毕业设计（论文）-直流电机控制系统的总体设计.doc

摘要在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。本文设计了直流电机控制系统的整体方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。制作了以spce061a与spgt62c19b为核心芯片的控制、测量及显示电路，实现了对普通直流电机的转速测量，利用pid算法实现pwm调速，并且通过led显示等功能，各个控制部分简洁明了，便于修改和调试。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。本设计先对控制系统的硬件部分作了具体的设计介绍及论述，然后对一些重要电子元器件及其参数的选择做了简介，最后对主要电路的设计进行重点描述。在软件部分首先介绍了整体设计，画出程序流程图，接着详细论述了软件实现方面的几个问题。本系统的软件设计，结构合理功能完善，占用系统资源少。关键词 直流电机控制系统 直流电机 调速 测速abstractin the times of electric, the electromotor make an very important role in the production of industry and agriculture and in the everyday of everyones life. as the most useful motor, the dc(direct current)motor has so many advantages such as the excellent characteristic of machine of linearity, the much wider range of timing, the nicer characteristic of starting and the easier circuit of controlling. so the dc motor is get the much wider applications in the every field in the modern society.this paper has designed a whole project of the control system of the dc motor, and expounded the basic structure of this system、the elements of working、the characteristic of operating and the approach of designing. this paper use the cmos include spce061a and spgt62c19b and design the control circuit、measure circuit and display circuit. it achieves to measure the rotate speed of the dc motor. in order to design to timing of pwm, it use the arithmetic of pid, and show the data with the led and so on. every part of controlling is very concision for modifying and debugging. this project is mostly to research the way of controlling and measure of the dc motor, thereby it has important meaning for the control precision of motor，the speed of answer and save the energy sources.this paper make the material introduce of this plan and discuss for the part of hardware of the control system firstly, and then do some brief introductions of some important electron elements and their parameter, at last make the stress describe of the chief circuit. in the parts of software, it introduce the whole design of this project firstly, and draw the flow chart of programme, at last discuss some questions particularly about the achieve of software. the design of software of this system is perfect because of its structures