直流电机速度PID控制系统设计

序号（学号）：序号（学号）： 161240303 长长 春春 大大 学学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 直流电机速度直流电机速度 PIDPID 控制系统设计控制系统设计 姓姓 名名李一丹 学学 院院国际教育学院 专专 业业自动化 班班 级级1612403 指导教师指导教师曹福成 2016 年5月30日 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计） 纸 装 订 线 直流电机速度直流电机速度 PID 控制系统设计控制系统设计 摘要：针对现有的直流电机控速难的问题，本文设计了一种基于 ATmega16L 单 片机的直流电机速度控制系统。本系统以 ATmega16L 单片机为主控制器，搭载 了 L298n 为电机驱动，通过霍尔元件进行测速，通过按键控制电机的转动方向 和转动速度，并配以温度传感器 DS18B20 对温度进行监测，通过 PID 算法调节 PWM 进行对速度控制。该系统包括的模块主要有单片机为主体的控制模块、电 机的驱动模块、对电机速度进行监测的模块、由 LCD1602 构成的显示模块、电 源模块和按键控制模块等。本系统可以通过 PID 算法实现可编程脉宽波形对直 流电机的速度进行控制，并且可以显示出当前电机的转速。 关键词：单片机；PID 算法；直流电机 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计） 纸 装 订 线 The design of DC motor speed control system with PID Abstract: According to the existing DC motor speed control problem, this paper describes the design of a DC motor speed control system based on ATmega16L MCU. To ATMEGA16L microcontroller as the main controller for the system, equipped with a L298n for motor drive, through the hall element of speed, through the buttons to control the motor rotation direction and the rotation speed, and the temperature sensor DS18B20 the temperature monitoring, PID algorithm is used to adjust the PWM control of the speed. The system includes the following modules display microprocessor control module, as the main body of the motor drive module, monitoring module, the speed of motor is composed of LCD1602 module, power supply module and key control module. This system can realize through PID algorithm to control the speed of the programming pulse waveforms of DC motor, and can display the current motor speed. Keywords: single chip microcomputer, PID algorithm, DC motor 长 春 大 学 直流电机速度 PID 控制系统设计 装 订 线 目录目录 第 1 章 绪论.1 1.1 选题背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.2 1.3 本文主要研究的内容.3 第 2 章 总体方案论述.4 2.1 系统主要传感器介绍.4 2.1.1 温度传感器.4 2.1.2 转速检测模块.5 2.2 系统总体功能及方案选择.6 2.2.1 系统所需模块及功能.6 2.2.2 主控制器选择.8 第 3 章 系统总体硬件设计.10 3.1 单片机最小系统.10 3.1.1ATmega16L 单片机的引脚分布.10 3.1.2 最小系统的硬件电路.13 3.2 电机驱动电路.14 3.3 温度检测电路.15 3.4 