1、基于PIC18F458的直流電動機PWM調速控制系統設計張杰（甘肅農業大學工學院學院 農電班06級）摘要：當今，自動化控制系統已經在各行各業得到了廣泛的使用和發展，而直流驅動控制作為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用。長期以來，直流電動機因其轉速調節比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調速，控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統治地位。它廣泛使用于數控機床、工業機器人等工廠自動化設備中。隨著現代化生產規模的不斷擴大， 各個行業對直流電機的需求愈益增大，并對其性能提出了更高的要求。為此， 研究并制造高性能、高可靠性的直流電機控制系統有著十分重要的現實意義。本文設計是一套基于PIC單片機的直流

2、電機控制器，作為其配套的試驗裝置。論文根據系統的要求完成了整體方案設計和系統選型，針對所設計的控制方案對控制系統的軟、硬件設計作了詳細論述。硬件部分先作了整體設計，然后介紹了以PIC16F458單片機為核心的硬件構成，對鍵盤電路、測量電路、顯示電路等作了詳細闡述；軟件部分采用模塊化設計思想，編制了各個模塊的流程圖。論述了軟件的設計思想和方法；實現了對直流電動機轉動參數的設置、 啟動、停止、加速、減速和顯示等功能。利用PIC系列芯片進行低成本直流電動機控制系統的設計，能夠簡化系統構成、降低系統成本、增強系統性能、滿足更多使用場合的需要。針對直流電機運行環境惡劣、干擾嚴重的特點，從系統的硬件設計、

3、軟件設計等多方面進 行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術來提高和改善系統的抗干擾能力，有效地提高了系統的可靠性和實用性。關鍵詞：直流電機，PIC單片機，速度控制Abstract Nowadays， automatic control systems have been widely used and developed in Every aspect of life. As the artery in the area of electric drive systems DC drives become more and more importa nt in modem Product

4、 ion. For a long time ， DC motor has Possessed the main role in the areabesides, its control Performanee excellent. DC motor is widely used on the automatic equipments , such as CNC and in dustrial robot. As the scale of Product ion becomes larger and larger , the dema nd and requireme nts become hi

5、gher and higher ,so the research on improvi ng the DC con trolli ng system behavior has importa nt sen se.This design is a system of DC motor multiple speeds Based on PIC MCU is designed , as its n ecessary test equipme nt. It fini shed the total Project desig n of system and model select ion .The h

6、ard ware and software desig n of the system accord ing to the Precedi ng soluti ons are discussed detailed. For the hardware Part after a dissertation on the whole design, the core hardware of the control system is the PIC MCU , the Paper in troduced the details of some hardware Problem , in cludi n

7、g in put circuit of keyboard , measure circuit, display circuit and so on .The method of software Planning for it is also discussed. For the software Part , with the Introduction of modular design concept some Procedure flow charts of main Program subrout ine are offered. The Paper desig ns the soft

8、ware which achieves the fun cti ons , such as in stall Parameters, dow nl oad Parameters, startup, stop accelerate and decelerate. This new family of PIC en ables cost-effective desig n of con trollers for DC motors which can fulfill more conditions , consisting of fewer system component , lower sys

9、tem cost and in creased Performa nces.Aiming at the characteristic of bed environment and serious disturbanee , many kinds of software and hardware tech no logy are applied to improve systematic an ti-i nterfere nee ability , which comprehe nsively improve systematic depe ndability and Practicabilit

10、y.It has been Proved by experiments that this system can make the high Precise and multiplespeed motor con trol come true. Stepp ing out the Performa nee in dex is realize Now this system hasbee n Put into experime nt.Keywords DC Motor ; PICMCU , Speeds Control1緒論1.1引言當今，自動化控制系統已經在各行各業得到了廣泛的使用和發展，而直

11、流調速控制作 為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用，無論是在工農業生產、交通運輸、國防、航天航空、醫療衛生、商務和辦公設備、還是在日常生活中的家用電器都大量使用著 各式各樣的電氣傳動系統，其中許多系統有調速的要求 ：如車輛、電梯、機床、造紙機械等 等。為了滿足運行、生產、工藝的要求往往需要對另一類設備如風機、水泵等進行控制：為了減少運行損耗，節約電能也需要對電機進行調速。電機調速系統由控制部分、功率部 分和電動機三大要素組成一個有機整體。各部分之間的不同組合，可構成多種多樣的電機 調速系統。三十多年來，直流電機傳動經歷了重大的變革。首先實現了整流器的更新換代，以晶 閘管整流裝置取代了習用

12、已久的直流發電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完 成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同 時，控制電路已經實現高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的使用，使直流 調速系統的性能指標大幅提高，使用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發展，走向成熟化、 完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。隨著微控制器尤其是脈寬調制PWM專門控制芯片的飛速發展,其對電機控制方面的使用起了很重要的作用，為設計性能更高的直流控制系統提供了基礎。本文對基于PIC單片機的直流電機 PWM調速系統進行了較深入的研究，從直流調速系統原理出發