in reason and tie up the less system resources.key words the control system of the dc motor the dc motor timingmeasure the speed目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1 课题研究的目的及意义11.2 直流电机简介41.2.1 直流电机的原理11.2.2 直流电机的结构11.3 直流电机控制的发展5第2章 直流电机控制系统的总体设计62.1 控制方案设计62.2 控制系统的主要技术指标82.3 spce061a芯片及外围电路简介82.3.1 凌阳16位单片机简介82.3.2 spce061a芯片简介82.3.3 spce061a芯片特性82.3.4 spce061a芯片的引脚排列与说明8第3章 控制系统的硬件设计143.1. spce061a最小系统203.2 电源模块213.3 13按键模块243.4 spgt62c19b电机控制模组243.4.1 模组简介263.4.2 模组硬件模块说明273.5 spgt62c19b芯片实现电机控制283.5.1 spgt62c19b芯片简介303.5.2利用spgt62c19b控制直流电机303.5.3利用spgt62c19b控制步进电机313.6 转速测量电路283.7 数码管显示电路283.8 uln2003a芯片介绍28第4章 控制系统的软件设计324.1 系统的软件架构324.2 各模块程序说明334.2.1 按键扫描模块334.2.2 led数码管显示模块364.2.3 直流电机控制和测量模块404.2.4 利用pid算法实现调速414.3 主程序流程图41总结47社会经济效益性分析43致谢48参考文献49附录150附录254附录36069第1章 绪论1.1 课题研究的目的及意义在当今社会，电机作为机电能量转换装置，其应用遍及国民经济的各个领域如医疗、仪表、化工、工业、军事以及人们的日常生活中。电动机一般分为交流电机和直流电机。相比较交流电动机，直流电动机因具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的场合。因此，当前对直流电动机及其控制器的设计与研发对当今节约型社会的建设以及社会各个领域的发展都有着非常重要的意义。通过对直流电机系统控制的设计与研究，并通过对直流电机进行转速控制，转速测量等功能的实现，进而对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义，为进一步研究和优化直流电机控制方法提供基础。1.2 直流电机简介1.2.1 直流电机的原理1.直流发电机的工作原理（1）直流发电机的原理模型如图1-1所示：图1-1 直流发电机工作原理图（2）直流发电机工作原理用电动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边 a b 和 c d 分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势因为电刷 a 通过换向片所引出的电动势始终是切割n 极磁力线的线圈边中的电动势。所以电刷 a 始终有正极性，同样道理，电刷 b 始终有负极性。所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势2直流电动机的工作原理(1)直流电动机的原理模型如图1-2所示：图1-2 直流电动机工作原理图(2)直流电动机的工作原理要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换， 即进行所谓“换向”。 为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理。1.2.2直流电机的结构直流电机结构形式 , 必须有满足电磁和机械两方面要求的结构，直流电机必须具备静止和转动两大部分1.静止部分直流电机静止部分称作定子，其作用是产生磁场，主要由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成（1）主磁极主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 n，s 极交替出现。（2）机座机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。（3）换向极换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。（4）端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。（5）电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。2.转动部分直流电机转动部分称作转子(通常称作电枢)，其作用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。（1）电枢铁心电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为dr530或dr510的硅钢片叠压夹紧而成。