基于ADCU842控制PWM调速电机课设报告

北京信息科技大学单片机原理及应用实验课程设计报告题目：单片机控制PWM的直流电机调速系统的设计学院：仪器科学与光电工程学院专业：测控技术与仪器专业姓名/学号： 武梦萱 2014010461马晓欢2014010456孟子西2014010457指导教师：王艳林、赵双琦、潘志康、孟浩 起止时间：2017年6月19日至 2017 年6月23日 一、设计目的及任务要求1.1 设计目的近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，同时造成传统的调速技术已远远不能满足现代科技的要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字化控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动窗帘、自动给水系统、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。1.2 任务要求1、 确定选题2、 根据实验方案确定并收集实验器件3、 查阅相关资料，了解各模块的引脚及其功能4、 设计驱动电路，画出电路图5、 编写程序,具有单片机的以下主要功能：1） 按键操作2） 显示3） 中断延时4） 定时器5） 串行通信6、 搭建电路7、 调试并实现实验目的：用按键对直流电机转速进行调节二、设计方案2.1具体的方案流程1) 完成按键控制、数码管显示的编程，实现按键控制数码管显示数值2) 完成PWM控制部分程序编写，通过中断延时函数，实现PWM信号输出3) 调节延时函数的延时时间,实现通过按键来控制PWM信号的占空比4) 完成驱动电路的设计搭建5) 分析遇到的问题并总结2.2 系统总方案编程部分采用C语言进行编程；脉冲宽度调制采用ADUC842单片机进行控制；数码管显示部分需要用到HD7279A芯片；驱动部分主要采用ULN2300芯片。输出速度的调节是通过按键操作；显示调控等级部分通过数码管显示。系统框图如图1所示。数码管接口电路按键输入电动机驱动电路（ULN2003）PWM控制单片机图1单片机控制PWM的直流电机调速系统原理框图2.3 PWM调速方式PWM有单极性和双极性两种工作制，其中单极性工作制应用相对简单，易于实现与操作，所以我们采用了单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转速。而改变占空比的方法有3种：（1）定宽调频法，这种方法是保持高电平不变，只改变低电平，这样周期也随之改变（2）调宽调频法，保持低电平不变，而改变高电平，这样也使周期发生改变；（3）定频调宽法，这种方法是使周期不变，而同时改变高电平和低电平，由于前两种方法都改变了周期，当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减小.只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。原理图如图2所示图2脉冲宽度调速系统原理图三、硬件设计该系统硬件框图如图3所示，根据本系统要求通过软件编程定义按键的功能及数码管显示，因此在此不予讨论。电动机驱动电路（ULN2003）智能显示驱动芯片（HD7279A）ADUC842单片机图3系统硬件框图按键输入和数码管显示部分，主要用HD7279A芯片,它是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立的LED）智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成显示、键盘接口的全部功能，其管脚图如图4所示，管脚定义如表2所示。图4 HD7279A管脚图RC引脚用于连接HD7279A的外接振荡元件RESET为复位端。该端由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。通常接+5VDIG0-DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端SA-SG分别为LED数码管的A段-G段的输出端DP为小数点的驱动输出端CS为片选信号（低电平有效）。当微处理器访问HD7279A（读键号或写指令）时，应将片选端置为低电平DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当向HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效KEY为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持键释放为之表1 HD7279A管脚定义按键在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。本系统采用4*2式按键，如表2所示。主要作用是调节给定转速档位，从而人工控制电机的运行。12345678表2 4*2式按键下面对PWM控制设计部分加以说明，以ADUC842单片机1为控制核心,如图4所示，在PO0口实现输出高低电平，然后通过一定的延时程序，在PO1口输出具有一定占空比的PWM信号，从而控制电机的转速。