科技创新6-第03大组电机测控子系统设计报告

摘要：本文主要介绍了对基于单片机的电机驱动，红外转速测量和控制的设计报告。该系统能完成电机转速的控制及测试,并通过与单片机的闭环控制完成子系统与主系统的通信。报告详细阐述了电机子系统的软件，硬件设计过程，实现方法和调试过程，对实验过程中存在的问题和测量误差等进行了分析和说明，并提出了解决办法。：ThisreportmainlyintroducestheMotorControlandMeasureSystembasedonSoCThewholesystemconsistsoftwopartsasthemotorcontrolpartandthemeasurepart.Thewholesystemrealizestherotationratesettingandmeasurement.Thisreportstatesthedesignideasandtheworkingprincipleinbothhardwareandsoftware.FeedbackControl,InfraredSpeedMeasurement, 编写说 名词定 缩略 课题任务规定的设计要 实际完成功能与技术指 系统的设计原理与分 系统的设计原理和总体结 系统功 硬件总体结 逻辑变换电 电路目 输入信号定 输出信号定 输入输出关 电路实 光耦电 电路目 输入与输 工作原 电阻取值估 直流电机驱动电 电路目 接口定 控制原 元 实现方 红外测速电 功能描 接口定 设计指 元 实现方 软件总体结构和功 重要的全局变 功能描 调用函数说 程序设计框 功能描 输入输出项描 调用函数说 程序设计框 算 功能描 调用函数说 程序设计框 算 功能描 调用函数说 测试项 测试方 电机子系统功能检测 电机子系统测控性能测 ....................................................................................................... 硬件开 软件开 附录A系统操作说明 系统功能介绍 系统性能指 转速控制指标 转速检测指标 动态和稳态性能指标 系统按键及接线示意图 系统操作与显 附录B实验心得体 附录C程序................................................................................................4A电机驱动：利用H转速，以起到电机转速测定以及系统闭环控制的作用。通过系统主系统控制，利用波控制△ω/ω目标转速变化范围：Ω5，60]目标转速变化步进：△Ω1目标转速与实际转速相对误差：（Ω’-Ω）/Ωt系统达到稳定时转速实测值的跳动范围半宽：△Ω’≤1波单片机目标速度和电机停止/运行控制信号。若电机系统处于“模式”时，由终端发出控 整输出波的占空比，从而控制后级的电机驱动模块。单片机还将用户输入的控制信号输出键盘：模式10显示：电机工作时可以时刻控制电机使其处在正转或反转模式，按键可以使其在二者之间3.1系统总体可分为四个子电路：（1）逻辑变换电路（2）光耦电路（3）电机驱动电路（4）EN(enable)：电机驱动使能信号。当EN=1EN=0DIR(direction)：电机转向控制信号。当DIR=1时，电机顺时针转动；当DIR=0时，电机逆时针C1，C2：控制电机转速（C1与C2互不相同）C3，C4：控制电机转动方向（C3C4互不相同）C1=EN C2=EN· C3=DIRC4=得到了逻辑表达式，那么电路的实现就相当容易，可由简单的逻辑实现该电路的功能。此处非门采用TI74HC14，与门采用其CD4073B。考虑到DIR信号驱动能力不足，故在后级光耦部分的C4输入端加入上拉电阻，阻值为1k欧姆，电压为5V，使DIR引脚顺利驱动非门3.2光耦电前后级之间的工作电压分别是5V和12V，产生危害，严重时可能导致的损毁。故而在逻辑变换电路和电机驱动电路之间加入一个保护电路，实 保护，这就是采用光 电的目的。后级之间产生较大的干扰。光电耦合器对地电位差干扰有很强得抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力，用光耦来前后不通电压下的电路可以有效地减小电压的不 要求输出D1，D2C1输入高电平时，光耦导通，带动三极管导通，故集电极输出D1与接地的发射极均为低电平。同理，D3，D4信号作为后级PNP型管的输入信号，故管的基极电平为高电平时PNP型管工作，因而输入C3，C4为高电平时，要求输出D3，D4为低电平。因而采取极管集电极上拉电阻的方式。此时C34N25datasheet可以查到输入端二极管电压与流入电流的关系图。C1D1的光耦举例说明在输入端，现让光耦工 性区域，取I

