【正文】 儲(chǔ)器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于 AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。 圖 系統(tǒng)硬件分配圖 ATmega16 介紹 ATmega16 簡(jiǎn)介 ATmega16是基于增強(qiáng)的 AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS微控制器。 PWM 調(diào)速有很多優(yōu)點(diǎn)，比如 PWM 開關(guān)頻率高、電流容易連續(xù)、諧波少、低速性能好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍 寬等。 （ 5）采用數(shù)字 PID 算法，利用軟件實(shí)現(xiàn)控制，具有更靈活、更節(jié)約硬件等優(yōu)點(diǎn)。 80%左右，速度設(shè)定值 無變化時(shí)控制誤差≤ 5%，勻變速時(shí)間可調(diào)； 4．在外負(fù)載變化時(shí)能調(diào)整轉(zhuǎn)速使之勻變速接近于設(shè)定值； 5．單片機(jī)的程序代碼采用 C 語言實(shí)現(xiàn)； 基于第二章中提出的問題解決方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求， 設(shè)計(jì)思路如下： 本次設(shè)計(jì)主要是利用 PID 控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以 ATmega16 單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受 PID算法控制的 PWM脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，同時(shí)，利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)化成脈沖頻率反饋到單片機(jī) 中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng) ，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。但在很多調(diào)速控制場(chǎng)合，直流電機(jī)仍是最佳選擇。 自勵(lì)電動(dòng)機(jī) 自勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接，按連接方式不同又分為：并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)三種，如圖所示。所以當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)， A、 x 兩個(gè)導(dǎo)體輪流交替地處于 N 極和 s極下時(shí)，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時(shí)改變方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，使 電動(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 5 直流電動(dòng)機(jī)介紹 直流電機(jī)簡(jiǎn)介 直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。我國(guó)從 20世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。其中，脈寬調(diào)制（ PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種光盤驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (放大倍數(shù) 1000)高 10 倍 ， 在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心 — 單片機(jī)，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng) I/O 功能等方向發(fā)展。 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) ............................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。昆 明 學(xué) 院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)（論文）題目 基于 AVR 單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 子課題題目 姓 名 學(xué) 號(hào) 20210417203 所 屬 院（系） 自機(jī)學(xué)院自機(jī)系 專業(yè)年級(jí) 電氣工程 指導(dǎo)教師 2021 年 5 月 摘要 在各類機(jī)電系統(tǒng)中 ,由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能 ,直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。 電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì) ............................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機(jī)已越來越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化 等方面， 特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。 二 .三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī) (也稱為旋轉(zhuǎn)變流組 )，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍 (十比一至數(shù)十比一 )較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。從 20世紀(jì) 80 年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成一次大的躍進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻 的變化。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動(dòng)機(jī)，如永磁直流電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)等。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。在磁場(chǎng)中放如通有電流的導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)效應(yīng)。此時(shí)換向器起到將外電路的直流改變?yōu)榫€圈內(nèi)交流的“逆變”作用。 圖 并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，因其勵(lì)磁電流受電機(jī)端電壓波動(dòng)的影響故其運(yùn)行性能略次于他勵(lì)式電機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用 在家用電器中的空調(diào)器、電冰箱、風(fēng)扇、洗衣機(jī)、跑步機(jī)等應(yīng)用直流電機(jī)已經(jīng)十分普遍。在系統(tǒng)中采用 128x64LCD 顯示器作為顯示部件，通 過 4x4 鍵盤設(shè)置 P、 I、 D、 V 四個(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。 方案論證與設(shè)計(jì) 方案一：采用 DSP 芯片來產(chǎn)生 PWM 信號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)和單片機(jī)結(jié)合來實(shí)現(xiàn) PID 算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。 鍵盤電路的設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)要求控制功能少，所以直接采用行列式鍵盤進(jìn)行控制。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 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。