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。（2）电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。（3）换向器在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个v形环夹紧而构成。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。1.3 直流电机控制的发展随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术在实际应用中相继取得重要进展，电气传动领域发生了重大的技术变革，变速传动中直流电机控制技术获得了飞速发展。现代直流电机控制的发展现状及趋势可以概括为以下几个方面:1.控制理论方面1971年，英国学者eblaschke提出“异步电动机磁场定向的控制原理”，即用矢量变换的方法研究直流电机的动态控制律，在定向于转子磁通的基础上，实现了直流电机磁通和转矩的解祸控制，使传动系统的动态性能有了明显改善，开创了直流传动的新纪元。1985年由德国学者m.depenbrock教授首次提出了直接转矩控制的理论，随后日本学者ltakahashi也提出类似的控制方案，并取得了很令人振奋的控制效果。直接转矩控制不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能受到了普遍的关注并得到迅速的发展。进入90年代，直流电机的控制方案逐步走向多元化。基于现代控制理论的滑模变结构控制、采用微分几何理论的非线性解祸控制、模型参考自适应控制等等方法的引入，使系统性能得到了改善和提高。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大量的传感器、观测器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电机参数变化的影响。由于智能控制无需对象精确的数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法(如专家系统、模糊控制、人工神经网络控制等)引入电机控制系统，并取得了满意的效果。以模糊控制为例，其典型应用如:用于电机速度控制的模糊控制器;模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用;基于模糊逻辑的电机效率优化控制;基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等等。纵观电机工业的发展史，几乎每一次大的发展都有理论方面的突破。但现在作为一些较成熟的现代直流系统，再提出具有划时代意义的理论不太容易。因此今后的发展，相当长一段时间内还会是将现有的各种控制理论加以结合，互相取长补短，或将其他学科的理论、方法引入电机控制，走交叉学科的道路。总之，直流电机的控制己不再使人束手无策，实现电机的理想控制己不再遥远。2.控制器方面微电子技术的迅速发展，微处理技术的日益更新，使得电机控制技术开始由传统的模拟技术转向微处理器控制的数字技术。控制系统的精度、稳定性、抗干扰性、多功能化、通用化等大大提高，而价格大体与模拟控制系统相当。目前国外的许多半导体厂商，都开发出了一系列电机控制专用集成电路芯片，可以满足部分数字化控制的应用需求。但由于各厂商之间无统一标准，且专用集成电路芯片的功能有限，通用性和可扩展性不强，在一些较复杂的应用场合，专用集成电路芯片未必能满足性能要求。这时可以考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门阵列(fpga)可作为一种解决方案。fpga借助于硬件描述语言(vhdl)来对系统进行设计，可将复杂的软件算法用硬件实现。高性能的面向电机数字化控制的工业单片机和高速数字信号处理器(dsp)的出现，使得电机控制系统的性能大大提高，并大大简化了系统结构。与单片机相比dsp器件具有更高的集成度，更快的运算速度和丰富的高度专业化的指令集，更大容量的存储器，内置波特率发生器，具有高速同步串行接口和标准异步通讯串行接口，以及集成在片内的刀d和采样/保持电路，pwm发生电路。因此，dsp可以满足各种复杂的应用需求，实现高性能的电机数字化控制。随着dsp性能价格比的不断提高，dsp将越来越广泛的应用于电机控制的各个领域。3.电力电子技术方面电力电子技术一直是电机控制发展最重要的物质基础，大功率半导体器件的发展也制约着电机控制的水平。从最初的晶体管到第二代的gtr、mosfet再到第三代的igbt，大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频装置发生了根本性的变化。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发展。智能功率模块少m是向第四代功率集成电路pic的过渡产品。它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供功率传输变换能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路，具有过流、短路、欠压与过热保护等功能。