毕业设计（论文）-直流电动机的单片机恒速控制系统设计.doc

全套图纸加扣 3012250582编号： 毕业设计说明书题 目： 直流电动机的 单片机恒速控制系统设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位：机械设计制造及其自动化教研室姓 名： 职 称： 实验师 题目类型：理论研究 实验研究 R工程设计 工程技术研究 软件开发2009年5月30日摘 要 随着电力电子技术的不断发展和完善，直流调速装置已由模拟量控制变为数字量控制，与模拟量控制的直流调速装置相比，数字式直流调速装置不仅控制精确、运行稳定，而且硬件电路结构简单、操作灵活。采用ATMEL公司AVR系列单片机ATmgea 16作为控制芯片，兼顾成本与性能要求。本文设计了一种以ATmega 16单片机为核心的数字式小型直流电机恒速装置，该装置具有成本低、工作性能稳定、可靠等优点。 与交流电动机相比，直流电动机结构复杂，成本高，运行维护困难。但直流电动机 具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。根据直流电机的固有机械特性，本文设计了一种直流电动机转速恒值控制系统装置。该装置通过对普通三极管进行PWM控制，使其输出可控的直流电压进而实现直流调速，采用频率发电机测量电动机的转速。该装置采用闭环数字式PID控制，设计包括转速给定、转速显示、转速检侧和PWM输出等硬件、软件设计，文中最后对转速恒值控制效果的分析和调试阶段遇到的相关问题进行了阐述，并提出了行之有效的硬件、软件抗干扰措施和解决调试过程中相关问题的对策。通过编程、调试，所设计的直流恒速控制装置工作稳定、控制准确，实现了低成本、高性能的设计要求，弥补了现有恒速装置价格昂贵等缺点，该装置的研制具有一定的现实意义和可行性。关键词：直流电机；恒速；单片机；PWM；PIDAbstractWith the development and achievement of the computer electronic technology, the instrument of DC electromotor driver has changed from simulative control into digital control. Compared with the former one, the instrument of digital controlling is not only with high precision in controlling and stabilization in movement, but also with the simple circuit and the flexible controlling. ATmage 16 an AVR series MCU product of ATMEL Company has been used. The consideration between low-cost and good-controlling performance has been well balanced by choosing this central-controlling unit. There is a kind of direct current motor speed control system was designed based on the ATmage 16 of single-Chip Computer, and this instrument possesses the characteristics of low-cost, steady and dependable capability and so on.Compare with AC electromotor, DC electromotor is more complex. The cost is expensive and the maintenance is difficult. But DC motor has some merits, such as batter speed performance, bigger starting torque and stronger overload capacity, etc. Therefore, it is applied widely in many industries. According to the natural characteristics of DC motor, the instrument of DC electromotor driver was based on the changing control transistor by PWM. It uses the frequency generator motor speed measurement to change the rectifying volt and achieve the purpose of the speed control. The system adopts the double-loops PID as the speed control. This paper includes the design of hardware and software on the setting, displaying, inspecting of speed. At last, there are expatiations about the anti-jamming of system and the problem during the process of debugging; at the same time it provides some effective measures