高瑶基于ATMEGA8直流电机测速系统设计

南通纺织职业技术学院毕业论文设计基于ATMEGA8直流电机测速系统设计高瑶班级：09电子信息专业：电子信息工程技术教学系：机电系指导老师：邱宏完成时间2011年9月至2011年12月南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计1目录摘要………………………………………………………………………2一引言…………………………………………………………………..31、直流电机的应用与特点…………………………………………..42、文章的选题意义…………………………………………………..43、文章的主要内容…………………………………………………..4二任务分析与方案确定……………………………………....51、设计的目标任务…………………………………………………..52、设计的总体方案…………………………………………………..5三硬件电路设计……………………………………………...61、电源电路…………………………………………………………..62、单片机电路………………………………………………………..73、显示电路…………………………………………………………...94、整体电路………………………………………………………….11四软件设计………………………………………………......131、软件设计方案……………………………………………………132、功能模块子程序…………………………………………………14五软硬件系统调试………………………………………......211、硬件调试………………………………………………………....212、软件调试………………………………………………………....22小结……………………………………………………………24六参考文献..............................................................................26南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计2基于ATMEGA8的直流电机调速系统的设计摘要:文章介绍了一种直流电机测速系统的设计过程，首先明确设计任务、提出了电路设计的总体方案，接着介绍硬件电路主要功能模块的作用、电路结构原理、及关键元件的选型与参数；然后是系统的软件设计，分析了软件所要实现的功能、并画出软件的方案流程图，给出了几个软件功能模块的子程序；最后是系统的调试部分，包括硬件软件调试的一般过程，并且结合本设计的具体，对开发过程中出现的一些问题现象及调试解决的过程进行了阐述。关键词:直流电机测速ATMEGA8MAX7219南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计3一引言1.直流电机的应用与特点直流伺服电机常常用于实现精密调速和位置控制随动系统中，在工业、国防和民用等领域内到广泛应用，特别是火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人控制等场合。直流电机由于具有速度控制容易,启动、制动性能良好,平滑调速范围宽等特点,在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到更高的性能,从而大大降低了系统成本,有效地提高了工作效率。无刷直流电动机具有控制简单、动态响应好、可靠性高等优点,作为伺服电机有很好的应用和研究价值。伺服电机为实现位置定位要求能频繁地启动和制动,并且有很快的动态响应。2.文章的选题意义本文的课题意义在于：1、本文设计的测速系统中采用现代流行的智能化元件，相对于传统的模拟电路控制直流伺服电机，不仅电路结构更加简单，而且可以非常方便地实现功能的升级。文章中的直流伺服电机的测速系统，完全实现智能，传感器采集信号送与单片机处理显示，无需人工操作，同时对驱动显示的实时监控，信号的采集处理上，以单片机代替了模拟电路，避免了实现控制逻辑时需要的许多电子元件,而采用单片机后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现。例如：可以实现较复杂的控制。单片机具有更强的逻辑功能,运算速度快、精度高、存储容量大,因此有能力实现复杂的控制。提高控制的灵活性和适应性。单片机的控制方式是由软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只须修改程序南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计4即可。在系统调试和升级时,可以不断尝试,选择最优参数。无零点漂移,控制精度高。数值控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控制量是大还是小,都可保证足够的控制精度。因此，本文的设计为闭环的控制应用场合也具有重要的借鉴参考意义。2、本文采用模块化的设计理念，顺应产品设计的流行趋势，使得产品无论在设计分工、生产、调试售后服务上，都提供了极大的便利，同时采用了先进的控制功能模块，对这些模块的应用提供了一种成功的案例。例如，对于主控芯片采用的是ATMEGA8单片机，它是目前性价比较高的单片机。显示管理芯片采用的是PS7219，PS7219是一种高性价比的多位LED显示管理芯片，其内部具有15×8RAM功能控制寄存器，可方便寻址、对每位数字可单独控制、刷新。显示亮度可数字控制，每位都具有闪烁使能控制。3.文章的主要内容本次设计的是一个直流伺服电机的测速系统，第一部分介绍了硬件电路的设计：首先明确了设计任务，提出了电路总体结构方案，接着分别叙述了硬件主要功能模块在本设计中的作用、电路结构原理、及关键元件的选型与参数；第二部分是系统的软件设计，首先分析了软件所要实现的功能、并画出软件的方案流程图，然后给出了几个软件功能模块的子程序，由于涉及到知识产权的保护，未能给出完整的程序清单。第三部分是系统的调试部分，分别介绍了硬件软件调试的一般过程，并且结合本设计的具体内容，对开发过程中出现的一些问题现象及调试解决的过程进行了阐述。南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计5二任务分析与方案确定1.