基于AVR单片机的直流电机调速控制系统设计毕业设计.doc

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1、昆 明 学 院 2013 届毕业设计（论文）设计（论文）题目 基于AVR单片机的直流电机调速控制系统设计 子课题题目 姓 名 学 号 20090417203 所 属 院（系） 自机学院自机系 专业年级 电气工程 指导教师 2013 年 5 月摘要在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能,直流调速技术已广泛运用于工业领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM) 直流调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。文中采用AVR 单片机ATmega16 产生PWM信号、RI2110 驱动、行列式键盘控制及LCD 显示，并采取转速、电流双闭环PID算

2、法对直流电机进行调速控制的直流电机PWM 调速系统。关键词：AVR；双闭环；PWM；直流电机调速Abstract In various mechanical and electrical systems, due to DC motor has a good start, braking and speed control performance of DC drive technology has been widely used in industry, all aspects of the field of aerospace. The most commonly used techni

3、que is pulse-width modulated DC speed (PWM) DC converter technology, which has speed, high precision, fast response, wide speed range and low and the wear and tear. This paper presents a PWM generated by the AVR microcontroller ATmega16 signal, RI2110-driven, the determinant of the keyboard control

4、and LCD display, and to take speed, the current dual-loop PID algorithm to DC motor speed control of DC motor PWM speed control system.Keywords: AVR；Double-loop；PWM；DC Motor Speed Control目录第一章 绪论11.1 绪论11.2 直流电机常用调速方法以及调速发展方向21.3直流调速系统的研究现状41.4 直流电动机介绍51.4.1 直流电机简介51.4.2 直流电机工作原理51.4.3 直流电机励磁61.5 直流

5、电机的优越性71.6 直流电动机的应用7第二章 问题的提出和解决方案82.1 问题的提出82.2 解决方案8第三章 系统总体设计方案103.1 设计思路103.2方案论证与设计103.2.1系统控制设计方案论证与选择103.2.2 电机控制电路的设计103.2.3 键盘电路的设计113.2.4 显示电路设计113.2.5 速度检测电路的设计113.3系统组成113.4 ATMEGA控制电路123.5 电源电路123.6 主要电路单元的设计133.6.1 RI2110芯片功能及其特点133.6.2电机驱动电路143.6.3 显示电路设计163.6.4 键盘电路设计173.6.5 电机速度采集电路

6、设计18第四章 系统软件设计与实现214.1 算法实现及PWM脉冲产生214.1.1 PID算法214.1.2 转速、电流双闭环直流调速系统框图：224.2 PWM软件设计234.2.1 产生PWM信号4种方法244.3 调节器设计254.3.1 电流调节的设计264.3.2 转速调节器设计284.4 主流程图304.5 系统主程序（包含PWM波产生程序）314.6 键盘程序流程394.7 键盘程序404.8 定时器程序流程424.9 定时器程序424.10显示程序流程444.11 显示器程序454.12 定时器程序47第五章 系统仿真49第六章 结论50参考文献51附录52辞谢68第一章 绪

7、论1.1 绪论1 现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制，近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流电机具有优良的调速特性，它具有调速平滑、方便、调速范围广的特点，并且过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转，在生产过程自动化系统中需要直流电机能满足各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已经远远不能满足现代科技的要求，并且随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求日益增大，并对其性能提出了更高的要求，为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着

8、十分重要的现实意义。本课题正是以此为出发点，利用单片机来实现对直流电机转速的监测和控制。单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智

9、能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有体积小、功能全、抗干扰能力强、可靠性高、结构合理、指令丰富、控制功能强、造价低等众多优点。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的控制方法，本文重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，

10、实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。1.2 直流电机常用调速方法以及调速发展方向常用的控制直流电动机有以下几种：一最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。 二.三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，

11、这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。三.自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。四.1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、

12、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍，在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模

13、集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工

14、设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大

15、的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD、DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控

16、制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。1.3直流调速系统的研究现状 数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功

17、率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开

18、发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制，补偿PID控制PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。随着新型电力半导体器件的发展，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称PWM）方向发展。我国现在大部分数字化控

19、制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。1.4 直流电动机介绍1.4.1 直流电机简介直流电动机是将直流电能转换成机械能的装置。在磁场中放如通有电流的导体就会产生磁感应效应。直流电动机是应用磁感应原理将电能转换为机械能的装置，其转子和定子分别由绕组和永久磁铁组成。直流电动机具有调速性能较好和起动转矩较大等优点。直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM) 直流调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。1.

