基于ArduinoATMEGA328的压控直流电机系统的设计

1新型单片机接口器件与技术课程论文（2015-2016 学年第二学期）班 级： 电子信息工程 131 学 号： 201305014111 姓 名： 胡涛 完成时间： 2016 年 6 月 17 日2压控直流电机系统学生姓名：胡涛 学号：201305014111 指导教师：徐振宇 浙江树人大学信息科技学院 电子信息工程 131 班摘 要在工业应用上，直流电机是电能转换装置，无刷直流电机驱动是当前节能领域的研究热点。直流电机控制器的性能决定了电机转换效率，同时也决定了电机工作的稳定性和可靠性。本次实验采用proteus 仿真软件对整体仿真。首先，用电位器模拟电压的变化，并用主控芯片对其电压进行采样；示波器显示 PWM 波形；LED 亮度反应 PWM 的占空比；在 1602 的第一行上显示当前电压；通过 PWM 调节直流电机的转速，并在 1602 上显示转速，并控制 LED的亮度；可以按键控制电机的正、反、停；并设置相应的 LED 指示灯显示电机转动模式；并在此基础上提出了直流电机系统控制总体设计方案。关键词：直流电机；PWM；1602 显示；调节转速1 方案设计与论证1.1 元器件的选取1.1.1 主控芯片：ATMEGA328上课实验使用的就是该芯片，程序编写简单易懂，仿真容易实现；并且使用库函数都是开源的，许多传感器的程序模块都可以直接利用。Proteus 上的 ATMEGA328P 和实物的引脚编号不同：图 1 proteus 引脚图31.1.2 显示屏：1602 液晶屏1602 是 16X2 点阵的 LCD 液晶屏，具有价格便宜，功能强大等特点；采用4 线接法，可以节省引脚，第一行用于测量电压，第二行用于转速的显示。1.1.3 直流电机：MOTOR 直流电机Proteus 上的直流电机只有 MOTOR 直流电机，使用方便。并且可以模拟实际的直流电机。1.1.4 直流电机驱动模块L298 模块是典型的直流电机驱动模块，使用广泛，容易实现。1.1.5 其他示波器、PNP（2N396） 、NPN （2N394） 、电感（B82432C1564K000） ，电阻、LED都是普通但可以满足要求的元器件。1.2 整体设计方案调节电位器来模拟电压的变化，电位器连接单片机的 A0 口；用单片机9端口输出 PWM 波，连接的单片机端口一定是具有 PWM 波输出的端口（3，5，6，9 ，10，11 ） ；同时9 连接 LED 模块和直流电机的使能端口；LED 的亮度表示 PWM 波的占空比（有滤波电路） ，并在 1602 的第一行显示当前电压值；可以通过 PWM 波调节直流电机的转速，按键可以控制电机的正，反，停转（LED 来表示电机转动的模式） ，并在 1602 的第二行显示电机的转速；连接的示波器可以直观地反映 PWM 波的占空比。42 系统总体结构设计2.1 原理框图图 2 原理框图压控直流电机系统由 ARDUINO 主控芯片、1602 显示电压和转速模块、电位器调节电压采集模块、PWM 电机驱动模块、PWM 驱动 LED 模块、按键和LED 指示灯模块组成，其原理框图如图 2 所示。52.2 整体原理图DCPB0/ICP1/CLKO/PCINT014B/1A/I15PB3/MOSI/C2A/PCINT3172/B/I26PD6/AIN0/OC0A/PCINT2125/T1/B/I1PD4/0/XCK/PCINT2063/INT1/O2B/I195PD2/I0/PCINT1841/TXD/I73PD0/R/PCINT162 PB4/MISO/I485/CK/PCINT519PB7/TOSC2/XTAL2/PCINT7106/ 1/ 1/I6PC6/REST/PCINT1415/AD5/CL/I328PC4/C4/SDA/PCINT127P3/AC3/I 26C2/D2/PCINT105P1/A1/I924C0/DC0/PCINT83AVC20REF17/I1/PINT233U1ATMEGA328P X1CRYSTALC12pFC22pFD71463D5124D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCD1M06L5%RV110kC310uL1B82432C1564K0Q12N3906Q2N3904 R430LED1L-YELOWx12 x1x2ABCDIN15I27ENA6 OUT12OUT23B1 OUT313OUT414IN310I42SENSA1 B5 GND8VS4VC9U2L298C410nfD1D2D3D4C510nf +12V K1正 转K2反 转K3停 