AVR直流电机控制系统硬件设计VIP

沈阳理工大学学士学位论文I摘 要近年来，电机调速系统在工业自动化、生产过程控制、测控仪表等领域的应用越来越深入和广泛。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。主要由ATmega16为核心设计由LMD18200驱动芯片，采用232通讯协议的串行通信控制电路构成的直流电机PWM调速控制系统。系统主要完成由上位机和ATmega16控制直流电机的起动，停止和加减速等功能。文章详细介绍了本调速控制系统的工作原理、PWM驱动接口电路和K1010光电耦合器，LMD18200驱动电路，串行通信控制电路相应的软件设计。软件通过ICCAVR编写，然后用AVRStudio进行仿真并将编译通过的程序代码下载到ATmega16之中对系统进行控制。关键词：ATmega16 ；直流电机；PWM；LMD18200沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractIn recent years, the SCM application which used in the field of industrial automation, production process becomes more and more deepen and extensive.ATmega16 is a microcontroller buildup on AVR RISC configuration which is a low consume microcontroller of 8-bit CMOS.The data of ATmega16 have a high dispatcher which can reach 1MIPS/MHz for advanced instruction volum and the instruction of single clock cycle,so it can relaxed the conflict between consume and dispose speed.This design show us that a PWM speed system of DC-motor using ATmega16 is introduced in this paper. This paper elaborates on the system principle,optical Encoder, LMD18200 driving system, High Reliability Photo CouplerK1010,the DC-motor PWM digital control system,and system serial communication agreement of 232 communication. The system is mainly completed the start, stop and acceleration and decelerationn functions by which the master PC and ATmega16 control the DC motor. The article described in detail the speed control systems working principle, the PWM drive interface circuit and K1010 Optocoupler,LMD18200 drive circuit, the relative software design of the serial communication control circuit.The software is programmed through ICCAVR, then simulated by AVRStudio and the compiled code is downloaded to ATmega16 to control the system.Key words: ATmega16; DC-motor; PWM;LMD18200沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 绪论 .11.1 课题的背景及意义 .11.2 直流电机的发展 .21.3 本设计完成的工作 .22 AVR 单片机简介 .32.1 单片机系统概述 .32.2 ATmega16 功能概述 .32.3 ATmega16 单片机 .52.3.1 ATmega16 单片机的特点及特性 .52.3.2 ATmega16 单片机引脚配置及说明 .82.3.3 CPU.92.3.4 存储器 .102.3.5 I/O 口介绍 .122.3.6 复位电路 .172.3.7 时钟电路 .183 直流电机控制系统硬件设计 .213.1 总体电路设计 .213.2 时钟电路 .213.3 系统复位电路 .213.4 串行通信接口电路设计 .223.4.1 主要特点 .223.4.2 内部结构 .233.4.3 Max232 引脚图 .233.4.4 Max232 电路设计 .233.5 驱动电路 .243.5.1 LMD18200 芯片介绍 .243.5.2 各引脚的功能及原理 .263.5.3 驱动电路设计 .273.6 光电耦合电路 .284 软件设计 .304.1 初始化程序设计 .304.1.1 I/O 初始化 .304.1.2 定时器初始化 .304.1.3 串口初始化 .314.2 主程序 .324.3 中断及转速控制子程序 .344.4 串行数据传输程序 .364.5 ICCAVR .374.5.1 开发环境 ICCAVR 介绍 .374.5.2 开发及编译 .37沈阳理工大学学士学位论文IV4.6 AVRStudio 仿真 .384.6.1 仿真器的特点 .384.6.2 连接 JTAG ICE .394.6.3 仿真环境 .404.7 ATmega16 单片机控制直流电机程序代码 .42结 论 .49致 谢 .50参考文献 .51附录 A 英文原文 .52附录 B 中文翻译 .60附录 C 总体电路设计图.67沈阳理工大学学士学位论文11 绪论1.1 课题的背景及意义在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的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、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。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、航天领域的各个方面。直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。随着生产和科技的发展，一方面对电机调速系统在控制精度、工作速度、快速启、制动及逆转性能以及在宽范围的调速等诸方面要求越来越高；另一方面，电机控制系统也经历了交磁放大器、磁放大器、可控离子变速器、可控硅和计算机控制的发展历程。尤其是最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。目前，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。国内中小功率直流电机的调速系统大量地采用脉冲宽度(PWM)调速技术，正在迅速地取代 SCR 直流调速系统。尤其是单片机控制的智能化调速系统有可能直接安装在电机座上而做到与电机一体化，节省了专用控制机矩，从而使设备的可靠性、自动化程度大大提高.本文所介绍的单片机直流电机调速系统试图在机电一体化方面做些工作。AVR 单片机是基于 RISC 指令架构的 8 位单片机。RISC 通过优选使用频率最高的简单指令，避免复杂指令，采用固定指令长度，减少指令格式和寻址方式等方法来缩短指令周期，提高处理起的运算速度。采用这种 RISC 结构，使得 AVR 系列的单片机具备 1MIPS/MHZ 的高速处理能力。AVR 高端产品 ATmega 系列的部分单片机中还集成了在线调试单元，通过 JTAG 即可实现在线调试和程序下载功能。这使得 AVR 单片机成为一种能满足多种需求的高灵活性和低成本的高速微处理器。沈阳理工大学学士学位论文21.2 直流电机的发展直流电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。直流电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用直流电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，直流电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。直流电动机是最早出现的电动机,也是最早实现条素的电动机。由于它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,长期以来一直战局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。