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1、基于单片机的直流电机控制摘要本文介绍一种新型的主要由 AVR 单片机 和 L298 驱动构成的直流电机 PWM 调速控制器。详细介绍了本调速控制系统的工作原理、 PWM 驱动接口电路和相应的各种控制软件设计。方便的人机对话接口,用键盘输入有关控制信号及参数,可以实现电机的启制动、正反转、速度调节并在LCD上实时显示输入参数及动态转速详细给出调速系统的主电路原理图及各部分电路原理图。设计了实验 ,并给出了实验结果。实验结果表明 ,本 PWM 直流调速控制器具有良好的工作性能。同时它也是管道机器人和国家863课题研究的一个分支，具有极强的实用性。关键词：AVR单片机； PWM； 直流调速系统； L
2、298驱动A PWM Speed Controller of DC Motor Using AVR MicrocontrollerABSTRACT A PWM speed controller of DC motor using AVR microcontroller 8535 is introduced in this paper. This paper elaborates on the system principle, Optical Encoder, L298 driving system, and the DC motor PWM digital control system, w
3、hich include the hardware and software design. In the convenient man-machine interaction interface, the control signal and parameter were inputted with key so that the start and brake of motor and speed regulation were also realized. Provided main electric circuit principle diagram and each parts of
4、 electric circuit principle diagram the experimental results of this speed controller are given in the paper. Experiment proof that this DC motor PWM speed controller has better function.Keywords ： AVR； PWM； DC converter system； L298目 录引言第1章 概论1.1 设计项目的发展情况简介1.2 单片机控制PWM直流调速系统发展趋势1.3 单片机控制PWM直流调速系统基
5、本原理1.3.1 直流电机调速原理1.3.2 PWM 基本原理及其实现方法第2章 PWM调速系统的组成及选择2.1 ATmega8单片机简介2.2 电机驱动芯片L298N2.3 LCD显示器2.4 电动机选择第3章 控制系统硬件设计3.1 系统工作原理3.2 ATmega8实现PWM控制3.3 驱动电路3.3.1 驱动电路原理3.3.2 L298驱动接口3.4 显示电路设计3.4.1 LCD液晶显示器引脚说明3.4.2 LCD1602的指令3.5 按键电路设计3.5.1 键盘原理3.5.2 键盘与单片机的接口电路3.6 电路板的制作3.6.1 电路板的设计步骤3.6.2 电路板布线技巧3.6.
6、3 设置中的问题及解决方法3.7 硬件抗干扰措施3.7.1 干扰的来源3.7.2 具体抗干扰措施第4章 系统软件设计4.1 主程序设计4.2 中断服务程序设计4.3 控制程序4.4 调试程序第5章 测试实验结束语致谢参考文献附录引 言直流电机是工矿、交通、建筑等行业中的常见动力机械，是机电行业人员的重要工作对象之一。作为一名电气控制技术人员必须熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点，掌握主要参数的分析计算，并能正确熟练地操作使用直流电机。直流电动机具有优良的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负
7、载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率直流电源，且输出电压可以精确地调节和控制。由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能,直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM) 直流调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。正因
8、直流电机的精确控制其应用领域广泛，所以它是管道机器人和国家863课题研究的一个分支，具有极强的实用性。本系统是以AVR单片机为基础开发的精确控制直流电机系统。利用AVR单片机控制直流电机使其实现精确的正转、反转、调速等功能。本调速系统利用ATmega8单片机产生的PWM 信号，实现对电机速度的控制，提高了系统的控制精度,保证了电机转速的稳定性；电机的启动、停止、左右转和速度都由程序定义,调试时只需修改PWM信号占空比即可实现速度控制，改变输出口电平即可实现电机正反转，无须改变系统硬件电路,即可实现各种控制，能有效缩短开发周期,提高效率；结合了受限倍频单极性可逆PWM电机驱动电路，增强了系统的驱
9、动能力，提高了系统的可靠性和性价比。电路设计简单，电机控制方便，有利于广泛推广。本系统调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低。可广泛运用于工业、航天领域等。第1章 概论随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。 1.1 设计项目的发展情况及研究现状常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电
10、阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三
11、，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数
12、10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。14从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字
13、化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印
14、机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采
15、用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。17在那些对电动机控制系统的性
16、能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等
17、特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。18国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国
18、国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。19随着新型电力半导体器件的发展，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称PWM）方向发展。16我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。1.2 单片机控制PWM直流调速