外界只需提供pwm信号给智能功率模块，就可实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更紧凑。采用ipm作为功率变换装置，不但可以提高可靠性，而且系统的开发时间、开发费用都将大幅减少。4.计算机辅助设计方面由于计算机和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大，速度越来越快。为系统设计和仿真提供的软件越来越多，其中值得一提的是matlab。matlab凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法，己成为科研和工程技术人员的有力开发工具。控制理论方面的一些新的想法、新的控制策略都可以先通过matlab进行验证、修改。尤其是matlabs.2中提供的电气系统模块库(powersystembloekset)，使电气传动工作者能够将电气传动控制系统设计所需要的复杂算法和先进控制理论相结合，进行准确而快速地对电路以及更复杂的电气系统仿真。此外最新版的matlabs.3还提供的timebrkshop，它可以将simulink生成的控制系统仿真模型转化为c语言文件。将这个文件编译成可执行文件后，在计算机上运行(dos环境)，通过适当的接口卡，将计算机的信号输出到合适的控制系统的执行部分，就可实现在线仿真，大大缩短了研发周期。也可自己开发一套控制系统，作为实验平台。通过c程序，直接调用matlab中丰富的控制工具箱，即达到实时仿真的目的又可加快开发过程。此外，还有一些软件，如mathematica、pspice等，都可对设计控制系统起到辅助作用。mathematica是一个数学软件，具有很强的运算能力，可以对控制系统的控制理论进行仿真设计。pspice是一个模拟电路仿真软件，可以对控制系统的主电路和执行元件进行仿真。目前也有人在将不同仿真软件结合应用的方面做了研究。如将matlab的系统功能与pspice的器件功能相结合，对系统从控制器到主电路方面进行完全的仿真。5.稀土永磁材料的应用和电机制造技术方面异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。随着稀土永磁材料的发展和电机制造技术的进步，永磁同步电机、力矩电机、印制绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机等新型电机因其优良的性能在现代直流调速及伺服系统中得以广泛应用。其中，永磁无刷直流电动机具有明显的不可代替的技术优势，在微小功率范畴内永磁直流无刷电动机是发展较快的新型电机，据资料统计，近些年来，每年以大约15%的比例在增加。在这样的增长中，一个不可逆转的趋势是无刷直流电动机正在很多场合取代着其它种类的电动机。因此，人们对永磁无刷直流电动机的发展给予了极大的关注，对其控制技术的研究也成为近几年的研究热点。总之，随着现代化的发展，现代直流电机控制将日趋成熟。但是，应当看到与国外公司的先进技术和产品相比，我们还有很大的差距。美国、日本、英国、德国等国在研究直流电机控制技术方面取得了许多成功的经验，其产品也纷纷打入我国市场，并占据了较大的市场份额。因此，对直流电机控制技术进行研究，对于提高我国机电一体化技术水平，跟踪和赶超世界先进技术具有非常重要的意义。 第2章 直流电机控制系统的总体设计2.1 控制方案设计本设计方案以spce061a单片机为控制核心，实现对普通直流电机的转速测量，利用pid算法实现pwm调速，并且通过led及红外装置显示速度具体数值。 其中spce061a单片机作为主控芯片，通过i/o端口来控制spgt62c19b电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。电机模组上的光栅转盘和红外对管将直流电机的转动信息反馈给单片机，单片机针对测得的实际转速来调节spgt62c19b的控制状态，从而使转速趋近预设置。同时，电机转速可由4位数码管显示出来。61板的三个按键用来对直流电机的转动方向和转速等进行设定。根据上述的方案和本课题的设计目标，本系统的工作原理结构框图如图2-1所示:图2-1 直流电机控制系统参考框图 2.2控制系统的主要技术指标该控制系统的主要技术指标为：1.可通过spce061a板上的三个按键设定电机的转动方向、转速2.可实时测量电机的实际转速，并在led数码管上显示出来3.可对电机进行pid转速调节，使其转速趋近于设定值 2.3 spce061a芯片及外围电路简介2.3.1 凌阳16位单片机简介随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（dsp，digital signal processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的cpu内核采用凌阳推出的（microcontroller and signal processor）16位微处理器芯片。围绕所形成的16位系列单片机采用的是模块式集成结构，它以内核为中心集成不同规模的rom、ram和功能丰富的各种外设接口部件。 内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。家族有以下特点:1.