碼器脈沖計數(shù)與方向判斷

編碼器信號的精確讀取是PID控制的基礎(chǔ)。我們采用定時器中斷結(jié)合外部中斷的方式來處理編碼器信號，以實現(xiàn)高精度計數(shù)。

C

// 編碼器相關(guān)變量volatile int pulse_count = 0;   
// 編碼器脈沖計數(shù)sbit ENCODER_A = P3^2;          
// 編碼器A相信號sbit ENCODER_B = P3^3;          
// 編碼器B相信號int direction = 1;              
// 1為正轉(zhuǎn)，-1為反轉(zhuǎn)// 外部中斷0服務(wù)函數(shù)（用于捕捉A相脈沖）void ext0_isr() interrupt 0{    
// 判斷方向：如果A相脈沖來了，看看B相電平是高還是低
    // 假設(shè)A超前B為正轉(zhuǎn)，則當(dāng)A相上升沿到來時，B相為低電平
    if (ENCODER_B == 0)
    {
        pulse_count++;
    }    else
    {
        pulse_count--;
    }
}// 定時器1中斷服務(wù)函數(shù)（用于定時計算轉(zhuǎn)速）void timer1_isr() interrupt 3{    
// 假設(shè)定時器1每隔50ms中斷一次
    // 在這里計算轉(zhuǎn)速，并清零脈沖計數(shù)器
    // 轉(zhuǎn)速 = (pulse_count / 編碼器分辨率) * (60 / 0.05)
    // 假設(shè)分辨率是1440，則轉(zhuǎn)速（rpm） = (pulse_count / 1440) * 1200
    // 然后將pulse_count清零
    
    // ... 其他PID控制計算 ...}

4.2 PWM信號生成

STC89C52的定時器2是一個功能強(qiáng)大的定時器，特別適合用來產(chǎn)生PWM波。我們可以將定時器2配置為自動重裝載模式，并使用其溢出中斷來改變PWM輸出引腳的電平，從而實現(xiàn)PWM波形。

C

// 初始化定時器2用于PWMvoid PWM_Init(){    // 設(shè)置定時器2為16位自動重裝載模式
    T2CON = 0x00;   // 清除所有控制位
    T2MOD = 0x00;    
    // 假設(shè)系統(tǒng)時鐘為12MHz，我們想生成一個頻率為10kHz的PWM波
    // 周期T = 1/10kHz = 100us。 機(jī)器周期 = 1/12M * 12 = 1us
    // 定時器2的重裝載值 = 100us / 1us = 100
    // 計數(shù)器初值 = 65536 - 100
    TL2 = (65536 - 100) & 0xFF;
    TH2 = (65536 - 100) >> 8;    
    // 啟用定時器2
    TR2 = 1;    
    // 設(shè)置PWM輸出引腳為P2.0
    // 假設(shè)我們使用一個軟件PWM，而不是硬件PWM
    // 那么需要在定時器2中斷里改變P2.0的電平
    
    // 或者，我們可以使用一個更簡單的軟件PWM方法：
    // 在一個固定的循環(huán)中，根據(jù)設(shè)定的占空比來改變P2.0的電平
    // 例如，占空比為50，則在高電平50個周期后，拉低電平50個周期，如此往復(fù)
    
    // 為了實現(xiàn)PID，我們只需要改變PWM的占空比即可。
    // PWM_duty_cycle是一個0-100的變量
    // 在定時器2中斷中，我們判斷當(dāng)前計數(shù)器值，來決定P2.0的電平}
    // 假設(shè)我們使用一個簡單的軟件PWM函數(shù)void Set_PWM(int duty){    
    // 限制占空比范圍在0-100之間
    if (duty < 0) duty = 0;    if (duty > 100) duty = 100;    
    // 這里需要一個定時器或延時函數(shù)來控制PWM周期
    // 假設(shè)PWM_PERIOD_US為100us
    int high_time_us = (long)duty * PWM_PERIOD_US / 100;    
    int low_time_us = PWM_PERIOD_US - high_time_us;    
    // 循環(huán)產(chǎn)生PWM波形
    P2_0 = 1;
    delay_us(high_time_us);
    P2_0 = 0;
    delay_us(low_time_us);
}

注意：在實際應(yīng)用中，為了不占用CPU時間，我們通常會使用定時器配合外部中斷或者硬件PWM模塊來產(chǎn)生PWM波形。STC89C52的定時器2可以配置為PWM輸出模式，但需要復(fù)雜的寄存器配置，這里為了說明原理，我們用軟件方法簡化，但在實際項目中，應(yīng)優(yōu)先考慮硬件PWM。