光电管提示电路和按键控制电路.15 3.5LCD1602 显示电路 .16 3.6 电源电路.17 3.7 本章小节.18 第 4 章 系统软件设计.19 4.1 系统总体流程图.19 4.2 PID 算法简介.19 4.2.1PID 算法介绍.20 4.2.2PID 算法结果.21 4.3 系统调试步骤.21 4.4 误差分析即改进方法.22 长 春 大 学 直流电机速度 PID 控制系统设计 装 订 线 结论.23 致谢.24 参考文献.25 附录.26 附录 I 系统总体硬件电路图.26 附录 II 系统中部分程序.27 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 1 页 装 订 线 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 电动机简称电机，俗称马达，在现实生活中，我们处处都可以见到电机的 身影，小到小学生玩的电动四驱车，大到炼钢厂用的滚动罐，这些都是电机家 族的成员。电机是一种可以将电能转换成机械能输出的装置，现在我们来了解 下电机吧。电机的家族非常庞大，按照其驱动电源来分大致可以分为直流类、 交流类和三相电源供电类这 3 种常见常用的种类。其中直流类是我们生活中最 常见的一类，因为其便于制动和控制所以应用较多，但是其动力输出较小，所 以不能作为大型机械的动能输出源。交流类也是应用较为普遍的电动机，最为 常见的是我们家用的洗衣机，它的核心动力源就是由交变电流驱动的电动机充 当的。而三相电源供电式电动机在我们生活中不常见，但是在大型工厂和工地 中普遍应用这种类型的电动机，因为其输出功率较前两种有质的飞跃，所以可 以应对大型机械的运转，充当动力源。 我们所要研究是目标是直流电机，所以我在此对直流电机做详细的介绍。 直流电机由定子和转子两部分构成，定子主要就是磁体，而转子主要是绕有线 圈的转动杆。按照励磁方式可以分为他励型、并励型、串励型和复励型四种。 而按照有无刷分类则可以分为有刷型和无刷型两种。而电机的原理是我们中学 所学的法拉第电磁感应定律，即通电的导线周围会产生磁场。如果将通电的导 线周围再加入一个外加的永磁体，那么会让通电的导线受到磁场的力的作用而 转动。在我们的生产和生活中，几乎全都是希望这种转动是匀速的，因为匀速 的转动便于我们搭配各种与之相适宜的器件用于组合使用，从而完成各种各样 的功能。 如果供电电压不变，负载转矩不变，那么就可以认为电机是匀速旋转的， 因为电动机的电磁转矩和电压密切相关，当电压没有波动的时候也就是说电磁 转矩是恒定的，电磁转矩是促使电机转子转动的，负载转矩是阻止电机转子转 动的，两个力是相反的，这样的话当两个力平衡时电机就是做的匀速转动，当 负载转矩变小时，电机速度会有所升高，但是当升高到一定程度后又会恒定在 某一个速度上转动。但是由于我们现实条件下供电电压不可能永恒不变，而且 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 2 页 装 订 线 转子上的线圈的阻值会随温度的变化而变化，再有定子上的磁体磁性会随外界 环境的改变而改变，所以要想达到控制直流电机转速必须借助外力。因此，设 计一个能控制电机转速的系统是很有必要的，设计一个能控制电机转速的系统 是我们这个机械控制时代的需求，设计一个能控制电机转速的系统是造福全民 的。 随着电机产业的不断进步与发展，电机在控速领域由原先的自适应控制进 化到现如今的应用 PLC 等计算机作为主控制器的智能型控制，而随着各种机器 语言的问世和各种算法的提出，PID 作为新生的调节器算法从众多控制算法中 脱颖而出，而本文就来设计一种通过 PID 算法来控制直流电机转速的系统。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 早在 1831 年，伟大的物理学家法拉第发现电磁感应定律后，他便预测不久 的将来，这一成果必将开启人类新时代的另一个文明。自 1843 年第一个电机问 世以来，电机便走入了人们的视线，并且在我们的生活中扮演越来越重要的角 色。然而最初，电机因为其制作工艺低劣，而且科技水平较差，所以频频出现 故障。直到 20 世纪初，由德国麦基散公司提出通过外接控制设备来进行对电机 的转速控制和启动助推，使得直流电机步入了一个新纪元。各个国家纷纷效仿 德国的做法，利用各种控制单元或模拟电路对电机进行武装，使得电机越来越 智能和稳定。从上世纪 70 年代起，美国、德国、日本和原苏联均意识到了在工 业生产中控制电机转速的重要性，所以从上世纪 70 年代起先后投以巨资来研制 可控制电机转速的系统。随着计算机时代的来临，不少科学家意思到利用计算 机控制电机的可行性和便利性，伴随着单片机等更加便利的嵌入式微型控制器 的问世，将直流电机速度控制领域带到了一个新的顶峰。