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大三下电子线路设计下实验报告2
一、实验准备
1、Keil的基本使用方法 2、51单片机C8051F020基础知识 3、ADC 4、液晶实时显示波形 5、PID控制算法和调参方法
二、实验任务与要求
(一)基础要求
编程实现平衡器控制系统功能调试。要求采用基于C8051F020智能控制器作为平衡器控制系统的核心部件，编程实现对平衡器的自动控制。要求程序中必须包含数码管、液晶显示、键盘、AD。 将实验任务一和任务二的功能整合成一个大工程，LCD屏上显示主菜单：包括三个子菜单 （1）个人信息 ； （2）实验一功能； （3）实验二功能：LCD屏上显示控制电压曲线、LED显示控制电压值。 自己编写PID算法并实现PID参数的整定，能够保证控制的稳定性和快速性。
(二)工程实现的功能
重新编辑了主菜单，为了配合按键显示，将实验一的功能一和功能二合成了一个子功能。加入了显示个人信息界面和实验二的显示波形、控制飞行器子功能。 1.主菜单包括三个选项：显示个人信息（左键）、进入实验一功能（中键）、进入实验二功能（右键）。其中显示个人信息界面下显示姓名学号班级等等信息，按右键退出。 2.实验一子菜单内是实验一实现的功能，在此不再赘述。值得一提的是，由于实验一有三个功能，缺一个返回按钮，所以我把计时和播动画两个功能进行了合并，变为一个“计时选图”选项，并创建了一个过度菜单来选择，将右键统一设置为返回按钮。 3.实验二子菜单有三个选项：显示波形（左键）、控制平衡器（中键）、返回主菜单（右键）。 4.显示波形子功能中选中进入过渡菜单，按左键进入播放，中键播放下一个，右键返回。一共有三种波形：正弦波、三角波、方波。进入以后再按左键重新播放这一个波形。 5.控制平衡器功能选中进入选择滤波方式过渡菜单。其中左键选择下一个，右键退出。一共有三种滤波方式：算数均值滤波、中值平均滤波、滑动均值滤波。按中键确定进入，按右键退出。进入显示波形界面后，上半屏显示霍尔传感器实时检测的电压曲线，下半屏是提示信息，左键为飞行器向上，中键为飞行器向下，右键为返回停止。
(三)流程图
1.主逻辑
2.实验一子菜单
3.实验二子菜单
4.显示波形、控制飞行器子功能
三、硬件原理
(一)ADC
A/D转换器片内有D/A转换和电压比较器，基本电路图如下：
ADC电路通常由两部分组成，它们是：采样、保持电路和量化、编码电路。其中量化、编码电路是最核心的部件，任何ADC转换电路都必须包含这种电路。
模—数转换的过程有四个阶段，即采样、保持、量化和编码。
ADC有4种转换启动方式，在本实验中使用的是定时器3溢出（即定时的连续转换）方式。
(二)DAC
每个C805 1F020/1/2/3器件都有两个片内12 位电压方式数/模转换器(DAC)。每个DAC的输出摆幅均为0V到(VREF-ILSB)，对应的输入码范围是0x000到0xFFF。可以用对应的控制寄存器DACOCN和DACICN允许/禁止DACO和DAC1。每个DAC都具有灵活的输出更新机制，允许无缝的满度变化并支持无抖动输出更新，适合波形发生器的应用。其中使用方式有两种：根据软件命令更新输出、基于定时器溢出的输出更新。在本实验中使用第二种方式，使用定时器2进行输出，具体操作将在后面调试中介绍。 下面是信号发生器的硬件电路：
(三)模拟飞行器
模拟飞行平衡器实物 模拟飞行平衡器原理图 直升机垂直升降系统接口
| 序号 | 信号 | 作用 |
|---|---|---|
| 1 | +12V | +12V 电源 |
| 2 | +5V | +5V 电源 |
| 3 | GND | 地线 |
| 4 | AIN0 | 0 号模拟量检测端子，霍尔传感器电路输出检测端子。 |
| 5 | AIN1 | 1 号模拟量检测端子，霍尔传感器电路接地端。 |
| 6 | AIN2 | 2 号模拟量检测端子，螺旋桨电机电压检测端子。 |
| 7 | AIN3 | 3 号模拟量检测端子，螺旋桨电机电压检测端子。 |
| 8 | DA-OUT0 | 模拟量控制信号端子，螺旋桨电机电压控制端子。 |
| 9 | AGND | 模拟地线 |
(四)外部放大电路
实验板输出电压0~5v不能驱动控制对象，需要用放大电路放大信号。
(五)接线方法
如图所示，实验板输出控制电压（DAC）接到DA-OUT0口，实现螺旋桨电机电压控制。AIN0口霍尔传感器电路输出检测端子接到放大电路，放大后的信号接到实验板输入接口（ADC）。其中5V、12V、地线都从实验板引出，通过面包板连接即可。
备注：其他硬件模块功能已在实验1
四、软件实现
(一)主函数
(二)显示个人信息
(三)实验一增加的中转界面
(四)实验二主菜单
(五)显示波形
定时器中断输出波形
按键中断显示波形条件语句：
(六)选择滤波方式
(七)控制平衡器
滤波操作：
显示检测值、设定值、控制量：（led数码管上中下三行）
控制算法：
网上参考的位置型PID算法出处：
根据网上找到的参考PID算法，进行简单修改以后即可投入使用，需要注意的是，在风扇电机控制中，控制量应该是原检测值加上PID控制量，因为该电机没有积分环节，必须保留原始值才可以。
三种滤波算法：
数码管显示检测、设定、控制值子函数：
Lcd屏幕绘制电压波形子函数：
各种初始化合集函数：
备注：全部代码在提交的工程文件中，此处由于篇幅限制不粘贴全部代码。
五、调试过程
(一)RAM不够的问题