4.3 PID控制算法實現(xiàn)

PID控制算法是整個系統(tǒng)的核心。我們采用位置式PID算法，其公式為：

u(k)=K_pe(k)+K_isum_j=0ke(j)Deltat+K_dfrace(k)?e(k?1)Deltat

其中：

• u(k) 是第k次采樣的控制輸出量，即PWM占空比。

• e(k) 是第k次采樣的偏差，即目標(biāo)轉(zhuǎn)速 - 實際轉(zhuǎn)速。

• K_p, K_i, K_d 分別是比例、積分和微分系數(shù)。

C

// PID相關(guān)變量float Kp = 1.0;float Ki = 0.5;float Kd = 0.1;float set_speed = 100.0;     
// 目標(biāo)轉(zhuǎn)速（rpm）float current_speed = 0.0;   
// 當(dāng)前轉(zhuǎn)速（rpm）float error = 0.0;           
// 當(dāng)前偏差float last_error = 0.0;      
// 上一次偏差float integral_error = 0.0;  
// 積分項累加int pwm_output = 0;          
// PWM占空比輸出// PID控制函數(shù)，在定時器中斷中周期性調(diào)用void PID_Control(){    
// 1. 計算偏差
    error = set_speed - current_speed;    
    // 2. 累加積分項
    integral_error += error;    
    // 3. 限制積分飽和，防止系統(tǒng)震蕩
    if (integral_error > 2000) integral_error = 2000;    
    if (integral_error < -2000) integral_error = -2000;    
    // 4. 計算PWM輸出
    pwm_output = Kp * error + Ki * integral_error + Kd * (error - last_error);    
    // 5. 更新上一次偏差
    last_error = error;    
    // 6. 限制PWM輸出范圍在0-100之間
    if (pwm_output > 100) pwm_output = 100;    if (pwm_output < 0) pwm_output = 0;    
    // 7. 將PWM輸出值應(yīng)用到電機(jī)
    Set_PWM(pwm_output);
}

PID參數(shù)整定是PID控制的關(guān)鍵，通常采用試湊法或Ziegler-Nichols方法。

• 首先只設(shè)置K_p：從小到大增加K_p，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記錄此時的K_p值和振蕩周期。

• 引入K_i：在K_p的基礎(chǔ)上增加K_i，用于消除靜差。

• 引入K_d：在K_p和K_i的基礎(chǔ)上增加K_d，用于抑制超調(diào)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。 實際操作中，通常需要反復(fù)試驗，以找到最佳的PID參數(shù)組合。

4.4 主程序與流程

C

void main(){    // 初始化外設(shè)
    Init_LCD();             // 初始化LCD1602用于顯示
    Init_Timer1();          // 初始化定時器1用于定時采樣
    Init_External_Interrupt(); // 初始化外部中斷0用于編碼器計數(shù)
    
    EA = 1; // 開啟總中斷
    
    while(1)
    {        // 主循環(huán)，可以用于讀取目標(biāo)轉(zhuǎn)速、顯示信息等
        // 這里可以從串口讀取新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速
        // 在定時器中斷中，會周期性地進(jìn)行PID計算和PWM更新
        
        // 顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速
        Display_Info(current_speed, set_speed);
    }
}

5. 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)闡述了基于51單片機(jī)的PID直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，從硬件元器件的精心選擇，到硬件電路的詳細(xì)接線，再到軟件驅(qū)動程序的精細(xì)編寫，都進(jìn)行了全面的剖析。通過對STC89C52RC、L298N和光電編碼器等核心元器件的深入分析，我們理解了它們在系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。通過采用定時器中斷結(jié)合外部中斷的方式，我們實現(xiàn)了高精度的編碼器脈沖計數(shù)，為PID控制提供了準(zhǔn)確的反饋數(shù)據(jù)。最后，我們給出了位置式PID算法的C語言實現(xiàn)代碼，并簡要介紹了PID參數(shù)的整定方法。

本設(shè)計具有成本低廉、技術(shù)成熟、易于學(xué)習(xí)和擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為嵌入式控制領(lǐng)域的入門項目。然而，這套系統(tǒng)仍然存在一些可以改進(jìn)和優(yōu)化的空間。例如，可以采用增量式PID算法，以避免積分飽和問題；可以引入串行通信，通過上位機(jī)實時監(jiān)控和調(diào)整PID參數(shù)，提高調(diào)試效率；還可以升級到更高性能的單片機(jī)，如STM32系列，以處理更復(fù)雜的算法和實現(xiàn)更高級的功能，例如多電機(jī)協(xié)調(diào)控制、電機(jī)軌跡規(guī)劃等。但對于大多數(shù)基礎(chǔ)的調(diào)速和位置控制應(yīng)用，本設(shè)計方案已經(jīng)完全足夠，并為進(jìn)一步的深入學(xué)習(xí)和實踐奠定了堅實的基礎(chǔ)。通過這樣的項目實踐，不僅可以掌握51單片機(jī)的應(yīng)用，更能深入理解閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心思想和PID算法的精髓。