【正文】 摘 要近年來，電機調速系統(tǒng)在工業(yè)自動化、生產過程控制、測控儀表等領域的應用越來越深入和廣泛。ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。主要由ATmega16為核心設計由LMD18200驅動芯片，采用232通訊協(xié)議的串行通信控制電路構成的直流電機PWM調速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要完成由上位機和ATmega16控制直流電機的起動，停止和加減速等功能。文章詳細介紹了本調速控制系統(tǒng)的工作原理、PWM驅動接口電路和K1010光電耦合器，LMD18200驅動電路，串行通信控制電路相應的軟件設計。軟件通過ICCAVR編寫，然后用AVRStudio進行仿真并將編譯通過的程序代碼下載到ATmega16之中對系統(tǒng)進行控制。關鍵詞：ATmega16；直流電機；PWM；LMD18200AbstractIn recent years, the SCM application which used in the field of industrial automation, production process bees more and more deepen and is a microcontroller buildup on AVR RISC configuration which is a low consume microcontroller of 8bit 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 design show us that a PWM speed system of DCmotor using ATmega16 is introduced in this paper. This paper elaborates on the system principle,optical Encoder, LMD18200 driving system, High Reliability Photo CouplerK1010,the DCmotor PWM digital control system,and system serial munication agreement of 232 munication. The system is mainly pleted 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 system39。s working principle, the PWM drive interface circuit and K1010 Optocoupler,LMD18200 drive circuit, the relative software design of the serial munication control software is programmed through ICCAVR, then simulated by AVRStudio and the piled code is downloaded to ATmega16 to control the system.Key words: ATmega16。 DCmotor。 PWM。LMD18200目 錄1 緒論 1 課題的背景及意義 1 直流電機的發(fā)展 2 本設計完成的工作 22 AVR單片機簡介 3 單片機系統(tǒng)概述 3 ATmega16功能概述 3 ATmega16單片機 5 ATmega16單片機的特點及特性 5 ATmega16單片機引腳配置及說明 8 CPU 9 存儲器 10 I/O口介紹 12 復位電路 17 時鐘電路 183 直流電機控制系統(tǒng)硬件設計 21 總體電路設計 21 時鐘電路 21 系統(tǒng)復位電路 21 串行通信接口電路設計 22 主要特點 22 內部結構 23 Max232引腳圖 23 Max232 電路設計 23 驅動電路 24 LMD18200芯片介紹 24 各引腳的功能及原理 26 驅動電路設計 27 光電耦合電路 284 軟件設計 30 初始化程序設計 30 I/O初始化 30 定時器初始化 30 串口初始化 31 主程序 32 中斷及轉速控制子程序 34 串行數(shù)據(jù)傳輸程序 36 ICCAVR 37 開發(fā)環(huán)境ICCAVR介紹 37 開發(fā)及編譯 37 AVRStudio仿真 38 仿真器的特點 38 連接JTAG ICE 39 仿真環(huán)境 40 ATmega16單片機控制直流電機程序代碼 42結 論 49致 謝 50參考文獻 51附錄A 英文原文 52附錄B 中文翻譯 60附錄C 總體電路設計圖..........................................................................................................6768 / 721 緒論 課題的背景及意義在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農業(yè)生產還是在日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動機。因此對電動機的控制變得越來越重要了。電動機的控制技術的發(fā)展得力于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的最新發(fā)展成就。正是這些技的進步使電動機控制技術在近二十多年內發(fā)生了翻天覆地的變化。在各類機電系統(tǒng)中，由于直流電機具有良好的起動、制動和調速性能，直流調速技術已廣泛運用于工業(yè)、航天領域的各個方面。直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內平滑調速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。隨著生產和科技的發(fā)展，一方面對電機調速系統(tǒng)在控制精度、工作速度、快速啟、制動及逆轉性能以及在寬范圍的調速等諸方面要求越來越高；另一方面，電機控制系統(tǒng)也經歷了交磁放大器、磁放大器、可控離子變速器、可控硅和計算機控制的發(fā)展歷程。尤其是最近幾年來，隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展及單片機的廣泛應用，使調速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。目前，最常用的直流調速技術是脈寬調制(PWM)直流調速技術，它具有調速精度高、響應速度快、調速范圍寬和耗損低等特點。國內中小功率直流電機的調速系統(tǒng)大量地采用脈沖寬度(PWM)調速技術，正在迅速地取代SCR直流調速系統(tǒng)。尤其是單片機控制的智能化調速系統(tǒng)有可能直接安裝在電機座上而做到與電機一體化，節(jié)省了專用控制機矩，從而使設備的可靠性、。AVR單片機是基于RISC指令架構的8位單片機。RISC通過優(yōu)選使用頻率最高的簡單指令，避免復雜指令，采用固定指令長度，減少指令格式和尋址方式等方法來縮短指令周期，提高處理起的運算速度。采用這種RISC結構，使得AVR系列的單片機具備1MIPS/MHZ的高速處理能力。