13、，逐步 建立了單閉環直流 PWM調速系統的數學模型。用微機硬件和軟件發展的最新成果，探討 一個將微機和電力拖動控制相結合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基 礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現控制所需要的硬件和軟件的探討。在硬件 方面充分利用微機外設接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結合的措施，實 現對轉速閉環調速系統的控制。在微機控制方面，討論了顯示、PWM、光電編碼盤測速的原理，并給出了軟、硬件實現方案。該方案以驅動芯片和一些外圍電路。通過實時測試，調 節電動機的轉速，此調速系統可獲得快速、精確的調速效果。1.2直流電機調速系統的發展直流電氣傳動系統中需要有專

14、門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種：第一，最初的直流調速系統是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞 回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行，設備制造方便，價格低廉。但缺點是效率 低、不能在較寬范圍內平滑調速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現了發電機 電動機（也稱為旋轉變流組），配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可 獲得優良的調速性能，如有較寬的調速范圍 （十比一至數十比一）、較小的轉速變化率和調 速平滑等。特別是當電動機減速時，可以通過發電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量 反饋給電網，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的

15、損耗，提高 效率。但發電機一電動機調速系統的主要缺點是需要增加兩臺和調速電動機相當的旋轉電 機和一些輔助勵磁設備，因而體積設備較多、體積大、費用高、效率低、安裝需要地基、 運行有噪聲、維修困難等。第三，自出現汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發電機 電動機系統，使調速性能指標又進一步提高。特別是它的系統快速響應性是發電機一電 動機系統不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點：維修還是不太方便，特別是水銀蒸 汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現了第一只晶閘管，和其它 變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優越性，因而晶閘管直流調速系統立即顯示出強大 的生命力。由于它具有體積

16、小、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優點，采 用晶閘管供電，不僅使直流調速系統經濟指標上和可靠性有所提高，而且在技術性能上也 顯示出很大的優越性。晶閘管變流裝置的放大倍數在10000以上，比機組（放大倍數10）高1000倍，比汞弧變流器（1000）高10倍;在快速響應性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置 為毫秒級。因此，目前在直流調速系統中，除某些特大容量的設備而且供電電路容量較小 的情況下，仍有采用機組供電、晶閘管勵磁系統以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控 整流供電了。隨著微電子技術的發展，微機功能的不斷提高以及電力電子、計算機控制技 術的發展，電氣傳動領域出現了以微機為核心的數字

17、控制系統。計算機的發展可 以使復雜的控制規律較方便的實現，以計算機為核心的數字控制技術成為自控領 域的主流，也給直流電氣傳動的發展注入了新的活力，使電氣傳動進入了更新的 發展階段。1.3直流電機基本調速方法直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速系統最早采用恒定直流 電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行，設 備制造方便，價格低廉；但缺點是效率低，機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調速性能。 該法只適用在一些小功率且調速范圍要求不大的場合。 近年來，隨著電力電子的迅速發展， 有晶閘管變流器供電的直流電動機調速系統以取代了發電機 -電動機調速系統，

18、它的調速性 能遠遠超過了發電機-電動機調速系統。特別是大規模集成電路技術以及計算機的飛速發 展，使直流電動機調速系統的精度，動態性能，可靠性有了更大的提高。直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為U a_l aRaCE 一（）（1）式Ua 電樞供電電壓（V）Ia -電樞電流（A）'-勵磁磁通（Wb）R -電樞回路總電阻（i I ）Ce -電勢系數，Ce=：PN，P為電磁對數，a為電樞并聯支路數，N為導體數。60a由式1可以看出，式中Ua Ra 三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量, 就可以改變電動機轉速，所以直流電動機有三種調速方法：（1）改變電樞回路總電阻Ra（2）改變電樞

19、供電電壓Ua（3）改變勵磁磁通 o（4）采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法本設計采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法其方法就是相當于直流電電壓降低，功率及轉速降低。脈寬調制（ PWM ）是調整脈沖 的寬度而不是頻率。“脈沖寬了”指的是高電平時間長了，低電平時間短了，是通過改變 電機電樞電壓接通時間和通電周期的比值（即占空比）來控制電機速度，這種方法稱為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）簡稱PWM。即供電電壓是寬度可調的脈沖電壓，當脈 沖最寬時，相當于直流電，功率最大，轉速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒有變。脈寬調制并不是直接調整電機的速度，而是改變電機

