基于ds1820的振動箱體溫度檢測儀的設(shè)計及基于AVR的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

XX農(nóng)學(xué)院結(jié)課論文題目:基于ds1820的振動箱體溫度檢測儀的設(shè)計學(xué)生姓名田雨秋系別機電工程系專業(yè)班級測控專業(yè)升本班任課教師成績評定20年11月目錄1前言……………22DS18B2相關(guān)介紹……………32.1DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)…………32.2DS18B20的測溫原理………62.3DS18B20的的性能特點……………………72.4DS18B20與單片機的典型接口設(shè)計………73LCD顯示電路…………………84.1DS18B20測溫設(shè)計方案一…………………124.2DS18B20測溫設(shè)計方案二…………………125.數(shù)碼管顯示和液晶顯示的利弊………………13致謝……………14參考文獻(xiàn)………………………15附錄1系統(tǒng)電路原理圖………16附錄2源程序…………………16

1前言DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。DigitaltemperaturesensorDS18B20convenientwiring,packagecanbeusedinmanyoccasions,suchaspipelinetype,screwtype,magneticadsorption,stainlesssteelpackagetype,diversemodels,LTM8877,LTM8874etc..Mainlyaccordingtothedifferentapplicationswithoutchangingitsappearance.AfterpackagingtheDS18B20canbeusedforcabletemperaturemeasurement,temperaturemeasurementofblastfurnacecirculatingwater,boilertemperature,roomtemperature,agriculturalgreenhousetemperature,cleanroomtemperature,ammunitionandotherkindsofextremetemperaturemeasurementoccasions.Wearresistanttouch,smallvolume,convenientuse,packagediversity,applicabletovarioussmallspaceequipmentdigitaltemperaturemeasurementandcontrolfield.

2DS18B2相關(guān)介紹2.1DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示。DS18B20的外形級封裝如圖3.4，引腳說明：NC空引腳，不連接外部信號。VDD電源引腳，電壓范圍3.0-5.5V。GND接地引腳。DQ數(shù)據(jù)引腳，傳遞數(shù)據(jù)的輸入和輸出。該引腳常態(tài)下為開漏輸出，輸出高電平。DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：

（1）64位EOM。64位ROM是廠家用激光刻錄一個64位二進制ROM代碼，是該芯片的標(biāo)志號。如下表所示。表3.38bit檢驗CRC48bit序列號8bit工廠代碼（10H）MSBLSBMSBLSBMSBLSB8位分類編號表示產(chǎn)品分類編號，DS18B20的分類號為10H；48號序列是一個大于281000000000000的十進制編碼，作為該芯片的唯一標(biāo)志代碼；8位循環(huán)冗余檢驗為前56位的CRC循環(huán)冗余效驗碼。由于每個芯片的64位ROM代碼不同，因此在單總線上能夠并掛多個DS18B20進行多點溫度測量實時監(jiān)測。

（2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0232221202-12-22-32-4LSBytebit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8SSSSS262524MSByte這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。DS18B20溫度傳感器的存儲器DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。TMR1R011111