AVR高端產品ATmega系列的部分單片機中還集成了在線調試單元，通過JTAG即可實現(xiàn)在線調試和程序下載功能。這使得AVR單片機成為一種能滿足多種需求的高靈活性和低成本的高速微處理器。 直流電機的發(fā)展直流電機可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度控制。直流電機作為控制執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領域。例如，在儀器儀表，機床設備以及計算機的外圍設備中（如打印機和繪圖儀等），凡需要對轉角進行精確控制的情況下，使用直流電機最為理想。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，直流電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。直流電動機是最早出現(xiàn)的電動機,也是最早實現(xiàn)條素的電動機。由于它具有良好的線性調速特性，控制簡單，效率高及優(yōu)異的動態(tài)特性,長期以來一直戰(zhàn)局著調速控制領域的統(tǒng)治地位。近年來，隨著交流變頻電機及無刷電機的調速控制技術的不斷成熟，直流電機正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在多數(shù)調速控制場合，直流電機仍是最佳選擇。在本世紀初，由于資本主義列強爭奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時也使得直流電動機的技術得到了長足的進步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，直流電動機的控制方式更加靈活多樣。原來的直流電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。計算機則通過軟件來控制直流電機，更好地挖掘出電動機的潛力。因此，用計算機控制直流電機已經成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢。現(xiàn)在比較常用的直流電機包括反應式直流電機、永磁式直流電機、混合式直流電機和單相式直流電機等。其中反應式直流電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩?，F(xiàn)階段，反應式直流電機獲得最多的應用。 本設計完成的工作本次畢業(yè)設計是單片機控制直流電機方面的應用。這個設計最終目的是設計出一個可以控制直流電機旋轉的系統(tǒng)。本次設計主要實現(xiàn)了以下幾個功能：(1) 設計兩個穩(wěn)壓電源接口，可以接入適合單片機工作的5V電源和LMD18200使用的12V電源。(2) 設計一個外圍驅動電路來驅動直流電機旋轉。(3) 使用上位機串口控制直流電機轉速。最后編寫軟件部分，將程序輸入單片機并運行系統(tǒng)，使系統(tǒng)工作。2 AVR單片機簡介 單片機系統(tǒng)概述隨著材料科學、工藝技術、計算機技術的發(fā)展與進步，電路系統(tǒng)向著集成度極高的方向發(fā)展。CPU的生產制造技術，也朝著綜合性、技術性、實用性發(fā)展。如CPU的運算位數(shù)從4位、8位……到32位機的發(fā)展，運算速度從8MHz、32MHz……?？梢哉f是日新月異的發(fā)展著。其中單片機在控制系統(tǒng)中的應用是越來越普遍了。單片機控制系統(tǒng)是以單片機（CPU）為核心部件，擴展一些外部接口和設備，組成單片機工業(yè)控制機，主要用于工業(yè)過程控制。要進行單片機系統(tǒng)設計首先必須具有一定的硬件基礎知識；其次，需要具有一定的軟件設計能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求，靈活地設計出所需要的程序；第三，具有綜合運用知識的能力。最后，還必須掌握生產過程的工藝性能及被測參數(shù)的測量方法，以及被控對象的動、靜態(tài)特性，有時甚至要求給出被控對象的數(shù)學模型。 ATmega16功能概述AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。AVR的主要特性：高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位，一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。早期單片機主要由于工藝及設計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩(wěn)妥方案：即采用較高的分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。以后的 CMOS單片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡指令集單片機(RISC)問世，但依然沿襲對時鐘分頻的作法。AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。AVR單片機硬件結構采取8位機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32個寄存器文件)和單體高速輸入/輸出的方案(即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應控制邏輯)。提高了指令執(zhí)行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬件結構，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。 AVR單片機內嵌高質量的Flash程序存儲器，擦寫方便，支持ISP和IAP，便于產品的調試、開發(fā)、生產、更新。內嵌長壽命的EEProm可長期保存關鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內大容量的RAM不僅能滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序，并可像MCS51單片機那樣擴展外部 RAM。AVR單片機的I/O線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入/輸出、可設定（初始）高阻輸入、驅動能力強（可省去功率驅動器件）等特性，使的得I/O口資源靈活、功能強大、可充分利用。AVR單片機片內具備多種獨立的時鐘分頻器，分別供URAT、I2C、SPI使用。其中與8/16位定時器配合的具有多達10位的預分頻器，可通過軟件設定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時時間。AVR單片機獨有的“以定時器/計數(shù)器（單）雙向計數(shù)形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設計方法(即脈寬調制輸出PWM)”更是令人耳目一新。增強性的高速同/異步串口，具有硬件產生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