直流电机调速测速系统开发.doc

1、直流电机调速测速系统开发直流电机调速测速系统开发作作 者者 姓姓 名名 专专 业业 通信工程通信工程 指导教师姓名指导教师姓名 专业技术职务专业技术职务 目目 录录摘摘 要要.1第一章 绪论.31.1 引言 .31.2 直流电机的调速测速系统的发展 .31.3 直流电机调速方法.41.4 直流电机测速方法 .51.5 直流电机调速的基本原理.61.6 PWM 调速方法的优越性.71.7 本章小结 .7第二章 系统原理及方案设计.72.2 系统总体方案 .72.3 系统工作原理 .82.4 本章小结 .9第三章 系统硬件及对应电路设计.93.1 转速测量电路设计 .93.1.1 光栅盘.103.

2、1.2 光电传感器.103.2 信号调理电路 .113.3 LCD 液晶显示.123.4 直流电机驱动.133.5 单片机 .143.5.1 单片机的选型.143.5.2 PIC18F4520 单片机的优点.153.5.3 PIC18F4520 单片机的 PWM 模式.163.6 与 PIC 单片机及电机的接口.183.7 系统硬件电路设计的原则 .193.8 本章小结 .19第四章第四章 系统软件设计系统软件设计.194.1 引言 .194.2 系统应用程序设计 .204.3 直流电机转速控制器的软件设计 .204.4 系统软件设计剖析.224.4.1 系统初始化模块.224.4.2 电机运

3、转控制模块.254.4.3 按键识别模块.264.4.4 按键方法程序框图.274.4.5 电机启动、停止控制键功能处理.274.4.6 电机正反转控制键功能处理.284.4.7 电机速度控制键功能处理.284.4.8 LCD 显示模块.294.4.9 转速测量子程序.304.5 本章小结 .30第五章第五章 结果与分析结果与分析.305.1 运行结果 .305.2 遇到的问题及解决方法 .315.3 总结 .32参考文献.33附 录.34致 谢.502011 届本科生毕业设计（论文）1摘摘 要要如今，直流电机的调速测速系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展。长期以来，直流电动机因其转速调节

4、比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。本设计是基于 PIC 单片机的直流电机调速测速系统。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统的硬件选型，并针对所设计的控制方案分别对系统的硬件系统和软件系统进行了详细的论述。硬件部分首先介绍了各个硬件的选型以及对应的电路设计，然后介绍了以 PIC18F4520 单片机为核心的的硬件构成，对测量电路、显示电路、调速电路等做了详细的阐述；软件部分采

5、用模块化设计思想, 编制了各个模块的流程图,论述了软件的设计思想和方法,实现了对直流电动机的转动参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。利用 PIC18 系列芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。除此之外 PIC18F4520 还引进了增强型设计，使得该单片机成为许多高性能和节能应用的明智选择。关键词：关键词：直流电机 PIC 单片机 速度控制 速度检测2011 届本科生毕业设计（论文）2ABSTRACTNowadays，the speed testing and controlling system of DC

6、motor have been widely used and developed in every aspect of life. For a long time，DC motor has Possessed the main role in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth timing in a wide range，besides，its control Performance excellent. As the scale of Productio

7、n becomes larger and larger，the demand and requirements become higher and higher .So the research on improving the DC controlling system behavior has important sense.This design is a system of DC motor speed-testing and controlling Based on PIC MCU . It finished the total Project design of system an

8、d model selection according to the demants of the system.At the same time, the hard ware and software design of the system according to the Preceding solutions are discussed detailed. For the hardware Part after a dissertation on the whole design，the core hardware of the control system is the PIC MC

9、U，the Paper introduced the details of some hardware Problem，including input circuit of measure circuit，display circuit and so on .The method of software Planning for it is also discussed. For the software Part，with the Introduction of modular design concept some Procedure flow charts of main Program

10、 subroutine are offered. The Paper designs the software which achieves the functions，such as install Parameters，download Parameters，startup，stop accelerate and decelerate.This new family of PIC18 enables cost-effective design of controllers for DC motors which can fulfill more conditions，consisting

11、of fewer system component，lower system cost and increased Performances. In addition PIC18F4520 also introduced the enhanced design that making the single chip high-performance and energy efficiency for many applications to be a wise choice.Key words：DC Motor ; PICMCU; Speeds Control ; Speeds Text201

