第7讲电机控制技术(2015)

1、E&C College AVR Training 2006Slide 1定时器与计数器定时器与计数器电机控制技术电机控制技术E&C College AVR Training 2006Slide 2定时器与计数器定时器与计数器定时器定时器/ /计数器的应用计数器的应用Application of Timer 1.1.Timer02的定时应用的定时应用2.2.Timer02的输出比较模式应用的输出比较模式应用3.3.Timer1的输入捕捉模式的输入捕捉模式4.4.Timer02的脉宽调制模式的脉宽调制模式5.5.综合应用综合应用E&C College AVR Trainin

2、g 2006Slide 3定时器与计数器定时器与计数器实训任务实训任务1.通过通过PWM波实现对波实现对LED灯亮度的控制（直观上）。灯亮度的控制（直观上）。2.利用利用AVR单片机控制直流电机正转、反转及调速。单片机控制直流电机正转、反转及调速。需要解决的问题：需要解决的问题：如何实现如何实现PWM输出控制？输出控制？直流电机的工作原理？直流电机的工作原理？（motor.c）E&C College AVR Training 2006Slide 4定时器与计数器定时器与计数器PWMPWM基本概念基本概念 PWMPWM（Pulse Width ModulationPulse Width

3、Modulation）控制）控制脉冲宽度调脉冲宽度调制技术制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。得所需要波形（含形状和幅值）。 PWMPWM输出的最大特点是输出的最大特点是波形的频率恒定，波形的占空比波形的频率恒定，波形的占空比D D却可以改变却可以改变。PWMPWM输出经过输出经过RCRC滤波可得到一个滤波可得到一个可调节（占可调节（占空比的改变）的平均直流输出信号空比的改变）的平均直流输出信号，从而提供不同的直流，从而提供不同的直流输出信号用于控制模拟设备。相当于一种输出信号用于控制模拟设备。相当于一种数

4、模转换器（数模转换器（D/A) D/A) 如：如：由由PWMPWM波形控制波形控制LEDLED的亮度的亮度。注意：。注意：PWMPWM波形的频率波形的频率必须高于必须高于42Hz,42Hz,否则将看到否则将看到LEDLED在闪烁。在闪烁。 又如：又如：小功率直流电机的驱动与调速。小功率直流电机的驱动与调速。其方法就是控其方法就是控制电机电枢电压接通和断开时间的比值（占空比）来驱动制电机电枢电压接通和断开时间的比值（占空比）来驱动电机和改变电机的转速，这种方法称为电机和改变电机的转速，这种方法称为脉宽调速法脉宽调速法。E&C College AVR Training 2006Slide

5、5定时器与计数器定时器与计数器PWMPWM应用应用1. PWM1. PWM脉宽调制：脉宽调制：频率不变，改变占空比频率不变，改变占空比2. PWM2. PWM实现直流电机调速。（或者实现直流电机调速。（或者PWM波形控制波形控制LED的的亮度亮度f42Hz）。）。3. PWM3. PWM外加简单的外加简单的RCRC滤波电路可实现滤波电路可实现D/AD/A转换。转换。4. 4. 单片机单片机PWMPWM波形产生与定时器其他方式输出波形工作波形产生与定时器其他方式输出波形工作特征的区别：特征的区别：定时器其他方式输出波形定时器其他方式输出波形需要程序干预，需要程序干预，占用运行时间。占用运行时间。

6、PWMPWM单元不需程序干预直接改变管脚输出单元不需程序干预直接改变管脚输出。E&C College AVR Training 2006Slide 6定时器与计数器定时器与计数器D/AD/A转换器转换器E&C College AVR Training 2006Slide 7定时器与计数器定时器与计数器输出比较模式下工作模式的分类输出比较模式下工作模式的分类工作模式工作模式应用功能应用功能具备此功具备此功能的能的T/C需要设置的相关寄存器需要设置的相关寄存器1普通模式普通模式输出一定频率的方波输出一定频率的方波（不提倡）（不提倡）T/C0,T/C1， T/C2TCCRn，TCNT

7、n，TIMSK，TIFRn，SREG2.CTC模式模式在一个输出引脚上产在一个输出引脚上产生输出对称方波，可生输出对称方波，可调节其频率。调节其频率。T/C0， T/C1， T/C2TCCRn,TCNTn,TIMSK,TIFRn,OCRn,SREG,OCR1AL(H),OCR1BL(H),TCNT1L(H),TCCR1A(B)3.快速快速PWM产生高频的产生高频的PWM 波波形。形。T/C0， T/C1， T/C24.相位修正相位修正PWM模式模式提供不同的直流输出提供不同的直流输出信号。信号。T/C0， T/C1， T/C25相位频率修相位频率修正正PWM模模式式可以产生高精度的、可以产生高

8、精度的、相位与频率都准确的相位与频率都准确的PWMPWM波形波形T/C1E&C College AVR Training 2006Slide 8定时器与计数器定时器与计数器PWMPWM输出工作原理框图输出工作原理框图比较器比较器输出比较中断标志输出比较中断标志定时器定时器/计数器计数器输出比较寄存器输出比较寄存器中断请求中断请求S2S1波形发生器波形发生器波形发生模式设置波形发生模式设置输出比较模式设置输出比较模式设置输出比较引脚输出比较引脚OCn外部时钟源外部时钟源内部时钟源内部时钟源S0中断设置中断设置E&C College AVR Training 2006Slide 9

