【摘 要】本课题设计一个基于PID算法的转速控制实验教学平台。由电机、编码器及驱动电路、Arduino 单片机、蓝牙、PID 算法和手机App仿真软件等组成。主控器采用Arduino ，手机App采用AppInventor2软件编写。将手机上自带的蓝牙与连接在Arduino上的蓝牙模块相连后，可以通过手机App控制电机的运作，并在手机App上展现出电机响应曲线，从而达到让学生们能够更容易去理解PID算法的目的。
【Key words】： Arduino single chip microcomputer, PID algorithm, appinventor2目录
一、绪论 1
（一）课题背景 1
（二）课题目的和意义 1
（三）主要工作及创新点 2
二、系统总体方案设计 3
（一）系统框图 3
（二）编码器介绍 3
1、编码器概述 3
2、增量式旋转编码器测速原理 4
三、硬件电路设计 5
（一）脉宽调制（PWM）控制原理 5
（二）电机及编码电路 6
（三）双路H桥步进电机驱动模块 6
（四）Arduino单片机 7
1、定时器中断 8
2、外部中断 8
3、串口中断 9
（五）蓝牙电路 10
（六）硬件电路概述 10
四、程序设计 11
（一）单片机程序设计 11
1、PID算法 11
2、PID算法的离散化 12
3、单片机端基于PID算法的转速测控程序设计 12
4、PID整定方法 17
（二）手机控制平台程序设计 20
1、手机端发送数据程序的编写 20
2、编写在手机端绘制PID曲线的程序 22
五、系统调试 25
（一）软硬件调试 25
1、硬件调试 25
2、软件调试 26
（二）整机调试 27
1、PID参数调整所使用的方法 27
2、参数调整步骤及结
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果： 27
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
附录一：单片机端程序 32
附录二：手机端程序 36
附录三：原理图 37
附录四：结构图 38
一、绪论
（一）课题背景
PID控制是工业生产中最常用的控制方法之一，而PID调节仪也是工业控制中最常用的仪表之一。PID控制适用于需要高精度测量和控制的系统，能够根据被控对象自动计算出最优的PID控制参数。而基于PID算法的电机转速控制是传感器课程中转速测量实验的典型实训项目。在过去的教学中，一般大中专院校普遍采用天煌公司生产的THSRZ2型传感器系统综合实验装置。该系统利用霍尔传感器检测到的转速频率信号经F/V转换后作为转速的反馈信号，该反馈信号与智能调节仪的转速设定比较后进行数字PID运算，调节电压驱动器改变直流电机电枢电压，使电机的转速逐渐趋近设定转速。
PID 控制的难点在于控制器的参数整定。而参数整定的关键是正确地理解各参数对控制系统的影响。当系统工作性能不理想时，我们应该知道哪些参数应该调整，哪些参数应该增加或减少。在传统的实验过程中，受实验设备的限制，学生只能按照固定的实验步骤搭接电路，并利用智能调节仪调节PID三个参数。PID运算程序固化在智能调节仪内部，不方便学生自行设计和二次开发，系统可扩展性较差；由于该实验设备使用普通的直流电机和霍尔传感器构成，直流电机转动一圈才输出6个脉冲，以至于每修改一个参数需要等待20分左右系统才能稳定到目标转速，实验耗时长；仅能通过观察转速表读数变化感受PID三个参数对转速的影响，实验结果非常抽象，学生无法根据转速表的现象快速、准确判断PID参数的调节方向，导致实验效果并不理想。
（二）课题目的和意义
1、课题目的
本课题开发一套基于 PID 控制算法的转速控制实验教学平台，由电机、334编码器及驱动电路、Arduino单片机、蓝牙、PID 算法和手机app仿真软件等组成。Arduino单片机作为实验教学平台的主控器，手机App仿真软件由Appinventor2编程实现。在手机app中可以设定目标转速和PID 参数，利用蓝牙通信技术传输控制信号使Arduino端的电机运转，再利用电机及编码器将测得的转速再次通过蓝牙通信传送到手机App上实时显示相关参数及运动状态。
2、课题意义
PID算法作为自动控制系统中应用最广泛的控制算法，可用于控制部件的温度、无人机的飞行姿态和速度等。基于PID算法的电机转速控制是传感器课程中转速测量实验的典型实训项目。历年的控制类竞赛题目均为典型的闭环电子控制系统结构，执行器多为各类电机，考查涉及到在单片机上可实现的比例－积分－微分（PID）控制算法、脉冲宽度调制（PWM）技术等。但是受实验条件的限制，大多数学生对于PID控制的实际效果不能很好地理解，而各个参数对实际控制对象的影响仅停留在基于仿真软件的理论概念和仿真效果上。
本课题详细分析了 PID 控制器的基本原理，基于PID算法实现了转速控制实验教学平台的开发。采用万宝至FC130SA电机，尾部带334线AB相编码器，电机转动一圈输出334个脉冲，精度更高，使系统能够快速趋近目标转速。允许学生自行编写基于PID算法的转速控制程序烧录到Arduino单片机中，并利用Appinventor2软件快速编写出个性化的手机App。可以在手机App中设定PID参数及目标转速，利用蓝牙通信技术传输控制信号使Arduino端的电机运转，再利用电机及编码器将测得的转速再次通过蓝牙通信传送到手机App上实时显示相关参数及运动状态，使学生直观地感受PID各参数变化对过渡过程的影响。

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