到 90 年代初，美国很 多公司已经从原始的集成晶体管和门电路控制直流电机的转速进化成由单片机、 DSP、FPGA 等微控制器为主控的智能型、可编程控制型直流电机控制系统。在 新旧世纪交替之际，美国科学家 D.H.Boliton 等人已经可以实现智能的直流电机 控制，其可以完成现场编程控制进行多个任务，控制电机转速可调在最大速度 以下的任意整数值，并且其所带的博士生们在原有的基础上加入语音控制等设 备，已将直流电机控制系统做到非常先进、非常高端的地步。 相比于国外，国内对直流电机的控制系统的重视程度较低，直到20世纪80 年代末才被重视起来。然而我国设计的直流电机控制系统多是照搬国外已有的 成品，很少有属于自己的创新型产品。863计划提出后，要把我国建设成科技强 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 3 页 装 订 线 国的口号被提出后，人们才逐渐意识到对电机转速控制的研究是多么重要。 2003年，由北京航空航天大学主办的国内多个高校参加的“新世纪电子产品” 比赛中，由西安电子科技大学研制的基于FPGA控制的直流电机速度控制器备受 世人瞩目，所研制的控制电机转速已经可以实现每十秒误差在1转以下，该转速 控制的精度已经非常之高。随着新世纪的到来，中国的科学技术水平已经逐渐 接近发达国家水平。而在直流电机转速控制这一领域也基本上赶超了部分发达 国家，这标志着国内虽然起步较晚，但我们发展迅速，有很多关键技术已经处 于世界领先水平。 1.3 本文主要研究的内容本文主要研究的内容 本文设计了基于单片机的直流电机速度PID控制系统。本系统以ATmega16L 单片机为主控制器，搭载了L298n为电机驱动，通过霍尔元件进行测速，通过按 键控制电机的转动方向和转动速度，并配以温度传感器DS18B20对温度进行监测， 通过PID算法调节PWM进行对速度控制。该系统包括的模块主要有单片机为主体 的控制模块、电机的驱动模块、对电机速度进行监测的测速模块、由LCD1602构 成的显示模块、电源模块和按键控制模块等。本系统可以通过PID算法实现可编 程脉宽波形对直流电机的速度进行控制，并且可以显示出当前电机的转速。 因此本论文的主要框架包括： 第1章的介绍了本课题的研究意义和国内外研究现状。 第2章介绍了本课题设计的系统需要具有的功能，和每一个功能实现的设计 方案如何选择的，最后根据所选方案，研究其工作原理，并且最后完成器件的 选型。 第3章介绍了本课题设计系统的总体硬件设计，里面含有关于设计的电路图。 第4章介绍了系统相关软件的编译和系统总体框图。 最后，将对整个论文进行总结描述，并对我在做论文时所产生的问题和对 本设计的未来方向和优化方向进行描述和预测。 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 4 页 装 订 线 第第 2 章章 总体方案总体方案论述论述 在前一章我们介绍了选题的背景和意义，接下来我根据我从网上查的资料 和老师提供的方法和意见，对整个系统做一个大概的论述。 2.1 系统主要系统主要传感器介绍传感器介绍 2.1.1 温度传感器温度传感器 因为电机的转子上缠绕的线圈的材料的阻值是随温度的变化而变化的，所 以我们有必要测得电机内部的温度，作为我们输入的一个信息参与单片机控制 系统。我们这里主要应用的是温度传感器 DS18B20。DS18B20 温度传感器相较 其他温度传感器具有体积小、抗干扰能力强、价格低廉、测量精度高等特点。 它的工作电压为 3.0V 到 5.5V 直流电压，在寄生模式下可由数据线供电。温度 测量范围为-55到 125，并且在温度介于-10和+85时精度为 0.5，可实 现高精度测温。通过一根双向数据线连接 DS18B20 和单片机就可以实现二者间 的串行通信，并且自身可以传送 CRC 校验码，这不仅大大节约了单片机的引脚 资源，还提高了系统的抗干扰能力。当电源极性反向或突然增大电流时， DS18B20 有内在的保护电路，可以避免芯片的烧毁，但在这种条件下它不能正 常工作。 图 2.1 DS18B20 实物图 图为DS18B20芯片的示意图，其中1脚为GND脚接地，2脚为串行数据传输脚 接单片机I/0口，3脚为VCC脚接5V直流电压。根据DS18B20的通信协议，单片机 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 5 页 装 订 线 与其通信必须有3个步骤：第一步，每一次读写之前DS19B20都需要复位，复位 即主CPU把数据线下拉500ms，释放，DS18B20收到信号等1660ms，再发出 60240ms的存于低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。