9、定时器与计数器定时器与计数器PWMPWM输出基本原理与规律输出基本原理与规律 定时器定时器/ /计数器的计数器以一定频率向上、向下计数计数器的计数器以一定频率向上、向下计数，即计数器从，即计数器从OOH-FFHOOH-FFH进行计数，然后计数器反向从进行计数，然后计数器反向从FFH FFH -OOH-OOH进行计数，如此反复。当计数器中的数值与比较寄进行计数，如此反复。当计数器中的数值与比较寄存器中的数值相等时，比较器的输出按存器中的数值相等时，比较器的输出按PWMPWM预定的规律输预定的规律输出一系列的脉冲波。出一系列的脉冲波。 在正常在正常PWMPWM模式下，计数器模式下，计数器向下计数向

10、下计数时遇到匹配，就时遇到匹配，就将将输出位设置为高电平输出位设置为高电平；如果在；如果在向上计数向上计数时遇到匹配，时遇到匹配，就将就将输出位设置为低电平。输出位设置为低电平。 其占空比随着比较值的改变而改变，其占空比随着比较值的改变而改变，比较值越大，占比较值越大，占空比越大空比越大。若加载到输出比较寄存器的数值等于峰值的若加载到输出比较寄存器的数值等于峰值的20%20%，那么就可以产生，那么就可以产生20%20%的占空比的的占空比的PWMPWM波形。波形。E&C College AVR Training 2006Slide 10定时器与计数器定时器与计数器相位修正相位修正PWMP

11、WM模式时序图模式时序图 Phase Correct PWM Mode 双斜坡工作方式双斜坡工作方式E&C College AVR Training 2006Slide 11定时器与计数器定时器与计数器相位修正相位修正PWMPWM模式的工作机理模式的工作机理 相位修正相位修正PWMPWM模式为用户提供了一个获得高精度相位修正模式为用户提供了一个获得高精度相位修正PWMPWM波形的方法。此模式基于波形的方法。此模式基于双斜坡操作双斜坡操作。计时器重复地从。计时器重复地从BOTTOMBOTTOM计到计到TOPTOP，然后又从，然后又从TOPTOP倒退回到倒退回到BOTTOMBOTTOM。在

12、正向比较。在正向比较输出模式下，输出模式下，当计时器往当计时器往TOPTOP计数时若发生了计数时若发生了TCNTnTCNTn与与OCRnOCRn的的匹配，匹配，OCnOCn将清零为低电平；而在计时器往将清零为低电平；而在计时器往BOTTOMBOTTOM计数时若计数时若发生了发生了TCNTnTCNTn与与OCRnOCRn的匹配，的匹配，OCnOCn将置位为高电平。将置位为高电平。工作于反工作于反向输出比较时则正好相反。向输出比较时则正好相反。 与单斜坡操作相比，双斜坡操作可获得的最大频率要小与单斜坡操作相比，双斜坡操作可获得的最大频率要小。但由于其。但由于其对称的特性，十分适合于电机控制对称的特

13、性，十分适合于电机控制。 在正向在正向PWMPWM模式下的模式下的极值极值情况：情况：若若OCR0OCR0等于等于BOTTOMBOTTOM，输，输出一直保持为低电平；若出一直保持为低电平；若OCR0OCR0等于等于TOPTOP，则输出保持为高电，则输出保持为高电平。平。反向反向PWMPWM模式则正好相反。模式则正好相反。E&C College AVR Training 2006Slide 12定时器与计数器定时器与计数器相位修正相位修正PWMPWM模式的工作机理模式的工作机理 对于对于TC0TC0和和TC2TC2定时器，相位修正定时器，相位修正PWMPWM模式的模式的PWMPWM精度固

14、精度固定为定为8 8比特。对于比特。对于TC1TC1定时器，定时器，PWM 分辨率固定为分辨率固定为8、9 或或10 位，或由位，或由ICR1 或或OCR1A 定义。定义。最小分辨率为最小分辨率为2比特比特(ICR1或或OCR1A设为设为 0 x0003)，最大分辨率为，最大分辨率为16位位(ICR1或或OCR1A设为设为MAX)。PWM 分辨率位数可用下式计算：分辨率位数可用下式计算： 工作于相位修正工作于相位修正PWM模式时，计数器的数值一直累加模式时，计数器的数值一直累加到固定值到固定值0 x00FF、0 x01FF、0 x03FF (WGM13:0 = 1、 2 或或3) 、ICR1

15、(WGM13:0 = 10) 或或OCR1A (WGM13:0 = 11)，然后改变计数方向。，然后改变计数方向。E&C College AVR Training 2006Slide 13定时器与计数器定时器与计数器相位修正相位修正PWMPWM模式模式Phase Correct PWM Mode u典型特点：相位准确，占空比可调。到顶更新，典型特点：相位准确，占空比可调。到顶更新，双斜坡工双斜坡工作方式作方式，定时器从零到顶。再从顶计数到，定时器从零到顶。再从顶计数到0。在。在OCn脚输出脚输出脉冲信号，脉冲信号， OCn输出不需要程序干预。输出不需要程序干预。uTC0,TC2下下输出