在多数调速控制场合，直流电机仍是最佳选择。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得直流电动机的技术得到了长足的进步。到了 80 年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，直流电动机的控制方式更加灵活多样。原来的直流电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制直流电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制直流电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。现在比较常用的直流电机包括反应式直流电机、永磁式直流电机、混合式直流电机和单相式直流电机等。其中反应式直流电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式直流电机获得最多的应用。1.3 本设计完成的工作本次毕业设计是单片机控制直流电机方面的应用。这个设计最终目的是设计出一个可以控制直流电机旋转的系统。本次设计主要实现了以下几个功能：(1) 设计两个稳压电源接口，可以接入适合单片机工作的 5V 电源和 LMD18200 使用的 12V 电源。(2) 设计一个外围驱动电路来驱动直流电机旋转。(3) 使用上位机串口控制直流电机转速。最后编写软件部分，将程序输入单片机并运行系统，使系统工作。沈阳理工大学学士学位论文32 AVR 单片机简介2.1 单片机系统概述随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。CPU 的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。如 CPU 的运算位数从 4 位、8 位到 32 位机的发展，运算速度从 8MHz、32MHz 到1.6GHz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。2.2 ATmega16 功能概述AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR的主要特性：高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的 CMOS 单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51 以及 51 兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世，但依然沿袭对时钟分频的作法。 AVR 单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC) 追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。沈阳理工大学学士学位论文4AVR 单片机硬件结构采取 8 位机与 16 位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32 个寄存器文件) 和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz) ，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故 AVR 单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。 AVR 单片机内嵌高质量的 Flash 程序存储器，擦写方便，支持 ISP 和 IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的 EEProm 可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的 RAM 不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像 MCS-51 单片机那样扩展外部 RAM。AVR 单片机的I/O 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/ 输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得 I/O 口资源灵活、功能强大、可充分利用。AVR 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供 URAT、I2C、SPI 使用。其中与 8/16 位定时器配合的具有多达 10 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。AVR 单片机独有的“以定时器 /计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法(即脉宽调制输出 PWM)”更是令人耳目一新。增强性的高速同/ 异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时） 、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过 MCS-51/96 单片机的串口，加之AVR 单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。面向字节的高速硬件串行接口 TWI、SPI。TWI 与 I2C 接口兼容，具备 ACK 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全部 4 种组合的多机通信。SPI 支持主/从机等4 种组合的多机通信。AVR 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路 BOD，多个复位源( 自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD 复位)，可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。AVR 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V） ，抗干扰能力强，可降低一般 8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。AVR 单片机技术体现了单片机集多种器件(包括 FLASH 程序存储器、看门狗、EEPROM 、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D 模数转换器、定时器/ 计数器等)沈阳理工大学学士学位论文5和多种功能(增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O 端口 )于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统 SoC”过渡的发展方向。总结，与其它 8-bit MCU 相比，AVR 8-bit MCU 最大的特点是： 哈佛结构，具备 1MIPS/MHz 的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC） ，具有 32 个通用工作寄存器，克服了如 8051 MCU采用单一 ACC 进行处理造成的瓶颈现象； 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； 作输出时与 PIC 的 HI/LOW 相同，可输出 40mA（单一输出） ，作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备 10mA-20mA 灌电流的能力； 片内集成多种频率的 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 大部分 AVR 片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC， SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT 等； 大部分 AVR 除了有 ISP 功能外，还有 IAP 功能，方便升级或销毁应用程序。2.3 ATmega16 单片机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，从而可以缓减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算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在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。2.3.1 ATmega16 单片机的特点及特性1、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 EE