体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展 家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。2.具有较强的中断处理能力家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。3.高性能价格比家族片内带有高寻址能力的rom、静态ram和多功能的i/o口。另外，的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了dsp功能，使得家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的dsp芯片廉价。4.功能强、效率高的指令系统指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。5.低功耗、低电压家族采用cmos制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。2.3.2 spce061a芯片简介spce061a是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，具有易学易用、效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准c语言，可以实现c语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放和语音识别的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放，这些都为软件开发提供了方便的条件： spce061a片内还集成了一个ice（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ice接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（unsp ide），用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口实现。spce061a单片机的内部结构框图如图2-2所示： 图2-2 spceo61a内部结构图2.3.3 spce061a芯片特性spce061a系统的特性参数如表2-1所示：表2-1 spce061a系统特性参数特性参数spce061a工作电压 2.6v-3.6v最大工作速率 49.152mhzcpu 16位sram容量 2k字rom容量(字) 32k闪存rom并行i/o端口a ioa15-0并行i/o端口b iob15-0音频输出方式 dac2中断源timera/b、时基信号发生器外部中断触键唤醒唤醒源ioa70其它中断源定时器/计数器双16位加计数定时器/计数器双通道pwm输出uart 具备adc7通道10位电压模-数转换器(adc)和单通道声音模-数转换器(adc)串行sram接口 具备(凌阳格式)晶振 具备低电压复位具备低电压监测具备内置ice接口具备上电复位具备麦克风放大器和自动增益控制单通道节电功能具备中断控制功能具备触键唤醒功能具备2.3.4 spce061a芯片的引脚排列与说明spce061a有两种封装片，一种为80个引脚，lqfp80封装。另一种为84个引脚，plcc84封装形式，这里介绍plcc84封装形式的排列如图2-3所示：图2-3 spce061a plcc84封装引脚排列图在plcc84封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。此处以lqfp80封装管脚功能介绍。表2-2 管脚描述表管脚名称管脚编号类型描述ioa15:846-39输入输出ioa15:8：双向io端口ioa7:034-27输入输出ioa7:0：通过编程，可设置成唤醒管脚ioa6:0：与adc line_in输入共用iob15:11iob10iob9iob8iob7iob6iob5iob4iob3iob2iob1iob050-545758596061626364656667输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出iob15:11：双向io端口。iob100除用作普通的io端口，还可作为：iob10：通用异步串行数据发送管脚txiob9：timerb脉宽调制输出管脚bpwmoiob8：timera脉宽调制输出管脚apwmoiob7：通用异步串行数据接收管脚rxiob6：双向io端口iob5：外部中断源ext2的反馈管脚iob4：外部中断源ext1的反馈管脚iob3：外部中断源ext2iob2：外部中断源ext1iob1：串行接口的数据传送管脚iob0：串行接口的时钟信号dac112输出dac1数据输出管脚dac213输出dac2数据输出管脚x32i2输入32768hz晶振输入管脚x32o1输出32768hz晶振输出管脚vcoin70输入pll的rc滤波器连接管脚agc16输入agc的控制管脚micn19输入麦克风负向输入管脚micp21输入麦克风正向输入管脚v2vref14输出电压源2.0v产生5ma的驱动电流，可用作外部adc