16、的输出的PWM 频率频率的的公式：公式： uTC1下的公式为：下的公式为： 变量变量N 代表分频因子代表分频因子 (1、 8、 64、256 或或1024)。E&C College AVR Training 2006Slide 14定时器与计数器定时器与计数器实战演练实战演练2. 设计一个波形发生器，要求在设计一个波形发生器，要求在PB3脚输出一个频率为脚输出一个频率为8k，占空比为，占空比为80%的矩形波，要求用相位修正的的矩形波，要求用相位修正的PWM模式产生。模式产生。选选fclk=4MHz，N分分=1，OCR=204E&C College AVR Training 20

17、06Slide 15定时器与计数器定时器与计数器设计思路分析设计思路分析 参数计算（计算参数计算（计算N N分和分和OCROCR的值）的值） 已知：已知：fclk=4MHz，f0=8k，占空比，占空比D=80% 求：求：N分与分与OCR0 由：由： TC0,TC2下下输出的输出的PWM 频率频率的的公式：公式： 我们可以计算出我们可以计算出N分分=1。 又由：又由：“若加载到输出比较寄存器的数值等于峰值的若加载到输出比较寄存器的数值等于峰值的20%20%，那么就可以产生那么就可以产生20%20%的占空比的的占空比的PWMPWM波形。波形。”的理论可知：的理论可知： D=OCR0/256=80%

18、, D=OCR0/256=80%, 则：则：OCR0=204OCR0=204选选fclk=4MHz，N分分=1，OCR=204E&C College AVR Training 2006Slide 16定时器与计数器定时器与计数器初始化代码及编程思路初始化代码及编程思路应填入计算出来的应填入计算出来的OCR0=0XCC应填入应填入TCNT0=0编程思路：编程思路：1.主程序就是无限循环；主程序就是无限循环；2. 输出比较中断空着。输出比较中断空着。E&C College AVR Training 2006Slide 17定时器与计数器定时器与计数器实战演练实战演练1. 设计一个波

19、形发生器，要求在设计一个波形发生器，要求在PD7脚输出一个频率为脚输出一个频率为8k，占空比为，占空比为20%的矩形波，要求用相位修正的的矩形波，要求用相位修正的PWM模式产生。模式产生。 （PWM8K.C）选选fclk=4MHz，N分分=1，OCR=51E&C College AVR Training 2006Slide 18定时器与计数器定时器与计数器实战演练实战演练3. 设计一个波形发生器，要求在设计一个波形发生器，要求在PB3脚输出一个频率为脚输出一个频率为8k，8000个占空比为个占空比为5%的矩形波脉冲，接下来在频率不变的的矩形波脉冲，接下来在频率不变的情况下输出情况下输出

20、8000个占空比为个占空比为95%的矩形波脉冲，如此下的矩形波脉冲，如此下去循环往复，将输出接到去循环往复，将输出接到led上观察明暗变化。要求用相上观察明暗变化。要求用相位修正的位修正的PWM模式产生。（模式产生。（PWM_LED.C）E&C College AVR Training 2006Slide 19定时器与计数器定时器与计数器程序设计思路程序设计思路占空比为占空比为5%时，时，OCR0=0X0C; 当占空比为当占空比为95%时，时，OCR0=0XF2。主程序为无限循环主程序为无限循环输出比较中断函数：在中断设置判断标志位是输出比较中断函数：在中断设置判断标志位是1时对应时对

21、应95%的占空比输出，为的占空比输出，为0时对应时对应5%的占空比输出。相应的占空比输出。相应的分支处理产生相应占空比的矩形波波。的分支处理产生相应占空比的矩形波波。 每个分支处理的思路每个分支处理的思路设定本产生占空比的矩形波对设定本产生占空比的矩形波对应的应的OCR0的参数，以及设定产生脉冲个数的统计计数的参数，以及设定产生脉冲个数的统计计数器，通过统计中断次数以确保产生题目要求的脉冲个数器，通过统计中断次数以确保产生题目要求的脉冲个数。若完成产生了足够的脉冲个数，则设定输出另一个占。若完成产生了足够的脉冲个数，则设定输出另一个占空比的矩形波对应的空比的矩形波对应的OCR0的参数，修改标志

22、位，给中的参数，修改标志位，给中断次数计数器清零。断次数计数器清零。E&C College AVR Training 2006Slide 20定时器与计数器定时器与计数器编程编程代码代码引导引导#pragma interrupt_handler timer0_comp_isr:20void timer0_comp_isr(void) /compare occured TCNT0=OCR0 if(标志位标志位=1) /若产生若产生95%占空比矩形波占空比矩形波 设定本产生占空比的矩形波对应的设定本产生占空比的矩形波对应的OCR0的参数；的参数； 产生脉冲个数的统计计数器计数；产生脉冲个数