配置寄存器五位一直都是“1”，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置溫度分辨率，DS18B20溫度傳感器的溫度分辨率越高，溫度最大轉(zhuǎn)換時間也隨之增大。R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms表3.6說明了R1和R0所對應(yīng)的溫度分辨率的選擇和所需要的溫度最大轉(zhuǎn)換時間。高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表3.7所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位（LSByte）0溫度值高位（MSByte）1高位限值（TH）2低位限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗值8根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。DS18B20通過ROM和RAM指令控制各個流程的進行，表3.8列出了各個ROM的指令、預(yù)定代碼及其功能。指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS1820溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）符合ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的DS1820使之做出響應(yīng)，為下一步對該DS1820的讀寫做準(zhǔn)備。搜索ROM0FOH用于確定掛接在同一總線上DS1820的個數(shù)和識別64位ROM地址。為操作各器件作好準(zhǔn)備。跳過ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。表3.8ROM指令表表3.9列出了DS18B20的各條RAM指令、約定代碼及其功能。其中包括溫度轉(zhuǎn)換、讀暫存器、寫暫存器、讀供電方式和重調(diào)EEPROM。指令約定代碼功能溫度變換44H啟動DS1820進行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時最長為750ms（9位為93.75ms）。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中。讀暫存器0BEH讀RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復(fù)制暫存器48H將RAM中第3、4字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中。重調(diào)EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時DS1820發(fā)送“0”，外接電源供電DS1820發(fā)送“1”。表3.9RANM指令表2.2DS18B20的測溫原理DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖3.5所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3.5中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。2.3DS18B20的性能特點：（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供；（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；（3）DS18B20具有多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；（5）溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃；（6）可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫；（7）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；（10）應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費類產(chǎn)品、溫度計或任何熱敏系統(tǒng)。2.4DS18B20與單片機的典型接口設(shè)計DS18B20與單片機的連接如圖3.6所示，由于DS18B20的數(shù)據(jù)線要求空閑狀態(tài)為高電平，所以在DS18B20的數(shù)據(jù)線與電源線VCC之間加了一個4.7K的上拉電阻，如果不想接上拉電阻的話，可以使能P3.0口的內(nèi)部上拉功能。從圖中可以看出，本例使用的是給DS18B20外接電源的方式。在由DS18B20構(gòu)成的單總線系統(tǒng)中，DS18B20只能作為從機，單片機或者其它部件作為主機。根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機控制DS18B20完成一次溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：一）、每次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位操作；二)、復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令；三）、最后發(fā)送RAM指令，這樣才能夠?qū)S18B20進行正確的操作。DS18B20的數(shù)據(jù)線DQ連到單片機的P3.0口。單片機通過控制P3.0口實現(xiàn)對DS18B20的操作，然后將讀出的溫度值通過串口發(fā)送到計算機。3LCD顯示電路顯示電路選擇液晶顯示屏LCD6102，1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。（1）1602LCD主要技術(shù)參數(shù)顯示容量為16×2個字符；芯片工作電壓為4.5～5.5V；工作電流為2.0mA（5.0V）；模塊最佳工作電壓為5.0V；字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm。其引腳說明如表3.10，寄存器選擇與控制編碼如表3.11表3.101602字符型LCD顯示器管腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線0位（最低位）8DB1底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1位9DB2底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線2位10DB3底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線3位11DB4高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4位12DB5高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位13DB6高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線6位14DB7高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線7位（最高位）（也是busyflag）15BLA背光電源正極16BLK背光電源負(fù)極表3.11寄存器選擇控制編碼RSR/W操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01讀busyflag（DB7），以及讀取位址計數(shù)器（DB0~DB6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)1602液晶顯示模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)中已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，就可以在顯示屏上看到字母“A”。1602識別的是ASCII碼，試驗可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。（2）控制器接口說明基本操作時序見表3.12表3.12基本操作時序讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0～D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0～D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0～D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0～D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無對此液晶操作主要有以下幾種方法：寫命令（包括但不限于初始化、調(diào)節(jié)顯示位置、清除顯示）寫數(shù)據(jù)(把一個字符的ASC碼寫入液晶使其顯示)讀忙信號（液晶乃低速設(shè)備，每次操作前應(yīng)該測試忙信號，確定其不忙時再操作）（3）1602LCD的指令碼（命令碼）此液晶上電的時候需要初始化典型的指令碼是38H，也就是上電的時候需要調(diào)用函數(shù)voidwrite_cmd(unsignedcharcommand)寫指令碼，即write_cmd(0x38);執(zhí)行完這個函數(shù)可以把液晶初始化成16x2顯示5x7的點陣8位總線接口。此液晶支持的指令碼如表3.13所示，控制液晶是否顯示，光標(biāo)是否顯示，光標(biāo)是否閃爍的指令如表3.14所示，控制寫字符，光標(biāo)或屏幕移動方向的指令如表3.15所示，移動光標(biāo)的指令如表3.16所示。表3.13指令碼說明指令碼功能00001DCBD=1開顯示；D=0關(guān)顯示C=1顯示光標(biāo)；C=0不顯示光標(biāo)B=1光標(biāo)閃爍；B=0光標(biāo)不顯示000001NSN=1當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加一，且光標(biāo)加一N=0當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減一，且光標(biāo)減一S=1當(dāng)寫一個字符，整屏顯示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光標(biāo)不移動而屏幕移動的效果。S=1當(dāng)寫一個字符，整屏顯示不移動表3.14控制液晶顯示指令碼0000100008H關(guān)液晶顯示光標(biāo)不閃爍不顯示光標(biāo)位置0000100109H關(guān)液晶顯示光標(biāo)不閃爍顯示光標(biāo)位置000010100AH關(guān)液晶顯示光標(biāo)不閃爍不顯示光標(biāo)位置000010110BH關(guān)液晶顯示光標(biāo)不閃爍顯示光標(biāo)位置000011000CH開液晶顯示光標(biāo)不閃爍不顯示光標(biāo)位置000011010DH開液晶顯示光標(biāo)不閃爍顯示光標(biāo)位置000011100EH開液晶顯示光標(biāo)不閃爍不顯示光標(biāo)位置000011110FH開液晶顯示光標(biāo)不閃爍顯示光標(biāo)位置表3.15寫完字符、光標(biāo)或屏幕移動方向指令碼指令碼功能80H+地址碼（0-27H，40H-67H）設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針表3.16移動光標(biāo)指令碼這是虛擬的液晶顯示圖表示2行16列顯示方框中的數(shù)字表示當(dāng)前位置的指針80H81H82H83H84H85H86H87H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FHC0HC1HC2HC3HC4HC5HC6HC7HC8HC9HCAHCBHCCHCDHCEHCFH指令碼功能01H顯示清屏：1.數(shù)據(jù)指針清零2.所有顯示清零02H顯示回車：1數(shù)據(jù)指針清零

4.1DS18B20測溫設(shè)計方案一（普通傳感器+AD轉(zhuǎn)換器）全數(shù)字溫度采集是由溫度傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)顯等電路模塊構(gòu)成的測量系統(tǒng)。圖2.1測量電路本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度值顯示出來，這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)換技術(shù)，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。4.2DS18B20測溫設(shè)計方案二（溫度傳感器DS18B20）進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器采用三線制與單片機相連，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求，具有低成本和易使用的特點。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，確定系統(tǒng)由3個模塊組成：主控制器、測溫電路和顯示電路。全數(shù)字溫度采集系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。STC89C52STC89C52單片機DS18B20溫度傳感器RESPACK-8顯示電路單片機復(fù)位時鐘振蕩設(shè)計要求及功能測量溫度范圍：（1）-10℃～+85℃，精度：±1℃；（2）LCD液晶屏顯示；5.數(shù)碼管顯示和液晶顯示的利弊液晶顯示材料具有明顯的優(yōu)點：驅(qū)動電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、無閃爍、對人體無危害、生產(chǎn)過程自動化、成本低廉、可以制成各種規(guī)格和類型的液晶顯示器，便于攜帶等。但是需要有背光照明，且可視角度有限制。1602采用并口傳輸，速度快。數(shù)碼管，沒有驅(qū)動要加CD4511等外加電路。1602內(nèi)部集成有顯示芯片，可以識別英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字，優(yōu)點：亮度高，顯示大。驅(qū)動部份的軟件簡單。發(fā)光二極管響應(yīng)速度可以達(dá)到納秒級，也可以用作顯示，比如點陣，但是分辨率稍低于液晶材料。因為其功率較大，可以用于照明，大量發(fā)光二極管用作照明時，要做好散熱設(shè)計。數(shù)碼管實際就是做成了具體顯示形式的發(fā)光二極管，可以顯示某些預(yù)先設(shè)置的圖像，顯示成本低于發(fā)光二極管點陣，但是顯示內(nèi)容基本固定。數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，液晶則比較豐富；數(shù)碼管一般就是一個7段的8字，液晶可以顯示各種內(nèi)容。數(shù)碼管是自發(fā)光的，液晶是靠背光(環(huán)境)的。數(shù)碼管是LED發(fā)光的效果，液晶是分子偏轉(zhuǎn)引起的暗影效果。數(shù)碼管比液晶耗電。