line_in通道的最高参考输入电压，不可作为电压源使用micout18输出麦克风1阶放大器输出管脚，管脚外接电阻决定agc增益倍数opi17输入麦克风2阶放大器输入管脚vextref23输入adc line_in通道的最高参考输入电压管脚vmic25输出麦克风电源vadref22输出ad参考电压(由内部adc产生)vdd5,69输入逻辑电源的正向电压vss10,26,71输入逻辑电源和io口的参考地vddio37,38,56输入io端口的正向电压管脚vssio35,36,48输入io端口的参考地avdd24输入模拟电路（a/d、d/a和2v稳压源）正向电压avss15输入模拟电路（a/d、d/a和2v稳压源）参考地68输入低电平有效的复位管脚sleep49输出睡眠模式(高电平激活)ice7输入激活ice(高电平激活)iceclk8输入ice串行接口时钟管脚icesda9输入输出ice串行接口数据管脚test3输入测试模式时接高电平，正常模式时接地gnd或悬浮romt47输入测试闪烁存储器，正常模式时悬浮n/c55输入正常使用时接地n/c4输入正常使用时接地n/c6输入正常使用时接地pfuse,pvin20,11输入程序保密设定脚。用户慎重使用。第3章 控制系统的硬件设计3.1 spce061a最小系统 spce061a最小系统包括spce061a芯片及其外围基本模块，外围基本模块有：晶振输入模块（osc）、锁相环外围电路（pll）、复位电路（reset）、指示灯（led）等，分别如下图所示。图3-1 spce061a芯片图3-2 锁相环外围电路（pll） 图3-3 晶振输入模块（osc） 图3-4 复位电路（reset） 图3-5 指示灯电路（led）其中在osc0、osc1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入vcp端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1f的去藕电容提高抗干扰能力。3.2 电源模块spce061a的内核供电为3.3v，而i/o端口可接3.3v也可以接5v，所以在spce061a 精简开发板的电源模块中有一个端口电平选择跳线。下图为spce061a 精简开发板上的电源模块图。 图3-6 电源模块3.3 13按键模块在spce061a 精简开发板上自带13按键，可作为输入部件使用。三个按键为高电平有效，分别与单片机的ioa0-ioa3连接。如图3-7所示。图3-7 13按键3.4 spgt62c19b电机控制模组3.4.1模组简介spgt62c19b电机控制模组是采用凌阳spgt62c19b电机驱动芯片，配置两相步进电机和直流电机各一台，并提供4位led数码管用来显示电机转速等信息。模组的平面图如图： 图3-8 电机控制模组结构图上述结构图中各部分说明如下：（1）电机控制接口 模组与单片机的接口，为10pin排针，可以直接与“61板”连接，实现电机控制。（2）数码管控制接口 模组与单片机的接口，为两组10pin排针，可以直接与“61板”连接，实现对4位led数码管的控制。（3）spgt62c19b电机驱动芯片可驱动一台双极性两相步进电机，或者两台直流电机。（4）外接电源指示灯spgt62c19b电机驱动芯片的逻辑控制电源与电机驱动电源是各自独立供电的，可以外接5v12v的电机驱动电源。当接通了电机驱动电源时，外接电源指示灯会点亮。（5）外接电源插座为spgt62c19b提供电机驱动电源的插座。共有两组电源插座，分别为2pin针座（可接61板电池盒或其他直流电源）和dc稳压电源插座（可接直流稳压电源）。使用时可选择其中一组插座作为电机驱动电源电源输入端。（6）输出选择跳线该组跳线用来选择spgt62c19b芯片控制的电机。模组提供了步进电机和直流电机各一台，可通过对输出选择跳线的设定来切换当前工作的电机类型。（7）步进电机接口该接口为4pin插针形式，用于连接spgt62c19b驱动芯片和两相步进电机。（8）步进电机35byj26型号永磁式步进减速电机，工作方式为两相四拍。在步进电机面板上安装有刻度盘，以便于在实验中观察电机的转动状态。（9）直流电机接口由于spgt62c19b可同时驱动两台直流电机，因此留出了两组直流电机接口，在模组上分别标示为j11和j12。可以将模组提供的直流电机接在其中一组接口上。（10）直流电机 电机型号为310ca，工作电压3v12v，在5v电压下空载转速约4000转/分。（11）光栅转盘和红外对管在直流电机的转轴上安置了光栅转盘，光栅转盘的两侧分别装有鼠标用红外发射和接收管。当直流电机转动时，光栅将不断改变红外对管的通断状态，从而实现对直流电机转速的测量。（12）uln2003auln2003a是单片式7路达林顿三极管阵列，在本模组中用来驱动4位led数管。（13）4位数码管4位8段共阳极led数码管，可用作电机转速显示，也可用于显示其他内容。3.4.2 模组硬件模块说明1.步进电机模组配备的步进电机为35byj26型永磁步进电机，工作方式为双极性两相四拍。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率实现步进电机的调速。为使步进电机获得更大的转动力矩和更高的精度，电机内部加入了减速装置，通过变速齿轮组将电机的输出转速减小至1/64。这样，步进电机每接收到一个脉冲信号，输出转动的角度（即步距角）可以达到15的1/64。