23、的统计计数器计数； if(？)/产生了足够的脉冲个数？产生了足够的脉冲个数？ 产生脉冲个数的统计计数器清零；产生脉冲个数的统计计数器清零； 标志位清零标志位清零; 设定输出另一个占空比的矩形波对应的设定输出另一个占空比的矩形波对应的OCR0的参数的参数; else if(？) /若产生若产生5%占空比矩形波占空比矩形波 设定本产生占空比的矩形波对应的设定本产生占空比的矩形波对应的OCR0的参数；的参数； 产生脉冲个数的统计计数器计数；产生脉冲个数的统计计数器计数； if(？)/产生了足够的脉冲个数？产生了足够的脉冲个数？ 产生脉冲个数的统计计数器清零；产生脉冲个数的统计计数器清零； 标志位置标

24、志位置1; 设定输出另一个占空比的矩形波对应的设定输出另一个占空比的矩形波对应的OCR0的参数的参数; E&C College AVR Training 2006Slide 21定时器与计数器定时器与计数器基于串口控制发光二极管的亮度基于串口控制发光二极管的亮度 设计要求：由设计要求：由PC机下发命令实现单片机机下发命令实现单片机PD5引脚输出相位引脚输出相位修正的修正的PWM波波控制控制PA0接的发光二极管由亮变暗再由暗变接的发光二极管由亮变暗再由暗变亮。当下发亮。当下发a字符，则发光二极管由亮变暗，当下发字符，则发光二极管由亮变暗，当下发b字符，则发光二极管由暗变亮。字符，则发光二

25、极管由暗变亮。思路提示：思路提示：1. 如何初始化？请画出资源分配表如何初始化？请画出资源分配表2. 输出比较中断：给输出比较中断：给OCR1A赋值赋值3. 串行接收中断：接收数据；判断数据为串行接收中断：接收数据；判断数据为b时，时，修改修改OCR1A的数据，实现由暗变亮，直到最大值；的数据，实现由暗变亮，直到最大值；判断数据为判断数据为a时，时，修改修改OCR1A的数据，实现由亮变暗；直到最小值。的数据，实现由亮变暗；直到最小值。4. 主函数：无限循环主函数：无限循环 E&C College AVR Training 2006Slide 22定时器与计数器定时器与计数器知识总结和综

26、合知识总结和综合功功 能能T/C0T/C0T/C1T/C1T/C2T/C2普通定时器计普通定时器计数器数器具备此功能具备此功能具备此功能具备此功能具备此功能具备此功能输输出出比比较较普通模式普通模式具备此功能具备此功能具备此功能具备此功能具备此功能具备此功能CTCCTC模式模式相位修正相位修正PWMPWM快速快速PWMPWM相位与频相位与频率修正率修正PWMPWM输入捕捉功能输入捕捉功能具备此功能具备此功能E&C College AVR Training 2006Slide 23定时器与计数器定时器与计数器基于串口控制发光二极管的亮度基于串口控制发光二极管的亮度 设计要求：由设计要求：

27、由PC机下发命令实现单片机机下发命令实现单片机PD7引脚引脚输出相位修正的输出相位修正的PWM波波控制的控制的PA0接的发光二极接的发光二极管由亮变暗再由暗变亮。当下发管由亮变暗再由暗变亮。当下发a 字符，则字符，则发光二极管由亮变暗，当下发发光二极管由亮变暗，当下发b字符，则发字符，则发光二极管由暗变亮。光二极管由暗变亮。于此同时请在数码管上显示于此同时请在数码管上显示收到的字符及其对应当前占空比值；格式信息如收到的字符及其对应当前占空比值；格式信息如下：下：“A75” 。 E&C College AVR Training 2006Slide 24定时器与计数器定时器与计数器数码管的

28、控制数码管的控制p 实验环境：数码管实验环境：数码管采用采用共阳极共阳极数码管数码管p 数码管的数码管的八段八段：通：通过过RN1RN1、RN2RN2接到接到PAPA口口，PA7PA7PA1PA1引脚引脚对应对应A A段段G G段，段，PA0PA0对应小数点。对应小数点。p 数码管的数码管的位控制位控制：通过通过RN3RN3接到接到PCPC口口的高的高4 4位位PC4PC4PC7PC7，对应位，对应位1 1位位4 4。E&C College AVR Training 2006Slide 25定时器与计数器定时器与计数器数码管段码数码管段码“0”000000110 x03“1”11110

29、0110 xf3“2”001001010 x25“3”000011010 x0d“4”100110010 x99“5”010010010 x49“6”010000010 x41“7”000111110 x1f“8”000000010 x01“9”000110010 x19E&C College AVR Training 2006Slide 26定时器与计数器定时器与计数器基于串口控制发光二极管的亮度基于串口控制发光二极管的亮度思路提示：思路提示：1. 如何初始化？请画出资源分配表如何初始化？请画出资源分配表2. 设计设计ms延时函数延时函数3. 输出比较中断：给输出比较中断：给OCR2

30、赋值赋值4. 串行接收中断：接收数据；判断数据为串行接收中断：接收数据；判断数据为b时，时，修改修改OCR1A的数据，实现由暗变亮，直到最大值；的数据，实现由暗变亮，直到最大值；判断数据为判断数据为a时，时，修改修改OCR2的数据，实现由亮变暗；直到最小值。的数据，实现由亮变暗；直到最小值。5. 主函数：可在此定义位码变量、显示缓冲区、段码数组等。主函数：可在此定义位码变量、显示缓冲区、段码数组等。while（1）内部完成数码管的动态显示过程。利用）内部完成数码管的动态显示过程。利用for循环循环结构完成动态显示。结构完成动态显示。6. 定义全局变量：定义全局变量：OCR2的数据参量，串口接收