12、1 届本科生毕业设计（论文）3第一章第一章 绪论绪论1.1 引言在现代工业生产中，电动机的应用是非常广泛的。如在机械加工工业中，它是各种机床的动力源；在轧钢生产中，它是控制轧钢机的传动装置；而在其他工业生产中，用电机带动水泵、风机及控制闸门等。因此，在单片机控制系统中，如何控制电动机的转向和速度，便是经常遇到的问题。目前，自动控制系统在国内外已经得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流，在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中

13、。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求日益增大，并对其性能提出更高要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。1.2 直流电机的调速测速系统的发展最初的直流电机调速是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速功能。这种方法简单易行而且设备制造方便，价格低廉。但缺点也不容忽视，效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。在三十年代末，出现了发电机电动机，与磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件配合，可获得优良的调速性能。其一，可得到平滑的制动特性；其二，又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机电动机调速的

14、主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、有噪声、维修困难等。好在出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替发电机电动机系统，调速性能指标又进一步提高了。尤其是它的系统快速响应性是发电机电动机系统不能媲美的。但是汞弧变流器还是存在一些缺点的，维修不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害。1957 年，出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统便立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、寿命长、工作可靠、维修简便等一系列的优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速

15、在经济指标上和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示出了很大的优越性。晶闸管变流装2011 届本科生毕业设计（论文）4置的放大倍数在 10000 以上，比汞弧变流器高 10 倍比机组高 1000 倍。在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除了某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电；除晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。 随着微电子技术的发展、微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核

16、心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。对于测速，还是比较简单的，一般采用光电传感器进行信号的采集得到对应电机的速度。1.3 直流电机调速方法（1） 、直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为： aaaEU -I RCn 公式（1-1）式中：aU-电枢供电电压（V） aI-电枢电流（A） -励磁磁通（)WbR -电枢回路总电阻（） EC-电势系数，pNC60Ea，p 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导体数由公式 1-1 可以看出，式中aUaR三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机转速，所以直

17、流电动机有以下几种调速方法：A:改变电枢回路总电阻 Ra。B: 改变电枢供电电压 Ua。C: 改变励磁磁通 D: 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法。（2） 、本设计采用以上四种方法中的第四种即大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法。2011 届本科生毕业设计（论文）5脉宽调制（PWM）调整的是脉冲的宽度而不是频率。 “脉冲宽了”指的是高电平时间长了，低电平时间短了，也就是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比)来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称 PWM。改变占空比的方法有以下 3 种：、定宽调频法：这种方法

18、是保持不变，只改变，这样周期即频率也改变。1t2t、调宽调频法：保持不变，而改变，这样也使周期即频率改变。 2t1t、定频调宽法：这种方法是使周期即频率不变，而同时改变和。1t2t由于前两种方法是改变周期或频率，当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此用的比较少，所以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，转速逐渐减小。因此只要按一定规律改变通电时间，即可实现对转速的控制。3图 1-1 转速控制曲线1.4 直流电机测速方法对于直流电机的测速，目前比较好的方法就是对于转子引起的周期脉冲信号的频率进行测量。根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有以下几种

19、：（1）测频法（T 法）：即如果在一定的时间间隔内，计数被测信号的重复变T化次数为，则被测信号的频率可表示为。NffT N（2）测周期法（M 法）：即如果在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数,则被测信号的频率，其中为时钟脉冲信号频率。0m0sffmsf（3）同步法（M/T 法）：在被测信号个周期内，计数时钟脉冲数，从而1m2m2011 届本科生毕业设计（论文）6得到被测信号频率，则可以表示为。ff12sfm fm m1个脉冲 编码器输出 被测脉冲 检测时间 时钟脉冲 Tc TdT m2个脉冲图 1-2 M/T 法测速示意图但在这三种转速测量中，测频法适用于测量高的转速；测周期法适用于测量低的

20、转速。但是，在电机的旋转过程中，电机的速度范围变化很大，若想准确且实时地检测出电机的转速，需要测周期法和测频法同时使用，其测量原理如图 1-2 所示。101.5 直流电机调速的基本原理PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通的时间与周期的比来改变直流电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。1设电机始终接通电源时

21、，电机转速最大为，且设占空比为，则maxVDt T电机的平均速度为： 由公式可知，当改变占空比时，就可dVmaxdVVDDt T以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与dV占空比并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关D系。 在直流电机驱动控制电路中，PWM 信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动 H 桥下臂 MOSFET 的开关来改变2011 届本科生毕业设计（论文）7直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机 PWM 调速。1.6 PWM 调速方法的优越性本设计采用的是直流极式控制的桥式 PW