电机共引出4根控制线： 表3-1 步进电机控制线控制线颜色蓝黄粉橙控制线名称1a1b2a2b其中，1a与1b是电机内部一组线圈的两个抽头，2a与2b是另一组线圈的两个抽头。只需以一定的顺序控制两组线圈中的电流方向即可使步进电机按指定方向转动。表3-2 35byj26步进电机的主要技术参数电压相电阻步距角减速比启动转矩（g.cm）启动频率（p.p.s）定位转矩（g.cm）5-12v25015/641:642002502002.直流电机控制直流电机，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用pwm调速方法。pwm调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。模组配备的直流电机型号为310ca，其电压范围为3v12v，在5v的供电电压下，其空载转速在4000转/分左右，空载电流约20ma，堵转电流约300ma。直流电机转轴上加装了光栅转盘，可用来测量电机的转速，也可便于观察电机的转动情况。光栅转盘遮挡在红外发射管和红外接收管之间。如下图所示，光栅转盘的圆面上开了4个通光槽，电机每转动一周，红外接收管将接收到4次红外光，从而可以实现电机测速功能。图3-9 直流电机的光栅转盘3.5 spgt62c19b芯片实现电机控制3.5.1 spgt62c19b芯片简介spgt62c19b是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片，可驱动一台两相步进电机，或者两台直流电机。它带有双路h桥，可分别驱动两个独立的pnp功率管。每一个h桥都有各自独立的使能引脚，因此非常适合于需要独立控制的步进电机驱动系统。spgt62c19b输出电压可达40v，输出电流可达750ma，由输入的逻辑电平来决定输出脉冲的宽度及频率，所以由这款芯片组成的电机驱动系统将脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器合为一体，省去了很多外围器件。spgt62c19b的内部由两组完全相同的控制电路组成了两路输出通道。输入控制信号经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分进行处理并驱动晶体管，最后由out端口输出驱动信号以控制电机的运行。 spgt62c19b的引脚如图 图3-10 spgt62c19b引脚图spgt62c19b的控制脚有6个，如表3-5所示：表3-3 spgt62c19b控制引脚说明引脚名称用途20i01通道1的电流大小控制17i11通道1的电流大小控制16phase1通道1的电流方向控制8i02通道2的电流大小控制9i12通道2的电流大小控制10phase2通道2的电流方向控制以通道1为例，控制口i01与i11的不同逻辑组合可使通道1输出端产生不同大小的电流输出： 表3-4 控制脚i01与i11逻辑组合与输出电流的关系i01逻辑值i11逻辑值输出电流00imax102/3*imax011/3*imax110上表中，imax是输出电流的上限值，它与vref和rs的值有关。其关系式为：imax=vref/10*rsphase1的逻辑电平值决定了该通道的电流输出方向。phase1与电流方向的对应关系为：表3-5 控制脚phase1与输出电流的关系phase1逻辑值输出电流方向0out1b-out1a1out1a-out1b3.5.2 利用spgt62c19b控制直流电机spgt62c19b的两个输出通道可以分别控制一台直流电机。以通道1为例，只需设定phase的逻辑电平，即可实现电机的正反转控制。而电机调速可以通过不断改变i01和i11的高低电平状态，使输出通道产生pwm波形信号，从而利用pwm的占空比来调节电机转速。3.5.3 利用spgt62c19b控制步进电机 两相步进电机的4根引线分为两组，可分别连接spgt62c19b的两个输出通道。这样，就可以通过spgt62c19b的6个控制引脚使两个输出通道发出驱动步进电机所需的脉冲信号。步进电机与spgt62c19b的连接方法如下：表3-6 步进电机与spgt62c19b的连接方法电机引线颜色电机引线名称spgt62c19b引脚序号spgt62c19b引脚名称蓝1a1out1a黄1b21out1b粉2a2out2a橙2b5out2b每通道的输出电流可以有4种状态，这为步进电机提供了多种控制方式，可实现“整步（full-step）”、“半步（half-step）”、“优化半步（modified half-step）”等工作模式。对于半步模式和优化半步模式，与整步模式相比，步进电机每相中的电流变化更为平缓，这使得步进电机转动更加平滑，在一定程度上也可起到提高步距角分辨率的作用。3.6 转速测量电路 转速测量采用一组鼠标上用的红外对管实现。其电路原理如图2.6所示。图3-11 转速测量电路当红外发射管与红外接收管之间被直流电机光栅转盘的不透明部分遮挡时，红外接收管处于截止状态，此时图中的speed输出高电平。反之，当光栅转盘的通光槽转至红外对管之间时，红外接收管处于导通状态，此时speed输出低电平。将speed连接到单片机的i/o口，即可通过定时计数的方法计算出电机转动速度。3.7 数码管显示电路模组提供了4位共阴极led数码管，数码管采用uln2003a为其提供驱动电流。