31、数据参量的数据参量，串口接收数据参量 E&C College AVR Training 2006Slide 27定时器与计数器定时器与计数器参考代码引导参考代码引导void main(void) 定义局部变量；定义局部变量； init_devices(); while(1) 占空比显示数据十位、个位数字分离计算占空比显示数据十位、个位数字分离计算; for(m=0;m4;m+) /实现占空比数据的动态显示实现占空比数据的动态显示 输出位码，注意正确移位；输出位码，注意正确移位； 输出段码输出段码; 动态显示延时动态显示延时5ms; #pragma interrupt_handler u

32、art0_rx_isr:12void uart0_rx_isr(void) 接收数据接收数据; if(数据是否为数据是否为b？) 修改修改OCR2数据使得数据使得LED变亮变亮; if(OCR2数据参量达到最大值数据参量达到最大值) OCR2数据参量数据参量=最大值最大值; else if(数据是否为数据是否为a？) 修改修改OCR2数据使得数据使得LED变暗变暗; if(OCR2数据参量达到最小值数据参量达到最小值) OCR2数据参量数据参量=最小值最小值; #pragma interrupt_handler timer2_comp_isr:？void timer2_comp_isr(voi

33、d) OCR2=OCR2的数据参量的数据参量;E&C College AVR Training 2006Slide 28定时器与计数器定时器与计数器基于串口控制发光二极管的亮度基于串口控制发光二极管的亮度序号序号功能模块功能模块占用端口占用端口工作模式工作模式有效电平有效电平涉及寄存器涉及寄存器1点灯点灯PA0输出输出低电平低电平DDRA、PORTA2TC2PD7PWM输出输出模式模式TCNT2, OCR2, TCCR2, TIFR，TIMSK3数码管数码管PA口口, PC口口输出模式输出模式段：低段：低位：低位：低DDRA、PORTADDRC、PORTC4串口串口PD0,PD1接收中

34、断接收中断UCSRA、UCSRB、UCSRC、UDR、UBRRH、UBRRLE&C College AVR Training 2006Slide 29定时器与计数器定时器与计数器基于串口的调光台灯的设计基于串口的调光台灯的设计 设计要求：由设计要求：由PC机下发命令实现单片机机下发命令实现单片机PD5引脚输出快速引脚输出快速PWM波波控制的发光二极管分级由亮变暗再由暗变亮。控制的发光二极管分级由亮变暗再由暗变亮。 1. 当下发当下发A字符，实现发光二极管亮度下降一级；下发字符，实现发光二极管亮度下降一级；下发B字符，在上述亮度基础上又下降一级；下发字符，在上述亮度基础上又下降一级；下发

35、C字符字符，此时发光二极管亮度最暗。，此时发光二极管亮度最暗。 2. 当下发当下发a字符，在上述亮度基础上实现发光二极管亮字符，在上述亮度基础上实现发光二极管亮度提升一级；下发度提升一级；下发b字符，在前述亮度基础上又提升一字符，在前述亮度基础上又提升一级；下发级；下发c字符，此时发光二极管亮度最亮。字符，此时发光二极管亮度最亮。请在数码管上显示如下格式信息：请在数码管上显示如下格式信息：“A75”其中其中75表示表示当前的占空比值。当前的占空比值。E&C College AVR Training 2006Slide 30定时器与计数器定时器与计数器直流电动机的工作原理直流电动机的工作

36、原理 若把电刷若把电刷A, B接到一直流电源上，电刷接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，接电源的正极，电刷电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。如下接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。如下图所示为直流电动机的简化模型。图所示为直流电动机的简化模型。绕组线圈主磁极E&C College AVR Training 2006Slide 31定时器与计数器定时器与计数器N SiabcdFFii+AB-n电动机模型 位于位于N N极下线圈极下线圈abab边和边和位于位于S S极下线圈的极下线圈的cdcd边通以边通以直流电流直流电流i i，若，若B B、i i在空间在空间相互

37、垂直，根据安培电磁相互垂直，根据安培电磁力定律力定律 电动机原理，由电动机原理，由左手定则左手定则确定可知，导体确定可知，导体中产生电磁力中产生电磁力F F的大小应：的大小应： F FBx Bx l li i 式中式中BxBx为导体所在处为导体所在处的磁通密度；的磁通密度；L L为导体为导体abab或或cdcd的有效长度，单位为的有效长度，单位为m m；i i为导体中流过的电流，单为导体中流过的电流，单位为位为A A；F F为电磁力，单位为电磁力，单位为为N N。直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 E&C College AVR Training 2006Slide 32定时器与