of anti-jamming by hardware and software and the methods which enable to solve relative problems during the debugging.Through the programming and debugging, this instrument achieves the requests of the design, remedies the disadvantages of existing instrument like high prices .The study and device of this instrument has some practical significance and feasibility.Key words: DC motor; Single-Chip Computer; speed control; PWM; PID目 录引言11绪论11.1直流电机的原理结构11.2直流电动机的调速方法31.3直流主要调速系统的供电方式41.4选题的目的、意义和主要内容42直流电动机恒速控制系统的原理和方案设计62.1系统的工作原理62.2总方案的确定62.3系统主要功能73直流电动机恒速系统的硬件设计83.1系统硬件结构的总体设计83.2系统主要芯片介绍83.3系统硬件电路组成93.3.1 ATmega16 单片机的性能及特点93.3.2 运算放大器LM358内部结构和引脚功能103.3.4显示电路设计113.3.5 数字测速硬件电路设计133.3.6直流电机驱动电路133.3.7系统电源设计153.4单片机系统可靠性设计163.4.1接地技术163.4.2 PCB布线163.4.3抗电磁干扰技术183.5试验装置的结构设计184直流电动机恒速系统的软件设计214.1主程序设计214.1.1转速显示程序设计244.1.2PID运算程序设计254.2中断服务程序设计284.2.1定时采样中断程序设计294.2.2转速检测计数中断305转速恒值控制效果的测试数据及分析315.1系统硬件调试315.2系统软件调试335.3测试数据分析396.结论42谢 辞43参考文献44附 录45 全套图纸加扣 3012250582 第52页 共50页引言 在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，随着生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方使，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可卖现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的使用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用在自动控制要求较高的各种生产部门，是日前调速系统的主要形式。1绪论 永磁直流电动机具备的优越的起动性能和调速特性。随着工业的发展，对小型直流电机的调速越来越高的要求。但要想提高调速系统的精度和动态响应，必须引入适当的反馈信息构成闭环系统，以控制变压电源随着工况变化而自动调整输出电压，达到变速或稳速的目的。为此我们应用ATmega 16单片机系统，利用频率发电机来测速，利用单片机自带的PWM功能来调速。1.1直流电机的原理结构（一）定义：定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流电机，将机械能转换为电能。（二）直流电机的结构：直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 （三）直流电机的励磁方式：直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。 图1.1直流电机的励磁方式1）他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。2）并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。3）串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。4）复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。（四）、直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。图1.2 直流电动机的原理模型当电枢转了180后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。1.2直流电动机的调速方法根据直流电动机的固有机械特性方程式 （1-1） -转速，-电枢电压，电枢回路总电阻-励磁磁通 -由电机结构决定的电动势常数 当负载一定时，电磁转矩T与负载转矩相平衡，电磁转矩不变，欲改变直流电机速度有以下三种方法: （1）、调节电枢供电电压 （2）、减弱励磁磁通（3）、一改变电枢回路电阻对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方法为最好。改变电阻只能实现有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速(额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。1.3直流主要调速系统的供电方式实现调压调速厂，首先要有一个平滑可调的直流电源。常用的可调直流电源有以下三种方法：（1）旋转变流机组。用交流电机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。 （2）静止式可控整流器。20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称VM系统，又称静止的Ward-leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角a，进而改变整流电压伪的大小，达到调节直流电动机转速的目的。VM在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。（3）直流斩波器或PWM(脉宽调制)变换器。利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间的比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。1.4选题的目的、意义和主要内容直流电动机转速的恒速控制广泛应用在造纸、织布、印染、包装等自动化生产线的控制系统中，其运动控制系统的设计技术具有广泛的应用领域。本课题应用单片机作控制单元，设计直流电动机转速控制系统的恒速控制器，在该控制器的控制下实现对直流电动机转速的恒值控制。本课题研究的主要内容：本文利用三极管的开关特性,将直流电源换成可控的直流电源，实现调压调速的目的。本文的主要内容分为以下几个部分：（1）反馈控制系统的基本理论研究，直流电动机速度 PID 控制的工程设计方法。（2）设计并建立直流电动机转速恒值控制系统的试验用机械装置。 （3）采用Protel 99 se设计并制作直流电动机转速恒值控制系统的单片机控制电路板。（4）设计并调试直流电动机转速恒值控制系统的单片机控制程序。（5）整定试验装置的直流电动机转速 PID 控制参数，达到较好的转速恒值控制效果。2直流电动机恒速控制系统的原理和方案设计本文研制的直流调速装置采用闭环数字PID调速控制，以单片机ATmega16作为主控制器。晶体管触发和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制。系统结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运行时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地实现设计的要求。2.1系统的工作原理本课题的研究内容主要是通过控制晶体管的对应导通将直流电源转化成可控的直流电源，控制系统配以闭环PID控制，实现对直流电机的调速控制。系统通过按键或程序对转速进行给定。通过测速系统对电动机的转速进行检测并转换成数字信号，将转速反馈信号作为单片机的输入，计算结果再与设定值进行比较，将比较差值送PID控制器改变PWM的占空比来控制三级管B引脚电压输入，使其输出可控的整流电压。通过5位数码管进行转速检测显示，最终达到转速检测与转速给定相平衡，使系统达到稳态，进而实现恒速的目的。2.2总方案的确定根据系统设计任务要求和设计原则，确定该系统的整体设计方案如图2.1所示： 图2.1 总方案框图采用小型直流电机15DMG-102-01 额定电压12V，空载电流120mA ,电枢电阻7.6欧姆。电枢电感3.88mH .电机自带有频率发电机（FG）。利用ATmega16单片机的PWM功能通过三极管实现对电机的调速。测速发电机的频率跟电机的转速成正比，由于测速发电机的输出的信号波型为正弦波，用运算放大器LM358构成的比较器的将正弦波转化为方波，比较器的输出电压经电阻R9，R10分压后变换0-5V的转速脉冲，并送到单片机的PB0口以便测出电机的转速。通过单片机的PID计算，实现闭环控制。2.3系统主要功能（1） 实现能显示直流电动机的实际转速，转速显示分辨力为 0.1rpm。（2） 直流电动机的转速控制在该电机额定转速的70%左右，误差2%，最大超调量10%,3直流电动机恒速系统的硬件设计3.1系统硬件结构的总体设计直流电机恒速系统的硬件结构主要包括智能控制芯片ATMEGA 16，再以转速给定、转速显示、转速检测、PWM控制电路部分，通过按键对转速进行给定，通过5位数码管对转速检测进行显示；转速检测主要是采用直流电机自带的频率发电机和运算放大LM358 和单片机内部的定时计数器进行检测；PWM控制电路主要利用单片机的PWM功能对三级管进行控制。总的电路设计如图3.1所示。图3.1总电路设计3.2系统主要芯片介绍ATMega 16 单片机：用作系统的监控，读取采样数据，计算输出转速量；进行PID运算，输出控制量。 运算放大器LM358：将正弦波变换成方波，用于转速检测。 三级管8050：利用它的开关特性控制电机的平均电压，达到控制转速的目的。 数码管；用于显示转速。3.3系统硬件电路组成3.3.1 ATmega16 单片机的性能及特点单片机微型计算机(Single一Chip Microcomputer)，简称单片机，因其主要用于控制，所以又称微控制器(MCU)。它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基本功能部件，包括中央处理器(CUP)、只读寄存器(ROM)、输入输出口(I/0口)，可编程定时器计数器等。单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可通过软件来完成。从1974年美国仙童公司生产出第一块单片机开始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由4位、8位一直到16位单片机，目前32位的超大规模集成电路单片机(T414)也已面世，同时性能也不断提高。目前单片机已成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的控制系统。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，采用较高分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。