20、4.2 直流电机工作原理在直流电动机中，外加电压并不是直接加在线圈两端，而是通过电刷B1、B2和换向器再加到线圈上。由于电刷固定不动，对于图中的情况，电流i总是从电刷B1流人，从电刷B2流出。所以当转子旋转时，A、x两个导体轮流交替地处于N极和s极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，使电动机持续旋转。此时换向器起到将外电路的直流改变为线圈内交流的“逆变”作用。图1.1 直流电机模型直流电动机的电磁转矩常用下式表示：T=KTIa式中 KT电动机结构系数； 每个磁极下的磁通(wb)； Ia电枢电流(A)。1.4.3 直流电机励磁直流电机的主磁

21、场由励磁线圈通人直流电流产生，只有微型直流电机才采用永久磁铁。励磁方式是指励磁线圈的供电方式。直流电机的运行性能与励磁方式有密切的关系。按励磁供电方式不同，直流电机可分为他励和自励两大类。1.4.3.1他励电机励磁他励电机的励磁电流由独立的直流电源供电，其大小与电枢两端电压无关，如图1.2a所示，有较好的运行性能。1.4.3.2 自励电动机 自励电机的励磁绕组与电枢绕组连接，按连接方式不同又分为：并励、串励、复励三种，如图所示。图1.2直流电动机励磁并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联，因其励磁电流受电机端电压波动的影响故其运行性能略次于他励式电机。串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流与电枢

22、电流相等。其主磁场的强弱与负载电流大小有直接关系，所以仅对电机有特殊性能要求时才采用。复励电机的同一磁极有两套励磁绕组，一套绕组与电枢绕组并联(或其他电源供给)，另一套绕组与电枢绕组串联。1.5 直流电机的优越性直流电机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。由于直流电机具有良好的线性调速特性、控制简单、效率高及优异的动态特性，长期以来一直占据着调速控制领域的统治地位。近年来，随着交流变频电机及无刷电机的调速控制技术的不断成熟，直流电机正面临着巨大的挑战。但在很多调速控制场合，直流电机仍是最佳选择。1.6 直流电动机的应用在家用电器中的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机、跑步机等应用直流电机已

23、经十分普遍。在航空、军事设施应用领域里的雷达驱动、机载武器瞄准驱动、自行火炮火力控制驱动等等。在工业控制领域，机器人关节驱动和自动生产线、电子产品加工装备上的各种中小功率的驱动等。第二章 问题的提出和解决方案2.1 问题的提出 在实际的生产过程中，电机的运行状态至关重要，要求电机按照给定的转速来运行，但受负荷变化和电压波动等因素影响，电机的实际转速和给定转速会存在偏差，如果偏差较大，会对生产过程带来很严重的后果。2.2 解决方案 为使电机的实际转速能在给定误差范围内自动达到给定转速，特设计一个基于AVR单片机的直流电机PWM调速系统。设计思路在第三章中详细论证。第三章 系统总体设计方案3.1

24、设计思路题目要求设计一个基于AVR基单片机小型直流电机PID调速控制系统，设计要求如下：1结构简单、成本低，电路板工作稳定可靠；2能显示直流电机的实际转速，转速显示分辨力为0.1rpm；3直流电机的转速变化范围为电机正常转速的80%左右，速度设定值无变化时控制误差5%，匀变速时间可调；4在外负载变化时能调整转速使之匀变速接近于设定值；5单片机的程序代码采用C语言实现；基于第二章中提出的问题解决方案和系统设计要求，设计思路如下：本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机的转速进行控制，以ATmega16单片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制，同时，利用光