38、计数器定时器与计数器 在图在图1.21.2（a a）的情况下，位于）的情况下，位于N N极下的导体极下的导体abab受力方向为受力方向为从右向左，而位于从右向左，而位于S S极下的导体极下的导体cdcd受力方向为从左向右。该电受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻转矩时，线圈按逆时针方向旋转当电磁转矩大于阻转矩时，线圈按逆时针方向旋转。当电。当电枢旋转到图枢旋转到图1.21.2（b b）所示位置时，原位于）所示位置时，原位于S S极下的导体极下的导体cdcd转到转到N N极下，其受力方向

39、变为从右向左；而原位于极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N N极下的导体极下的导体abab转到转到S S极下，导体极下，导体abab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N N极下的导体受力极下的导体受力方向和方向和S S极下导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方极下导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。向不变的转矩作用下转动。电刷的作用是把直流电

40、变成线圈电刷的作用是把直流电变成线圈中的交变的电流。中的交变的电流。 电磁力电磁力F F的方向由两个因素决定；的方向由两个因素决定；1.1.导体中的电流方向，导体中的电流方向，2.2.气隙磁场的极性。改变其中之一就可以改变电磁力气隙磁场的极性。改变其中之一就可以改变电磁力F F的方向的方向。E&C College AVR Training 2006Slide 33定时器与计数器定时器与计数器电机控制原理图电机控制原理图E&C College AVR Training 2006Slide 34定时器与计数器定时器与计数器L298N双双H桥驱动芯片桥驱动芯片E&C Coll

41、ege AVR Training 2006Slide 35定时器与计数器定时器与计数器模块的接线模块的接线E&C College AVR Training 2006Slide 36定时器与计数器定时器与计数器电源和地的接线电源和地的接线E&C College AVR Training 2006Slide 37定时器与计数器定时器与计数器其其他他信信号号接接线线E&C College AVR Training 2006Slide 38定时器与计数器定时器与计数器 永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和

42、速度的稳定控制。制、可变速度控制和速度的稳定控制。 永磁式换流器直流电机永磁式换流器直流电机 PM DC MotorPM DC MotorE&C College AVR Training 2006Slide 39定时器与计数器定时器与计数器双向直流电机控制原理双向直流电机控制原理E&C College AVR Training 2006Slide 40定时器与计数器定时器与计数器电机控制与微处理器的接线电机控制与微处理器的接线E&C College AVR Training 2006Slide 41定时器与计数器定时器与计数器左电机左电机PB3 PD4LA LB0 0

43、不转不转0 1 前转前转1 0 后转后转1 1 不转不转左左轮轮右右轮轮万向滑轮万向滑轮左左减减速速电电机机前方前方右右减减速速电电机机LA LBRA RB电机电机驱动驱动电路电路单片机单片机右电机右电机PD5 PD7RA RB0 0 不转不转0 1 前转前转1 0 后转后转1 1 不转不转单片机通过电机驱动电路控制小车运行方法单片机通过电机驱动电路控制小车运行方法PB3 PD4 PD5 PD70 1 0 1 前进前进1 0 1 0 后退后退1 1 0 1 右转弯右转弯0 1 1 1 左转弯左转弯小车的运动控制小车的运动控制E&C College AVR Training 2006Sl

44、ide 42定时器与计数器定时器与计数器电机控制原理图电机控制原理图E&C College AVR Training 2006Slide 43定时器与计数器定时器与计数器实训：对小车进行前、后、左、右运动控制实训：对小车进行前、后、左、右运动控制具体要求：请分别对小车进行前、后具体要求：请分别对小车进行前、后、左、右的匀速运动控制、左、右的匀速运动控制10ms。直接输入直流信号实现。直接输入直流信号实现。基本接线：基本接线：P13接接IN1、P34接接IN2、P35接接IN4、P37接接IN3E&C College AVR Training 2006Slide 44定时器与计数

45、器定时器与计数器实训：基于串口命令控制的小车基本运动实训：基于串口命令控制的小车基本运动具体要求：上位机通过串口下发具体要求：上位机通过串口下发f、b、l、r等命令分别控制等命令分别控制小车进行前、后、左、右的匀速运小车进行前、后、左、右的匀速运动。直接输入直流信号实现。动。直接输入直流信号实现。基本接线：基本接线：P13接接IN1、P34接接IN2、P35接接IN4、P37接接IN3E&C College AVR Training 2006Slide 45定时器与计数器定时器与计数器实训：对小车进行前、后、左、右运动控制实训：对小车进行前、后、左、右运动控制具体要求：请分别对小车进行

46、前、具体要求：请分别对小车进行前、后、左、右的变速控制后、左、右的变速控制30ms。要。要求利用求利用PWM信号实现变速。信号实现变速。基本接线：基本接线：P13（PB3）接）接IN1、P34（PD4）接）接IN2、P35（PD5）接）接IN4、P37（PD7）接）接IN3E&C College AVR Training 2006Slide 46定时器与计数器定时器与计数器PWM波输出的控制波输出的控制PB3(T0): TCCR0&=0XCF; 不输出不输出PWM波波 TCCR0|=0X20; 输出输出PWM波波PD4(T1B): TCCR1A&=0XCF; 不输出不输