第二步，单片机需 要发送一条ROM指令。最后一步，为单片机发送一条RAM指令。这三步完成后 单片机才可以对DS18B20进行相应的操作。 2.1.2 转速检测模块转速检测模块 1-磁体 2-霍尔元件 3-齿圈 图2.2 霍尔轮速传感器示意图 图2.3 AD22151的引脚分布 转速检测元件我们选择了霍尔转速传感器，其实它的原理非常简单，如图 2-4所示，在齿轮的咬合方向上添加了一块高磁性的磁体，磁体上粘合着霍尔元 件，每当齿圈上的齿轮页靠近磁体时，霍尔元件因为磁场的原因产生电流，而 当齿轮页原理磁体，即齿轮凹槽部分贴近磁体时，霍尔元件没有明显的变化， 这样当齿轮处于高速转动的状态时就可以产生交变的电流，电流的频率越高说 明转速越快，而齿轮旋转一周的距离是有限的，根据这个原理，通过测量电流 的频率即可测得车速。在本设计中选用了利用霍尔效应制成的AD22151型线性 输出磁场传感器。 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 6 页 装 订 线 霍尔式车轮转速检测传感器意图由图2.4所示。在本设计中，采用AD22151 型线性输出磁场传感器与永磁体及相关电路组成霍尔轮速传感器，其输出为模 拟信号。AD22151线性输出磁场传感器由美国ADI公司推出，现已广泛用于汽车 和工业监控系统中运动及特殊位置的检测。其引脚分布如图2-5所示。 AD22151适用于单电源（VCC =+5V，I=6.0mA） ，-40+150温度范围内，其 误差在0.1%左右。输出灵敏度（外部可调，A=1）为0.4mV/G，输出信号刷新频 率为50kHz，输出电压动态范围接近电源电压（1090%Vcc） ，对大容性负载驱动 能力为1mA。 2.2 系统总体功能及方案选择系统总体功能及方案选择 该系统包括的模块主要有单片机为主体的控制模块、电机的驱动模块、对电机 速度进行检测的测速模块、由 LCD1602 构成的显示模块、电源模块和按键控制 模块等。本系统可以通过 PID 算法实现可编程脉宽波形对直流电机的速度进行 控制，并且可以显示出当前电机的转速。 2.2.1 系统所需系统所需模块及功能模块及功能 单片机控制模块 该模块作为系统的主体模块，是整个系统的大脑。单片机将数据采集模块 采集到的信息进行处理、运算后交由显示模块显示最终的结果。可以说单片机 控制模块是整个系统的核心部分，其他所有的模块都离不开该模块，它在整个 系统中起到调度、信息储存和信息处理的作用。 温度检测模块 该模块由 DS18B20 温度传感器构成，它的工作电压为 3.0V 到 5.5V 直流电 压，在寄生模式下可由数据线供电。温度测量范围为-55到 125，并且在温 度介于-10和+85时精度为 0.5，可实现高精度测温。通过一根双向数据线 连接 DS18B20 和单片机就可以实现二者间的串行通信，并且自身可以传送 CRC 校验码，这不仅大大节约了单片机的引脚资源，还提高了系统的抗干扰能力。 当电源极性反向或突然增大电流时，DS18B20 有内在的保护电路，可以避免芯 片的烧毁，但在这种条件下它不能正常工作。DS18B20 温度传感器相较其他温 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 7 页 装 订 线 度传感器具有体积小、抗干扰能力强、价格低廉、测量精度高等特点。 按键模块、光电管提示模块 按键模块其实就是个外部控制输入设备，通过按键控制直流电机的转动情 况，一共设有 5 个按键，分别为顺时针转动、逆时针转动两个转动方向的控制 键和加速、减速和停止 3 个速度控制键。而光电管是由 4 个发光二级管组成， 这 4 个二极管可以制作成一个矩形四个角的组合形式，可以由单片机控制显示 直流电机的转动情况，如果直流电机顺时针转动，则单片机控制这 4 个二极管 也顺时针转动，反之逆时针的情况也是如此，而且单片机可以控制这 4 个二极 管的闪动频率，用以反映电机的转速。 液晶显示模块 显示模块 LCD1602 充当，其实物图如下图所示。LCD1602 共有 16 个引脚，其中 有 8 个双向的数据传输引脚，3 个控制引脚，其他的为电源端。芯片的工作电 压为 4.5V5.5V，共可以显示 2*16 个字符。因为其不是重点，所以我们在此不 做详细的介绍，感兴趣的同学可以上网查找 LCD1602 的数据手册，里边有详细 的指令集和控制时序。 图 2.4 LCD1602 实物图 电机的驱动模块 电机的驱动模块我们主要选择了 L298n 芯片为电机驱动，它是 ST 公司生产的一 种高电压、大电流的光电耦合型电机驱动芯片。其峰值电压最大可达 46V，最 大电流可达 3A，但是其控制电压仅有 5V 左右就可以实现，是市场上较为常见 的电机驱动芯片。