19、系统发展趋势全球温度正呈现上升的趋势，更加有效地利用能源成为当务之急。降低能耗的主要对象之一是电机。据粗略统计，电机消耗了美国一半以上的能量。在家庭中使用的电机数量一般不下50台，一部汽车里通常有70至80台电机，至于在工业领域，工厂自动化中应用的电机更加比比皆是。 当前，单片机（MCU）技术取得的进步能够比以往任何时候都更加有效地控制电机，而成本却更低。这种进步对市场的影响一方面加速了从机电控制到电子式控制的转变，另一方面可以实现电机的变速控制，优化电机的运行。而且，对整个市场而言，降低了元器件的整体成本。随着控制算法在各个市场领域中复杂程度的不断提高，数字电机控制器的处理能力需要从单片机的
20、性能水平提升到数字信号处理器（DSP）的性能水平。数字信号控制器（DSC）性能更高而价格适中，采用设计人员熟悉的单片机技术，适用于更加复杂的电机控制设计，包括矢量控制设计。DSC的运行速度高达30MIPS，并具有高达144KB的闪存和电机控制专用的集成外设，可实现先进的新型电机控制应用。有了基于单片机和DSC的电子电机控制，家用电器、工业控制及汽车不仅运行效率更高、功能更丰富，而价格也适中。1.3 单片机控制PWM直流调速系统基本原理1.3.1 直流电机的结构和调速原理 图2.1直流电机的物理模型图 其中，固定部分有磁铁，这里称为主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕
21、组。(其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。1 直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），
22、只要改变电机的电压就可以改变转速了。 改变电压的方法很多，最常见的一定是PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。 电机调速一般分为三个级，控制级，驱动级和反馈级。单片机属于前端的控制级，只需要能够产生可调的PWM波形就可以（很多单片机都有专用PWM输出功能，有定时器就能做到）。驱动级，在控制级后。因为单片机弱电不能直接驱动电机这样的强电，所以需要用功率开关器件（如MOSFET等）来驱动电机。基本思路就是通过弱点控制强电。反馈级是为了实现精确调速的。一般是电流反馈，也有用转速反馈的，也有电流转速双闭环反馈控制的。PWM输出的占空比具体是多少由单片机通过反馈的信息综
23、合运算得到。直流电动机转速n的表达式为：n = (U-IR)/K；式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;(2)改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;(3)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速范围不大，
24、往往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设计系统所采用的方法。 改变电枢电压主要有三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器(或称直流斩波器)。(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。(2)20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速
25、系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角。进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。1.3.2 PWM 基本原理及其实现方法理论基础：冲量相等而形状
26、不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图1.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图1.1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图1.2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图1.2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。 图1.2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的
27、脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。图1.3 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。PWM电流波： 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。PWM (Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制技术通过对一系列数字脉冲的宽度进行调制，在脉冲作用下，
28、当电机通电时速度加快，断电时速度逐渐变慢，只要按一定规律改变通断电时间，即可对电机的转速控制，实现直流电机调速数字化，如图1.4：图1.4 PWM 调速原理图第2章 PWM调速系统的组成及选择本调速控制系统，主要由ATmega8单片机、驱动电路、转速检测电路和LCD显示电路等部分组成。2.1 ATmega8单片机简介ATmega8 是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机。在AVR家族中，ATmega8是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大 容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点。但由于采用了小引脚封装（为DIP
29、 28和TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档单片机相当，再加上AVR单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机 嵌入式系统的设计和开发，同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。 Atmega8具有以下的特性:内部特点：1：高性能、低功耗的8位AVR微处理器。2：先进的RISC 结构。3：130 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期。4:32个8 位通用工作寄存器。5:全静态工作。6:工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS。7:只需两个时钟周期的硬件乘法器。8:非易失性程序和数据存储器。9：8K 字节的系统内可编程Flash。10：
30、擦写寿命：10,000 次。11：具有独立锁定位的可选Boot代码区。12：通过片上Boot 程序实现系统内编程。13：真正的同时读写操作。14：512字节的EEPROM。15：1K字节的片内SRAM。16：可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 。外设特点：1：2个具有比较模式的带预分频器（ Separate Prescale）的 8位定时/计数器。2：1个带预分频器（SeParat Prescale），具有比较和捕获模式的 16位定时/计数器。3：1个具有独立振荡器的异步实时时钟（RTC）。4：3个PWM通道，可实现任意16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出。5：8通道 A/D转换（