致謝此論文是在趙金才老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。老師精湛專業(yè)知識，精益求精的工作作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了做一個項目的基本流程。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，傾注了老師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！另外，我還要特別感謝同學(xué)們對我論文寫作的指導(dǎo)，他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。

參考文獻(xiàn)[1]劉少強，張靖.《傳感器設(shè)計與應(yīng)用實例》.人民郵電出版社，2006年6月1日.265－270。[2]金發(fā)慶.《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》（第二版）.機械工業(yè)出版社，2004年8月1日.175－186。[3]沙占友

王曉君

馬洪濤等.《智能化集成溫度傳感器原理與應(yīng)用》.[4]倪志蓮.《單片機應(yīng)用技術(shù)》.北京理工大學(xué)，2007年.74－85。[5]劉暢生，于建國，張昌民.《傳感器簡明手冊及應(yīng)用電路》.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009年6月.44－56。機械工業(yè)出版社，2002年7月1日.125－127。[6]吳飛青,丁曉,李林功.《單片機原理與實踐應(yīng)用指導(dǎo)》.機械工業(yè)出版社，2009年2月.167－175。[7]趙負(fù)圖.《現(xiàn)代傳感器集成電路》.人民郵電出版社，2000年1月1日.68－76。[8]侯玉寶，陳忠平，李成群.《基于Proteus的51系列單片機設(shè)計與仿真》電子工業(yè)出版社,2008年9月（聚焦EDA）。[9]鄒久朋.《80C51單片機實用技術(shù)》.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008年4月.76－89。附錄附錄1：系統(tǒng)電路原理圖附錄2：源程序（各個函數(shù)應(yīng)加上簡要注釋）附錄一單片機程序：#include<reg51.H>#include<intrins.H>#include<math.H>#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineBUSY0x80//LCD忙檢測標(biāo)志#defineDATAPORTP0//定義P0口為LCD通訊端口 sbitRS=P2^0; //數(shù)據(jù)/命令端//sbitLCDRW=P2^1; //只讀不寫將RW端接地sbitLCDEN=P2^2;sbitds=P1^7;sbitbeep=P1^1;floatvalue; voiddelayUs()//短延時{_nop_();}voiddelayMs(uinta)//長延時{uinti,j;for(i=a;i>0;i--)for(j=100;j>0;j--);}//第一行開始地址為0x80,第二行開始地址為0xc0;//寫命令:RS=0,RW=0;voidwriteComm(ucharcomm){RS=0;P0=comm;LCDEN=1;delayUs();LCDEN=0;delayMs(1);}//寫數(shù)據(jù):RS=1,RW=0;voidwriteData(uchardat){RS=1;P0=dat;LCDEN=1;delayUs();LCDEN=0;delayMs(1);}//初始化//顯示模式,固定指令為00111000=0x38,16*2顯示,5*7點陣,8位數(shù)據(jù)接口//顯示開/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置00001100=0x0c//指令1:00001DCB:D:開顯示/關(guān)顯示(H/L);C:顯示光標(biāo)/不顯示(H/L),B:光標(biāo)閃爍/不閃爍(H/L)//指令2:000001NS://N=1,當(dāng)讀/寫一個字符后地址指針加1,且光標(biāo)也加1;N=0則相反//S=1,當(dāng)寫一個字符,整屏顯示左移(N=1)或右移(N=0),但光標(biāo)不移動;S=0,整屏不移動voidinit(){writeComm(0x38);//顯示模式writeComm(0x0c);//開顯示,關(guān)光標(biāo)writeComm(0x06);//寫字符后地址加1,光標(biāo)加1writeComm(0x01);//清屏}voidwriteString(uchar*str,ucharlength){uchari;for(i=0;i<length;i++){writeData(str[i]);}}/**//*****************************DS18B20*******************************///初始化DS18B20//讓DS18B20一段相對長時間低電平,然后一段相對非常短時間高電平,即可啟動voiddsInit(){//對于11.0592MHz時鐘,unsignedint型的i,作一個i++操作的時間大于為8usunsignedinti;ds=0;i=100;//拉低約800us,符合協(xié)議要求的480us以上while(i>0)i--;ds=1;//產(chǎn)生一個上升沿,進入等待應(yīng)答狀態(tài)i=4;while(i>0)i--;}voiddsWait(){unsignedinti;while(ds);while(~ds);//檢測到應(yīng)答脈沖i=4;while(i>0)i--;}//向DS18B20讀取一位數(shù)據(jù)//讀一位,讓DS18B20一小周期低電平,然后兩小周期高電平,//之后DS18B20則會輸出持續(xù)一段時間的一位數(shù)據(jù)bitreadBit(){unsignedinti;bitb;ds=0;i++;//延時約8us,符合協(xié)議要求至少保持1usds=1;i++;i++;//延時約16us,符合協(xié)議要求的至少延時15us以上b=ds;i=8;while(i>0)i--;//延時約64us,符合讀時隙不低于60us要求returnb;}//讀取一字節(jié)數(shù)據(jù),通過調(diào)用readBit()來實現(xiàn)unsignedcharreadByte(){unsignedinti;unsignedcharj,dat;dat=0;for(i=0;i<8;i++){j=readBit();//最先讀出的是最低位數(shù)據(jù)dat=(j<<7)|(dat>>1);}returndat;}//向DS18B20寫入一字節(jié)數(shù)據(jù)入一字節(jié)數(shù)據(jù)voidwriteByte(unsignedchardat){unsignedinti;unsignedcharj;bitb;for(j=0;j<8;j++){b=dat&0x01;dat>>=1;//寫"1",將DQ拉低15us后,在15us~60us內(nèi)將DQ拉高,即完成寫1if(b){ds=0;i++;i++