基于LPC2124的直流电机调速系统

ARM课程设计实验报告基于LPC2124的直流电机调速系统ARM课程设计实验报告电控学院目录ARM的简介…………………………………………………………………………（2）LPC2124简介………………………………………………………………………（3）电机驱动芯片L298介绍…………………………………………………………（3）直流电机调速系统软件设计流程图……………………………………………（6）PWM模块……………………………………………………………………………（6）测速模块…………………………………………………………………………（7）直流电机制动……………………………………………………………………（10）D触发器作用………………………………………………………………………（8）硬件电路原理图…………………………………………………………………（10）ARM课程设计体会……………………………………………………………（15）参考文献…………………………………………………………………………（14）基于LPC2124的直流电机调速系统源代码……………………………………（10）1.1ARM的简介编/解码器，定位于智能PDA市场；Atmel公司的AT91系列片内集成了大容量Flash和RAM、高精度A/D转换器以及大量可编程I/O端口，特别适合于工业控制领域；Philips公司的LPC2000系列片内集成了128位宽的零等待FlaARM公司的IP核已经由ARM7,ARM9发展到今天的ARM11版本。ARM11囊括了Thumb-2,CoreSight,TrusZone等众多业界领先技术，同时由单一的处理器内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。高集成度SOC芯片的采用可以带来一系列好处，诸如减少了外围器件和PCB面积，提高系统抗干扰能力，缩小产品体积，降低功耗等。ARM公司是一家IP供应商，其核心业务是IP核以及相关工具的开发和设计。半导体厂商通过购买ARM公司的IP授权来生产自己的微处理器芯片。由此以来，处理器内核来自ARM公司、各芯片厂商结合自身已有的技术优势以及芯片的市场定位等因数使芯片设计最优化，从而产生了一大批高度集成、各据特色的SOC芯片。例如Intel公司的XScale系列集成了LCD控制器、音频sh存储器以及I2C, SPI,PWM,UART等传统接口，极高的性价比使它对传统的8/16位MCU提出了严峻的挑战。本次设计仍使用的ARM7系列。1.2ARM的广泛应用ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：1、工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。1.3本课题的意义目前，基于ARM技术的嵌入式系统几乎已经深入应用到各个领域，是当今32位嵌入式系统应用的主流。ARM在工业控制领域的应用也受到越来越多的关注。本课题设计了一个基于ARM的嵌入式直流电机转速监控系统。该系统使用PHILIPS公司的以ARM7TDMI-S为内核的LPC2124芯片作为控制核心，配置相应的外设及接口电路，运用性能价格比较好的集成电机控制芯片L298作为直流电动机的PWM驱动器件；采用光电编码器实现对转速信号的采集；采用LPC2124内部集成定时器的捕获功能对编码器生成的脉冲序列信号进行测量；采用74LS74作为鉴相器而识别电动机实时转向；采用单闭环PI控制调节转速；采用LCD1602系列显示屏即时显示电动机的转动信息；采用4×4矩阵键盘对转速及转向进行设置和控制。系统软件主要使用C语言编写，遵循模块化设计的原则，编写了转速的测量、转速的PWM驱动、转速的PI调节、转速的显示、键盘输入等程序模块，程序代码具有良好的易维护性和可移植性。最后使用ProteusISIS仿真工具对系统仿真，并在仿真平台上对系统性能进行测试与分析。本系统的设计精度可以满足一般工业控制的要求，能够应用到实际的生产生活中，满足现代化生产的需要。而且能够防止用户的误操作，增强了系统运行的安全性和稳定性，具有一定的实用性和较高的社会推广价值。关键词：ARM；嵌入式系统；直流电机转速控制；LPC21242.1LPC2124简介LPC2124是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有256KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，且可使用16位Thumb模式。LPC2124支持多种通信接口，包括UART，和SPI等串行接口以及PWM输出接口，外围接口部分设计极为方便、灵活。2.2电机驱动芯片L298介绍L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。芯片内部结构图如图2所示。