20、的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉速 就提高了。調速原理如圖1所示。通過控制脈沖占空比來改變電機的電樞電壓。改變占空比的方 法有3種：（1） 定寬調頻法，這種方法是保持不變，只改變t2，這樣周期（即頻率）也改變；（2）調寬調頻法，保持t2不變，而改變，這樣也使周期（即頻率）改變；（3）定頻調寬法，這種方法是使周期（即頻率）不變，而同時改變t1和t2由于前二種方法是改變周期（或頻率），當控制頻率和系統的固有頻率接近時，將會引起振蕩，用的比較少，因此本系統用的是定頻調寬法。在脈沖作用下，當電機通電時， 速度增加。電機斷電時，轉速逐漸減小。只有按一定規律，改變通電時間，即可實現對轉 速的控制。轉速

21、脈沖信號會reT1.4 PWM調速方案的優越性自從全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器一直流電機調速系統，PWM的H型屬于調壓調速，PWM的H橋能實現大功率調速；國內的超大功率調速還要依靠可控硅實現可控整流來實現直流電機 的調壓調速。本設計采用直流極式控制的橋式 PWM變換器。和V-M系統相比在很多方面 有較大的優越性：1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。2）開關頻率咼，電流容易連續，諧波少，電極損耗及發熱都較小。3）低速性能好，穩態精度高，調速范圍寬，可達 1:20000左右。4）若是和快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動

22、態抗干擾能力強。5）功率開關器件工作在開關狀態，通道損耗小，當開關頻率適中時，開關損耗也不大，因而裝置效率高6）直流電機采用不控整流時，電網功率因素比相控整流器高。由于由以上優點直流PWM系統使用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態性能中。 已完全取代了 V-M系統。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環控制 下運行。經常采用的閉環系統有轉速負反饋和電流截至負反饋。2系統方案設計2.1直流電機的能量轉換和特性曲線直流電機將電能Pel，（電流I和電壓U）轉化為機械能Pmech （速度門。和轉矩M）。其中損 耗可分為摩擦損耗和熱損耗（熱損耗是由于線圈電阻R產生）。余下的轉化為機械能幾Pm

23、ech， 如圖2.1所示。因此電機的功率守恒可表述為：巳1 = Pm e c h R更詳細的敘述為：U *In M R «I230 0 0 0Pj=RT圖2.1直流電機能就轉換圖在這能量轉化過程中，有兩個特性參數是至關重要的，他們是速度常數kn。和轉矩常數kM。速度常數是指速度n和線圈感應電壓 樹之間的關系，是指在忽略摩擦的情況下的每個單位電壓下的速度變化。Uind和速度是成正比的，公式如下：n - kn * U ind轉矩常數所聯系的是機械轉矩M和電流I之間的關系，是指轉矩和有效電流之比。公式如下：速度常數kn。和轉矩常數kM有如下關系：,30000kn *kM =JIkM如果用轉

24、矩M和轉矩常數kM來表示電流，可得如下關系:MkMjinM亠R3 0 0 00考慮到kn。和kM之間的關系，我們可將上式進一步化為:kM上式便是直流電機的轉速、轉矩、電阻、轉矩常數和速度常數之間的關系。這里轉矩 單位是N.m;電流單位是A;速度單位是rpm;電壓單位是V。直流電機可以運行在額定范圍 內的任何電壓下，速度一轉矩曲線表述的是在一恒定電壓U下電機的機械表現，該曲線可由兩點法給出：空載轉速n。和堵轉轉矩Mh（空載轉速:電機在額定電壓、空載的情況下的轉 速;堵轉轉矩:它是電機在堵轉條件下的轉矩值，也叫起動轉矩 ），如圖所示。空載轉速和堵 轉轉矩將隨著給定電壓的改變而成線性關系。它相當于速

25、度一轉矩曲線在特性曲線上平 移，如圖2.2所示。空載轉速和電壓有如下關系：n0 kn * U速度一轉矩曲線走勢是由斜率來表述的， 和電壓無關要，它是一項體現電機性能的重參數， 如下關系：丄二出AM Mh直流電機的速度和轉矩間的關系可用下式表示：n 二 n0. M0 M2.2系統總體方案根據1.3節系統功能要求和技術指標，系統總體方案設計如下圖所示圖2.3直流電機多速控制器系統結構圖系統以PIC單片機為控制核心，通過鍵盤設置各段運行參數，也可通過電腦設置下載到單片機。單片機輸出二進制控制量，經D/A轉換電路將對應模擬電壓送到直流伺服放大器的設定值輸入端。放大器根據輸入的模擬電壓而輸出對應的電壓來