ATMEL公司推出的AVR单片机，彻底打破这种就设计格局，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(RISC)，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。在AVR大家庭中尤为突出的是一款新型AVR高档单片机Atmega16。它是基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机，芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了引脚封装(为DPI40和TQFP/MEL)，所以其价格仅与低档单片机相当，成为AVR高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能价格比最好的品种36。Atmega16特性介绍：（1） ATmega16因为采用了先进的RICS精简指令集结构，所以具有足够快的运行速度可达1MIPS/MHZ，是普通CISC单片机的10倍；（1） 4个PWM通道，可实现任意小于16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出；（2） 有21个不同的独立中断源，并有特定的中断允许位，提高了系统的安全性；（3） 片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器，存储空间足以满足系统需要，并为系统的扩展提供了必要保证；（4） 32个可编程工/0口，可任意定义I/O输入/输出方向;驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载，且多数的I/0口为复用口，除了作为通用数字I/O外，其第二功能可作为芯片内部其他外围电路的接口；（5） 具有三个定时/计数器，除了能够实现通常的定时和计数功能外，还具有捕捉、比较、脉宽调制输出、实时时钟计数等更为强大的功能；（6） 带ADC和DAC转换，可直接输入模拟量、输出数字量；（7） 有看门狗电路，一旦程序进入死循环能自动复位，保证系统工作的可靠性。 图3.2 ATmega16 引脚图3.3.2 运算放大器LM358内部结构和引脚功能 LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。图3.3 LM358的管脚特性：* 内部频率补偿* 直流电压增益高(约100dB)* 单位增益频带宽(约1MHz)* 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.515V)* 低功耗电流，适合于电池供电* 低输入偏流* 低输入失调电压和失调电流* 共模输入电压范围宽，包括接地* 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围* 输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V)参数： * 输入偏置电流45 nA* 输入失调电流50 nA* 输入失调电压2.9mV* 输入共模电压最大值VCC1.5 V* 共模抑制比80dB* 电源抑制比100dB3.3.4显示电路设计（1）数码管结构数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A 、F、H、L、P、R、U、Y、符号“-”及小数点“.”。数码管的外型结构如图1.1（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图1.1（b）和图1.1（c）所示。（a） 外型结构 （b） 共阴极 （c）共阳极图3.4 数码管结构图1)、数码管工作原理 共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。本设计系统中采用的是共阴极LED数码管。2）、静态显示静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。3）、动态显示动态接口采用各数码管循轮流显示的方法,当循环频率较高时,利用人眼的暂留特性,看不出闪烁显示现象,这种显示需要一个接口完成字形码输出,另一个接口完成各数码管的轮流点亮(数位选择) . 采用动态显示方式且占用CPU时间多，编程复杂，但其占用的口线少，硬件电路简单，成本低，适合于显示位数较多的场合。 （2）显示电路图3.5显示电路本文采用动态扫描，数码段由PA口输出。位选由PC0PC4输出；通过三级管来驱动；设计3个按键。分别是启动/停止键、快速键、慢速键。3.3.5 数字测速硬件电路设计数字测速电路主要是在单位时间内对转速脉冲个数进行计数，从而得到直流电机当前转速，作为转速反馈信号。本文中频率发电机与电机同轴，频率发电机就产生与电机转速对应的转速脉冲。频率发电机每转输出脉冲为20个。由于测速发电机的输出信号波形为正弦波，用运算放大器LM358构成的比较器将正弦波变换成方波，由电阻R7和R8对+12V电压做1/2分压，限比较器的正输入端为6V，并以此作为正弦波的比较基准。比较器的输出电压经电阻R9，R10分压变换成04V的转速脉冲，再经过反向器变换成标准的05V的转速脉冲，并传送到单片机的PB0口，以便检测出电动机的转速。如图3.6所示。图3.6测速电路3.3.6直流电机驱动电路直流电动机可以用电枢电阻和电枢电感串联构成的等效电路来表示。当直流电机采用脉冲电源驱动时，电枢电流的变化规律与等效电路参数和有关，称为直流电机的电气常数。现在来分析一下采用脉冲宽度比足够小的脉冲列信号来驱动三级管8050的工作情况。如图3.7所示，设脉冲列的脉冲周期为T，三级管Q5的饱和导通时间为，在时间内电动机中流过的电流为（）。