25、电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。在系统中采用128x64LCD显示器作为显示部件，通过4x4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、人机交换模块。软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易、修改及调试方便、易读等。 本系统主要有以下特点： （1）使用光电传感器将电机转速转化为脉冲频率，比较精确地反映出电机的转速，从而与设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的。 （2

26、）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠。 （3）126x6464LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间。 （4）利用Proteus软件进行系统仿真，从而进一步验证电路和程序的正确性，避免不必要损失。 （5）采用数字PID算法，利用软件实现控制，具有更灵活、更节约硬件等优点。3.2方案论证与设计3.2.1系统控制设计方案论证与选择方案一：采用DSP芯片来产生PWM信号来控制电机转动，同时和单片机结合来实现PID算法，实现实时控制。方案二：直接采用AVR单片机由软件产生脉宽调制信号，经过PID算法来实现闭环控制。由于系统要求比较简单，所以采用

27、Atmega16单片机来对电机进行控制。3.2.2 电机控制电路的设计方案一：采用晶闸管电动机控制系统（V-M）进行控制。方案二：采用专用电机控制集成芯片RI2110来控制电机转动，该方案电路简单，可靠。方案三：直接采用4个三极管搭成桥式电路来控制电机的转动。本设计采用方案二，采用芯片RI2110方便硬件设计，减少硬件带来更大的麻烦。PWM调速有很多优点，比如PWM开关频率高、电流容易连续、谐波少、低速性能好、稳速精度高、调速范围宽等。3.2.3 键盘电路的设计由于系统要求控制功能少，所以直接采用行列式键盘进行控制。3.2.4 显示电路设计显示电路采用128x64LCD显示结果。3.2.5 速

28、度检测电路的设计速度测量采用光电编码器进行速度采集，利用光电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统。3.3系统组成 根据系统设计任务和要求，设计系统框图如3.1所示。图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。图3.1 系统方案框图3.4 系统硬件分配采用ATmega16

29、单片机作为核心器件，转速检测模块为电机转速测量装置，IR2110作为直流电机的驱动模块，利用128x64LCD显示器和4x4键盘作为人机接口。图 3.2 系统硬件分配图3.5 ATmega16介绍 3.5.1 ATmega16简介 ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在

30、一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，

31、一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；停电模式时晶体振荡器1停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩

32、展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片

33、机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。3.5.2 ATmega16引脚及功能VCC：电源正GND：电源地端口A：(PA7.PA0)端口A：做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。 端口B：(PB7.PB0)端口B 为8 位双向I

34、/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能. 端口C(PC7.PC0)：端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与

35、PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能. 端口D(PD7.PD0)：端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能. RESET ：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2

36、：反向振荡放大器的输出端。 AVCC：AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。 AREF：A/D 的模拟基准输入引脚。 3.5.3ATmega16引脚图图3.3 ATmega16引脚图3.5.4单片机时钟电路 工作所需的时序又时钟产生，ATmega16单片机可以采用两种时钟信号，一种是使用外部石英振荡器，如图3.4（a）所示，一种是选用外部时钟作为系统时钟源如图3.4（b）所示。图3.4（a）图3.4（b）3.6 主要电路单元的设计3.6.1 RI2110芯片功能及其特点 IR2110芯片是美国国际整流器公

37、司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，与1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器，它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强响应速度快工作电压比较高，可以达到660v，其内设欠压封装，成本低，易于调试。IR2110的应用可以极大地提高控制系统的可靠性和运行成本。 本设计驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。 下图为IR2

38、110引脚图：图3.5 IR2110引脚图 IR2110芯片引脚功能如下：LO(引脚1):低端输出 COM(引脚2):公共端 Vcc(引脚3):低端固定电源电压Nc(引脚4): 空端 Vs(引脚5):高端浮置电源偏移电压 VB (引脚6):高端浮置电源电压 HO(引脚7):高端输出 Nc(引脚8): 空端 VDD(引脚9):逻辑电源电压 HIN(引脚10): 逻辑高端输入 SD(引脚11):关断 LIN(引脚12):逻辑低端输入 Vss(引脚13):逻辑电路地电位端，其值可以为0V Nc(引脚14):空端3.6.2电机驱动电路3.6.2.1IR2110的工作条件：高端悬浮电源绝对值电压Vb：+