止R310kR210kR10k+8.Volts8103810136767234554321 22 9999 DCDCA0A0主 控 芯 片 ATMEGA3281602液 晶 显 示 ：第 一 行 ： 电 压 值 （ V）第 二 行 ： 直 流 电 机 转 速 （ r/m） 示 波 器 ：通 道 A:PWM波 形通 道 B:滤 波 后 的 直 流 信 号 PWM波 调 节 LED灯 的 亮 度其 中 电 感 和 电 解 电 容 是 过 滤 掉 直 流 信 号模 拟 电 压 值 的 采 样 （ 05v）按 键 模 块直 流 电 机 控 制 模 块晶 振 模 块任 务 1： 通 过 按 钮 控 制 电 机 启 停 和 正 反 转 ， 通 过 电 位 计 调 节 电 机 转 速 ， 并 在 1602上 显 示 转 速 ;任 务 2： 1602显 示 当 前 模 拟 电 压 采 样 值 ， 示 波 器 显 示 PWM和 DC， LED显 示 对 应 的 亮 度 。班 级 ： 电 子 信 息 工 程 13学 号 ： 201305141姓 名 ： 胡 涛完 成 时 期 ： 2016/5/1RX-0T12A3451A6注 ： 仿 真 工 程 中 请 勿 关 闭 示 波 器R510R610R710D5正 转 指 示 灯D6逆 转 指 示 灯D7暂 停 指 示 灯A1A2A3图 3 整体原理图1、1602 显示模块通过：2、3、4、5 、11、12 引脚与主控芯片相连；2、PWM 控制 LED 模块通过：9 引脚与主控芯片相连；3、晶振模块通过：x1、x2 引脚与主控芯片相连；4、按键模块通过：8、10、13 引脚与主控芯片相连；5、指示灯模块通过：A1、A2、A3 引脚与主控芯片相连；6、电机模块通过：6、7、9 引脚与主控芯片相连；7、电压采样模块通过：A0 引脚与主控芯片相连；8、示波器模块通过：9 引脚与主控芯片相连；63 各模块电路设计与实现3.1 PWM 控制 LED 亮度DCC3100uL1B82432C1564K00Q12N3906Q22N3904R430LED1LED-YELOW9DCPWM波 调 节 LED灯 的 亮 度其 中 电 感 和 电 解 电 容 是 过 滤 掉 交 流 信 号图 4 LED 模块三极管是放大电流，可以点亮 LED；电感是通直流隔交流；极性电容是过滤交流信号，防止在 PWM 波在占空比过小时 LED 灯频闪现象。9 端口输入PWM 连接示波器，DC 节点连接示波器；通过9 和 DC 的对比来直观反映PWM3.2 显示模块D714D613D512D41D310D29D18D07E6RW5RS4VS1 VD2 VE3LCD1LM016L254321121602液 晶 显 示 ：第 一 行 ： 电 压 值 （ V）第 二 行 ： 直 流 电 机 转 速 （ r/m）RX-0T-1图 5 显示模块Arduino328 单片机支持 1602 的四位总线，可以节省端口；其余端口只要按7库函数的定义连接即可。3.3 直流电机控制模块IN15 IN27ENA6 OUT12OUT2 3ENB1 OUT3 13OUT4 14IN310 IN412SENSA1 SENSB15 GND8VS4VC9U2L298C410nfD1 D2D3 D4C510nf +12V679直 流 电 机 控 制 模 块图 6 直流电机控制模块直流电机的转速很快，且驱动电压需要很大，单靠单片机的 IO 口不能驱动电机，必须使用专门的驱动模块和二极管放大链路才行。L298 可以外接两个电机，本次实验通过 IN1 和 IN2 的0值1来控制电机的正反转。具体通过按键和程序控制。3.4 按键模块 x2K1正 转K2反 转K3停 止R310kR210kR110k81013按 键 模 块 班 级 ： 电 子 信 息 工 程131学 号 ： 20130501411姓 名 ： 胡 涛完 成 时 期 ： 2016/5/1A6 R510R610R710D5 正 转 指 示 灯D6 逆 转 指 示 灯D7暂 停 指 示 灯A1A2A3图 7 按键模块按键通过上拉电阻连接，没按时 IO 口为高电平，按下时 IO 口为低电平。8相应的 LED 共阴接法，单片机 IO 口输出低电平点亮 LED。4 软件仿真实验4.1 软件初始化流程图图 8 软件初始化流程图各引脚和数值初始设置在 setup()函数中只执行一次。主要定义的变量有LED 指示灯，按键，电位器采样引脚，PWM 输出引脚，以及相应的 1602 显示初始字符等。94.2 采集电压流程图图 9 采集电压流程图当调用 analogRead()函数时，采样到的电压是 10 位数据，必须给一个 float