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用 Flash存儲(chǔ)區(qū) (ApplicationFlash Memory)。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。門限時(shí)間見 P36Table 15。 15 引腳圖 圖 ATmega16 引腳圖 單片機(jī)時(shí)鐘電路 工作所需的時(shí)序又時(shí)鐘產(chǎn)生， ATmega16 單片機(jī)可以采用兩種時(shí)鐘信號(hào)，一種是使用外部石英振蕩器 ，如圖 （ a）所示 ，一種是選用外部時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘源 如圖 （ b）所示 。 電源經(jīng) Q1 至電動(dòng)機(jī)的正極經(jīng)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過 Q4 到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路，此時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。 1之間變化，如果改變 λ ，那么便可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的無極調(diào)速。由于 獨(dú)立式鍵盤的特點(diǎn)是：各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵的“接零端”均接地，每個(gè)按鍵的“測(cè)試端”各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線 上的工作狀態(tài)。 圖 鍵盤電路 電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn) 對(duì)直流電機(jī)速度的采樣，采用常用的光電編碼器來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的編碼，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種廣泛使用的數(shù)字傳感器，具有精度高、非接觸測(cè)量、測(cè)量范圍大、信號(hào)處理能力強(qiáng)和運(yùn)算、控制、儲(chǔ)存極為方便等優(yōu) 點(diǎn)。當(dāng)圓盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過整理后變?yōu)槊}沖。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)電壓可以通過在 AREF 引腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。 算法實(shí)現(xiàn)及 PWM 脈沖產(chǎn)生 PID 算法 控制算法是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實(shí)現(xiàn)。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。 如果占空比為 0%,那么高電平時(shí)間為 0,則沒有電壓輸出 。只要按照一定規(guī)律改變通斷、電時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 本設(shè)計(jì)采用通過改變單片機(jī)引腳輸出高低電平的時(shí)間比產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM 脈沖，進(jìn)而控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，其中脈沖周期為 T，若每個(gè)周期高電平時(shí)間為 U0(0≦ U0≦ T)，則低電平時(shí)間為 TU0,程序流程圖如圖 所示 ，相關(guān)程序見。 en=0。 pwm2=0。Disp_Chinese(0,48,shu)。Disp_Digit(2,20,maohao)。Disp_Digit (2,52,s[0])。Disp_Digit(2,36,s[0])。Disp_Digit (4,20,maohao)。Disp_Digit (4,52,s[0])。Disp_Digit(4,36,s[0])。Disp_Digit(6,36,maohao)。 left()。 Delay12864(1000)。 For(flag=0,n=0。} left()。Disp_Digit (2,36,s[n])。Disp_Digit (2,52,kong)。break。 For(flag=0,n=0。Disp_Digit(2,28,s[n])。 Delay12864(2500)。 Delay12864(1000)。 Set=0。 Kdd=0。} left()。Disp_Digit (4,36,s[n])。Disp_Digit (4,52,kong)。 37 Kdd+=*n Set=0。 V0=0。) { right()。 Case 4: right()。 left()。 If(flag==1)break。 Kdd+=10*n。) { left()。 case 3: left()。Disp_Digit(2,52,s[n])。} right()。 For(flag=0,n=0。Disp_Digit(2,28,kong)。Disp_Digit(2,28,s[0])。 left()。 If(flag==1) Break。 Kpp+=10*n。Disp_Digit (2,36,kong)。Disp_Digit (2,28,s[n])。 left()。Disp_Chinese(6,44,zheng)。Disp_Digit(4,44,s[0])。Disp_Chinese(4,4,V)。Disp_Digit (4,28,s[0])。Disp_Digit(2,24,dian0)。Disp_Chinese(2,4,Ki)。Disp_Digit (2,28,s[0])。Disp_Chinese(0,0,she)。 Init_lcd()。en2=0。 圖 PWM 產(chǎn)生流程圖 31 主流程圖 主程序完成系統(tǒng)初始化、中斷判斷、數(shù)據(jù)檢測(cè)機(jī)處理和電機(jī)的 PID調(diào)節(jié)等工作，主程序結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 主流程圖 系統(tǒng)主程序 （包含 PWM 波產(chǎn)生程序） include include include Main() {zf=0。 由以上公式可知，當(dāng)改變占空比，就可以得到不同的電機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 所以通過調(diào)節(jié)占空比 ,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的 ,而且輸出電壓可以無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié) 。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù) 28 脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。 本系統(tǒng)采用 PID 算法，程序流程圖如下圖所示。由于匯編語言編寫的系統(tǒng)程序的可讀性和移植性都比較差，因此，系統(tǒng)的調(diào)試工作也比較困難，產(chǎn)品的開發(fā)周期也比較長(zhǎng)。兩路差分輸入 (ADC ADC0 與 ADC ADC2)有可編程增益級(jí)，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大級(jí)。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90 度的兩路脈沖信號(hào) 。一般光電編碼器分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器兩種。獨(dú)立式鍵盤每一個(gè)按鍵需占用一根輸入線 ，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，輸入口浪費(fèi)嚴(yán)重，此種鍵盤只適用于按鍵少或?qū)ο到y(tǒng)操作速度較快的場(chǎng)合。 當(dāng) λ 1時(shí)， VOUT0,電機(jī)正轉(zhuǎn)。此時(shí) Q2的漏極接近于零電平， VCC通過 D1向 C1 充電，為 Q1的又一次導(dǎo)通做準(zhǔn)備。 IR2110 的應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行成本。 XTAL1：反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。端口 C 也可以用做其他不