因为其抗干扰能力强，且工作时性能稳定并且便于控制转速 和转动方向，受到人们的青睐，被广为使用。 除了以上 5 个模块外，系统中还有电源模块，因为电源模块中我们使用的是在 商场里就可以买到的干电池，所以在此不做过多的介绍，值得注意的是，系统 中应用了 5V 的电压，我们是通过 7085 稳压芯片实现将 12V 电压转变为 5V 直流 电压的。因为其结构简单易懂，所以不做过多的讲解。 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 8 页 装 订 线 2.2.2 主控制器选择主控制器选择 系统从功能上主要由五部分组成，即以上 4 种功能实现模块和中央处理器。 中央处理器作为整个控制中枢和大脑，分配各个模块的工作任务，并将采集的 信息做运算处理，然后控制输出模块提示我们有关信息。中央处理器是把其他 功能的模块连结在一起成为一个系统。常常使用 DSP 或者单片机作为中央处理 器，根据实际系统需求选择一个最合适的，根据本文的设计和成本，本设计是 使用单片机。 单片机在现在社会上很多领域上都有应用，例如在通信、家电、工业等。 单片机成为控制系统的最核心的部件，不仅因为它有 CPU 的数值计算功能，它 还具有一些自身的特点，与通用微机 CPU 对比： 抗干扰性能高，其可工作的温度环境要求不高。通用微机 CPU 要求在 室温环境下工作，并且其抗干扰能力低； 可靠性高。因为在现在工业方面，每个生产环节出现问题，都可能会产 生严重的后果； 控制功能非常好，但其数值计算功能不太好。通用微机 CPU 的数值计 算功能就非常好，但控制能力就不高，所以它用于工业方面，一般都添加专用 的接口电路。 指令系统比通用微机系统简单； 单片机的淘汰与通用微机相比非常慢。51 系列与 AVR 系列里许多不一 样档次的产品，所以在选择的时候需要考虑哪种性能是对系统设计最合适的、 成本低和能使电路最便利的。所以本设计经过市场调研和查看手册，最后选择 了 AVR 系列里面的 ATmega 系列的单片机，型号为 ATmega16L，其引脚分布如 图 2-5 所示： 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 9 页 装 订 线 图 2.5ATmega16L 单片机的引脚配置 其中各个引脚的功能及单片机的最小系统等内容我们将在下一章详细介绍 给大家。通过 ATmega16L 单片机和各个功能模块的相互搭配，最终可以实现我 们预期的功能。 PB0 (XCK/T0) 1 PB1 (T1) 2 PB2 (AIN0/INT2) 3 PB3 (AIN1/OC0) 4 PB4 (SS) 5 PB5 (M OSI) 6 PB6 (M ISO) 7 PB7 (SCK) 8 RESET 9 PD0 (RXD) 14 PD1 (TXD) 15 PD2 (INT0) 16 PD3 (INT1) 17 PD4 (OC1B) 18 PD5 (OC1A) 19 PD6 (ICP) 20 PD7 (OC2) 21 XTAL2 12 XTAL1 13 GND 11 PC0 (SCL) 22 PC1 (SDA) 23 PC2 (TCK) 24 PC3 (TM S) 25 PC4 (TDO) 26 PC5 (TDI) 27 PC6 (TOSC1) 28 PC7 (TOSC2) 29 AREF 32 AVCC 30 GND 31 PA7 (ADC7) 33 PA6 (ADC6) 34 PA5 (ADC5) 35 PA4 (ADC4) 36 PA3 (ADC3) 37 PA2 (ADC2) 38 PA1 (ADC1) 39 PA0 (ADC0) 40 VCC 10 U1 ATmega16L 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 10 页 装 订 线 第 3 章 系统总体硬件设计 在第 2 章中完成了系统总体方案选择及系统主要原理的分析，在本章将详 细介绍本设计硬件电路的实现。其系统总体框图如图 3-1 所示： 图3.1 系统总框图 根据上图我们可以看出，本系统选取 ATmega16L 为整个系统的中央处理器。 该系统共分为 5 个重要模块，即温度检测模块、速度检测模块、由液晶和光电 管联合组成的显示模块、电机驱动模块和按键控制模块。各个模块相互配合， 最终完成指定的任务。接下来我先介绍下单片机，要了解单片机必须从单片机 的最小系统开始入手。 3.1 单片机最小系统单片机最小系统 单片机系统的扩展，一般是以单片机最小系统为基础的。单片机最小系统， 是指一个单片机想完成指定任务所需配备的最小配置系统。他是由复位电路和 时钟信号共同组成的电路。 