26、控 制直流電機的轉速。直流電機同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號送到整形電路，通過整形電路送到單片機用于測量轉速。不斷比較設定值和實際值，根據比較獲得的誤差 調節放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設定的時間值、轉速值和測量的轉速值；單片機主要完成參數設置、轉速測量、參數顯示和控制輸出等功能。2.3系統器件選型光電數字編碼器選型光電數字編碼器選用maxon集團的數字 MR旋轉一周計數1024通道數3最高工作頻率320HzVCCSV士 5%輸出信號TTL兼容零位脈沖寬度（額疋）900e工作溫度范圍一25°C 85 T編碼盤慣量2-1.7g cm放大器選用的芯片IR2111 驅動電路

27、，該電路中，采用 MOSFET和IGBT專用集成驅動芯片IR2111對IRF530進行柵極驅動。IR2111內置自舉工作單元，柵極驅動電壓范圍寬，單通道施密斯 邏輯輸入，輸入和TTL和CMOS!平兼容，高端輸出和輸入相同，低端輸出經死區時間調 整后和輸入反向，可同時驅動同一橋臂上的兩只功 MOSFETIR2111的懸浮自舉技術是指，不管功率開關器件源極電壓多少，通過自舉電容和自舉 二極管的工作，總能保證待驅動功率器件的柵極和源極之間的電壓為 10-20V，即能驅動該 功率器件正常工作。IR2111內置的自舉工作工作單元本質上是電荷泵電路， 電荷泵電路的 簡單自舉原理介紹如下：Vin+VccVc

28、c 口V°L_VccVin0T&"Vin圖4自舉原理如圖4所示，電容C的a端通過二極管D接Vcc，電容C的b端接幅值的方波。當 b點點位為O時，D到通，Vcc開始對電容C充電，直到節點a的電位達到 Vcc （假設二極 管D為理想二極管）；當匕點電位上升至高電平 Vin時，因為電容兩端電壓不能突變，此時a點電位上升為Vin Vcc，所以，a點電壓就是一個方波，最大值是VinVcc,最小值是Vc ,可見輸出端電壓平均值將高于Vcc，其波形就跟隨輸入波形的變化而變化，但始終維持一 個穩定的差值，實現自舉。2.4單片機選型由單片機實現檢測控制，其中一個首要的工作就是選擇合適

29、的單片機。目前國內在使 用單片機作控制系統的微處理器時多選擇51系列或Motorola系列單片機，而本系統選用的PIC系列單片機在多個方面較其它系列單片機更有優越性。下面對PIC單片機作較詳細介紹。2.4.1 PIC單片機和其他單片機的比較當今世界上涌現出各種各樣的單片機，目前使用較廣的主要有美國In tel公司開發和生 產的MCS 51,MCS 96系列、臺灣ICSI公司的8051系列、美國Motorola公司的MC68 系列和美國Microchip公司的PIC系列等，其中各個系列的單片機都有其各自的優點，和 其它系列相比，美國Microchip公司近幾年推出的系列PIC單片機，它的最大優點

30、表現在 引腳少、功能強、可直接帶LED負載:具有低耗能工作方式，較簡便地實現掉電保護；外圍 配置簡單、明晰、提高了整機的可靠性；并且具有較強的抗干擾性，大大提高了抵御外界的 電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業電腦自動控制器的適應能 力，以下分幾個方面通過和其它類型單片機的比較來說明它的優越之處。（l）哈佛總線結構PIC系列單片機在架構上采用了和眾不同的設計手法，PIC系列單片機不僅采用了哈佛體系結構（也就是兩種存儲器位于不同的邏輯空間里，這種架構的微控制器、微處理器、 數字信號處理器或者微型計算機系統，稱為哈佛體系結構），而且還采用了哈佛總線結構。在PIC系列單片機中采用的

31、這種哈佛總線結構，就是在芯片內部將數據總線和指令總線分 離，并且采用不同的寬度，這樣做的好處是，便于實現指令提取的“流水作業”，也就是在執行一條指令的同時對下一條指令進行取指令操作；便于實現全部指令的單字節化、單周期化，從而有利于提高CPU執行指令的速度。在一般的單片機中，指令總線和數據總線是 共用的（即分時復用）Motorola公司開發的MC68HC05/08系列單片機，其程序存儲器和數據 存儲器統一編址（也就是兩種存儲器位于同一個邏輯空間里，這種架構的微控制器、微處理器、數字信號處理器或者微型計算機系統，稱為普林斯頓體系結構），早期在國內市場上最流行的單片機產品In tel開發生產的MCS

32、 51系列單片機，其程序存儲器和數據存儲器雖 然獨立編址；但是它們和CPU之間傳遞信息必須共用同一條總線，仍然擺脫不了瓶頸效應 的制約，于是影響到CPU運行速度的進一步提高。見圖2.6。圖2 一匸種結構比較(2) 指令單字節化因為數據總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序器ROM和數據存儲器RAM的尋址空間(即地址編碼空間)是互相獨立的，而且存儲器度也不同。這樣設 計不僅可以確保數據的安全性，還能提高運行速實現全部指令的單字節化。在此所說的字 節，特指PIC單片機的指令字節，是常說的 8位字節。例如，PIC12C50X/PIC16CSX系列單片機的指令字節 12位，PIC16C