47、出PWM波波 TCCR1A|=0X20; 输出输出PWM波波PD5(T1A):TCCR1A&=0X3F; 不输出不输出PWM波波 TCCR1A|=0X80; 输出输出PWM波波PD7(T2): TCCR2&=0XCF; 不输出不输出PWM波波 TCCR2|=0X20; 输出输出PWM波波E&C College AVR Training 2006Slide 47定时器与计数器定时器与计数器通过电机驱动电路控制小车运行方法通过电机驱动电路控制小车运行方法P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P0.0（0有障碍）有障碍）0 1 0 1 前进前进 11 0 1 0 后退后退

48、01 1 0 1 左转弯左转弯0 1 1 1 右转弯右转弯探测探测障碍物障碍物30cm障碍实验障碍实验注:检测到黑线输出低电平左左轮轮右右轮轮万向滑轮万向滑轮左左减减速速电电机机前方前方右右减减速速电电机机LA LBRA RB电机电机驱动驱动电路电路单片机单片机E&C College AVR Training 2006Slide 48定时器与计数器定时器与计数器实战演练实战演练 实训实训1：在理解直流电机工作原理的基础上，实：在理解直流电机工作原理的基础上，实现对直流电机的正、反转控制。现对直流电机的正、反转控制。(MOTOR.C)E&C College AVR Trainin

49、g 2006Slide 49定时器与计数器定时器与计数器综合实训综合实训1Practice采用定时器溢出中断制作一个采用定时器溢出中断制作一个250ms定时程序，从定时程序，从0开始每隔开始每隔250ms计数加计数加1一直到一直到9，要求在液晶上循环，要求在液晶上循环显示。（显示。（counter0_9.c）采用定时器比较中断制作一个采用定时器比较中断制作一个500ms定时程序，从定时程序，从0开始每隔开始每隔250ms计数加计数加1一直到一直到9，要求在液晶上循环，要求在液晶上循环显示。（显示。（cnt_com9.c）采用定时器中断制作一个实用秒表，能实现采用定时器中断制作一个实用秒表，能实

50、现1分钟计分钟计时报警（声音或光）时报警（声音或光）,要求在液晶上显示要求在液晶上显示.（second.c)采用定时器中断制作一个采用定时器中断制作一个24小时时钟，要求在液晶上小时时钟，要求在液晶上显示。（显示。（timer_h.c）E&C College AVR Training 2006Slide 50定时器与计数器定时器与计数器综合实训综合实训2Practice采用定时器中断制作一个实用秒表，能实现采用定时器中断制作一个实用秒表，能实现1分钟计分钟计时报警，要求在数码管上显示。（时报警，要求在数码管上显示。（sec_seg.c）设计一个设计一个24小时时钟，能通过键盘修改、设定

51、时间，小时时钟，能通过键盘修改、设定时间，要求在液晶上显示。（要求在液晶上显示。（clock.c）E&C College AVR Training 2006Slide 51定时器与计数器定时器与计数器8 8 位定时器位定时器/ /计数器计数器T/C0T/C0寄存器寄存器Timer0/Counter0 RegistersT/C0控制寄存器控制寄存器TCCR0（Timer/Counter Control Register）：E&C College AVR Training 2006Slide 52定时器与计数器定时器与计数器快速快速PWMPWM模式时序图模式时序图单斜坡工作方式单斜

52、坡工作方式E&C College AVR Training 2006Slide 53定时器与计数器定时器与计数器快速快速PWMPWM模式的工作机理模式的工作机理 快速快速PWMPWM模式可用来产生高频的模式可用来产生高频的PWMPWM波形。快速波形。快速PWMPWM模式模式与其他与其他PWMPWM模式的不同之处是其模式的不同之处是其单斜坡工作方式单斜坡工作方式。计数器从计数器从BOTTOMBOTTOM计到计到TOPTOP，然后立即回到，然后立即回到BOTTOMBOTTOM重新开始。重新开始。 对于对于正向比较输出模式正向比较输出模式，输出比较引脚，输出比较引脚OCnOCn在在TCNTn

53、TCNTn与与OCRnOCRn匹配时清零，在匹配时清零，在BOTTOMBOTTOM时置位时置位；对于；对于反向比较输出模反向比较输出模式式，OCnOCn的动作正好相反。的动作正好相反。 由于使用了单斜坡模式，快速由于使用了单斜坡模式，快速PWMPWM模式的工作频率比使模式的工作频率比使用双斜坡的相位修正用双斜坡的相位修正PWMPWM模式高一倍。此高频操作特性使得模式高一倍。此高频操作特性使得快速快速PWMPWM模式十分适合于模式十分适合于功率调节，整流和功率调节，整流和DACDAC应用应用。 注意：注意：OCR1x 寄存器为寄存器为极限值极限值时的情况：若时的情况：若OCR1x 等于等于BOT

54、TOM(0 x0000)，输出为出现在第，输出为出现在第TOP+1个定时器个定时器时钟周期的窄脉冲；时钟周期的窄脉冲；OCR1x为为TOP时，根据时，根据COM1x1:0 的的设定，输出恒为高电平或低电平。设定，输出恒为高电平或低电平。E&C College AVR Training 2006Slide 54定时器与计数器定时器与计数器快速快速PWMPWM模式的工作机理模式的工作机理 对于对于TC0TC0和和TC2TC2定时器，定时器，快速快速PWM 模式模式的的PWMPWM精度精度固定为固定为8 8比特比特。 对于对于TC1TC1定时器，定时器，PWM 分辨率可固定为分辨率可固定为8

