DSP28335直流电机闭环控制：PID调节与多传感器集成系统

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DSP28335实现直流电机转速闭环控制系统

本系统基于普中科技的DSP28335开发板，构建了一套完整的直流有刷电机PID调速方案。系统集成了500线AB相增量式编码器用于反馈测速，并结合L298N驱动模块实现正反转控制与调速功能。同时扩展了LCD1602显示屏、DHT11温湿度传感器、蜂鸣器报警单元、LED指示灯以及矩阵键盘输入模块，形成一个多功能人机交互闭环控制系统。

系统支持通过键盘设定目标转速，采用PID算法进行实时调节，具备超速检测与自动降速保护机制。运行过程中，当前环境温度与湿度信息持续更新显示于LCD1602屏幕，增强了系统的实用性与可观测性。

硬件架构设计

整个系统的外围设备配置如下：

• L298N电机驱动模块：连接至电机供电回路，接收来自DSP的PWM信号和方向控制信号，驱动直流电机运转。
• 编码器接口：500线增量编码器输出A/B相信号，直接接入DSP28335的QEP（正交编码脉冲）专用引脚，利用片上定时器模块完成位置与速度采集。
• LCD1602液晶屏：采用4位数据模式连接，节省GPIO资源，用于实时显示当前转速、设定值、温度、湿度等关键参数。
• DHT11传感器：挂载在任意可用GPIO口上，周期性读取环境温湿度并刷新显示。
• 矩阵键盘：使用跳线帽配置为4×3布局，占用较少IO的同时保留足够按键数量，便于设置数值及操作模式切换。
• 蜂鸣器与LED：作为声光报警装置，在电机超速时触发断续鸣响与呼吸灯效果，提升异常状态提示效果。

编码器测速与中断处理

由于编码器为500线，经四倍频后每圈可产生2000个脉冲，因此需确保捕获精度与时效性。系统设定1ms周期性中断服务程序来读取EQep寄存器中的计数值，并将其转换为实际转速（RPM）。

该部分对寄存器访问顺序要求严格，若操作不当会导致数据异常或锁死现象。以下为核心中断逻辑执行流程：

#pragma CODE_SECTION(eqep1Isr,"RAMfuncs");
interrupt void eqep1Isr(void){
    static int32 old_pos=0;
    int32 new_pos = EQep1Regs.QPOSCNT;
    motor_rpm = (new_pos - old_pos)*60/(4*500)*1000; //每转2000脉冲，采样周期1ms
    old_pos = new_pos;
    EQep1Regs.ICCLR.bit.INT=1; //清中断
}

每次进入定时中断均清零计数缓存并重新采样，避免累积误差影响PID控制器性能。

PID控制策略实现

PID模块是整个系统的核心控制单元。经过多次调试优化，最终确定比例、积分、微分参数组合，使系统响应快速且稳定。

关键实现细节包括：

• 精确的时间间隔dt来源于定时器中断的时间戳差值，保证积分与微分项计算准确。
• 引入积分限幅机制，防止启动或突加负载时积分饱和导致严重超调。
• 输出经限幅后作用于PWM占空比，从而调节电机电压实现平滑变速。

下图为PID控制算法核心代码片段：

float pid_update(PID* pid, float actual){
    pid->error = pid->target - actual;
    float p_out = pid->kp * pid->error;
    
    pid->integral += pid->ki * pid->error * dt;
    if(pid->integral > pid->max_i) pid->integral = pid->max_i;
    else if(pid->integral < -pid->max_i) pid->integral = -pid->max_i;
    
    float d_out = pid->kd * (pid->error - pid->prev_error)/dt;
    pid->prev_error = pid->error;
    
    float output = p_out + pid->integral + d_out;
    return output > pid->max_out ? pid->max_out : (output < -pid->max_out ? -pid->max_out : output);
}

温湿度采集与显示逻辑

DHT11的数据通信依赖严格的时序控制，其单总线协议容易受编译器优化干扰。为此，关键延时函数采用volatile修饰变量，防止被编译器优化删除。

实际开发中，通过示波器反复抓取波形调整循环次数，以匹配DHT11所需的高低电平持续时间。数据接收过程包含校验环节，一旦发现错误则最多重试三次，保障LCD显示内容的稳定性。

void dht11_delay_us(int us){
    volatile int i = us * 8; //实测主频150MHz时这个系数刚好
    while(i--);
}

键盘扫描与用户交互机制

矩阵键盘采用状态机方式进行扫描处理，兼顾去抖动与长按识别功能。短按用于逐级增减设定值，长按则实现连续加速调节，松手即锁定当前目标转速。

这种设计显著提升了操作效率，尤其在需要大范围调整转速时更为便捷。

uint16 key_scan(){
    static uint8 last_state[12] = {0};
    static uint16 hold_cnt[12] = {0};
    for(int i=0; i<12; i++){
        if(key_pressed(i)){
            if(last_state[i] == 0){ //首次按下
                last_state[i] = 1;
                return i;
            }
            if(++hold_cnt[i] > 1000){ //长按1秒
                hold_cnt[i] = 0;
                return i | 0x8000; //高位标记长按
            }
        }else{
            last_state[i] = 0;
            hold_cnt[i] = 0;
        }
    }
    return 0xFFFF;
}

报警与状态反馈机制

当检测到实际转速超过预设上限时，系统立即启动报警逻辑：

• 蜂鸣器发出间歇式声响，模拟《野蜂飞舞》节奏，虽未使用PWM驱动，但断续发声更具听觉辨识度。
• LED配合实现呼吸灯效果，增强视觉警示。

该设计原本受限于蜂鸣器模块仅支持高低电平控制，却意外获得更醒目的报警表现。

if(abs(motor_rpm) > MAX_SPEED){
    static uint16 pwm_val = 0;
    static int dir = 1;
    pwm_val += dir*50;
    if(pwm_val >= 3000) dir = -1;
    else if(pwm_val <= 0) dir = 1;
    
    PWM_set(AUX_PWM, pwm_val); //呼吸灯效果
    BUZZER_ON();
    DELAY_MS(50);
    BUZZER_OFF();
}

系统运行效果

系统调通当日，LCD同步刷新转速、温湿度数据，键盘控制正反转流畅自如，超速时声光联动报警，整体呈现出一种数字控制与物理机械交融的独特体验——仿佛赛博朋克遇见蒸汽时代。

源码中隐藏若干彩蛋功能，例如长按“*”和“#”键可切换不同组PID参数，未在文档中明示，留给后续探索者自行发掘乐趣。

接线清晰、程序完整，按照说明连接电路并下载固件即可复现全部功能，适合学习DSP控制、闭环系统设计及相关外设驱动开发。

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关键词：直流电机 传感器 pid DSP 直流电