33、6X/PIC16C7X/PIC16CSX 系列的指令字節為 14 位;PIC18FXXX系列的字節為16位。它們的數據存儲器全為8位寬。而MCS 51系列單 片機的ROM和寬度都是8 位,指令長度從一個字節(8位)到3個字節長短不一。另外，PIC 微控制器的取指令和執行指令采用指令流水線結構，當一條指令被執行時允一條指令同時 被取出，使得在每個時鐘周期內可以獲得的最高效率。其指令線結構見圖2.7。取指1執行1取指2執行2取指3執行2執行4取指EI圖2 7指令流水銭結構圖(3) 精簡指令集(RISC)技術PIC系列單片機的指令系統(就是該單片機所能識別的全部指令的集合，叫做指令系統或者指令集)只

34、有35條指令。PIC系列單片機不僅全部指令均為單字節指令，而且絕大多數指令為單周期指令，以利于提高執行速度。這給指令的學習、記憶、理解帶來很大的好 處，也給程序的編寫、閱讀、調試、修改、交流都帶來極大的便利，真可謂“易學好用”。而MCS- 51單片機的指令系統共有In條指令，MC68HCO單片機的指令系統共有89條指 令。(4) 尋址方式簡單尋址方式就是尋找操作數的方法。PIC系列單片機只有4種尋址方式(即寄存器間接尋 址、立即數尋址、直接尋址和位尋址)，容易掌握，而MCS- 51單片機則有7種尋址方式， 68HC05單片機有6種尋址方式。(5) 代碼壓縮率高IKB的存儲器空間，對于PIC系列

35、單片機則能夠存放的指令條數可達 1024條。對于像 MCS- 51這樣的單片機，大約只能存放 600條指令，而和幾種典型的單片機相比， PIC系 列單片機是一種最節省程序存儲器空間的單片機。(6) 尋址空間設計簡潔PIC系列單片機的程序、堆棧、數據三者各自采用互相獨立的尋址(或地址編碼)空間， 而且前兩者的地址安排不需要用戶操心，這會受到大家的歡迎。而MC68HC0僑口 MC68HCn單片機的尋址空間只有一個，編程時需要用戶對程序區、堆棧區、數據區和1/0端口所占用的地址空間作精心安排，這樣給開發人員在設計上帶來很大的麻煩。外接電路簡潔和MCS- 51系列及其它單片機相比，PIC單片機內集成了

36、上電復位電路、1/0引腳上 拉電路、看門狗定時器，尤其是集成了 ADC模塊和CCP模塊(輸入捕捉/輸出比較/脈寬調 制)，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實現“純單片”化，這樣，不僅便于開 發，而且還可以節省電路板空間和制造成本。(8) 存儲器容量大PIC18F458系列單片機具有多達1536字節的數據存儲器(RAM),多達256的EEPROM數據存儲器，另外還有多達SKxl4字節的可多次重復寫入的閃速 FLASHg序存儲器。而MCS 一 51單片機只有4K字節的EEPROM128字節RAM以及64K的外部數據、程序存儲器空間， 無FLASH程序存儲器。(9) 定時器數目多、功能全PIC

37、系列單片機具有3個定時器：帶有8位預分頻器的8位定時器/計數器TMR0帶有 預分頻器的16位定時器/計數器TMR1并且在休眠期間外部晶振/時鐘可以工作；以及帶有8位周期寄存器、預分頻器和后分頻器的 8位定時器/計數器TMR3而MCS- 51只有兩個 16位的定時器/計數器。(10) 獨特具有的功能PIC系列單片機具有兩個捕獲(Capture)、比較(Compare)、脈寬調制(PWM模式、多通 道10位A/D轉換器、帶有SPI和IZC的同步串行端口 SSR帶有9位地址檢測的同步異步 接收發送器USART(USART/SCJ) 8位寬并行從屬端口 (PSP)、有節電鎖定復位的節電檢測 電路等;而

38、MCS- 51系列單片機沒有。242 PIC18F458單片機的其它優點(1) CPU的性能特點它有16位指令，8位寬數據通道，高達2MB的程序存儲器，4kB的數據存儲器，高 達10MIPS的執行速度。DC-40MHZ寸鐘輸入，4-10MHZ帶PLL鎖相環有源晶振/時鐘輸入； 帶優先級的中斷和8 8單周期硬件乘法器。外圍功能模塊特性捕捉/比較/脈寬調制(PWM (CCP模塊；CCP引腳配置如下：捕捉輸入:16位，最大 分辨率為6.25ns ;比較單元：16位，最大分辨率為100ns；脈寬調制(PWM輸出：分辨 率為1-10位；最高PWM頻率：88位分辨率時為156kHz, 10位分辨率時為39