5mA，IcI

，此时对应的二极管分压Vf1.1V5V

(5

780在输出端为了让三极管的集电极电流全部由上拉电阻产生，使集电极电流Ic远大 基极的输入电流。故R65mA2.4k综上所述，光 3.4该模块根据设定的波以及相关的控制，实现电机按照指定的速度和方向转动，同时带动与前级光耦的接口：四个信号依次接在相应的管的基极，以起到控制电动机转动状态的和基电极(C)。一般R1取5kΩ，R2取150Ω。可利用管充当开关的作用。图 管内部电路结构3.4.3况。当Q1、Q2、Q3、Q4的输出信号不同时，会在管两端形成不同的电压，从而使四个管处于不同的通断状态。有一点需要注意，要保证管两端的电压差能够足够大已形成对电机D1R1410k。我们在之前的逻辑电路模块中通过加上拉电阻直流电机控制子电路中电机能够根据控制信号调整自己的运转状态，电机上装有的扇叶通过一对红外发射和接收管，利用一个的挡光扇叶接于电动机上，检测发射接收管之间ENEN=1波比较并调整4.1AVRPC0~PC345ms中断服务程序（0）中判断按使用数组各按键连续三次5ms中断的按键状态，仅当数组表明三次按键状态为放开、放开、按键状态数组表明YN按键状态数组表明YN 输出变量 使用ATmega16单片机16位定时/计数器1快速模式功能，可通过设置计数器比较值， 模式时序图 分频的时钟信号进行累加，当到达设定的比较值COM时，PD5输出端高低电转。计数器继累加至设定的上限值TOP时，PD5输出端电平再次反转，实现一个周期的输出。由此可知，通过设定TOP值可确定 波频率，在(0,TOP)范围内设定COM值即可却定输出

100NNYY//较大，转换速率很快，可能出现电机瞬时停转的现象，故设置一缓冲下限值，使波占空比大考虑到AVR单片机计算能力强劲，同时保证测量准确性，实验中将定时器中断2周期设为0.1ms0.1ms中断内，查询PD6端口输入电平，即光电脉冲序列反馈信号，引入类似按键的防抖机制，在PD6端口电平变化时对扇叶计数器进行累加，扇叶计数器值为扇过光电管次数的两倍。100ms，作为光电脉冲技术单位时间。当100ms溢出时，获取扇叶计数器值，计算电机旋转速率，YN4.525ms100ms100msNY4.60扇叶计数单位时间为Tl，扇叶计数器值Cl，为 过次数的两倍，挡光扇叶叶数为Vl，知电机转速v

(tooth/s)

(rs由实验中个参数取值，单机转速v5C(tooths5Cl(rs 5ms07段码，显示在01时，后两位显示实际转速。 断开直流电机与电机子系统的连接，从信号发生源输入设定频点信号至模块测试点（AVR-5r/s（最低转速）、60r/s（最高转速）、其他设定转速（[5,60]r/s），待电机模块提示速度稳定时，观察数码管显示的当前转速值，记录5r/s（最低转速），60r/s（最高转速），5.1输入频率折合转速55相对误差000目标转速5501111示波器最大值示波器最小值示波器显示均值298转速折合值5均值相对误差044最高转速5最低转速结论： AVRStudioVishayefunken,4N25OptocouplerwithPhototransistorOutput,JanST,COMPLEMENTARYSILICONPOWERDARLINGTONTRANSISTORS,MarATMEL，8-bitAVRMicrocontrollerwith16KBytesIn-SystemProgrbleFlash,A目标转速变化范围：Ω5，60]r/s；步进：△Ω1目标转速与实际转速相对误差：（Ω’-Ω）/Ω△ω/ωt系统达到稳定时转速实测值的浮动范围：△Ω19.130转/秒；1：切换工作模式；2：工作模式0下，切换目标转速增减设置；1下，开启电机；3：工作模式0下，目标转速±10r/s；1下，关闭电机；4：工作模式0下，目标转速±1r/s；1下，切换电机旋转方向；3，40下，显示目标转速；1下，显示实际转速。B4A2A3A要复习中，这种精神将伴在我们身边，帮助我们克服生活和学习上的各个难关！！！C#ifndefMOTOR_H#define 常量定 #define #definePray #defineDIR #defineENABLE#define #defineV_leaf#defineMaxSpeed#defineMinSpeed#defineMaxMode2#defineCrystal#defineBaud1200//AVRapplicationbuilder:2010-04-06//Target://Crystal:#include<avr/io.h>#include<avr/interrupt.h> 变量定 unsignedchar//用户输入模式unsignedintmode;intfactor_usr;unsignedintvolatiledir_usr;unsignedintvolatilespeed_usr;unsignedintvolatilespeed_usr_fan;unsignedshortvolatilet_motor;unsignedint unsignedcharvolatile unsignedintvolatilespeed_avr;unsignedintvolatilespeed_avr_fan;unsignedcharunsignedchar//100ms软件定时器计数unsignedcharclock100ms;100msunsignedcharvolatileunsignedcharunsignedcharunsignedcharvolatile 函数定 返回值：7D7~0PGFEDCBAunsignedcharNUMTOSEG7(unsignedchar{unsignedcharAA;switch(DATA){case0:AA=0xc0;break;//‘’case1:AA=0xf9;break;//‘’case2:AA=0xa4;break;//‘’case3:AA=0xb0;break;//‘’case4:AA=0x99;break;//‘’case5:AA=0x92;break;//‘’case6:AA=0x82;break;//‘’case7:AA=0xf8;break;//‘’case8:AA=0x80;break;//‘’case9:AA=0x90;break;//‘’case10:AA=0x88;break;//‘A’case11:AA=0x83;break;//‘B’case12:AA=0xc6;break;//‘C’case13:AA=0xa1;break;//‘D’case14:AA=0x86;break;//‘E’case15:AA=0x8e;break;//caseAA=0xdf;breakcase'_':AA=0xf7;breakcase'':AA=0xff;break;//消隐default:}}voiddisy_led(unsignedcharseg,unsignedchar{unsignedchar//先将selPORTA&= //PA7=0;for{if((sel&0x80)==0)//最送U2SERPORTA&= //PORTA|= //PORTA&= PORTA| //PA6=1srclk=1sel //sel}//再将seghc595for(i=0;i<8;i++){if((seg&0x80)==0)//最送U2SERPORTA&= PORTA|= PORTA&= PORTA| //PA6=1srclk=1seg //seg}PORTA|= //PA7=1;PORTA& //PA7=0;rclk=0}void {if(speed_avr_fan>speed_usr_fan)if(speed_avr_fan-speed_usr_fan>100)t_motor=(t_motor>0x1380?t_motor-60:t_motor);elseif(speed_avr_fan-speed_usr_fan>20)t_motor=(t_motor>0x1380?t_motor-30:

t_motor=(t_motor>0x0080?t_motor-1:if(speed_usr_fan-speed_avr_fan>20)if(speed_usr_fan>300)t_motor=(t_motor<0xFF80?t_motor+50:t_motor=(t_motor<0xFF80?t_motor+30:elseif(speed_usr_fan>t_motor=(t_motor<0xFF80?t_motor+1:OCR1A=}ISR(TIMER0_OVF_vect)//定时器5ms{TCNT0=0x64;//reloadcounter1if{clock100ms_flag1;.1秒到时，溢出标志置clock100ms=0;speed_avr_fan= t*5;speed_avr= t*5/V_leaf;t=}***（）时，相应的指示灯亮for(inti=0;i<4;{key[4+i]=key[8+i];if((PINC&(1<<(4+i)))==0)key[8+i]=}

key[8+i]=if((key[0]!=key[4])&&(key[4]=={key[0]=if(key[0]=={mode=(mode+1>=MaxMode?0:mode+1);{case PORTD|=(1<<ENABLE);en置位factor_usr=1;}}}if((key[1]!=key[5])&&(key[5]=={key[1]=if(key[1]=={{casecase

factor_usr=-factor_usr;PORTD|=(1<<ENABLE);EN}}}if((key[2]!=key[6])&&(key[6]=={key[2]=if(key[2]=={{casecase

speed_usr+=if(speed_usr<MinSpeed||speed_usr>MaxSpeed)speed_usr-=10*factor_usr;speed_usr_fan=speed_usr*V_leaf;PORTD&=~(1<<ENABLE);//EN}}}if((key[3]!=key[7])&&(key[7]=={key[3]=if(key[3]=={{casecase

speed_usr+=if(speed_usr<MinSpeed||speed_usr>MaxSpeed)speed_usr-=factor_usr;speed_usr_fan=speed_usr*V_leaf;dir_usr=!dir_usr;if(dir_usr==0)PORTD|=}}}

PORTD&=led显示按键状态led1=key[0];led2=key[1];led3=key[2];led4=key[3];ms间隔对一个数码管进行驱动，ms一个if(++digi_scaner>=5)digi_scaner=1;output_sel=led1*16+led2*32+led3*64+led4*128;//四个发光管送高四位switch(digi_scaner){case1:output_sel+=output_8seg=NUMTOSEG7(digi[0]);case2:output_sel+=output_8seg=NUMTOSEG7(digi[1]);case3:output_sel+=output_8seg=NUMTOSEG7(digi[2]);case4:output_sel+=output_8seg=NUMTOSEG7(digi[3]);}disy_led(output_8seg,output_sel);//串转并输}{}{TCNT2=tseq[1]= tseq[2]=(PIND&(1<<Pray));if tseq[0] tseq[1] tseq[1] {tseq[0]= }}void{PORTA=DDRA=0xE0PA口PA7、PA6、PA5为输出PORTB=0x00;DDRB=PORTC0xF0PC口PC7、PC6、PC5、PC4接上拉电阻DDRC=0x01;//PC口PORTD=DDRD=~((1<<Pray)|(1<<IFEN));PORTD=(1<<DIR);UCSRB= UCSRA UCSRC= //0000 UCSRB=0xD8; }//TIMER0initialize-//WGM://desiredvalue://actualvalue:200.321Hz(0.2%)voidtimer0_init(void){TCCR0=0x00;//stopTCNT0=0x64;//setcountTCCR0=0x04;//start}//TIMER1initialize-//Fast//actualfrequence:128Hzvoidtimer1_init(void){TCCR1A=0x00;//stopTCCR1B=0x00;TCNT1=0x0000;//setOCR1A=0x4E20;//setcompare ICR1=