图4 ADUC842管脚图在脉冲信号到达电动机之前，还需要用驱动电路对功率进行放大，从而满足电机而定负载，使得电机可以正常工作，驱动电路主要以ULN2003为主，其由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,如图5，其在5V的工作电压下能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。驱动电路如图6所示，选用1管脚为输入端，相对应的16管脚为输出端，与直流电机相连。为驱动ULN2003工作，8管脚接地，9管脚接+5V电压。图5 ULN2003A引脚图及功能 图6 ULN2003驱动电路 注释1: ADUC842单片机是全集成的高性能数据采集系统。芯片内部集成了高性能自校准8通道12位ADC、两个12位DAC转换接口。它的采样速度达420kb，以及单周期20MHz、8位与8051指令集全兼容的MCU，采用的是一个被优化的8052内核。 支持通过RS-232串行接口实现在线系统编程。系统编程通过将微控制器的PSEN拉“低”来激活引导加载程序。器件启动后，开始执行驻留在器件内部专用ROM的加载程序，实现PC机与目标系统的通信，将代码下载到目标微型控制器。ADUC842用户板操作说明：先将计算机与实验板的串口联接线连上，再连接USB供电线（顺序一定不要颠倒，否则容易烧毁实验板；断开与计算机的连接时，要先断开USB供电线路，再断开串口连线。）四、软件设计4.1主程序及初始化模块主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现按键处理、刷新显示等功能。流程框图如图6所示。初始化子程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等功能。流程框图如图7所示。开始系统初始化按键按下键值处理数据通信 图6 主程序流程框图 图7 初始化子程序流程框图4.2按键和数码管模块按键和数码管显示模块核心控制器件是HD7279，由软件设置为8字符显示，左端送入，按键操作由终端导入，静态显示方式。流程框图如图8所示。图8 HD7279子程序流程图4.3软件调试4.3.1 Keil uv2 操作流程的简单说明(附界面图9)：1 NEW PROJECT ，建一个新的项目，在出现的对话框中选analog devices/Aduc842 芯片型号；或者可以从File/ devices database 的对话框中选择芯片型号。2 FILE/ NEW ，建立一个新文件，在打开的窗口下输入程序，存盘。3 选中Source Group1点击鼠标右键，在出现的菜单中选中 Add Files to Group Source Group1，将文件加入到项目中。4 选中Target1点击鼠标右键，在出现的菜单中选中Options for Target Target1, 在出现的对话框中打开output项的对话框，选中Great HEX File，以保证编译时能生成.HEX文件，为后续下载程序做准备。5 Project/Build target或Rebuild all target files, 编译所输入的程序。图9 Keil uv2界面图4.3.2烧写实验板（下载）程序（附界面图10）：1. 先按下实验板的右键，再按下左键。2. 鼠标左键点击软件上的Reset按钮。3. 先松开右键，再松开左键，完成实验板的复位功能。4. 在完成板的复位操作后，鼠标左键点击软件上的Download按钮，选择.HEX文件，点击 打开按钮，下载程序。下载成功后，即可以运行程序。图10 界面图五、调试及结果5.1调试过程1） 寻找适当的输出口，即：分别先设P0=0x01和P0=0x00，观察哪个输出口输出高、低电平，则该口即为所要的输出口。2） 在P0=0x00和P0=0x01后加延时程序，即delay函数。观察输出的PWM信号。3） 建立按键与延时程序（主要是延时长度）的关系，从而达到按键控制延时长度的目的，进而控制PWM信号的占空比，实现按键对直流电机转速的控制。5.2调试中出现的错误1) 寻找P01的输出端。在接芯片ULN2003时，需要将单片机的P01端接到1管脚。在寻找P01的输出端时，老师说要看教学板上的电路图，经过仔细查看，找到了P01的输出端并成功连接到ULN2003芯片上。2) 在电动机转动中，发现按键17是可以控制电机的转速，按键8摁下后，电机却不能转动。经查看示波器的波形图，发现8的占空比基本为1，怀疑是占空比太高的原因，后来更改程序，调整占空比（缩小占空比）后，再连接电机，电机便可以正常运转，用键盘控制占空比，进而控制电机速率。3) 在用WSD软件reset单片机时，总是显示失败。经过不断的摸索，发现需要在点完reset以后紧接着快速放手，这样才可以。（之前隔的时间太长）。5.3结果1) 对电路板的了解不够。刚开始拿到板子的时候根本不知道是什么，电路图都不太理解，后面摸索才知道哪些是单片机哪些是芯片。整个课设我们只认识了我们用到的部分，对于那些没有涉及到的芯片还是不太懂。2) 部分程序片段还不是特别清楚，需要更深入地学习，才能掌握最核心的部分，而