39、kHz。增強型 CCP莫塊具有標準型CCP模塊的所有特性，但它在先進的電機控制時還有如下特性： 1, 2, 4路的PW輸出；可選擇PW啲極性；可編程的PW死區時間。(3)運行速度高PIC18F458由于采用了哈佛總線結構，以及指令的讀取和執行采用了流水作業方式，使得PIC18F458單片機運行速度大大提高，遠遠高于其它相同檔次的單片機。功耗低PIC18F458單片機的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機之一。 在8MHZ寸鐘下工 作時耗電不超過mA在睡眠模式下耗電可以低到1mA以下。(5) 驅動能力強I/0端口驅動負載的能力較強，每個I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達到 2mA 和20m

40、A能夠直接驅動發光二極管 LED光電禍合器或者微型繼電器等。(6) 獨特的C語言開發環境對于PIC18F458單片機，Microchip公司提供了“ C語言編譯程序”，這樣用C語言這 樣高級語言來進行程序設計，可大大的提高了工作效率。和一般的C語言版本如Turbo C 相比，作為單片機的開發語言，PICC增加了針對PIC單片機硬件本身的操作，如端口、引 腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。產品系列齊全、擁有高性能的高端產品另外，必須說明的是，PIC系列單片機品種齊全、根據其指令的位數可分為初級產品、 中級產品和高級產品，在以后的開發過程中，可根據具體需要選擇單片機的型號。其高級 產品一 16位指令

41、字系列的PIC17CXX)和PIC18CXXX 16位指令字系列是8位單片機中運 行速度最快的，它具備一個指令周期內完成 8位二進制乘法的能力，可以在一些需要高速 運算的使用場合取代DSP數字信號處理器。再加上PIC17CXXX5具有豐富的I/O控制功能， 并可以外接擴展EPRO和RAM使它成為目前8位單片機中性能最高的品種之一，可被廣 泛的使用于高中檔的電子設備中。而PIC18CXXXK列是一款高性能、全靜態設計、內帶A/D 轉換器的CMOS1位單片機，可使用于各種復雜和高性能的電子及工業控制。正因為如此本課題選用PIC18F458單片機，為以后產品升級及個人能力的進一步提高 都將帶來便利。

42、2.5本章小結本章分析了直流電機的能量轉換和特性曲線；依據系統技術要求進行了整體方案設計 分析了系統工作原理；依據系統技術要求和方案對直流電機、放大器、光電數字編碼器、 PIC單片機等進行了選型。3硬件電路設計3.1引言本系統在設計硬件電路時主要從以下原則出發：(1) 硬件電路設計和軟件設計相結合優化硬件電路。一些由硬件實現的功能可用軟件 來實現，反過來一些由軟件實現的功能也可用硬件來完成。用軟件來實現硬件的功能時， 其響應時間比用硬件實現長，還要占用 CPU時間。但是用軟件實現硬件的功能可以簡化硬 件結構，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統的設計過程中，在滿足可 行性和實時性的

43、前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實現。(2) 可靠性及抗干擾設計。根據可靠性設計理論，系統所用芯片數量越少，系統的平 均無故障時間越長，而且所用芯片數量越少，地址、數據總線在電路板上受干擾的可能性 就越少，因此單片機基本系統的設計思想是在滿足功能的情況下力爭使用較少數量的芯 片。(3) 靈活的功能擴展。一次設計往往不能完全考慮到系統的各個方面，系統需要不斷 完善，需要進行功能升級。功能擴展時系統應該在原有設計不需要很大改變的情況下，修 改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴展是否靈活是衡量一個系統優劣的重 要指標。根據系統要求及上面幾個硬件設計原則，系統以單片機PIC18F458為中央

44、處理單元，由鍵盤輸入電路，LCD顯示，放大器連接電路等組成。下面對主要的電路設計做詳細 介紹。3.2 H橋電路PWM控制電路橋工作原理當開關Qi和Q4閉合時，負載電流從電源由 A流向B。此時負載端A點相對于B點是 正電位，電機兩端承受正向電壓。開關Q,和Q4由控制邏輯來同步工作，在開關Q,和Q4閉 合期間，控制邏輯使另一對開關 Q2和Q3處于斷開狀態。反之，當開關 Q2和Q3閉合時， 開關Qi和Q4斷開，此時，負載電流從電源 U由B流向A,負載端B點相對于A點是正電 位，電機兩端承受反向電壓。通過調節 PWM&號的占空比就可以改變電機電樞兩端的平均 電壓，從而控制電機的轉速或方向。當

