基于单片机的直流电机调速系统设计--科技创新实践设计报告

基于单片机的直流电机调速系统设计--科技创新实践设计报告内容摘要：

GNDENAVSOUT3SENSAOUT2IN1IN2VSSENBOUT3SENSBL298NU3VCCPWM OUTB AD4 D5D6 D7电机驱动电源 VMMGND电机驱动电源参考地MB1Motort=R2 C，代入 R2 值解不等式可得： C。 单位换算得C F ，为了方便整形，实际设计中 C= F。 由于单片机中断 I/O口的需要输入信号是正规的矩形脉冲，所以电路的脉冲整形电路采用 74 系列反向器 74LS06 进行两次反向后输入单片机。 图 脉冲滤波整形电路 电机 驱动电路的设计 本设计采用目前市场上较容易买到的 L298N 直流或步进电机驱动芯片，它采用单片集成塑装， 是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的 TTL 电平控制。 L298N 支持 50V 以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达 2A的电流，因此它满足了一般小型电机的控制要求。 接法见图 ，图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。 PWM控制信号由 in in2 输入。 如果 in1 为高电平， in2 为低电平时电机为正向转速，反之 in1 为低电平， in2为高电平时，电机为反向转 速。 本设计将 in2直接接地，即采用单向制动的方式。 科技创新实践设计报告 9 1234567891011121314LCDRT12232FVSSVCCVORSRWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7接单片机 P1 口10KRVCCGND调亮度图 电机驱动电路 LCD 显示电路 和键盘 与单片机的接口设计 设计中采用的 LCD—— RT12232F 是一种内置 8192 个 16*16 点汉字库和 128个 16*8 点 ASCII 字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器 / 列驱动器及128 32全点阵液晶显示器组成。 可完成图形显示，也可以显示 2个 (1616点阵 )汉字，与外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。 本设计采用并行方式控制， LCD与单片机的通讯接口电路如图 所示采 用直连的方法，这样设计的优点是在不影响性能的条件下还不用添加其它硬件，简化了电路，降低了成本。 图 LCD 显示电路与单片机的接口 本设计采用四个键作为键盘，分别为选择、加、减、确定。 它们分别与 、 、 接口相连。 作为设置速度的输入。 科技创新实践设计报告 10 图 键盘电路 两单片机的互 连 本设计采用两片单片机（ AT89S52） ,其中一片做成 PID 控制器，专门进行PID运算和 PWM控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测 量、显示，并向 PID控制器提供设定值和测量值，设定 PID控制器的控制速度等。 它们的接线图如图。 图 两单片机互联图 本设计 使用异步串口通信，直接把两个单片机的 TXD 和 RXD 两个引脚交叉相连接，两者都以中断接收串口数据。 省 I/O 口省代码。 也就是 A 的 TXD() 科技创新实践设计报告 11 和 B 的 RXD（ ）连接， A 的 RXD 和 B 的 TXD 连接。 4 系统软件设计 系统总程序框图设计 系统程序程序框图如图。 开 始系 统 初 始 化显 示 初 始 化键 处 理 子 程 序是 否 有 键 按 下调 用 按 键 子 程 序 无有定 时 中 断 为 1定 时 中 断 为 0外 中 断 为 0发 送 数 据 至 从 处 理器测 量 计 算 转 速发 送 测 量 值 到 从 处理 器系 统 时 间 计 时 、 处理中 断 返 回中 断 处 理 图 系统 主单片机 总程序框图 科技创新实践设计报告 12 开 始系 统 初 始 化P I D 参 数 初 始 化查 看 中 断中 断 0 中 断 1接 受 设 定 值 子 程 序接 受 测 量 值 子 程 序P I D 计 算 处 理计 算 P W M 定 时 值输 出 P W M 信 号 图 系统从单片机（ PID 控制器）程序框图 当系统被启动后，主从单片机初始化。 