图2L298芯片的内部结构图L298驱动直流电机参考表1表1L298驱动直流电机参考表电机旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端BM1正转高低//高/反转低高//高/停止低低//高/M2正转//高低/高反转//低高/高停止低低///高2.3系统原理结构根据本系统的设计目标，本系统的原理结构框图如图所示。系统的原理结构框图如图所示，本系统的主要功能模块有：转速检测模块、光电转换、单片机、PWM电机驱动模块、显示模块、键盘模块。转速传感器和光电转换将电机转速转化为可以测量的电信号。PWM电动机驱动用来将计算机信号转换为电动机驱动信号，键盘和显示器是本系统的人机接口。2.4系统硬件体系结构本设计的统硬件体系可以分为三部分，第一部分为微控制器组成的控制核心电路，第二部分为转速检测模块和电动机驱动模块组成的电动机接口电路，第三部分为键盘输入模块和液晶显示模块组成用户接口电路，设计方案的硬件详细框图如图。详细的硬件体系结构框图2．5系统软件体系结构设计结合本系统的性能要求，本设计采用前后台系统，其体系结构如图所示。软件体系结构框图3.1直流电机调速系统软件设计流程图直流电机调速系统软件设计流程图如图3所示，中断程序如图4、图5所示。图3调速系统软件图4按键中断图5测速中断设流程图程序流程图程序流程图3.2PWM模块系统采用PWM方法调整电动机的速度，首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大影响，脉冲频率高电动机运行的连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用LPC2124产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。PWM输出频率采用系统时钟频率，通过转速调节器调节PWM占空比，实现直流电机的调速驱动。PWM初始化子程序流程如图6所示。图6PWM初始化流程图PWM驱动电路图下图为采用内部集成有两个桥式电路的专用芯片L298所组成的电机驱动电路。本设计中只使用L298其中一组引脚控制电机，另一组没有使用。如图所示，P0.25控制电机的方向，P0.21输入的PWM控制电机的速度。P0.25为“0”，P0.21输入PWM波时，电机正转，通过改变PWM的占空比可以调节电机的速度。而当P0.25为“1”，P0.25输入PWM波时，电机反转，同样通过改变PWM的占空比来调节电机的速度。PWM驱动电路图3.3测速模块（软件实现）本系统采用T法测速，旋转编码器输出的脉冲由LPC2124的P0.28捕获，电机每转一圈旋转编码器输出60个脉冲，每捕获一个编码器输出脉冲，则进入中断读取定时器的值，计算测速时间，通过公式（1-2）计算转速(1-1)T法测速原理如图7所示。图7T法测速原理图定时器0初始化流程图如图8所示。图8定时器0初始化流程图3.4直流电机制动直流电机要达到快速制动，必须采用反压制动方式，所以制动过程采用另外独立的程序设计。因为原先采用统一的调速程序发现，制动过程反转超调后就向反方向加速，导致系统不稳定。采用独立的程序设计实现电机逐级制动，随转速降低减小PI参数，最后置高P0.6、P0.7，保证超调也不会反转加速。3.5LCD显示电路本系统的显示部分采用RT1602字符显示模块，与采用数码管相比，硬件连接和软件调试上都由优势。只要把要显示的内容放进液晶模块的显示存储器里面就可以直观的显示出指定的内容，操作方便。本设计将LCD连接到LPC2124的P0.0-P0.10口上，其电路如图3-14所示。图3-14显示电路原理图1602采用标准的14脚接口，其各引脚定义如下:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15～16脚：空脚。3.6键盘电路本系统采用的是4×4矩阵键盘，接到LPC2124的P1.16-P1.23口而实现，键盘的电路图如图3-15所示。图3-15键盘电路3.7D触发器测量电机转速如图所示，测量电机的转速时使用两个传感器进行测量，一旦电机开始转，传感器会输出脉冲信号，分别接入D触发器的输入端和CLK端，D触发器为脉冲触发，输出端Q会随着输入端的变化而出现高低电平的转换，从而测量电机的转向。表5-1Motor-Encoder参数表参数名参数值额定电压12V线圈电阻120Ω线圈电感100mH空载转速720rpm负载率50%每转脉冲数300由此参数表可知：①电机的最大转速=空载转速×负载率所以本系统中电机的最大转速为350转/分钟。②电机的转速值(rpm)=(编码器的脉冲频率×60)/每转脉冲数所以本系统中电机的转速值rpm=编码器的脉冲频率/5。本设计的转速转向检测电路仿真图如图5-2所示，其中将MOTOR-ENCODER的编码器两侧的其中一个引脚作为转速检测，然后再辅以另一侧的引脚接入鉴相器，本设计使用Proteus库中的74LS74仿真芯片实现脉冲相位检测，从而实现转向识别L298驱动直流电机参考表用两个传感器检测电机的转速将输出脉冲接入D触发器的CLK及D端，D触发器当电机旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端BM1正转高