22、M 变换器，其优越性在于：主电路线路简单，需用的功率器件少。：开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。 ：低速性能好、稳态精度高、调速范围宽可达1:20000左右。：若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。：功率开关器件工作在开关状态时，通道损耗小；当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。：直流电机采用频控整流时，电网功率因素比相控整流器要高。 由于由以上优点直流 PWM 系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行的。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。51

23、.7 本章小结本章主要对直流电机调速测速的发展、相应的调速测速方法、以及对应调速方法的优越性分别进行了相关的介绍。第二章第二章 系统原理及方案设计系统原理及方案设计2.2 系统总体方案 根据系统功能要求和技术指标，系统总体方案设计如下图 2-3 所示： LCD显示PIC单片机系统电机驱动电路电机光码盘信号调理电路光电传感器控制按键2011 届本科生毕业设计（论文）8图 2-3 系统总体方案设计框图系统以 PIC 单片机为控制核心通过电脑设置参数下载到单片机。单片机输出二进制控制量，经 D/A 转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值输入端。放大器根据输入的模拟电压输出对应的电压来控制直

24、流电机的转速。直流电机同轴的光电编码器输出两路方波信号送到整形电路，通过整形电路送到单片机用于测量转速。通过不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调节放大器的输出电压。显示部分显示所测得的电机起停状态、转向和速度值；单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。 2.3 系统工作原理系统由 PIC 单片机系统的 PWM 模块产生 PWM 信号经过电机驱动电路来驱动直流电机运转，光栅盘被安装在电机的轴上并且有许多空线槽，可以透光。电机带动光栅盘转动，当发光二极管发出的光被挡住时，后面的光电传感器就接收不到信号，此时，光电传感器就发出一个低电平脉冲，即“0” 。如果旋转位置正好使

25、得光线可以透过线槽，光电传感器感应到信号就会发出一个高电平脉冲，即“1” 。由光电传感器检测到的信号经过信号调理电路整形放大之后，送到 PIC 单片机系统的 TMR1 的 T13CKI 引脚上以及 CCP1 的引脚上，从而完成对光电信号的脉冲计数和捕获，PIC 单片机根据 M/T 算法完成对直流电机速度的精确测量并送达到 LCD 显示屏上显示。系统硬件原理图如图 2-4 所示：2011 届本科生毕业设计（论文）9图 2-4 系统原理图注：端口 36-38 分别接有一个按钮用于演示手动控制电机的启/停、调速、正反转，具体在附录的原理图中体现。2.4 本章小结本章依据系统的技术要求，分析了系统的工

26、作原理并做出了整体的方案设计。第三章第三章 系统硬件及对应电路设计系统硬件及对应电路设计3.1 转速测量电路设计一个完善的闭环系统，定位精度和测量精度主要由测量元件决定。因此，高精度的测量转速对测量元件的质量要求相当高。光电编码器是现代系统中必不可少的一种数字式速度测量元件，被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统。2011 届本科生毕业设计（论文）103.1.1 光栅盘 图 3-1 光栅盘如图 3-1 所示光栅盘是在圆盘边刻有很多光栅。当光源照射到光栅部分时，没有被光栅挡住的光源就透射过去。在本系统中采用了再一个圆面上刻有 60 个均匀光栅格的光栅盘。当电机旋转一周时，会产生 60 个光脉冲信

27、号。2 3.1.2 光电传感器光电传感器 图 3-2 光电传感器示意图 图 3-3 光电传感器原理图本设计采用的传感器是对射型传感器 TCST2103。由上两图可知光电传感器由一个发光二极管和一个由光信号控制放大的三极管组成。由发光二极管发出红外光线通过 3mm 宽的气隙透射到另一端的三极管上，使得该三极管导通。其特性如下：气隙是 3mm分辨率达到 0.5mm大电流传输比30% 对应左右。 fIc I1390R 暗电流为：0.25A在=10m 时，发光二极管产生的光线的波长为 940nm。fI安装时将光栅盘圆面嵌到光电传感器的沟槽中，光电传感器的发光二极管发出的红光的红外光线通过 3mm 气隙

28、照射到光栅盘，光通过光栅盘盘面上透光的光栅气隙可以使得光电传感器的三极管导通，从 C 极会输出一个低电平，被2011 届本科生毕业设计（论文）11光栅挡住的光不能透射过去，使得光电传感器的 C 极会输出一个高电平。光电传感器在硬件电路设计上很简单, 如图 3-4 所示。在光电传感器的 1引脚上接一个限流电阻 R，限制流过发光二极管的电流=10mA 左右。计算公FI式如下： 公式（3-1）()FFIVccVR其中， 左右。；计算出；390RmA10IV5VV15. 1VFCCF3-4 光电传感器设计图3.2 信号调理电路 图 3-5 光电传感器 74HC14采用带施密特触发器的 74HC14 反