;//拉低約16us,符號要求15~60us內(nèi)ds=1;i=8;while(i>0)i--;//延時約64us,符合寫時隙不低于60us要求}else//寫"0",將DQ拉低60us~120us{ds=0;i=8;while(i>0)i--;//拉低約64us,符號要求ds=1;i++;i++;//整個寫0時隙過程已經(jīng)超過60us,這里就不用像寫1那樣,再延時64us了}}}//向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令voidsendChangeCmd(){dsInit();//初始化DS18B20,無論什么命令,首先都要發(fā)起初始化dsWait();//等待DS18B20應(yīng)答delayMs(1);//延時1ms,因為DS18B20會拉低DQ60~240us作為應(yīng)答信號writeByte(0xcc);//寫入跳過序列號命令字SkipRomwriteByte(0x44);//寫入溫度轉(zhuǎn)換命令字ConvertT}//向DS18B20發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令voidsendReadCmd(){dsInit();dsWait();delayMs(1);writeByte(0xcc);//寫入跳過序列號命令字SkipRomwriteByte(0xbe);//寫入讀取數(shù)據(jù)令字ReadScratchpad}//獲取當(dāng)前溫度值intgetTmpValue(){unsignedinttmpvalue;intvalue;//存放溫度數(shù)值floatt;unsignedcharlow,high;sendReadCmd();//連續(xù)讀取兩個字節(jié)數(shù)據(jù)low=readByte();high=readByte();//將高低兩個字節(jié)合成一個整形變量//計算機中對于負(fù)數(shù)是利用補碼來表示的//若是負(fù)值,讀取出來的數(shù)值是用補碼表示的,可直接賦值給int型的valuetmpvalue=high;tmpvalue<<=8;tmpvalue|=low;value=tmpvalue;//使用DS18B20的默認(rèn)分辨率12位,精確度為0.0625度,即讀回數(shù)據(jù)的最低位代表0.0625度t=value*0.0625;//將它放大100倍,使顯示時可顯示小數(shù)點后兩位,并對小數(shù)點后第三進行4舍5入//如t=11.0625,進行計數(shù)后,得到value=1106,即11.06度//如t=-11.0625,進行計數(shù)后,得到value=-1106,即-11.06度value=t*100+(value>0?0.5:-0.5);//大于0加0.5,小于0減0.5returnvalue;}voiddisplay(intv){unsignedcharcount;unsignedchardatas[]={0,0,0,0,0};unsignedinttmp=abs(v);datas[0]=tmp/10000;datas[1]=tmp%10000/1000;datas[2]=tmp%1000/100;datas[3]=tmp%100/10;datas[4]=tmp%10;writeComm(0xc0+3);if(v<0){writeString("-",2);}else{writeString("+",2);}if(datas[0]!=0){writeData('0'+datas[0]);}for(count=1;count!=5;count++){writeData('0'+datas[count]);if(count==2){writeData('.');}}}/*****************報警子函數(shù)*******************/、、/*voidalarm(void){ if((getTmpValue()>3000)) beep=0; else beep=1; }/**//*****************************DS18B20*******************************/voidmain(){uchartable[]="NowTemperature:";delayMs(1);sendChangeCmd();init();writeComm(0x80);writeString(table,16);while(1){delayMs(1000);//溫度轉(zhuǎn)換時間需要750ms以上writeComm(0xc0); display(getTmpValue()); alarm(); sendChangeCmd(); } }基于AVR的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)摘要：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(diào)速性能,直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運用于工業(yè)領(lǐng)域的各個方面。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù),它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點。文中采用AVR單片機ATmega16產(chǎn)生PWM信號、L298驅(qū)動、行列式鍵盤控制及LCD顯示，并采取轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PID算法對直流電機進行調(diào)速控制的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：AVR；雙閉環(huán)；PWM；直流電機調(diào)速AVR-baseddual-loopDCmotorspeedregulationsystemAbstract:Invariousmechanicalandelectricalsystems,duetoDCmotorhasagoodstart,brakingandspeedcontrolperformanceofDCdrivetechnologyhasbeenwidelyusedinindustry,allaspectsofthefieldofaerospace.Themostcommonlyusedtechniqueispulse-widthmodulatedDCspeed(PWM)DCconvertertechnology,whichhasspeed,highprecision,fastresponse,widespeedrangeandlowandthewearandtear.ThispaperpresentsaPWMgeneratedbytheAVRmicrocontrollerATmega16signal,L298-driven,thedeterminantofthekeyboardcontrolandLCDdisplay,andtotakespeed,thecurrentdual-loopPIDalgorithmtoDCmotorspeedcontrolofDCmotorPWMspeedcontrolsystem.Keywords:AVR；Double-loop；PWM；DCMotorSpeedControl