45、PWM&號占空比:50100時，電樞兩端電壓平均 值為正，電機正向轉動；當:：50100時，電樞兩端電壓平均值為負，電機平均值為負， 電機反轉；- 50100時，電機電樞電壓平均值為0,電機停轉，但此時電樞兩端電壓的順 時值并不為0,而是幅值接近電流電源電壓 U的方波。和功率開關并聯的二極管為快會恢復二極管，作為續流二極管使用。當Q,、Q4的PWM信號變為低電平后，功率管Q,、Q4關斷而Q2、Q3飽和導通。電樞兩端所加電壓為-U，此時，電樞電流方向不能立刻改變，必須通過二極管VD 2和VD 3續流。同理，當Q2、Q3的PWM&號變為低電平后，電機通過二極管 VD,、VD 4續流

46、。3.2.2 H橋器件選擇本系統中，選擇功率MOSFE作為開關器件。功率MOSFE是壓控元件，具有輸入阻抗 大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點。此處，選取N溝道的功率MOSFET IRF53作為開關器件。R2和C4則組成放電回路，消耗電感中存儲的能量。其中，R2要用阻值在千歐級、功率在5W的水泥電阻，阻值的具體大小要在不同的電路使用中調整確定。工作頻率選擇要使電路穩定的工作，需要合適地選擇 PWM勺頻率。如果頻率選擇過低，輸出到電機 兩端電壓的低頻紋波較大，會對電機的平穩運行造成影響，而且低頻的PWMI號會使直流電機在運行的過程中產生很大的噪聲，極大影響轉臺操作人員的工作環境；如果頻率選擇

47、過高，由于光耦、IR2111、MOSFE等器件的開關特性的限制，不可能輸出較為理想的方波， 這會使輸出的PWM波形發生畸變，無法有效的控制直流電機的運轉。經過多次實踐證明， 此電路的PWM工作頻率選擇32KHZ為宜。此頻率在超聲波頻段范圍內，可以消除電機在工 作過程中的噪音。3.3放大電路的連接電路IR2111外圍電路如圖所示。單片機輸出的PWM信號經光耦PC817后，輸出至IR2111輸入端，此處的光耦對PW信號起到隔離、電平轉換和功率放大的作用。圖中，R1、r2為光耦上拉電阻，其值根據所用光耦的輸入和輸出地電流參數決定：C1為電容濾波電容，C2為自舉二極管，R3、R4為柵極驅動電阻。+12

48、V圖3.2 IR2111驅動功率 MOSFET3.4鍵盤輸入電路本系統采用鍵盤，如圖3.4所示+5WAR1X ION DH圖3.4為按鈕電路3.5電源電路控制系統需要一個穩定的工作電壓才能可靠工作，本系統的IR2111放大器要士 12V;PIC單片機、數碼管驅動、顯示電源需要+5V;考慮到本系統的情況，采用了直接從市場上 購買開關電源來滿足要求，如圖 3.3所示。C電源開關電源O +12V° +5VQ 圖3.5所需電源3.6復位和時鐘電路為了預防系統在突然情況下出現死機等問題，特設計復位電路進行對程序計數器的 PC 重新賦值并重新開始工作，根據PIC18F458系列單片機的特點，采用

49、典型的復位電路接法， 不僅可以在上電時自動復位，還可以在程序運行中手動復位，手動復位只需要按下復位電 路中的按鍵即可。如圖3.6 。* 5-B02:14QSCVCLKIRco/TiosorricwMCLRA/PFRCVT10SIRC2/CCP1RAD/AN0/CVREFRC3/SCK/SCLR A1 /AN1RC4/SDI/SDARA2/AN2/VREFRC5/SDORA3JAN3A/REF+RCB/TXCKRAATTOCKIRC7/RXA>TRA5/AN4/SSAJ/DinRA&/OSC2/CLKORDO/PSPa/ClltIQ 口OIIHTTiRD1/PSP1/C1IHKc?

50、U/l|n| IUK yz/r r £#站|砒RB-1/INT1RD3/PSP3/C2IN-RB27INT2/CANTXRID4TP SF4；EC CPW1ARB3/CANRXRD5/PSP5/P1BRB4RD6/F'SP6JF1CRB5/PGMRD7/PSP7>P1DRB6/PGCR077PODRE1/W/C10UTjWNBRE2 兀 S/C2OL7W472101723242520192021222728308010GND2圖3.6復位和時鐘電路3.7顯示電路3.7.1 LCD 介紹液晶顯示模塊（LCM由于其具有功耗低、無電磁輻射、壽命長、價格低、接口方便 等一系列顯