3.1.1ATmega16L 单片机的引脚分布单片机的引脚分布 在配置单片机最小系统之前，应详细了解所选择的单片机芯片的引脚分布 及说明，ATmega16L 单片机的引脚分布图在第 2 章中已经介绍，如图 3-2 所示， 单片机系统 ATmega16L 温度检测模 块 显示模块 速度检测模 块 电机驱动模 块 按键控制模 块 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 11 页 装 订 线 其引脚说明如下： Vcc：供电电压； GND：接地。 PA 口：PA 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。将 PA 端口的值调成“1” ，此引脚的输入为高阻抗值。PA 口 作为低 8 位地址/数据复用不具有内部上拉电阻时，是用来访问外部程序或者是 访问数据存储器。在这种模式下，PA 不具有内部上拉电阻。在 Flash 编程时， PA 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节，但在此时需要外部 上拉电阻。 PB 口：PB 端口是一个 8 位的双向 I/O 口，其内部具有上拉电阻对输出数 据进行上拉。每一个输出端口都能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。当对 PB 口的内部寄 存器写“1”时，内部上拉电阻将输出端口拉高，此时，该端口可以作为输入端 口进行使用。 PB 端口的第 0 引脚和第 1 引脚 PB0 和 PB1 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器 /计数器 2 的触发输入（PB1/T2EX） 。在 flash 编程和校验时，PB 口接收低 8 位 地址字节。引脚号第二功能： PB0/T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出 PB1/T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） PB5/MOSI（在系统编程用） PB6/MISO（在系统编程用） PB7/SCK（在系统编程用） PC 口：PC 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，PC 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 PC 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因，将输出电流（IIL） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数 据存储器（例如执行 MOVX DPTR）时，PC 口送出高八位地址。在这种应用中， PC 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数 据存储器时，PC 口输出 PC 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，PC 口也接 收高 8 位地址字节和一些控制信号。 PD 口：PD 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，PD 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 PD 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 12 页 装 订 线 的原因，将输出电流（IIL） 。PD 口亦作为 ATmega 系列单片机的特殊功能（第 二功能）使用，如下表所示。 在 flash 编程和校验时，PD 口也接收一些控制 信号。 PD 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平 将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存 储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微 拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 表 3-1 PD 口引脚功能表 PD 口引脚第二功能 PD0RXD（串行口输入） PD1TXD（串行口输出） PD2INT0（外部中断 0 输入） PD3INT1（外部中断 1 输入） PD4T0（定时器/计数器 0） PD5T1（定时器/计数器 1） PD6WR（外部数据存储器写脉冲输出） PD7RD（外部数据存储器读脉冲输出） PSEN：芯片外接程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。