目錄1緒論 11.1緒論 11.2直流電動機簡介 11.3直流電機工作原理 21.4直流電機的勵磁 21.4.1 他勵電機勵磁 21.4.2 自勵電機勵磁 31.5直流電機的優(yōu)越性 31.6直流電動機應(yīng)用 42選題背景 42.1問題的提出 42.2解決方案 43系統(tǒng)總設(shè)計方案 53.1設(shè)計思路 53.2方案論證與設(shè)計 53.2.1 系統(tǒng)控制設(shè)計方案論證與選擇 53.2.2 電機控制電路的設(shè)計 63.2.3 鍵盤電路的設(shè)計 63.2.4 顯示電路的設(shè)計 63.2.5 速度測量電路的設(shè)計 63.2.6 電流檢測電路設(shè)計 63.3系統(tǒng)組成： 63.4ATMEGA控制電路 73.5電源及ISP 83.6主要電路單元的設(shè)計 83.6.1 L298驅(qū)動接口 83.6.1.1. 控制邏輯 93.6.1.2. L298原理圖 103.6.2 顯示電路設(shè)計 103.6.2.1. 液晶模塊接線圖 103.6.2.2. 1062接口說明 113.6.2.3. 基本操作時序 113.6.3 鍵盤電路設(shè)計 113.6.3.1. 行列式鍵盤電路 113.6.3.2. 按鍵抖動 123.6.3.3. 去抖方法 123.6.4 電機測速電路設(shè)計 123.6.5 光電編碼器的工作原理： 133.6.5.1. 絕對式編碼器 133.6.5.2. 增量式編碼器 143.6.5.3. 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號處理 143.6.6 電樞電流測量 153.6.6.1. 測量方法 153.6.6.2. AVR數(shù)模轉(zhuǎn)換特點 154系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn) 164.1PWM軟件設(shè)計 184.1.1 產(chǎn)生PWM信號4種方法 184.1.2 AVR單片機輸出PWM的程序 194.2轉(zhuǎn)向與速度檢測 194.2.1 測速原理 194.2.2 脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法 204.2.3 M/T法測速軟件設(shè)計 204.2.4 M/T法數(shù)字測速軟件圖 214.2.5 轉(zhuǎn)向的判斷 234.3電流檢測原理 234.3.1 AD轉(zhuǎn)換程序 234.4調(diào)節(jié)器的設(shè)計 244.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 244.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 274.5PID程序流程圖： 295系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 306總結(jié) 31致謝 32參考文獻(xiàn) 33 -PAGE4-基于AVR的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)緒論緒論當(dāng)今，自動化控制系統(tǒng)己經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。微機技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對基于微機控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結(jié)合的控制方法，本文在對控制對象全面回顧的基礎(chǔ)上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面充分利用微機外設(shè)接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。直流電動機簡介直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。在磁場中放如通有電流的導(dǎo)體就會產(chǎn)生磁感應(yīng)效應(yīng)。直流電動機是應(yīng)用磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，其轉(zhuǎn)子和定子分別由繞組和永久磁鐵組成。直流電動機具有調(diào)速性能較好和起動轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點。直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù),它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點。直流電機工作原理在直流電動機中，外加電壓并不是直接加在線圈兩端，而是通過電刷B1、B2和換向器再加到線圈上。由于電刷固定不動，對于圖中的情況，電流i總是從電刷B1流人，從電刷B2流出。所以當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，A、x兩個導(dǎo)體輪流交替地處于N極和s極下時，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，使電動機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時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1.1直流電機模型直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示T=KTφIa式中KT——電動機結(jié)構(gòu)系數(shù)；φ——每個磁極下的磁通(wb)；Ia——電樞電流(A)。直流電機的勵磁直流電機的主磁場由勵磁線圈通人直流電流產(chǎn)生，只有微型直流電機才采用永久磁鐵。勵磁方式是指勵磁線圈的供電方式。直流電機的運行性能與勵磁方式有密切的關(guān)系。按勵磁供電方式不同，直流電機可分為他勵和自勵兩大類。他勵電機勵磁他勵電機的勵磁電流由獨立的直流電源供電，其大小與電樞兩端電壓無關(guān)，如圖2—8a所示，有較好的運行性能。自勵電機勵磁自勵電機的勵磁繞組與電樞繞組連接，按連接方式不同又分為：并勵、串勵、復(fù)勵三種，如圖所示。圖1.2直流電動機勵磁并勵電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，因其勵磁電流受電機端電壓波動的影響故其運行性能略次于他勵式電機。串勵電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流相等。其主磁場的強弱與負(fù)載電流大小有直接關(guān)系，所以僅對電機有特殊性能要求時才采用。復(fù)勵電機的同一磁極有兩套勵磁繞組，一套繞組與電樞繞組并聯(lián)(或其他電源供給)，另一套繞組與電樞繞組串聯(lián)。本文重點放在直流電動機運行特性和應(yīng)用上。直流電機的優(yōu)越性直流電機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早實現(xiàn)調(diào)速的電動機。