基于ArduinoATMEGA328的壓控直流電機系統(tǒng)的設計

1新型單片機接口器件與技術課程論文（2015-2016 學年第二學期）班 級： 電子信息工程 131 學 號： 201305014111 姓 名： 胡濤 完成時間： 2016 年 6 月 17 日2壓控直流電機系統(tǒng)學生姓名：胡濤 學號：201305014111 指導教師：徐振宇 浙江樹人大學信息科技學院 電子信息工程 131 班摘 要在工業(yè)應用上，直流電機是電能轉換裝置，無刷直流電機驅動是當前節(jié)能領域的研究熱點。直流電機控制器的性能決定了電機轉換效率，同時也決定了電機工作的穩(wěn)定性和可靠性。本次實驗采用proteus 仿真軟件對整體仿真。首先，用電位器模擬電壓的變化，并用主控芯片對其電壓進行采樣；示波器顯示 PWM 波形；LED 亮度反應 PWM 的占空比；在 1602 的第一行上顯示當前電壓；通過 PWM 調節(jié)直流電機的轉速，并在 1602 上顯示轉速，并控制 LED的亮度；可以按鍵控制電機的正、反、停；并設置相應的 LED 指示燈顯示電機轉動模式；并在此基礎上提出了直流電機系統(tǒng)控制總體設計方案。關鍵詞：直流電機；PWM；1602 顯示；調節(jié)轉速1 方案設計與論證1.1 元器件的選取1.1.1 主控芯片：ATMEGA328上課實驗使用的就是該芯片，程序編寫簡單易懂，仿真容易實現；并且使用庫函數都是開源的，許多傳感器的程序模塊都可以直接利用。Proteus 上的 ATMEGA328P 和實物的引腳編號不同：圖 1 proteus 引腳圖31.1.2 顯示屏：1602 液晶屏1602 是 16X2 點陣的 LCD 液晶屏，具有價格便宜，功能強大等特點；采用4 線接法，可以節(jié)省引腳，第一行用于測量電壓，第二行用于轉速的顯示。1.1.3 直流電機：MOTOR 直流電機Proteus 上的直流電機只有 MOTOR 直流電機，使用方便。并且可以模擬實際的直流電機。1.1.4 直流電機驅動模塊L298 模塊是典型的直流電機驅動模塊，使用廣泛，容易實現。1.1.5 其他示波器、PNP（2N396） 、NPN （2N394） 、電感（B82432C1564K000） ，電阻、LED都是普通但可以滿足要求的元器件。1.2 整體設計方案調節(jié)電位器來模擬電壓的變化，電位器連接單片機的 A0 口；用單片機9端口輸出 PWM 波，連接的單片機端口一定是具有 PWM 波輸出的端口（3，5，6，9 ，10，11 ） ；同時9 連接 LED 模塊和直流電機的使能端口；LED 的亮度表示 PWM 波的占空比（有濾波電路） ，并在 1602 的第一行顯示當前電壓值；可以通過 PWM 波調節(jié)直流電機的轉速，按鍵可以控制電機的正，反，停轉（LED 來表示電機轉動的模式） ，并在 1602 的第二行顯示電機的轉速；連接的示波器可以直觀地反映 PWM 波的占空比。42 系統(tǒng)總體結構設計2.1 原理框圖圖 2 原理框圖壓控直流電機系統(tǒng)由 ARDUINO 主控芯片、1602 顯示電壓和轉速模塊、電位器調節(jié)電壓采集模塊、PWM 電機驅動模塊、PWM 驅動 LED 模塊、按鍵和LED 指示燈模塊組成，其原理框圖如圖 2 所示。52.2 整體原理圖DCPB0/ICP1/CLKO/PCINT014B/1A/I15PB3/MOSI/C2A/PCINT3172/B/I26PD6/AIN0/OC0A/PCINT2125/T1/B/I1PD4/0/XCK/PCINT2063/INT1/O2B/I195PD2/I0/PCINT1841/TXD/I73PD0/R/PCINT162 PB4/MISO/I485/CK/PCINT519PB7/TOSC2/XTAL2/PCINT7106/ 1/ 1/I6PC6/REST/PCINT1415/AD5/CL/I328PC4/C4/SDA/PCINT127P3/AC3/I 26C2/D2/PCINT105P1/A1/I924C0/DC0/PCINT83AVC20REF17/I1/PINT233U1ATMEGA328P X1CRYSTALC12pFC22pFD71463D5124D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCD1M06L5%RV110kC310uL1B82432C1564K0Q12N3906Q2N3904 R430LED1L-YELOWx12 x1x2ABCDIN15I27ENA6 OUT12OUT23B1 OUT313OUT414IN310I42SENSA1 B5 GND8VS4VC9U2L298C410nfD1D2D3D4C510nf +12V