注意 ATmegal16L 的指令或者数据是从外部程序存储器里获取的时候，这时 PSEN 在 每个机器周期里输出两个脉冲，在其期间，访问外部数据存储器，就会跳过两 个 PSEN 信号。 EA/VPP：芯片外程序存储器选用端，如果 CPU 需要访问外部程序存储器， EA 引脚此时必须是接地，即保持低电平。注意有一种特殊情况：在已经编译了 加密位 LB1 的情况下时，EA 在复位的时候会被锁存状态。CPU 也可以是执行内 部程序存储器，这是 CPU 需要接 VCC，即高电平。Flash 编程时，如果器件的编 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 13 页 装 订 线 程电压 VPP是 12V 时，EA 引脚就也可以加上+12V 的编程允许电源 VPP。 XTAL1、XTAL2：都是外接的晶体引脚，当外接时钟发生器时，XTAL1 可以 作为输入端，XTAL2 为接地；当单片机接片内振荡器时 XTAL1 和 XTAL2 接法相 反，即 XTAL2 可以作为输出端，而 XTAL1 接地。 3.1.2 最小系统的硬件电路最小系统的硬件电路 本设计中 ATmega16L 单片机的最小系统是在芯片上外接时钟和复位电路而 实现的，ATmega16L 最小系统的电路图如图 3.2 所示： 图 3.2 单片机最小系统电路图 ATmega16L 单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机 构成。时钟电路是单片机的内脏，它掌握着单片机工作节奏；复位电路作用是 初始化单片机内部寄存器，使单片机内部程序从新开始。 单片机的时钟电路通常有两种：内部振荡方式和外部振荡方式。在 XTAL1 和 XTAL2 两个引脚之间接晶体振荡器，且加两个的瓷片电容，以此组成自激振 荡器。因为时钟电路其内部是一个振荡器，由一个高增益反相放大器组成，所 以外接石英晶振，就会得到振荡时钟脉冲和自激振荡器。 复位电路作用是初始化单片机内部寄存器，使单片机内部程序从新开始， 例如程序计数器 PC=0000H，即程序是从 0000H 开始，可以说是单片机强大功能 的根本保障。与复位操作紧密相关的引脚有 RST 引脚（全称 RESET） ，当该引脚 出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就会进入内部复位等待状态，再由 EA 引脚的电平确定执行内部或外部的程序流程。使引脚状态满足复位条件的方 式有两种，一种是上电自动复位，既在单片机上电时自动复位，另一种是手动 按键复位，既手动按复位键使单片机进行复位。上电复位是指连接 RST 的电容 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 RESET PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 GND 100pFC2 100pF C3 12 JING 7.3728M GND PB0 (XCK/T0) 1 PB1 (T1) 2 PB2 (AIN0/INT2) 3 PB3 (AIN1/OC0) 4 PB4 (SS) 5 PB5 (MOSI) 6 PB6 (MISO) 7 PB7 (SCK) 8 RESET 9 PD0 (RXD) 14 PD1 (TXD) 15 PD2 (INT0) 16 PD3 (INT1) 17 PD4 (OC1B) 18 PD5 (OC1A) 19 PD6 (ICP) 20 PD7 (OC2) 21 XTAL2 12 XTAL1 13 GND 11 PC0 (SCL) 22 PC1 (SDA) 23 PC2 (TCK) 24 PC3 (TMS) 25 PC4 (TDO) 26 PC5 (TDI) 27 PC6 (TOSC1) 28 PC7 (TOSC2) 29 AREF 32 AVCC 30 GND 31 PA7 (ADC7) 33 PA6 (ADC6) 34 PA5 (ADC5) 35 PA4 (ADC4) 36 PA3 (ADC3) 37 PA2 (ADC2) 38 PA1 (ADC1) 39 PA0 (ADC0) 40 VCC 10 U1 ATmega16L 100pFC4 100pFC12100pF C5 100pF C11 10mHL1 GND VCC AREF VCC +C1 10uF R14 4.7K R13 4.7K RESET RESET 长 春 大 学 毕业设计（直流电机速度 PID 控制系统设计）纸 共 31 页 第 14 页 装 订 线 通电导通形成高电平；而手动复位是在上电复位的基础上 RST 在按键后直接连 接 VCC 形成