29、相器对采集到的信号进行整形放大。为了提高光电传感器输出信号的幅度，使该信号送入带施密特触发器的 74HC14 反相2011 届本科生毕业设计（论文）12器进行整形放大后再送到 PIC18F4520，各由两片 74HC14 的反相器进行两次反相后其中一路送到 PIC18F4520 单片机的 RC0/T13CKI 引脚上，由 T1 或 T3 进行脉冲计数。另一路送到 PIC18F4520 单片机的 RB0/INT0 引脚上，INT0 的中断来捕获该脉冲信号的上升沿或者下降沿。 3.3 LCD 液晶显示 图 3-6 LCD1602 液晶显示液晶显示模块(LCM)由于其具有低功耗、无电磁辐射、寿命长、

30、价格低、接口方便等一系列显著优点，被广泛应用于各种仪器仪表、测量显示装置、计算机显示中端等诸多方面。其中，字符液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。TS1602 字符液晶显示模块以 TS7066 和TS7065 为控制器，其接口信号功能和操作指令与 HD44780 控制器具有兼容性。字符液晶有 8x1、16x2、20 x2、40 x2 等 20 多种规格型号齐全的字符液晶显示模块，均具有相同的引线功能和编程指令，与单片机的接口技术具有通用性。4表 3-1 TS1602 的引脚与功能引脚号引脚符号名称功能1GND电源地接 5V 电源的地端2VDD电源正端接 5V 电源

31、的正端3V0液晶驱动电压端电压可调一端接地一端接可调电阻4RS寄存器选择端RS=1：数据寄存器；RS=0：指令寄存器5RW读/写选择端RW=1：读数据；RW=0：写数据6EN读/写使能端写时下降沿触发读时高电平有效714DB0DB78 位数据线数据总线15LEDA背光灯电源正端一般接 5V 左右，内置有限流电阻16LEDK背光灯电源地接地2011 届本科生毕业设计（论文）133.4 直流电机驱动 图 3-7 L298 实物图 图 3-8 L298 原理图中引脚图L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。

32、可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS，VSS可接 457 V 电压。4 脚 VS接电源电压，VS电压范围 VIH为2546 V。输出电流可达 25 A，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动2 个电动机，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机，本实

33、验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表 3-2 是 L298N 功能逻辑图。In3，In4 为电机驱动的输入信号。EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当 EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。6表 3-2 L298 的引脚功能引脚符号功能115SENSEASENSEB此两脚用来与地之间连接电流检测电阻，将检测量反馈给步进电机控制芯片，可以实现恒流驱动步进电机23OUT1OUT2此两脚是全桥式驱动器 A 的输出端，用来连接负载4V+电机驱动电源

34、输入端2011 届本科生毕业设计（论文）1457IN1IN2输入标准 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 A 的开与关611ENAENB使能控制端输入标准电平 TTL 逻辑电平信号；分别控制全桥式驱动器 A 与 B 的工作状态；等于 0 时驱动器禁止工作，无输出8GND接地端，芯片本身的散热片与 8 脚相通9Vcc逻辑控制部分的电源输入端1012IN3IN4输入标准 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 B 的开于关1314OUT3OUT4此两脚是全桥式驱动器 B 的输出端，用来连接负载3.5 单片机3.5.1 单片机的选型本设计所选择单片机实现的是检测和控功能，所以首要的工作就

35、是选择合适的单片机。目前国内在使用单片机作控制系统的微处理器时多选择 51 系列或Motorola 系列单片机，而本系统所选用的是 PIC 系列单片机。PIC 单片机在多个方面较其它系列单片机更有优越性。具体的优越性如下：(l)哈佛总线结构(2)指令单字节化(3)精简指令集(RISC)技术(4)寻址方式简单(5)代码压缩率高(6)寻址空间设计简洁(7)外接电路简洁(8)存储器容量大(9)定时器数目多、功能全2011 届本科生毕业设计（论文）153.5.2 PIC18F4520 单片机的优点 图 3-9 PIC18F4520 实物图 图 3-10 PIC18F4520 引脚图(l)PIC18F4