显示地址空间溢出，查找相关资料后发现是全局变量太多把ram用超了，需要利用一下高字节ram和片外存储器。由于实现的功能比较多，各种函数之间传递参数必须用到全局变量，所以在尽可能精简以后存储器空间还是超了，这就需要扩充到其他存储空间。
论坛找到的资料——我遇到了这个问题后，我发现是RAM不够，一般的话。有data、idata、pdata以及xdata。data的话，就是低128（片内）字节；idata的话，就是256个（片内）字节。起始data就是idata的一部分。pdata以及xdata是片外RAM的，那就得看单片机的手册进行操作。例如STC12C5A60S2的话，要用内部扩展的话，是要用到xdata的，即unsigned char xdata a[256]，那么这就去了256个字节了。内部扩展的。也就是说，当你编译后，发现data已经是大于128了，同时伴随着报错。那你就得使用xdata或者pdata了。
在变量定义时声明为idata或者xdata即可
可以看到编译通过。
(二)定时器选择与DAC输出方式的改变
刚开始我在按照例程写完DAC输出时发现并没有对电机起到控制作用，在仔细查看操作手册以后我发现这和DAC初始化时向DAC0CN写入的控制字有关。两个例程中写入的控制字不同，一个是0x98（10011000），另一个是0x94（10010100）。
对于我的工程来说，使用定时器2，直接对DAC0写入，所以控制字写入0x98即可达到效果，而我尝试使用定时器4，发现数码管会发生肉眼可见的闪烁，这应该与定时器的周期有关，所以在使能时关掉了定时器4，中断中也没有使用定时器4的功能。
(三)波形全屏显示
由于霍尔传感器的输出电压是一个范围，并不是准确的0-5V，而之前编写的显示函数显示范围是0-4096，即将0-5V映射到12位二进制数中。所以对于不同的飞行器要根据其显示范围，确定不同的变换系数。即将飞行器霍尔元件输出电压区间拉伸映射到整个显示区间。 在我使用的这块板子上，标定的参数为：
(四)PID参数的整定
PID参数必须通过整定才能达到最好的控制效果，而不好的PID参数甚至可能会使控制系统不稳定。 网上查到的凑试法调节PID参数方法：
根据这个方法可以进行PID参数的整定，下面是具体的调参过程： 1.在初步确定了一组PID参数后，得到了一组控制曲线：
可以看出，在飞行器高度较高时，稳态性能不好，有抖动和静差。而在调节高低的过程中，在加入扰动以后，响应曲线的动态性能也不好。有震荡和超调的存在，响应时间也很长。
2.比例环节的调节
按照方法中的指示，先从比例环境调起，可以很明显地看出，比例环节过小，调节时间太长且具有静差；但是比例环节太大以后，出现了较大的超调，比较合适的时调节出理想的4：1衰减曲线。
3.积分环节的调节
积分环节能够起到消除稳态误差的作用，但是如果积分环节过大，会破坏系统的稳定性，出现较大的超调和震荡，应该将积分环节调节到几乎没有超调且没有静差。
4.微分环节的调节
微分环节起到一个“超前调节”的作用，如果没有微分环节，可能会造成调节时间过长，而微分环节过大会造成系统失衡，稳定性变差。
调节到最后，应该在保证没有静差、系统稳定的情况下，尽可能地缩短调节时间，以达到完美的响应曲线。
5.最终调节结果
这一个是我特别满意的调节曲线，可以看出，不管是从小到大还是从大到小，调节曲线都很稳定，而且没有超调和静差，响应时间也很快。最关键的是，从视频中可以看出，在按下改变设定值按钮后，飞行器迅速响应，马上稳定且没有震荡，稳定以后也没有细微的波动。
对应的PID参数为：Kp：1.3，Ki：0.04，Kd：0.003
备注：对应的参数只对特定的实验仪器有用。
六、实验总结
这次实验前前后后做了五天的时间，从研读例程，到尝试修改例程、测试功能，再到列清单设计菜单，到把两次实验整合起来，最后再加入PID控制，调试PID参数以达到完美的响应曲线。这次试验确确实实花费了很多时间和心血，从借到实验板到拿着小起子转电位器调节显示波形，再到研读数据手册解决问题，最后搭板子调PID参数，整个过程确实让人难忘。最让我印象深刻的是例程当中存在的各种各样的问题，在无法实现功能，寻找解决办法的过程中发现了其中的各种bug，看来，发现和解决问题是最好的学习方法。在感叹于例程错误多的过程中，我也逐渐的加深了对单片机的认识，在查找数据手册、请教老师、同学交流和上网查找解决方案的过程中，我对于这些知识的掌握也更加深刻。许多错误的发生正是我们在编程中最容易发生的，这也为我的编程提供了参考与警示。 PID参数的调节过程又是一个挑战，对于我们自动化专业，PID可以说是老朋友了，但是在之前的课程和实验中，都是确定了的理想条件，包括做实验也是调试好的集成设备，可以直接拿来使用。对于一个不太了解的系统，如何调节参数以达到最好的控制效果确实是第一次遇到。在仔细复习了PID算法、PID参数调节方法以后，我对于控制对象的参数调节前前后后进行了一天时间。一方面是因为三个参数互相耦合，牵一发而动全身；另一方面是因为不太的模拟飞行器都有一套不同的参数，下午再来到实验室时更换了实验板和飞行器，还有重新进行波形显示的调节和参数的整定，这里也浪费了一些时间。不过最终结果让人满意，我调出了理想的曲线，控制效果也很让人满意。这也给定一个实际系统来进行单片机控制，也接近于实际应用，让我更好地体会到了理论与实践相结合的魅力。
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