uln2003a是7路达林顿三极管阵列，这里用到了其中的4路，分别连接到数码管的4个位选脚g1g4，如下图所示。图3-12 数码管显示电路选取单片机的8位i/o作为数码管的“段控制”口，连接到数码管的ah这8个段控制脚；再用4位i/o作为数码管的“位控制”口，连接到驱动芯片uln2003a的dig1dig4，即可实现数码管显示控制。数码管的各段、位与控制引脚的对应关系如下图所示。图3-13 数码管段、位与控制端口的对应关系3.8 uln2003a芯片介绍uln2003a是单片高电压、高电流达林顿晶体管阵列，每片包含7对npn型达林顿管，具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500ma，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。uln2003a中每对达林顿管基极都串联有一个2.7k的电阻，可直接与ttl或5v cmos器件连接。在本模组中用来驱动4位led数码管。 1.芯片特性（1）单个输出即可达到500ma的集电极电流 （2）高输出电压：50v （3）输入可与多种逻辑电平兼容 （4）可用于驱动继电器等感性负载 2.应用范围（1）显示驱动 （2）继电器驱动 （3）照明灯驱动 （4）电磁阀驱动 （5）伺服电机、步进电机驱动 图3-14 uln2003a芯片原理图 图3-15 uln2003a芯片引脚图第4章 控制系统的软件设计4.1 系统的软件架构本方案的软件系统主要包含下列模块：1.按键扫描 扫描13键盘，获取键值。包括key.asm程序文件和key.inc、key.h头文件。2.数码管显示： led数码管显示驱动程序。该模块包括dig.asm程序文件，以及dig.inc和dig.h头文件。3.直流电机控制该模块通过控制spgt62c19b芯片，实现直流电机的转动控制以及转速检测。该模块包括dcmotor.asm程序文件和dcmotor.inc、dcmotor.h头文件。4.主控程序 主控程序负责控制整个系统的工作流程，判断按键值、控制数码管显示，以及控制电机转动等。上述功能模块组成了两层单向调用结构，各模块之间的调用关系如下图所示：图4-1 各模块间的调用关系4.2 各模块程序说明4.2.1按键扫描模块按键扫描是在tmb_128hz中断服务程序中进行的，其程序流程如下：图4-2 按键扫描程序流程获取键值时，只需调用key_get()函数即可，该函数的程序流程如图6-3所示图4-3 键值获取程序流程4.2.2 led数码管显示模块led数码管采用逐位动态显示方式，利用4khz时基中断进行逐位扫描，使每个数码管的显示亮度均匀且感觉不到闪烁。led数码管的显示流程如图6-4。图4-4 led数码管显示流程4.2.3直流电机控制和测速模块根据spgt62c19b控制原理，只需利用单片机i/o端口向spgt62c19b的i01和i11引脚输出不同占空比的pwm信号即可控制电机以不同的速度转动。虽然spce061a具有两路pwm输出功能，但这要占用timera和timerb两个定时器，浪费了宝贵的定时器资源，因此这里采用软件生成pwm的方法，利用4khz时基中断，改变i/o端口的电平状态，从而模拟出特定占空比的pwm波形。其流程如图6-5所示。图4-5 利用4khz时基生成pwm电机测速工作也是利用4khz时基中断完成的。当光栅转盘的挖空部分经过红外对管时，与之连接的单片机i/o口将输入低电平；而光栅转盘阻隔红外对管时，该i/o口将输入低电平。以4khz为采样频率，检测该i/o端口的电平状态并计数，即可通过一段时间内的计数值计算出电机转速。图4-6 利用4khz时基实现电机测速4.2.4 利用pid算法实现调速在直流电机调速系统中，数字pid是一种比较成熟的算法。数字pid算法的大致原理是，将设定速度与实际速度之间的偏差记为e，利用e的比例、积分和微分通过线性组合构成的控制量u去控制对象。数字pid算法的表达式如下：其中为第k个采样时刻的速度偏差值。上式可演化为增量式数字pid算法表达式：这样，只需确定cp、ci和cd的值即可实现对uk的控制。在本系统中，uk可作为控制电机转速的pwm信号的占空比。cp、ci和cd可通过实际测试调整获得，经实测，当cp=1/2，ci=3/16，cd=1/16时，转速波动幅度可控制在1转/秒以内。为避免在程序中出现浮点运算，这里将各参数值扩大16倍，最后将结果缩小为1/16再返回。其程序流程图如下：图4-7 pid计算流程4.3主程序流程主程序在系统初始化（初始化时钟、中断、变量等）之后，显示默认的电机转速设定值，并等待按键输入。当有键按下后，调用对应的子程序，完成特定的功能。其流程如下。图4-8 主程序流程图在转速设定子程序中，数码管闪烁显示当前设定转速，并通过key1和key2键对转速进行增减设置。当按下key3后返回主程序。图4-9 转速设定子程序方向设定子程序与转速设定类似，数码管显示滚动的“-”，滚动方向代表当前设定的电机转动方向。key1与key2键分别设定电机转动方向为“正转”或“反转”。按key3键返回主程序。图4-10 方向设定子程序电机启动子程序控制电机按照设定的方式转动。在转动过程中可按key1和key2键对转速设定值进行增减，key3键使电机停止，并返回主程序。图4-11 电机启动子程序社会经济效益性分析在电气时代的