主单片机检测是否有键按下，再执行 科技创新实践设计报告 13 键子程序，将输入的值传送到 PID 控制器， PID 控制器经 PID 计算处理，再计算出 PWM 的定时值， PID 再送出相应的 PWM 信号，驱动电机转动，主单片机将传感器输入的信号进行计算，再将得出的值输出到 PID 控制器， PID 控制器经计算输出相应的 PWM 信号控制电机转速趋于设定的转速。 依次循环使电机趋于稳定值。 电机转速测量程序设计 设计中考虑到电机的工作环境一般比较恶劣，因此除了硬件外，从程序上除了要更高的精确度也需要进行更多的抗干扰设计，从而实现软件的大范围检错、纠错或丢弃错误等。 在程序的设计过程中，对严重不符合要求的测量数据（如大于 6000 转对应的数据）进行了丢弃处理，而对于正常范围内的数据错误采用了采 5取 3求平均的算法（即采集 5个数据，去掉 一个最大值一个最小值，然后将剩余 3 数据求平均）。 实验表明，此方法降低了系统采集转速中出现的错误。 对于转速的测量方法，是通过速度脉冲信号下降沿触发单片机的外中断，中 断服务子程序在某一个脉冲的下降沿开启定时器记时，然后在下一个下降沿关闭定时器，通过对定时器数据进行运算处理可以得到信号周期进而得到速度值。 其程序框图如图。 可以看出，此方法下的采样周期是随转速变化的，转速越高采样越快。 通过这种非均匀的速度采样方式可以使电机在高速情况下，实现高速度高精度的控制。 科技创新实践设计报告 14 进 入 中 断检 测 中 断 标 志开 定 时 器 计 时设 中 断 标 志 位 为“ 1 ”系 统 时 间 初 始 化中 断 返 回为 “ 0 ”关 闭 定 时 器 及 总 中断判 断 数 据 是 否正 常是是 否 采 “ 5 ” 处理保 存 数 据完 成 5 组 数 据 采集“ 取 3 ” 求 平 均 值计 算 速 度 值速 度 值 是 否 正常发 送 到 P I D 控 制 器系 统 时 间 初 始 化定 时 器 初 值 初 始 化中 断 返 回为 “ 1 ”是否否否是是否 图 外中断 程序框图 科技创新实践设计报告 15 键盘程序设计 键盘程序设计的任务是赋予各按键相应的功能，完成速度设定值的输入和向PID 控制器的发送。 4 只按键一只用来位循环选择，告诉单片机要调整的是设定值的个位、十位、百位还是千位。 第二、三只按键分别是减 加 1减。 在没有位选择的情况下对设定值整体进行减 加 1；在有位选择的情况下仅对相应位进行减 加 1，并且当按着不释放按键时可以实现快速连续减 加 1，同时允许循环减、加（既当某位为 0时，在减 1则为 9，某位为 9时，加 1则为 0）。 最后一只按键是确认发送键，按下它后，单片机将设定值送给 PID 控制器，从而实现设定控制。 程序框图如图。 键 盘 子 程 序位 按 键 按 下 否位 选 循 环 右 移加 1 键 按 下 否调 用 加 1 子 程 序减 1 按 下 否调 用 减 1 子 程 序发 送 键 按 下 否键 值 处 理 、 保 存 、显 示向 P I D 控 制 器 发 送返 回是是是是否否否否 图 键盘程序框图 科技创新实践设计报告 16 LCD 显示子程序的设计 LCD的详细使用过程可参阅对应型号的使用手册。 仅在本小节强调以下内容： LCD 使用的关键是根据显示需要正确地对其进行初始化设置，而一般情况下不用考虑如何向它读写指令或数据，因为制造厂商所给的使用资料里就附有驱动程序，如果没有也可以从网上搜索下载得到。 然而我们必须清楚那些初始化设置之间的关系，以及它是如何利用设置读取、显示数据字符的，不然就会发生一些不可预料的错误，例如表。 因此，熟读 LCD驱动芯片使用手册也是一个关键环节。 LCD 中文字型的编 码写入地址对照 在 RT12232F 中， CGRAM 字型与中文字型的编码只可出现在每一 Address Counter 的开始位置，图表中最后一行为错误的填入中文码位置，其结果会产生乱码象。 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 H L H L H L H L H L H L H L H L H L H L S H A A N X I . . L I G O N G X U E . . 陕 西 理 . . 物 理 系 0 2 电 . 陕 西 理 . . . 物 理 系 0 2 电 . 通常 LCD的初始化包括复位设置、清除显示、地址归位、显示开关、游标设置、读写地址设置、反白选择以及睡眠模式等等。 实际中根据需要，正确、灵活地修改这些设置可以达到较为满意的显示效果。 LCD 中所有汉字、数字和字符都可以通过它的 ASCII码来访问显示；图象的显示是通过将相关软件（提取汉字、图象点阵数据程序）产生的数据按照 LCD手册的要求完成响应设置后写入即可。 由于本设计中没有使用到图形显示，所以没有详述。 对于系统使用的汉字、字符和数据的 LCD显示初始化程序和写数据程序框图见图。