51、著優點，被廣泛使用和各種儀表儀器、測量顯示裝置、計算機顯示終端等方面。 其中，字符液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數字、符號的點陣式液晶顯示模塊。 TS1620字符液晶顯示模塊以ST7066和ST7065為控制器，其接口信號功能和操作指令和 HD44780空制器具有兼容性。字符液晶有 8 1、16 2、20 2、40 2等20多種規格型號齊 全的字符液晶顯示模塊，均具有相同的引線功能和編程指令，和單片機的接口具有通用性。 下圖為外觀機構。LCD3.7.2 TS1620引腳和功能TS1620的引腳和功能表下圖所示引腳好引腳符號名稱臺匕 冃匕1GND電源地接5V電源地端2VDD電源正端接5V電源

52、正端3VEE液晶驅動電壓端電壓可調，一端接地, 一端接可調電阻4RS寄存器選擇段RS-1為數據寄存器,RS=0為指令寄存器5RW讀/寫選擇端RW-偽讀數據，RW-C為寫數據6EN讀/寫使能端寫時，下降沿觸發； 讀時，高電平有效7至14DB0- DB78位數據線數據 總線3.7.3 TS1620 和 PIC18F單片機接口TS1620模塊和單片機的接口簡單，PIC18F單片機的連接圖如總圖所示。PIC18F458的 RD0-RD7端口直接和TS1620-1的DB0-DB7相連接，TS1620-1的控制信號 RS RW EN分別 和 PIC18F458的 RE0-RD2相連接。3.8轉速測量電路設

53、計一個完善的閉環系統，其定位精度和測量精度主要由測量元件決定，因此，高精度的 測量轉速對測量元件的質量要求相當高。光電編碼器是現代系統中必不可少的一種數字式 速度測量元件，被廣泛使用于微處理器控制的閉環控制系統中。光柵盤光柵盤是在圓盤邊刻有很多光柵。當光源照射到光柵部分時，沒有被光柵擋住的光源 就透射過去。本系統中采用了一個圓面上刻有60個均勻光柵格的光柵盤。當電機旋轉-周時，會產生60個光脈沖信號。光電傳感器光電傳感器原理是有一個發光二極管和一個由光信號控制放大的三極管組成。由發光 二極管發出紅外光線通過3mm寬的氣隙透射到另一端的三極管上，使得該三極管導通。其 特征如下：氣隙是3mm分辨率

54、達到0.5mm大電流傳輸比Ic30100 o暗電流為：0.25 JA在#=10mA寸，發光二極管產生的光線的波長為 940nm安裝時將光柵盤圓面鉗到溝槽中，光電傳感器的發光二極管發出的紅外線通過3mm氣隙照射到光柵盤，光通過光柵盤面上透光的光柵氣隙可以使得光傳感器的三極管導通，從 C極會輸出一個低電平，被光柵擋住的光不能透過去，使得光電傳感器的C極會輸出一個高電平。653.8 .1光電傳感器原理圖光電傳感器在硬件電路設計上很簡單，如圖。在光電傳感器的1引腳上接一個限流電阻R,限制流過發光二極管的電流lF=10mA左右。計算公式如下：If（ Vcc -Vf）/R其中，VF =1.15V，Vcc

55、= 5V，lF hOmA，計算出 R =390"左右R5390U4R61K> RC11B光電傳感器設計圖3.9本章小結本章討論了系統硬件電路設計的原則 ；依據系統方案設計了各功能模塊電路；說明各模塊電路的連接方法；著重分析了放大電路、復位、LCD電路、轉速測量電路的原理。4系統軟件設計4.1引言隨著現代技術的發展，利用軟件代替和簡化硬件，利用基本的硬件電路和軟件技術達 到系統多功能集成和容易修改的要求。一個較為簡單的硬件電路，系統功能的主要實現 是依靠軟件的設計來完成的。本系統的軟件采用模塊化設計，將系統分為若干個模塊，分 別實現各項功能，這樣在系統軟件的調試過程中，各個模塊的

56、獨立調試有助于問題的發現 和解決，在一定程度上節約了程序的調試時間。4.2系統使用程序設計微芯公司為PIC18F458系列的集成和調試提供的工具包括：軟仿真器，集成開發調試 軟件MPLAB PIC系列單片機可采用匯編語言或 C語言編寫源程序代碼。MPLA是一個完整 的PIC單片機集成開發環境，也是目前最優秀、最流行的PIC單片機開發軟件，大部分的PIC系列的單片機都可以采用該軟件工具進行開發。MPLA包括下列功能：集成可視化編輯界面，可直接編寫 C、匯編等文件。集成代碼生成工具，包括匯編器、連接器等等。基本 調試工具，支持調試斷點工具走。系統的軟件設計是用PIC的匯編語言在MPLAB!成環境下運行、調試、完成的運行。4.3直流電機轉速控制器的軟件設計直流電機轉速控制器的軟件設計和系統功能的開發和完善是一個循序漸進過程，本文 所作的軟件開發是基