36、520 具有 PIC18 系列的固有优点，即优惠的价格和出色的计算性能。还具有高耐久性和增强型闪存程序存储器。除此之外 PIC18F4520 还引进了增强型设计，使得该单片机成为许多高性能和节能应用的明智选择。(2)工作时能显著降低功耗。主要包括以下几项：备用运行模式：通过将 Timer1 或内部震荡器模块作为单片机时钟源，可使代码执行时的功耗大约降低 90%。多种空闲模式：单片机还可工作在其 CPU 内核禁止而外设仍然运行的情况下。处于这些状态时功耗能降得更低，只有正常工作时的 4%。动态模式切换：在器件工作期间可由用户代码调用该功耗管理模式，允许用户将节能的理念融入到他们的应用软件设计中。

37、较低的关键模块功耗：Timer1 和看门狗定时器模块的的功耗需求可降到最低。 (3) PIC18F4520 单片机提供 10 种不同的振荡器选项，使用户在开发应用硬件时有很大的选择范围。这些选项包括： 四种晶振模式，使用晶振或陶瓷谐振器。 两种外部时钟模式，提供使用两个引脚（振荡器输入引脚和四分频时钟输出引脚）或一个引脚（振荡器输入引脚，四分频时钟输出引脚重新分配为通用I/O引脚）的选项。 两种外部RC振荡器模式，具有与外部时钟模式相同的引脚选项。 一个内部振荡器模块，它提供一个8MHz的时钟源和一个内部RC时钟源（振荡频率大约为31kHz），以及6种用户可选择的时钟频率范围（从125kHz到

38、4MHz）因此共有8种时钟频率可供选择。此选项可以空出两个振荡器引脚作为额外的通用I/O 引脚。 一个锁相环（PLL）倍频器，可用于高速晶振和内部振荡器模式，使时钟速度2011 届本科生毕业设计（论文）16可高达40MHz。PLL 和内部振荡器配合使用，可以向用户提供频率范围从31kHz到32 MHz的时钟，而且不需要使用外部晶振或时钟电路。除了可被用作时钟源，内部振荡器模块还提供了一个稳定的参考源，增加了以下功能以使器件更安全地工作。(4)故障保护时钟监视：该选项不停地监视主时钟源，将其与内部振荡器提供的参考信号作比较。如果主时钟发生了故障，单片机会将时钟源切换到内部时钟模块，使器件可继续低

39、速工作或安全地关机。(5)双速启动：该功能允许在上电复位或从休眠模式唤醒时将内部振荡器用作时钟源，直到主时钟源可正常工作为止。(6)其他特性： 存储器耐久性：程序存储器和数据EEPROM 的增强型闪存单元经评测，能经受数千次擦/写，程序存储器高达100,000次，EEPROM 高达1,000,000次。如果不刷新，数据保存期保守地估计在40年以上。 自编程性：这些器件能在内嵌软件控制下对各自的程序存储空间进行写操作。通过使用位于受保护的引导区中的自举程序，应用程序在现场可实现自我更新。 扩展指令集：PIC18F2420/2520/4420/4520 系列在PIC18指令集的基础上进行 了扩展，

40、添加了8条新指令和变址寻址模式。此扩展可以使用一个器件配置选项使能，它是为优化重入代码而特别设计的，这些代码是使用高级语言（如C语言）开发的。 增强型CCP 模块：在PWM模式下，该模式提供1、2或4个调制输出来控制半桥和全桥驱动器。其他功能包括自动断电（自动断电能在中断或其他条件下禁止PWM 输出）和自动重启（自动重启能在禁止条件被清除时再次激活输出）。 增强型可寻址USART：此串行通信模块可进行标准的RS-232通信并支持LIN总线协议。其他增强的功能包括自动波特率检测和精度更高的16位波特率发生器。当单片机使用内部振荡器模块时，USART与外界通信的应用程序提供稳定的通信方式，而不需要

41、使用外部晶振也无需额外的功耗。 10 位A/D 转换器：该模块具备可编程采集时间，从而不必在选择通道和启动转换之间等待一个采样周期，因而减少了代码开销。 扩展的看门狗定时器（WDT）：该增强的看门狗定时器添加了16 位预分频器，扩展了超时周期范围，在整个工作电压和温度范围内保持稳定。73.5.3 PIC18F4520 单片机的 PWM 模式在脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）模式下，CCPx引脚可输出分2011 届本科生毕业设计（论文）17辨率高达10位的PWM输出。由于CCP2 引脚与PORTB或PORTC数据锁存器复用，因此必须清零相应的TRIS位才能使CCP