当三级管Q5关断时，由于电动机的电枢电感会储存一定的能量。储存的能量可以经过二级管D3短路释放掉，这时虽然三级管已经关断，电动机中仍然要继续电流。图3.7所示的电路有两个优点，其一是续流二级管的使用使电动机的电感能量得到了再生利用，其二是三级管处于开关工作状态，使三级管的功率的损耗明显减少。图3.7电机驱动电路通过改变占空比来控制电动机的转速：脉冲宽度调制（PWM：Pulse Width Modulation）电路的特点是，脉冲的周期一定（脉冲周期要比电动机的电气时间常数小得多），脉冲宽度的占空比由单片机控制。当脉冲列的占空比变化时，三级管的导通和关断间隔发生了变化，向电动机提供的平均电压和平均电流也发生了变化。与此同时，当然就使得电动机的转速得调节。总之，要想改变电动机的转速，只要改变开关电路驱动脉冲的占空比。要产生一个PWM信号，需要有一个合适的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，一个比较寄存器保持着调制值。比较寄存器的值不断与定时器计数器的值比较，当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个转换(由高到低或由低到高)。当两个值之间的第二个匹配产生，或当一个定时器周期结束时，相应的就会在输出上产生一个转换。通过这种方法，所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。在每个定时周期中，这个过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这样相应的输出就会产生一个PWM信号。本系统使用的控制芯片ATmega16有一个16位的定时器/计数器1(T/C1)可运行于15PWM模式，并利用PD4的第二功能输出比较A匹配输出口输出频率，占空比可调的PWM波形 选择时钟源，这可由T/Cl控制的TCCR1B低3位(CS12、CSl l、CS10)进行设置，如表3.1所示。PWM脉冲由单片机产生。快速PWM模式如图3.7所示，改变寄存器TCNTn的内容就可以改变脉冲的周期，改变寄存器OCnx的内容就可以改变脉冲的占空比。表3.1 T/C1的时钟源选择CS12CS11CS10说明000无时钟源（T/C1被停止）001CK（系统时钟）010CK/8（来自预分频器）011CK/64（来自预分频器）100CK/256（来自预分频器）101CK/1024（来自预分频器）110外部T1脚，下降沿驱动111外部T1脚，上升沿驱动图3.8快速PWM模式时序图3.3.7系统电源设计电源设计是电路设计很重要关节。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。遵照要求需要一个+5V电压和一个+12V电压。，LM7805是三端稳压集成电路，LM7805输出是5V，本文只需要一个DC12V电源，DC12V电源滤波后经过LM7805稳压得到DC5V作为单片机和系统其他模块电源。 图3.9电源设计3.4单片机系统可靠性设计3.4.1接地技术 (1)接地的原因和目的 接地的原因:接地可以很大程度上抑制系统内部噪音，防止外部干扰，提高系统抗干扰性。如果接地处理不好，可能会形成严重干扰，使系统不能工作。接地的目的:通过接“系统地”，提供基准电位。 (2)电源线和地线阻抗噪声解决方法 考虑范围主要是模拟电路，包括开关电流、地线电阻压降、电感等。主要方法有在设计电路板时加粗地线宽度;接地线构成闭环路。 (3)电源去藕在集成器件的电源线和地线之间接入去耦电容，可以缩短开关电流的流通途径，降低电阻压降。主要方法是在电路板入口的电源线和地线之间并接去耦电容:接一个大容量的电解电容(l0uf-100uf )，降低低频干扰成分，一般采用铝电解电容;接一个小容量的电解电容(0.01 uf-0.1 uf)，降低高频干扰成分，一般采用电感小的云母或陶瓷电容。(4)集成芯片去藕 原则上每一个集成芯片都应安装一个陶瓷电容，如果电路板空隙小，也可以每4-10个芯片放置一个luf-10uf的电容器。若系统时钟大于40MHz需要安装103电容;若时钟小于40MHz，可以安装104电容;设计时需要注意务必尽量缩短电容器的引线。3.4.2 PCB布线(1) PCB的布局在布局时应该遵守节省空间、可靠性高的原则。注意发热元器件不能与热敏元件靠近;在设计时要将散热片的尺寸考虑进去;插件设备的安装是必要的。 (2)电源与地线的处理 如接线技术所述，设计时要在电源与地线间安装去藕电容。电路板上的信号线的宽度按照地线电源线信号线的原则设计;英制与公制的换算为100mil=2.54mrn;设计中可以利用大面积敷铜为地线加强系统的抗干扰性。(3)数字模拟电路区分设计 设计时要注意数字模拟电路的区分，尽量减小电磁兼容:尽可能减小电流环路的面积，避免环状天线的产生;使系统采用一个参考面，避免偶极天线的产生。(4)布线规则设置 在设计电路板时，要注意安全间距的设置，一般来说最小间距不应小于l Omil;以下是走线宽度设置的参考值:信号线0.2-0.6mm，电源0.5-lmm，地线1 mm;线宽和电流的对应关系大约是每1mm宽允许通过1A电流。图3.10本文设计所用到元器件封装图图3.11本文设计的PCB图3.4.3抗电磁干扰技术(1)电磁干扰的原因和分类电子设备日益增多使电磁干扰严重，因此在设计中要考虑降低电磁干扰。电磁干扰主要可以分为自然干扰和人为干扰。自然干扰包括大气干扰、天电干扰、热噪声干扰等;人为干扰包括电网干扰、电器干扰、射频源干扰、电子对抗干扰等。(2)抗电磁干扰方法可以采用的抗电磁干扰的方法主要有:降低系统外时钟频率;选择低噪声单片机;设计电路板时使电源和地的管脚距离较近;设计时钟检测电路;设计看门狗电路;低电压复位等。3.5试验装置的结构设计本文原设计用直流测速发电机检测直流电机的转速，试验装置的结构设计主要包括支架主体的设计，螺纹连接的设计和联轴器的设计。