39、10V至20V低端输出电压VOL：0至VCC低端工作电源电压VCC：10V至20V逻辑电源电压VDD：+5V至+20V逻辑电源参考电压VSS：5V至+5V图3.6 IR2110控制逻辑图3.6.2.2 电机驱动电路主电路图 根据以上原理，我们可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充足的通路。因此，在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的，设计采用PWM信号来控制直流电机的转速。 将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信

40、号恰好相反。 在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向工作电压，具体操作步骤如下： 当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2被截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通，同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。 电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路，此时直流电机正转。在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压，具体操作步骤如下：当IC1的LO为高电平而HO

41、为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。此时Q2的漏极接近于零电平，VCC通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通做准备。同理，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极接近于零点平，此时VCC通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通做准备。电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个回路，此时电机反转。因电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1,。HIN信号的占空比为D=t

42、1/T，设电源电压为V，那么电枢低压的平均值为：VOUT=t1-（T-t1）V/T =(2t1-T)V/T =(2D-1)V定义负载电压系数为，=VOUT/V，那么=2D-1，当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到改变VOUT的目的，D在0-1之间变化，因此在1之间变化，如果改变，那么便可实现对直流电机的无极调速。当=0.5时，VOUT=0，此时电机转速为零。当0.50,电机正转。当=1时，VOUT=V,此时电机全速运行。图3.7 电机驱动电路3.6.3 显示电路设计显示给定的速度参数和经过PID调速后稳定的速度参数。本设计采用128x64全点阵液晶显示器组成

43、，可完成汉子显示和图形显示。图3.8 128x64LCD引脚3.6.4 键盘电路设计 键盘是由若干按键组成的开关举证，它是微控制器必不可少的设计单元，按键闭合时能输入数字的键称为数字键，能输入命令以实现某种功能的键称为命令键。 根据按键开关与CPU的连接方式不同，键盘又可以分为独立式和行列式两大类。由于 独立式键盘的特点是：各按键相互独立，每个按键的“接零端”均接地，每个按键的“测试端”各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。这样，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断哪个按键被按下，因此操作速度高而且软件结构简单，但是。独立式键盘每一个按键需占用一根输入

44、线，在按键数量较多时，输入口浪费严重，此种键盘只适用于按键少或对系统操作速度较快的场合。 行列式键盘的特点是：行线、列线分别接输入线、输出线，按键设置在行、列线的交叉点上，每一行和每一列的交叉处不同，而是通过按键来联通，利用这种矩阵结构只需m跟行线和n跟列线就可以组成mn个按键的键盘，因此，矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。由于矩阵键盘中行列为多键共用，所以必须将行、列信号配合起来并作适当处理，才能确定闭合键的位置，因此软件结构较为复杂。 本设计使用4x4键盘用以实现对P、I、D三个参数和电机正反转的设定，以及对电机启动、停止、暂停、继续的控制，其电路原理如图3.8所示。图中L0-L3为4x

45、4键盘的列信号，H0-H3为4x4键盘的行信号。在本设计中，用P1.0-P1.3链接键盘的列信号L0-L3，用P0.4-P0.7链接键盘行信号H0-H3。图3.9 键盘电路3.6.5 电机速度采集电路设计 为实现对直流电机速度的采样，采用常用的光电编码器来实现对转速的编码，光电式旋转编码器是一种广泛使用的数字传感器，具有精度高、非接触测量、测量范围大、信号处理能力强和运算、控制、储存极为方便等优点。它将检测到的角位移转换成脉冲形式的数字信号输出。一般光电编码器分为绝对式编码器和增量式编码器两种。绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇

46、形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整