由于直流電機具有良好的線性調(diào)速特性、控制簡單、效率高及優(yōu)異的動態(tài)特性，長期以來一直占據(jù)著調(diào)速控制領(lǐng)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(diào)速控制技術(shù)的不斷成熟，直流電機正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。但在很多調(diào)速控制場合，直流電機仍是最佳選擇。直流電動機應(yīng)用在家用電器中的空調(diào)器、電冰箱、風(fēng)扇、洗衣機、跑步機等應(yīng)用直流電機已經(jīng)十分普遍。在航空、軍事設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域里的雷達(dá)驅(qū)動、機載武器瞄準(zhǔn)驅(qū)動、自行火炮火力控制驅(qū)動等等。在工業(yè)控制領(lǐng)域，機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動和自動生產(chǎn)線、電子產(chǎn)品加工裝備上的各種中小功率的驅(qū)動等。選題背景問題的提出眾所周知，直流電動機全壓啟動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電動機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓認(rèn)為零，相當(dāng)于差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓Ud一下子就達(dá)到它的最高值，對電機來說，相當(dāng)于全壓啟動，當(dāng)然是不允許的。 另外，有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如，由于故障是機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。解決方案為了為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，就應(yīng)能保持電流基本不變，使它不超過允許值。然而對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可你軋鋼機等，盡量縮短起、制動工程的時間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。為此，在電機最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使得轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。如圖所示n圖2.1直流電動機雙閉環(huán)理想快速啟動過程系統(tǒng)總設(shè)計方案設(shè)計思路題目要求設(shè)計一個基于AVR的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)可以分為控制部分、AD采樣部分和顯示部分。設(shè)計中采用Atmega16單片機為主控制核心，行列式鍵盤為控制部分，利用Atmega16的自帶的AD作為AD采樣電路，顯示部分采用液晶1602顯示。方案論證與設(shè)計系統(tǒng)控制設(shè)計方案論證與選擇方案一：采用DSP芯片來產(chǎn)生PWM信號來控制電機轉(zhuǎn)動，同時和單片機結(jié)合來實現(xiàn)PID算法，實現(xiàn)實時控制。方案二：直接采用AVR單片機由軟件產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，經(jīng)過PID算法來實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于系統(tǒng)要求比較簡單，所以采用Atmega16單片機來對電機進行控制。電機控制電路的設(shè)計方案一：采用晶閘管——電動機控制系統(tǒng)（V-M）進行控制。方案二：采用專用電機控制集成芯片L298來控制電機轉(zhuǎn)動，該方案電路簡單，可靠。方案三：直接采用4個三極管搭成橋式電路來控制電機的轉(zhuǎn)動。本設(shè)計采用方案二，采用芯片L298方便硬件設(shè)計，減少硬件帶來更大的麻煩。相對于V——M調(diào)速，PWM調(diào)速有很多優(yōu)點，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。鍵盤電路的設(shè)計由于系統(tǒng)要求控制功能少，所以直接采用行列式鍵盤進行控制。顯示電路的設(shè)計顯示電路采用LCM1602顯示結(jié)果。速度測量電路的設(shè)計速度測量采用光電編碼器進行速度采集，經(jīng)過單片機中斷將采樣的數(shù)據(jù)換算。電流檢測電路設(shè)計L298設(shè)有感應(yīng)電流檢測引腳1和引腳15，在1腳和地之間串入小于0.5歐姆的電阻，通過測量非地端電位即可計算出通過電阻電流即L298A路電流。詳見本文4.3.6部分。系統(tǒng)組成：經(jīng)過比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如下，其中采用Atmega16為主控制芯片，采用1602進行顯示，鍵盤控制電路。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3.1：圖3.1系統(tǒng)硬件的設(shè)計與實現(xiàn)ATMEGA控制電路圖3.2avr控制電路接線圖電源及ISP圖3.3電源及ISP接線圖主要電路單元的設(shè)計L298驅(qū)動接口AVR單片機ATMEGA16輸出的脈寬調(diào)制(PWM)信號需經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動電機,本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是L298驅(qū)動芯片,驅(qū)動接口電路如圖4.2所示。L298有單極性、雙極性2種工作方式。單極性工作方式指的是在一個PWM周期內(nèi),電機的電樞只承受單極性的電壓;雙極性工作方式是指在一個PWM周期內(nèi)電機電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。單片機的PWM輸出引腳(PD4或PD5)接L298的EnA和EnB引腳,它控制著電機轉(zhuǎn)速大小;單片機的PD6或PD7經(jīng)過一定的邏輯電路接到L298的IN1～I(xiàn)N4輸入引腳上,它控制電機的轉(zhuǎn)動方向。為了增強L298的驅(qū)動能力,本調(diào)速控制系統(tǒng)對L298的兩路驅(qū)動進行了并聯(lián)使用,最大驅(qū)動能力可以達(dá)到3A。圖3.4L298驅(qū)動電路接線圖控制邏輯圖3.5電機控制邏輯圖當(dāng)電機使能端A為高電平時，如果輸入端M1Direction引腳為高電平，三極管導(dǎo)通，輸入引腳1為低電平而輸入引腳2為高電平，電機反轉(zhuǎn)；如果輸入端M1Direction引腳為低電平，三極管截止，輸入引腳2為低電平而輸入引腳1為高電平，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)電機使能端A為低電平時，電機停止。