42、2引脚成为输出引脚。（1）PWM周期：PWM 周期可以通过写PR2寄存器来指定。使用以下公式计算： 公式（3-2）周期 = (2) + 1 4 (2 预分频值)PWM 频率定义为1/PWM周期，当TMR2等于PR2时，在下一个计数周期中会发生以下三个事件： TMR2被清零。 CCPx引脚被置1（例外情况：如果PWM 占空比=0%，CCPx引脚将不被置1）。 PWM占空比从CCPRxL锁存到CCPRxH。（2）PWM占空比：PWM占空比可通过写入CCPRxL寄存器和CCPxCON位来指定。最高分辨率可达10位。CCPRxL包含占空比的高8位，CCPxCON包含低2位。由CCPRxL:CCPxCO

43、N表示这个10位值。计算占空比的公式如下： 公式（3-3） 占空比 =(:5:4) (2 预分频值)可以在任何时候写入CCPRxL和CCPxCON，但直到PR2和TMR2发生匹配（即周期结束）时，占空比的值才被锁存到CCPRxH中。在PWM 模式下，CCPRxH是只读寄存器。（3）设置PWM工作模式：在为 CCP 模块配置 PWM 工作模式时应该遵循以下步骤：1. 通过写 PR2 寄存器设置 PWM 周期。2. 通过写 CCPRxL 寄存器和 CCPxCON位来设置 PWM 占空比。3. 通过清零相应的 TRIS 位将 CCPx 引脚配置为输出。4. 通过写 T2CON 来设置 TMR2 预分

44、频值并使能 Timer2。5. 配置 CCPx 模块使之工作于 PWM 模式。（4）增强型捕捉/ / 比较/ /PWM（ECCP）模块：在PIC18F4520器件中，CCP1模块为带有增强的PWM功能的标准CCP模块。这些增强的功能包括提供2路或4路输出通道、用户可选的极性、死区控制以及自动关闭和重启。ECCP模块的捕捉、比较和单输出PWM 功能与标准CCP模块中描述的相同。（5）ECCP输出和配置：2011 届本科生毕业设计（论文）18每个增强型CCP模块至多有4路PWM输出，这取决于选定的操作模式。这些输出，P1A至P1D，与PORTC和PORTD上的I/O引脚复用。输出是否有效取决于选定

45、的CCP操作模式。要将I/O引脚配置为PWM输出，必须通过设置P1M1:P1M0以及CCP1M3:CCP1M0位来选择适当的PWM模式。还必须将对应端口引脚的相应TRISC和TRISD方向位设置为输出。（6）PWM 输出配置：CCP1CON寄存器中的P1M1:P1M0位可以实现以下4种配置： 单输出 半桥输出全桥输出，正向模式 全桥输出，反向模式（7）增强型PWM的自动关闭功能：当ECCP1被编程设置为任何一种增强型PWM模式时，可以将有效输出引脚配置为自动关闭方式。当发生关闭事件时，增强型PWM 输出引脚将被置于定义的关闭状态。关闭事件可以由两个比较器模块中的任意一个、故障输入引脚（FLT0

46、）上的低电平或以上3者的任意组合触发。比较器可以用来监视与桥式电路中监视到的电流成比例的电压输入。如果电压超过门限值，比较器将切换状态并触发关闭。 此外，FLT0引脚上的数字低电平信号也能触发关闭。3.6 与 PIC 单片机及电机的接口由 PIC 单片机的 CCP1 和 CCP2 模块产生同周期的 PWM 信号从 RC1 和 RC2 引脚输出。PWM 信号的分辨率可达到 10 位，送到 L298 的 IN3 和 IN4 引脚来控制电机的输出电压。L298 的 OUT3 和 OUT4 引脚的输出受 L298 的 ENB 使能引脚、IN3 引脚、IN4 引脚控制。这三个输入端的控制电平与电机转动状

47、态的关系，如表 3-3 所示。表 3-3 输入端控制电平与电机运转状态的关系输入功能C=H;D=L正向运转C=L;D=H反向运转Ven=HC=D快速停止Ven=LC=X;D=X自由停止注：H 表示高电平，L 表示低电平，X 表示任意电平。2011 届本科生毕业设计（论文）193.7 系统硬件电路设计的原则(l)硬件电路设计与软件设计相结合以优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来完成，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现的要长，还要占用 CPU 时间。但是用软件来实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。因此

48、在本系统的设计过程中，满足实时性和可行性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。11(2)可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障的时间越长，而且所用芯片数量越少，地址、数据总线在电路板上受到干扰的可能性就越低，因此单片机系统的设计思想是在满足所需功能的情况下尽量使用较少数量的芯片。(3)灵活的功能扩展。一次设计往往不能完全兼顾到系统的各个方面，所以系统需要不断完善，需要进行功能升级。其中，功能扩展时系统应该在原有设计不进行很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣性的重要指标。3.8 本章小结本章依据系