（1）支架的主要作用是支撑、固定，防振动的作用，根据工作条件，采用灰铸铁材料。灰铸铁的性能主要取决于基体的组织和石墨的形态，石墨降低了灰铸铁的力学性能，使其抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对基体的严重割裂所致。石墨强度、韧性极低，相当于钢基体上裂纹或空洞，它减少基体的有效截面，并引起应力集中。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，其抗拉强度越低。但同时使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能：良好的铸造性能、减震性，较低的缺点敏感性，良好的切削加工必和减磨性及良好的抗压性能。灰铸铁的牌号内HT+三位数字组成。其中“HT”是灰铁的汉语拼音缩写，数字代表铸铁的抗拉强度。如肥HT200表示最低抗拉强度为200 MPa的灰铸铁。最小的灰铁是HTl00，往上以50为间隔递增最大为HT350。表51是灰铸铁的牌号及用途。表51是灰铸铁的牌号及用途牌号最小抗拉强度MPa用 途HT100100低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等HT150150承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件HT200200承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等本装置的工作环境是低载荷，采用HT100，具有工作可靠，价格便宜的优点。（2）螺纹连接的设计主要用于电动机和测速发电机与支架的连接。本文采用连接螺钉，连接螺钉主要用于连接不经常拆卸，并且受力不大的场合。它是一种只需螺钉（有时也可加垫圈）而不用螺母的连接，因而结构最简单。连接螺钉由头部和杆身两部分组成：其头部有多种不同的结构型式，相应有不同的国家标准代号。杆身上刻有部分螺纹或全部螺纹（螺钉公称长度较小时），被连接件之一加工有通孔；另一被连接件上加工有螺孔。连接时，将螺钉穿过通孔，并用起子插入螺钉头部的起子槽（呈一字或十字），再加以拧动，依靠杆身上的螺纹即可旋入至螺孔中，并依靠其头部压紧被连接件而实现两者的连接，见图a。设计螺钉连接时，通常首先根据使用要求确定螺钉的结构型式(即确定了国标代号），再根据结构要求确定螺钉的公称直径d（因受力不大，一般不进行强度计算），并由下式确定螺钉的公称长度：l+l1式中为带通孔零件的厚度，l1为螺钉的旋入深度，由带螺孔的被连接件的材料决定，并与确定螺柱旋入端长度bm的方法相同。计算所得结果应取相近的标准值。根据上面选定的结构型式和具体规格即可按比例画法（或查表画法）画出螺钉连接的装配图，见图b、c。图3.12螺钉连接 本文采用开槽盘头螺钉（GB67-85），螺纹规格d为M5，螺距P为0.8。（3）联轴器的设计： 根据电动机的轴径和工作环境，选取了合适的联轴器，选择凸缘联轴器，凸缘联轴器属于刚性联轴器，是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。这种联轴器有两种主要的结构形式：靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中和靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递转矩；靠一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中。连接两个半联轴器的螺栓可以采用A级和B级的普通螺栓，转矩靠两个半联轴器结合面的摩擦力矩来传递。凸缘联轴器的材料可用灰铸铁或碳钢，重载时或圆周速度大于30米/秒时应用铸钢或锻钢。凸缘联轴器对两轴对中性的要求很高，当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点。但由于结构简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时常采用。 图3.13 凸缘联轴器凸缘上各螺栓根据传递转矩的大小，可全部采用铰制孔用螺栓，或一半采用铰制孔用螺栓，另一半用普通螺栓。本系统采用YLD型有对中棒凸缘联轴器（GB 5843-86）型号为YLD5，许用转速9000r/min，轴孔直径为22mm。长度为62mm。4直流电动机恒速系统的软件设计 直流恒速装置的优劣不仅取决于它的硬件，合理的软件设计往往是更为重要。根据硬件电路的各个组成部分，软件程序设计也分为转速给定及显示程序、转速检测程序、数字PID运算控制程序。根据硬件系统的相互联系，将各部分软件程序最终整合成总体结构。在此基础上合理地分配C P U中的各个功能，使其各部分软件程序能够在C P U的指导下很好的完成每一部分程序功能.整个控制程序包括总程序、外部中断程序、内部定时程序及各种辅助程序。4.1主程序设计 主程序主要功能是:上电初始化，设堆栈指针，ATmega16初始化，转速显示程序，按键查询及相应的控制命令程序，转速的PID运算程序、转速数据处理程序、脉冲外中断等。主程序框图如图4 . 1 所示图4.1 主程序框图主程序主要完成以下几个方面的工作:（1） 对PID、端口、T/C0、T/C2、外部中断、PWM初始化。（2） 将显示缓冲区分别存入显示零的段码# 3 F H。使5位数码管都显示零。（3） 转速进行P ID 程序计算，分别取转速给定值与转速反馈值进行转速环的P I D调节。 （4） 转速的数据处理和显示转速。（5） 开中断，等待中断主程序代码如下 ：void main(void) /PID初始化PID sPID; /PID控制结构体double rOut; /PID输出double rIn; /PID反馈PIDInit(&sPID); /结构初始化sPID.Proportion = 0.00