基于ArduinoATMEGA328的壓控直流電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1新型單片機(jī)接口器件與技術(shù)課程論文（2015-2016 學(xué)年第二學(xué)期）班 級(jí)： 電子信息工程 131 學(xué) 號(hào)： 201305014111 姓 名： 胡濤 完成時(shí)間： 2016 年 6 月 17 日2壓控直流電機(jī)系統(tǒng)學(xué)生姓名：胡濤 學(xué)號(hào)：201305014111 指導(dǎo)教師：徐振宇 浙江樹(shù)人大學(xué)信息科技學(xué)院 電子信息工程 131 班摘 要在工業(yè)應(yīng)用上，直流電機(jī)是電能轉(zhuǎn)換裝置，無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是當(dāng)前節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。直流電機(jī)控制器的性能決定了電機(jī)轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也決定了電機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性。本次實(shí)驗(yàn)采用proteus 仿真軟件對(duì)整體仿真。首先，用電位器模擬電壓的變化，并用主控芯片對(duì)其電壓進(jìn)行采樣；示波器顯示 PWM 波形；LED 亮度反應(yīng) PWM 的占空比；在 1602 的第一行上顯示當(dāng)前電壓；通過(guò) PWM 調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并在 1602 上顯示轉(zhuǎn)速，并控制 LED的亮度；可以按鍵控制電機(jī)的正、反、停；并設(shè)置相應(yīng)的 LED 指示燈顯示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模式；并在此基礎(chǔ)上提出了直流電機(jī)系統(tǒng)控制總體設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；PWM；1602 顯示；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速1 方案設(shè)計(jì)與論證1.1 元器件的選取1.1.1 主控芯片：ATMEGA328上課實(shí)驗(yàn)使用的就是該芯片，程序編寫簡(jiǎn)單易懂，仿真容易實(shí)現(xiàn)；并且使用庫(kù)函數(shù)都是開(kāi)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(shí)物的引腳編號(hào)不同：圖 1 proteus 引腳圖31.1.2 顯示屏：1602 液晶屏1602 是 16X2 點(diǎn)陣的 LCD 液晶屏，具有價(jià)格便宜，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)；采用4 線接法，可以節(jié)省引腳，第一行用于測(cè)量電壓，第二行用于轉(zhuǎn)速的顯示。1.1.3 直流電機(jī)：MOTOR 直流電機(jī)Proteus 上的直流電機(jī)只有 MOTOR 直流電機(jī)，使用方便。并且可以模擬實(shí)際的直流電機(jī)。1.1.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298 模塊是典型的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使用廣泛，容易實(shí)現(xiàn)。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(shè)計(jì)方案調(diào)節(jié)電位器來(lái)模擬電壓的變化，電位器連接單片機(jī)的 A0 口；用單片機(jī)9端口輸出 PWM 波，連接的單片機(jī)端口一定是具有 PWM 波輸出的端口（3，5，6，9 ，10，11 ） ；同時(shí)9 連接 LED 模塊和直流電機(jī)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(dāng)前電壓值；可以通過(guò) PWM 波調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按鍵可以控制電機(jī)的正，反，停轉(zhuǎn)（LED 來(lái)表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的模式） ，并在 1602 的第二行顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 原理框圖圖 2 原理框圖壓控直流電機(jī)系統(tǒng)由 ARDUINO 主控芯片、1602 顯示電壓和轉(zhuǎn)速模塊、電位器調(diào)節(jié)電壓采集模塊、PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、PWM 驅(qū)動(dòng) 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(zhuǎn)K2反 轉(zhuǎn)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(jī) 轉(zhuǎn) 速 （ r/m） 示 波 器 ：通 