49、统的技术要求进行了整体的方案设计;分析了系统的工作原理;依据系统技术要求和方案对放大器、光电数字编码器、显示器、直流电机驱动、PIC 单片机等进行了选型。第四章第四章 系统软件设计系统软件设计4.1 引言随着现代技术的不断发展，可以利用软件简化或者代替硬件以及利用基本的硬件电路和软件技术达到系统多功能集成和容易修改的要求。8一个较为简单的硬件电路，其系统功能的主要实现是依靠软件的设计来完成的。本系统的软件采用模块化设计，将系统分为若干个模块，分别实现各项功能。这样在系统软件的调试过程中，各个模块可以独立调试，有助于问题的发现和解决，在2011 届本科生毕业设计（论文）20一定程度上节约了程序的

50、调试时间。 4.2 系统应用程序设计PIC18F4520 单片机的集成与调试工具包括:软件仿真器 proteus、集成开发调试软件 MPLAB。PIC 系列单片机可采用汇编语言或 C 语言两种语言编写源程序代码。MPLAB 是一个完整的 PIC 单片机集成开发环境，也是目前最流行、最优秀的 PIC 单片机开发软件，大部分的 PIC 系列的单片机都可以采用该软件工具进行开发。MPLAB 包括的功能有集成可视化编辑界面，可直接编写 C、汇编等文件。集成代码生成工具，包括汇编器、连接器等。系统的软件设计是用 PIC 的汇编语言在 MPLAB 集成环境下编译、运行、调试完成的。4.3 直流电机转速控制

51、器的软件设计直流电机调速测速系统的软件设计和系统功能的开发及完善是一个循序渐进的过程。该系统软件有主程序、功能键处理程序、电机运行显示程序、设置参数程序、测速程序、延时子程序等。该系统的整个软件设计全部采用模块化程序设计的思想，由系统初始化模块、按键识别模块、LCD 液晶显示模块、高优先级和低优先级中断服务程序四大模块组成。其中，系统初始化模块、按键识别和 LCD 液晶显示模块在主程序中完成，而中断服务完成 TMR0 定时溢出中断、TMR1 外部计数溢出中断、TMR3的 1计数溢出中断和 INT0 外部脉冲上边沿捕获中断等。整个软件的主程序和s中断服务程序框图如图 4-1 至 4-3 所示。2

52、011 届本科生毕业设计（论文）21系统初始化模块电机启动/停止按键识别模块测周期标志为一个处理模块测频1S时间到处理模块电机速度控制按键识别模块电机方向控制按键识别模块图 4-1 主程序框图高优先级中断入口INT0中断处理TMR0溢出中断标志=1？INT0中断标志=1？TMR0中断处理中断返回图 4-2 高优先级中断服务程序框图2011 届本科生毕业设计（论文）22 低优先级中断入口TMR1中断处理TMR3溢出中断标志=1？TMR1溢出中断标志=1？TMR3中断处理中断返回 图 4-3 低优先级中断服务程序框图4.4 系统软件设计剖析4.4.1 系统初始化模块 系统初始化模块包括对 PIC

53、单片机的 CPU 系统时钟初始化、TMR0 定时/计数器的初始化、TMR3 定时/计数器的初始化、PIC 单片机的 I/O 方向初始化、CCP 模块的初始化和系统相关变量的初始化过程。（1） CPU 系统时钟的初始化PIC18 单片机内部集成了经过校正的 8MHz 主时钟源，系统上电默认主时钟为 1MHz。通常情况下，需要对 OSCCON 寄存器进行配置，使其工作在 8MHz。为提高 CPU 的运算速度，采用 PIC18 单片机的内部 PLL 的 4 倍频以使 CPU 主时钟达到 32MHz，相应只需要对 OSCTUNE 寄存器进行设置。本系统采用 32MHz 的时钟源，因此初始化的结果如下：

54、OSCCON=0 x70;/IRCF2.0=111，选择内部 8MHz 的主振荡器OSCTUNE=0 x40;/PLLEN=1，使能 PLL 的 4 倍频，从而 CPU 内核时钟为 F 为32MHz2011 届本科生毕业设计（论文）23（2） TMR0 定时/计数器的初始化 本设计中系统中采用的是 TMR0 产生 1s 的定时，因此要将 TMR0 初始化工作在定时功能上，同时设置 T0CON 模式寄存器的预分频比和选择内部时钟源计数来完成定时，对 TMR1L 和 TMR1H 设置定时 1s 对应的初值。由于 TMR0 可以采用 16 位的方式计数，在对 TMR1L 和 TMRH 载入初值时，在