55、、9 或或10 位，位，也可由也可由ICR1 或或OCR1A定义。最小分辨率为定义。最小分辨率为2 比特比特(ICR1 或或OCR1A 设为设为 0 x0003)，最大分辨率为，最大分辨率为16 位位(ICR1或或OCR1A 设为设为TOP)。PWM 分辨率位数可用下式计算：分辨率位数可用下式计算： 工作于快速工作于快速PWM 模式时，计数器的数值一直累加到固模式时，计数器的数值一直累加到固定数值定数值0 x00FF、0 x01FF、0 x03FF(WGM13:0 = 5、 6 或或7)、ICR1 (WGM13:0 = 14) 或或OCR1A (WGM13:0 = 15)，然，然后在后面的一个

56、时钟周期清零。后在后面的一个时钟周期清零。E&C College AVR Training 2006Slide 55定时器与计数器定时器与计数器 快速快速PWMPWM模式模式 Fast PWM占空比：正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。占空比：正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。特点：占空比可调。特点：占空比可调。单边斜坡工作方式，单边斜坡工作方式，定时器从零到顶。在定时器从零到顶。在Ocn脚输出脉冲信号，输出不需要程序干预。脚输出脉冲信号，输出不需要程序干预。 TC0,TC2下下输出的输出的PWM 频率频率的的公式公式如下如下： TC1下的公式为：下的公式为： 变量变量N 代表分频因

57、子代表分频因子 (1、 8、 64、256 或或1024)。E&C College AVR Training 2006Slide 56定时器与计数器定时器与计数器实战演练实战演练4.设计从设计从PD5引脚输出一个频率为引脚输出一个频率为2k，占空比为，占空比为25的的脉冲序列波。要求产生分辨率为脉冲序列波。要求产生分辨率为8位的快速位的快速PWM波。波。选选fclk=4MHz，N分分=8，OCR=63E&C College AVR Training 2006Slide 57定时器与计数器定时器与计数器相位频率修正相位频率修正PWMPWM模式模式特点：特点：相位准确，相位准确，占

58、空比可调。到底更新，输出对称，占空比可调。到底更新，输出对称，双斜坡工作双斜坡工作方式，方式，定时器从零到顶。再从顶计数到定时器从零到顶。再从顶计数到0。在。在Ocn脚输出脉冲信号脚输出脉冲信号， Ocn输出不需要程序干预。输出不需要程序干预。 输出的输出的PWM 频率频率的的公式公式如下如下：变量变量N 代表分频因子代表分频因子 (1、 8、 64、256 或或1024)。E&C College AVR Training 2006Slide 58定时器与计数器定时器与计数器相位频率修正相位频率修正PWMPWM模式的工作机制模式的工作机制 与相位修正模式类似，相频修正与相位修正模式类似

59、，相频修正PWM 模式基于模式基于双斜双斜坡操作坡操作。计时器重复地从。计时器重复地从BOTTOM 计到计到TOP，然后又从，然后又从TOP 倒退回到倒退回到BOTTOM。在正向比较输出模式下，。在正向比较输出模式下，当计当计时器往时器往TOP计数时若计数时若TCNT1与与OCR1x匹配，匹配，OC1x将清零将清零为低电平；而在计时器往为低电平；而在计时器往BOTTOM计数时计数时TCNT1与与OCR1x匹配，匹配，OC1x将置位为高电平。将置位为高电平。工作于反向输出比工作于反向输出比较时则正好相反。与单斜坡操作相比，双斜坡操作可获得较时则正好相反。与单斜坡操作相比，双斜坡操作可获得的最大频

60、率要小。但其对称特性十分适合于的最大频率要小。但其对称特性十分适合于电机控制电机控制。 相频修正相频修正PWM 模式的模式的PWM 分辨率可由分辨率可由ICR1 或或OCR1A 定义。最小分辨率为定义。最小分辨率为2 比特比特(ICR1 或或OCR1A 设为设为 0 x0003)，最大分辨率为，最大分辨率为16 位位(ICR1 或或OCR1A 设为设为MAX)。E&C College AVR Training 2006Slide 59定时器与计数器定时器与计数器相位频率修正相位频率修正PWMPWM模式的工作机制模式的工作机制 PWM 分辨率位数可用下式计算：分辨率位数可用下式计算： 工作于相频修正工作于相频修正PWM模式时，计数器的数值一直累加模式时，计数器的数值一直累加到到ICR1 (WGM13:0 = 8) 或或OCR1A(WGM13:0 = 9)，然后改，然后改变计数方向。在一个定时器时钟里变计数方向。在一个定时器时钟里TCNT1值等于值等于TOP值。值。 相频修正相频修正PWM 模式与相位修正模式与相位修正PWM 模式的主要区别在模式的主要区别在于于OCR1x 寄存器的更新时间寄存器的更新时间. 相频修正相频修正PWM 模式生成的输模式生成的输出在所有的周期中均为对称信号。这是由于出在所有的周期中均为对称信号。这是由于OCR1x 在在