道 A:PWM波 形通 道 B:濾 波 后 的 直 流 信 號(hào) PWM波 調(diào) 節(jié) LED燈 的 亮 度其 中 電 感 和 電 解 電 容 是 過(guò) 濾 掉 直 流 信 號(hào)模 擬 電 壓 值 的 采 樣 （ 05v）按 鍵 模 塊直 流 電 機(jī) 控 制 模 塊晶 振 模 塊任 務(wù) 1： 通 過(guò) 按 鈕 控 制 電 機(jī) 啟 停 和 正 反 轉(zhuǎn) ， 通 過(guò) 電 位 計(jì) 調(diào) 節(jié) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 ， 并 在 1602上 顯 示 轉(zhuǎn) 速 ;任 務(wù) 2： 1602顯 示 當(dāng) 前 模 擬 電 壓 采 樣 值 ， 示 波 器 顯 示 PWM和 DC， LED顯 示 對(duì) 應(yīng) 的 亮 度 。班 級(jí) ： 電 子 信 息 工 程 13學(xué) 號(hào) ： 201305141姓 名 ： 胡 濤完 成 時(shí) 期 ： 2016/5/1RX-0T12A3451A6注 ： 仿 真 工 程 中 請(qǐng) 勿 關(guān) 閉 示 波 器R510R610R710D5正 轉(zhuǎn) 指 示 燈D6逆 轉(zhuǎn) 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(guò)：2、3、4、5 、11、12 引腳與主控芯片相連；2、PWM 控制 LED 模塊通過(guò)：9 引腳與主控芯片相連；3、晶振模塊通過(guò)：x1、x2 引腳與主控芯片相連；4、按鍵模塊通過(guò)：8、10、13 引腳與主控芯片相連；5、指示燈模塊通過(guò)：A1、A2、A3 引腳與主控芯片相連；6、電機(jī)模塊通過(guò)：6、7、9 引腳與主控芯片相連；7、電壓采樣模塊通過(guò)：A0 引腳與主控芯片相連；8、示波器模塊通過(guò)：9 引腳與主控芯片相連；63 各模塊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 PWM 控制 LED 亮度DCC3100uL1B82432C1564K00Q12N3906Q22N3904R430LED1LED-YELOW9DCPWM波 調(diào) 節(jié) LED燈 的 亮 度其 中 電 感 和 電 解 電 容 是 過(guò) 濾 掉 交 流 信 號(hào)圖 4 LED 模塊三極管是放大電流，可以點(diǎn)亮 LED；電感是通直流隔交流；極性電容是過(guò)濾交流信號(hào)，防止在 PWM 波在占空比過(guò)小時(shí) LED 燈頻閃現(xiàn)象。9 端口輸入PWM 連接示波器，DC 節(jié)點(diǎn)連接示波器；通過(guò)9 和 DC 的對(duì)比來(lái)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(jī) 轉(zhuǎn) 速 （ r/m）RX-0T-1圖 5 顯示模塊Arduino328 單片機(jī)支持 1602 的四位總線，可以節(jié)省端口；其余端口只要按7庫(kù)函數(shù)的定義連接即可。3.3 直流電機(jī)控制模塊IN15 IN27ENA6 OUT12OUT2 3ENB1 OUT3 13OUT4 14IN310 IN412SENSA1 SENSB15 GND8VS4VC9U2L298C410nfD1 D2D3 D4C510nf +12V679直 流 電 機(jī) 控 制 模 塊圖 6 直流電機(jī)控制模塊直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速很快，且驅(qū)動(dòng)電壓需要很大，單靠單片機(jī)的 IO 口不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，必須使用專門的驅(qū)動(dòng)模塊和二極管放大鏈路才行。L298 可以外接兩個(gè)電機(jī)，本次實(shí)驗(yàn)通過(guò) IN1 和 IN2 的0值1來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。具體通過(guò)按鍵和程序控制。3.4 按鍵模塊 x2K1正 轉(zhuǎn)K2反 轉(zhuǎn)K3停 止R310kR210kR110k81013按 鍵 模 塊 班 級(jí) ： 電 子 信 息 工 程131學(xué) 號(hào) ： 20130501411姓 名 ： 胡 濤完 成 時(shí) 期 ： 2016/5/1A6 R510R610R710D5 正 轉(zhuǎn) 指 示 燈D6 逆 轉(zhuǎn) 指 示 燈D7暫 停 指 示 燈A1A2A3圖 7 按鍵模塊按鍵通過(guò)上拉電阻連接，沒(méi)按時(shí) IO 口為高電平，按下時(shí) IO 口為低電平。8相應(yīng)的 LED 共陰接法，單片機(jī) IO 口輸出低電平點(diǎn)亮 LED。4 軟件仿真實(shí)驗(yàn)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(shù)值初始設(shè)置在 setup()函數(shù)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(yīng)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(dāng)調(diào)用 analogRead()函數(shù)時(shí)，采樣到的電壓是 10 位數(shù)據(jù)，必須給一個(gè) float