L298原理圖圖3.6 L298原理圖顯示電路設(shè)計顯示給定的速度參數(shù)和經(jīng)過PID調(diào)速后穩(wěn)定的速度參數(shù)。液晶模塊接線圖圖3.71602接線圖1062接口說明圖3.81602液晶接口說明基本操作時序鍵盤電路設(shè)計行列式鍵盤電路圖3.9行列式鍵盤電路按鍵抖動按鍵在閉合和斷開時，觸點會存在抖動現(xiàn)象。圖3.10按鍵抖動去抖方法硬件方法：設(shè)計一個濾波延時電路或單穩(wěn)態(tài)電路等硬件電路來避開按鍵的抖動時間。軟件方法：指編制一段時間大于20ms的延時程序，在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行這段延時子程序使鍵的前沿抖動消失后檢測該鍵狀態(tài)，如果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)該鍵已穩(wěn)定按下，否則無鍵按下，從而消除了抖動的影響。同理，在檢測到按鍵釋放后，也同樣要延時一段時間，以消除后沿抖動，然后轉(zhuǎn)入對該按鍵的處理。本設(shè)計采用軟件方法。電機測速電路設(shè)計傳感器接口電路用于對直流電機的輸出量進行采樣，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速信號通過與直流電機同軸連接的增量式光電編碼器輸出的相差90度相角的兩路方波信號獲取。光電編碼器接線電路如圖圖3.11光電測速光電編碼器的工作原理：光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。絕對式編碼器絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。增量式編碼器增量式光電編碼器在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤隨電機旋轉(zhuǎn)時，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。碼盤上有相標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈Z相輸出一個脈沖。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，如圖4.9所示。圖3.12增量式光電編碼盤轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號處理將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計數(shù)器中，均可使計數(shù)器進行計數(shù)。編碼盤輸出Z相脈沖用于復(fù)位計數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計數(shù)器。編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過D觸發(fā)器的輸出信號Q來判斷。整形后的A、B兩相輸出信號分別接到觸發(fā)器的時鐘端和D輸入端，D觸發(fā)器的CLK端在A相脈沖的上升沿觸發(fā)。由于A、B兩相的脈沖相位相差90度，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時（假設(shè)A相脈沖超前時為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)），A相脈沖超前B相脈沖90度，觸發(fā)器總是在B脈沖為高電平觸發(fā)，這時D觸發(fā)器的輸出端Q輸出高電平。如圖4.10所示。當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90度，則D觸發(fā)器總是在B脈沖為低電平時觸發(fā)，這時Q輸出端輸出為低電平。由此確定電機的轉(zhuǎn)動方向。圖3.13光電編碼盤工作原理圖電樞電流測量測量方法在L298的1腳和15腳串接電阻可分別檢測L298A路和B路電流大小，由電路圖可知電阻一端接地只要測量另一端電壓即可算出電路電流。本文直接采用avr16自帶的ad轉(zhuǎn)換電路測量SEA端電壓。圖3.14L298一腳和十五腳感應(yīng)電阻接線圖AVR數(shù)模轉(zhuǎn)換特點ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0與ADC3、ADC2)有可編程增益級，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。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負(fù)端(ADC1),而其他任何ADC輸入可做為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。標(biāo)稱值為2.56V的基準(zhǔn)電壓，以及AVCC，都位于器件之內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓可以通過在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)軟件編寫主要包括PWM波形的產(chǎn)生，電機轉(zhuǎn)速的實時檢測、電機電樞電流實時測量，PID控制算法，鍵盤掃描和液晶顯示程序。如圖程序框圖的構(gòu)成，當(dāng)程序進入“初始化”時，開放外部中斷，進行電機轉(zhuǎn)速計數(shù)，當(dāng)定時器定時1s到達(dá)時，停止計時和中斷外部中斷，轉(zhuǎn)入計算當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與AVR單片機給定的轉(zhuǎn)速比較，采取PID算法的對直流電機進行調(diào)速控制，當(dāng)超過PWM限幅值1024時，返回PID算法程序再進行直流電機調(diào)速控制，否則輸出PWM信號。1.控制總流程圖圖4.1程序流程圖2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖圖4.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR——電流調(diào)節(jié)器 TG——測速 TA——電流檢測儀 UPE——電力電子變換器 Un*——轉(zhuǎn)速給定電壓 Un——轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui——電流反饋電壓PWM軟件設(shè)計脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。PWM的占空比決定輸出到直流電機的平均電壓.PWM不是調(diào)節(jié)電流的.PWM的意思是脈寬調(diào)節(jié),也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時間比,一個20%占空比波形,會有20%的高電平時間和80%的低電平時間，而一個60%占空比的波形則具有60%的高電平時間和40%的低電平時間,占空比越大,高電平時間越長,則輸出的脈沖幅度越高,即電壓越高.如果占空比為0%,那么高電平時間為0,則沒有電壓輸出.如果占空比為100%,那么輸出全部電壓.