K1正 轉K2反 轉K3停 止R310kR210kR10k+8.Volts8103810136767234554321 22 9999 DCDCA0A0主 控 芯 片 ATMEGA3281602液 晶 顯 示 ：第 一 行 ： 電 壓 值 （ V）第 二 行 ： 直 流 電 機 轉 速 （ r/m） 示 波 器 ：通 道 A:PWM波 形通 道 B:濾 波 后 的 直 流 信 號 PWM波 調 節(jié) LED燈 的 亮 度其 中 電 感 和 電 解 電 容 是 過 濾 掉 直 流 信 號模 擬 電 壓 值 的 采 樣 （ 05v）按 鍵 模 塊直 流 電 機 控 制 模 塊晶 振 模 塊任 務 1： 通 過 按 鈕 控 制 電 機 啟 停 和 正 反 轉 ， 通 過 電 位 計 調 節(jié) 電 機 轉 速 ， 并 在 1602上 顯 示 轉 速 ;任 務 2： 1602顯 示 當 前 模 擬 電 壓 采 樣 值 ， 示 波 器 顯 示 PWM和 DC， LED顯 示 對 應 的 亮 度 。班 級 ： 電 子 信 息 工 程 13學 號 ： 201305141姓 名 ： 胡 濤完 成 時 期 ： 2016/5/1RX-0T12A3451A6注 ： 仿 真 工 程 中 請 勿 關 閉 示 波 器R510R610R710D5正 轉 指 示 燈D6逆 轉 指 示 燈D7暫 停 指 示 燈A1A2A3圖 3 整體原理圖1、1602 顯示模塊通過：2、3、4、5 、11、12 引腳與主控芯片相連；2、PWM 控制 LED 模塊通過：9 引腳與主控芯片相連；3、晶振模塊通過：x1、x2 引腳與主控芯片相連；4、按鍵模塊通過：8、10、13 引腳與主控芯片相連；5、指示燈模塊通過：A1、A2、A3 引腳與主控芯片相連；6、電機模塊通過：6、7、9 引腳與主控芯片相連；7、電壓采樣模塊通過：A0 引腳與主控芯片相連；8、示波器模塊通過：9 引腳與主控芯片相連；63 各模塊電路設計與實現3.1 PWM 控制 LED 亮度DCC3100uL1B82432C1564K00Q12N3906Q22N3904R430LED1LED-YELOW9DCPWM波 調 節(jié) LED燈 的 亮 度其 中 電 感 和 電 解 電 容 是 過 濾 掉 交 流 信 號圖 4 LED 模塊三極管是放大電流，可以點亮 LED；電感是通直流隔交流；極性電容是過濾交流信號，防止在 PWM 波在占空比過小時 LED 燈頻閃現象。9 端口輸入PWM 連接示波器，DC 節(jié)點連接示波器；通過9 和 DC 的對比來直觀反映PWM3.2 顯示模塊D714D613D512D41D310D29D18D07E6RW5RS4VS1 VD2 VE3LCD1LM016L254321121602液 晶 顯 示 ：第 一 行 ： 電 壓 值 （ V）第 二 行 ： 直 流 電 機 轉 速 （ r/m）RX-0T-1圖 5 顯示模塊Arduino328 單片機支持 1602 的四位總線，可以節(jié)省端口；其余端口只要按7庫函數的定義連接即可。3.3 直流電機控制模塊IN15 IN27ENA6 OUT12OUT2 3ENB1 OUT3 13OUT4 14IN310 IN412SENSA1 SENSB15 GND8VS4VC9U2L298C410nfD1 D2D3 D4C510nf +12V679直 流 電 機 控 制 模 塊圖 6 直流電機控制模塊直流電機的轉速很快，且驅動電壓需要很大，單靠單片機的 IO 口不能驅動電機，必須使用專門的驅動模塊和二極管放大鏈路才行。L298 可以外接兩個電機，本次實驗通過 IN1 和 IN2 的0值1來控制電機的正反轉。具體通過按鍵和程序控制。3.4 按鍵模塊 x2K1正 轉K2反 轉K3停 止R310kR210kR110k81013按 鍵 模 塊 班 級 ： 電 子 信 息 工 程131學 號 ： 20130501411姓 名 ： 胡 濤完 成 時 期 ： 2016/5/1A6 R510R610R710D5 正 轉 指 示 燈D6 逆 轉 指 示 燈D7暫 停 指 示 燈A1A2A3圖 7 按鍵模塊按鍵通過上拉電阻連接，沒按時 IO 口為高電平，按下時 IO 口為低電平。8相應的 LED 共陰接法，單片機 IO 口輸出低電平點亮 LED。4 軟件仿真實驗4.1 軟件初始化流程圖圖 8 軟件初始化流程圖各引腳和數值初始設置在 setup()函數中只執(zhí)行一次。主要定義的變量有LED 指示燈，按鍵，電位器采樣引腳，PWM 輸出引腳，以及相應的 1602 顯示初始字符等。94.2 采集電壓流程圖圖 9 采集電壓流程圖當調用 analogRead()函數時，采樣到的電壓是 10 位數據，必須給一個 float