55、 16 位的工作模式下，要先载入 TMR1H 的内容，在再载入 TMR1L 的内容。具体的对应初始化程序如下： T0CONbits.TMR0ON=0;/TMR0 停止工作 T0CONbits.T08BIT=0;/选择 16 位的定时/计数器 T0CONbits.T0CS=0;/选择内部 CLKO 时钟源作为定时 T0CONbits.PSA=0;/选择预分频器 T0CONbits.T0PS2=1;/预分频比为 1:256 T0CONbits.T0PS1=1; T0CONbits.T0PS0=1; TMR0H=(65536-31250)/256;/先写高字节 TMR0L=(65536-31250)

56、%256;/再写低字节 T0CONbits.TMR0ON=1;/开始定时工作 （3） TMR1 定时/计数器的初始化 由光栅盘产生的脉冲信号送到单片机的 RC0/T13CK 引脚， TMR1 对其进行脉冲计数，因此 TMR1 必须初始化在外部计数模式下，对 T1CON 寄存器进行设置，TMR1L 和 TMR1H 均初始化为 0。具体的设置如下：T1CONbits.RD16=1;/允许一次性读写 16 位 T1CONbits.TMR1CS=1;/选择外部时钟源,TMR1 用作外部计数 TMR1H=0;/TMR1 数据寄存器清 0 TMR1L=0; T1CONbits.TMR1 ON=1;/允许

57、TMR1 开始工作（4）TMR3 定时/计数器的初始化 用 M/T 法测量电机的速度时，需要有一个标准时钟来产生标准的计数过程。此处用 TMR3 工作在 16 位的定时模式下，以 1的速度进行标准脉冲计数。初s始化的结果如下： T3CONbits.T3CKPS1=1; T3CONbits.T3CKPS0=1; T3CONbits.RD16=1;/允许一次性读写 16 位 T3CONbits.TMR3CS=0;/选择内部时钟源,TMR3 用作内部计数 TMR3H=0;/TMR3 数据寄存器清 02011 届本科生毕业设计（论文）24 TMR3L=0; T3CONbits.TMR3ON=1;/允许

58、 TMR3 开始工作（5）PIC 单片机 I/O 口方向的初始化 在 2-4 系统原理图中，RD 端口的 RD0.7 和 RE 端口的 RE0.2 是与 LCD 模块连接的，是从 PIC 单片机输出数据或指令到 LCD 模块的端口，因此可以将其全部设置为输出方向；此外，由于 RE0.2 的上电复位默认为模拟输入口，不是数字 I/O 口，因此需要对 ADCON1 控制寄存器配置 RE0.2 为数字 I/O 口。由于RB 端口接有 3 个按键 K1.3 和 INT0 外部中断信号输入，因此需要将 RB 端口配置成带有上拉功能的输入端口，RB 启用内部弱上拉即可。RC1 和 RC2 是 PWM 信号

59、的输出，应将 RC1 和 RC2 配置成输出引脚。具体的初始化结果如下：ADCON1=0 x0F;/配置 RA 和 RE 端口全为数字 IO 口 TRISD=0 x00;/RD 端口置输出方向 TRISE=0 x00;/RE 端口置输出方向 INTCONbit.RBPU =0;/启动 RB 端口的内部弱上拉功能TRISB=0Xff;/配置成输入引脚 TRISDbits.TRISC1=0; RC1 为输出引脚 TRISDbits.TRISC2=0; RC2 为输出引脚 （6）ECCP 模块初始化在原理图中，RC1 和 RC2 分别接在 L298 的 IN3 和 IN4 引脚上来控制电机正反转并实

60、现对电机的调速。此时，必须将 ECCP 模块初始化在 PWM 模式下，并且采用周期相同的 PWM 信号。PIC18F4520 的两个 CCP 模块具有此功能。在 PWM 模式下，由 TMR2 来产生 PWM 信号周期，还有要对 TMR2 进行初始化，并且设置PWM 的周期和占空比。具体的初始化过程如下：CCP1CON=0 x0F;/CCP1 设置为 PWM 模式CCP2CON=0 x0F;/CCP2 设置为 PWM 模式T2CON=0 x03;/TMR2 的预分频为 1:16T2CONbits.TMR2ON=1;/TMR2 开始工作PR2=249;/PWM 周期为 2000Hz,FOSC=32