所以通過調(diào)節(jié)占空比,可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以無級連續(xù)調(diào)節(jié).（4-1）其中：Ud——整流電壓Us——電源電壓ton——開通時間T——開關(guān)周期產(chǎn)生PWM信號4種方法①分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器這種方式是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號電路,是較早采用的方法,可靠性、可調(diào)性較差;②軟件模擬式利用單片機的一個I/O引腳,通過軟件對該引腳輸出高低電平來模擬PWM波,該方法占用CPU的時間較多,控制軟件較復(fù)雜;③專用PWM集成電路采用芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片,該方法功能強,但增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本開銷;④單片機的PWM口新一代的許多單片機具有PWM功能。通過單片機的初始化設(shè)置,使其自動發(fā)生PWM脈沖波,只有在改變脈沖寬度時,CPU才進行干預(yù),該方法控制直流電動機轉(zhuǎn)速簡單、可靠?？衫脝纹瑱C的PWM口產(chǎn)生控制信號的方法控制電壓。AVR單片機輸出PWM的程序voidmain()//PD4輸出高電平持續(xù)2MS，PD5輸出占空比為50%，因為其COMnx1：0=1。{DDRD|=0X30;TCCR1A=0X63; TCCR1B=0X1B; OCR1A=12499;//產(chǎn)生10MS的PWM信號，保存上限值，但不能輸出PWM信號 OCR1B=2500;//占空比為20%，既PD4輸出高電平持續(xù)2MS。}轉(zhuǎn)向與速度檢測測速原理由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。M法、T法、M/T法工作原理以下：⑴M法測速工作原理：①由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信號；②定時器每隔時間Tc向CPU發(fā)出中斷請求INTt；③CPU響應(yīng)中斷后，讀出計數(shù)值M1，并將計數(shù)器清零重新計數(shù)；④根據(jù)計數(shù)值M計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值n。⑵T法測速工作原理：①計數(shù)器記錄來自CPU的高頻脈沖f0；②PLG每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU發(fā)出一次中斷請求；③CPU響應(yīng)INTn中斷，從計數(shù)器中讀出計數(shù)值M2，并立即清零，重新計數(shù)。⑶T法測速工作原理：①T0定時器控制采樣時間；②M1計數(shù)器記錄PLG脈沖；③M2計數(shù)器記錄時鐘脈沖。脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法（1）M法—脈沖直接計數(shù)方法；（2）T法—脈沖時間計數(shù)方法；（3）M/T法—脈沖時間混合計數(shù)方法。M/T法測速軟件設(shè)計由于轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速，本設(shè)計使用每轉(zhuǎn)4096線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機對該頻率信號采用M/T法測速處理。M/T法測速原理是在對光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù)m1進行計數(shù)的同時，對時鐘脈沖的個數(shù)m2也進行計數(shù)。圖4.3M/T法測速原理圖測速時間Td由測速脈沖來同步，即由硬件電路實現(xiàn)Td等于整m1個脈沖周期。設(shè)從圖5.2點開始，計數(shù)器分別對ml和m2計數(shù)，到達(dá)b點，預(yù)計的測速時間Tc到，微機發(fā)出停止計數(shù)指令，但因為Tc不一定恰好等于整數(shù)個編碼起輸出脈沖周期，所以計數(shù)器仍對時鐘脈沖計數(shù)，自到c點時，可以利用下一個轉(zhuǎn)速脈沖上升沿(即c點)觸發(fā)數(shù)字測速硬件電路使時間計數(shù)器停止計數(shù)。這樣，m2就代表了m1個測速脈沖周期的時間。設(shè)時鐘脈沖頻率為f0，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個脈沖，則電動機轉(zhuǎn)速的計算公式為：r/min（4-2）在本系統(tǒng)中，由于選用f0=2MHz,P=4096=，所以轉(zhuǎn)速計算公式有：r/min（4-3）為了在低速測量時能使測速器在相當(dāng)短的Td時間內(nèi)任能包含較多個測速脈沖的高精度測速值，除了盡可能選擇較大P值的光電編碼器外，還可以利用光電編碼器輸出的相位上互差90的兩路矩形脈沖信號經(jīng)過4信頻電路后再送入計數(shù)器。這樣，轉(zhuǎn)速n的計算式應(yīng)改為：r/min（4-4）由此可以得到轉(zhuǎn)速的值。M/T法數(shù)字測速軟件圖測速軟件由捕捉中斷服務(wù)子程序如圖5.3和測速時間中斷服務(wù)子程序如圖5.4構(gòu)成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序中進行到“測速允許”時，開放捕捉中斷，但只有旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿到達(dá)時，進入捕捉中斷服務(wù)程序，旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計數(shù)器M1和高頻時鐘計數(shù)器M2才真正開始計數(shù)，同時打開測速時間計數(shù)器Tc，禁止捕捉中斷，使不再干擾計數(shù)器計數(shù)。待測速時間計數(shù)器到達(dá)計數(shù)值，發(fā)出停止測速信號，再次開放捕捉中斷，到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿再到達(dá)時停止計數(shù)。在這一組軟件框圖中，測速軟件僅完成M1和M2計數(shù)，轉(zhuǎn)速計算是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中完成的。圖5.5為故障保護中斷服務(wù)子程序框圖。圖4.4主程序框圖圖4.5初始化主程序框圖圖4.6圖4.7圖4.8轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷電流調(diào)節(jié)中斷故障保護中斷服務(wù)子程序框圖服務(wù)子程序框圖服務(wù)子程序框圖轉(zhuǎn)向的判斷編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過D觸發(fā)器的輸出信號Q來判斷。整形后的A、B兩相輸出信號分別接到觸發(fā)器的時鐘端和D輸入端，D觸發(fā)器的CLK端在A相脈沖的上升沿觸發(fā)。由于A、B兩相的脈沖相位相差90度，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時（假設(shè)A相脈沖超前時為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)），A相脈沖超前B相脈沖90度，觸發(fā)器總是在B脈沖為高電平觸發(fā)，這時D觸發(fā)器的輸出端Q輸出高電平。如圖4所示。當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90度，則D觸發(fā)器總是在B脈沖為低電平時觸發(fā)，這時Q輸出端輸出為低電平。由此確定電機的轉(zhuǎn)動方向。電流檢測原理AD轉(zhuǎn)換程序uintmega16_ad()//avrPA0作為adc輸入，十位ADC

{

uintaddata;

DDRA&=~BIT(PA0);

PORTA&=~BIT(PA0);//設(shè)置PA0口為不帶上拉電阻輸入

ADMUX=0;//選擇0通道

ADCSR=0X80;//ADC使能，二分頻

ADCSR|=BIT(ADSC);//ADSC=6即ADC開始轉(zhuǎn)換

while(!(ADCSR&(BIT(ADIF))));//查詢ADC是否轉(zhuǎn)換完畢

addata=ADCL;//讀出