设计目标任务本文设计的直流伺服测速系统要具有如下的功能：1转速的范围在0-6000转/分进行测速。2实时显示转速的数值，误差小于5%。2.设计的总体方案采用模块化设计的理念，在硬件设计方面，电源部分采用直流稳压电源，220V交流电经过，变压，整流，滤波后输出稳定的5V直流电对单片机进行供电。显示部分需要4位数据，采用LED数码管，可靠稳定，对数码管的驱动采用专用芯片PS7219，芯片与单片机连接仅需要3根线，芯片与数码管之间采用动态扫描，单片机的选择采用atmega8，内部自带ROM，RAM，无需扩展，而且可在线下载，方便了软件的调试，提高效率。在软件设计方面，如果采用1秒钟刷新的方案，则由于脉冲数量足够多，精度满足，但是显示的实时性不够；采用0.2秒刷新一次的方法，实时性满足，但是由于脉冲数量太少，例如，由于每转传感器发出的脉冲是18次，因此在3000转/分时，在0.2秒的时间内，精度是3000/180转/脉冲，如果在0.4秒的时间内，精度是3000/360转/脉，在1秒内精度是3000/900转/脉，因此采用分级修正的方法来满足显示的精度与显示实时性的要求，即0.2秒刷新一次数据，如果每相邻的脉冲数相同，则修正一次显示的数据，如果转速稳定，速度的显示可以修正到4转/分的精度，满足要求。南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计6系统结构图如图1连接一个直流稳压电源向单片机提供0-5V的电压信号，传感器采集电机信号送到单片机处理计算。单片机把传感器送来的信号处理后通过驱动电路送到显示，通过LED显示出来。电源单片机电机传感器显示驱动显示图1系统总体结构三硬件电路设计1、电源电路（1）电源电路作用1.将220V的交流电稳压到电压为5V电流大于100mA的直流电。2.为单片机，显示驱动，数码管显示提供稳定的5V电压。(2)电路结构如图3所示，此电路可把市用220V电源变压，整流变为稳定的5V电压。为单片机和驱动提供稳定的电源。当220V电压过来后先经过电容进行滤波，然后经过共模扼流圈到达变压器，但是220V的电压并不是稳定的电压，一般在180V-220V之间波动，由于稳压器稳压范围在6.5V-24V之间，所以经过推算出变压器的变压倍数需要11倍，但是为了根精确我选用22倍的变压器。因此变压过后的电压在8.1V-11.4V之间，经过电桥后电压变为原先的1.2倍后为9.7V-13.7V，此时在稳压器的稳压范围之内，通过稳压器变为5V的电压。一般变压器稳压倍数不要选太小这样变压过来的电压值会比较大，比较大的电压经过稳压器稳压，这样稳压器的消耗功率会增大，同时发热量也比较大，会造成不必要的消耗，而且对稳压器也有影响，减少寿命。因此要选用适中的电压范围。南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计7112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2011/11/30SheetofFile:C:\Users\gaoyao\Desktop\SHEET1.SCHDOCDrawnBy:12JP10.1uFC10.1FC20.1uFC30.1uFC4DC1T1AC2V+1AC4V-32w10D120/2wR10.1uFC6VinVoutGNDVR10.1uFC8330uFC5470uFC7D35vt?L2t?L1图2电源电路(3)主要元件选型及参数这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。220V通过电容滤波后，经过共模扼流圈再次滤过高频电压后通过变压器变为10V左右的电压。电容C5起到一个中转作用，把变压后的电能储存起来，防止不稳定的电压影响稳压器。采用集成稳压器7805，C7、C8分别为输入端和输出端滤波电容，R1为负载电阻。当输出电较大时，7805应配上散热器。D3是输出保护二极管，一旦输出电压低于稳压值时，D3导通，将输出电流旁路，保护7805稳压器输出级不被损坏。L1,L2起到稳压作用，阻止频率较高的不稳定电压通过，也可以用电感替代，但是磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，同时磁珠的电阻值和电感值不会随频率变化，因此优先用磁珠。2、单片机电路（1）单片机电路作用传感器把电机转速以脉冲形式反馈给单片机电路，单片机根据所接收到的脉冲信号将电机转速换算出来发送到显示电路。（2）电路结构单片机单元电路如图3所示。南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计8图3单片机电路(3)主要元件选型及参数ATmega8是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8的数据吞吐率高1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。主要引脚作用：(1)1引脚连接的是复位电路，电源上电时，C9充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C9充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S1，C9放电。S1松手，C9又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。(2)11引脚为传感器输入引脚，接收传感器送来的脉冲信号。(3)9、10引脚接的是晶振电路。(4)13、14、15引脚连接显示电路，为7219发送处理后的显示数据。南通纺织职业技术学院基于ATMEGA8直流电机测速系统设计93、显示电路（1）显示电路的作用。本系统设计中需要四位数码管显示，因此一般采用动态显示的方法，但动态扫描占用的端口多，且编程复杂，所以本文显示电路采用专用PS7219串行显示管理芯片，该芯片本身只需3根线就可与单片机实现接口，其接口采用流行的同步串行外设接口（SPI），可与任何一种单片机方便接口，PS7219接收单片机所要显示的数据并将其显示在LED显示器上,并动态地扫描管理显示。硬件连接简便，软