31、TQFP、MLF封装），6路10位 A/D+2路8位A/D。6：6通道 A/D转换（PDIP封装），4路10位A/D+2路8位A/D。7：1个I2C的串行接口，支持主/从、收/发四种工作方式，支持自动总线仲裁。8：1个可编程的串行USART接口，支持同步、异步以及多机通信自动地址识别。9：1个支持主/从（Master/Slave）、收/发的SPI同步串行接口。10：带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器。11：片内模拟比较器作为整个系统的控制核心的一部分，Atmega8单片机具有的功能特点使它非常适合控制直流电机。2.2 电机驱动芯片L298N恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N。L298是SGS
32、公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。L298N广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。1主要性能驱动器尺寸：宽42mm、长78mm、最大高度23mm ；主要元件：恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N、光电耦合器TLP521-4；工作电压方式：直流； 工作电压：信号端 46V、控制端 536V ；调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。 特点： 1、可实现电机正
33、反转及调速； 2、启动性能好，启动转矩大； 3、工作电压可达到36V，4A； 4、可同时驱动两台直流电机； 5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。2典型应用1、驱动直流电机、步机电机；2、伺服机构系统位置与转速；3、应用于机器人控制系统；4、应用于数字控制系统；5、应用于电脑打印机与绘图仪。3内部结构和引脚说明L298N外形结构如图2.1所示:图2.1 L298N引脚图L298N工作原理：L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出
34、以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表2.1是L298N功能逻辑图。表2.1 L298N功能模块EnaIN1IN2运转状态0XX停止110正转101反转111 刹停100 停止In3，In4的逻辑图与表2.1相同。由表2.1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。 图2.2 控制
35、器原理图（1）虚线框图1控制电机正反转，U1A，U2A是比较器，VI来自炉体压强传感器的电压。当VIVRBF1时，U1A输出高电平，U2A输出高电平经反相器变为低电平，电机正转。同理VIVRBF1时，电机反转。电机正反转可控制抽气机抽出气体的流量，从而改变炉体压强。（2）虚线框图2中，U3A，U4A两个比较器组成双限比较器，当VBVIVA时输出低电平，当VIVA，VIVB时输出高电平。VA，VB是由炉体压强转感器转换电压的上下限，即反应炉体压强控制范围。根据工艺要求，我们可自行规定VA，VB的值，只要炉体压强在VA，VB所确定范围之间电机停转（注意VBVRBF1VA，如果不在这个范围内，系统不
36、稳定）。（3）虚线框图3是一个长延时电路。U5A是一个比较器，Rs1是采样电阻，VRBF2是电机过流电压。Rs1上电压大于VREF2，电机过流，U5A输出低电平。由上面可知，框图1控制电机正反转，框图2控制炉体压强的纹波大小。当炉体压强太小或太大时，电动机转到两端固定位置停止，根据直流电机稳态运行方程：UCeNRaIa其中:为电机每极磁通量； Ce为电动势常数； N为电机转数； Ia为电枢电流； Ra电枢回路电阻。L298N控制器原理如图2.3所示：图2.3 L298N控制原理图电机转数N为0，电机的电流急剧增加，时间过长将会使电机烧坏。但电机起动时，电机中线圈中的电流也急剧变大，因此我们必须
37、把这两种状态分开。长延时电路可把这两种状态区分出来。长延时电路工作原理：当Rs1过流U5A产生一个负脉冲经过微分后，脉冲触发555的2脚，电路置位，3脚输出高电平，由于放电端7脚开路，C1，R5及U6A组成积分器开始积分，电容C1上的充电电压线性上升，延时运放积分常数为100R5C1。当C1上充电电压，即6脚电压超过23 VCC，555电路复位，输出低电平。电机启动时间一般小于08 s，C1充电时间一般为081 s。U5A输出电平与555的3脚输出电平经U7相或，如果U5A输出低电平大于C1充电时间，U7在C1充电后输出低电平由与门U8输入到L298N的6脚ENA端使电机停止。如果U5A的输出
38、电平小于C1充电时间，6脚不动作电机的正常启动。长延时电路吸收电机启动过流电压波形，从而使电机正常启动。4典型应用L298N典型应用电路如图2.4所示。图2.4 L298N应用电路2.3 LCD显示器基本介绍：液晶显示器，或称LCD（Liquid Crystal Display），为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。 和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保
39、持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。完全没有辐射的优点，即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。体积小、能耗低也是CRT显示器无法比拟的，一般一台15寸LCD显示器的耗电量也就相当于17寸纯平CRT显示器的三分之一。目前相比CRT显示器，LCD显示器图像质量仍不够完善。色彩表现和饱和度LCD显示器都在不同程度上输给了CRT显示器，
40、而且液晶显示器的响应时间也比CRT显示器长，当画面静止的时候还可以，一旦用于玩游戏、看影碟这些画面更新速度块而剧烈的显示时，液晶显示器的弱点就暴露出来了，画面延迟会产生重影、脱尾等现象，严重影响显示质量。LCD显示器的工作原理：从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板
41、发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈，与CRT显示器相比亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上都存在明显的差距。其中反应时间和可视角度
42、均取决于液晶面板的质量，画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。对于液晶显示器来说，亮度往往和他的背板光源有关。背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高。而在早期的液晶显示器中，因为只使用2个冷光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽人意。一直到后来使用4个冷光源灯管产品的推出，才有很大的改善。信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。实际上就是指的液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉，这一
43、点在玩游戏、看快速动作的影像时十分重要。足够快的响应时间才能保证画面的连贯。市面上一般的液晶显示器，响应时间与以前相比已经有了很大的突破，一般为40ms左右。不过随着技术的日益发展LCD和CRT的这个差距在逐渐的被弥补上，一款液晶显示器的响应时间就已经缩短到了5ms 。有些厂商会通过将液晶体内的导电离子浓度降低来实现信号的快速响应，但其色彩饱和度、亮度、对比度就会产生相应的降低，甚至产生偏色的现象。这样信号反应时间上去了，但却牺牲了液晶显示器的显示效果。有些厂商采用的是在显示电路中加入了一片IC图像输出控制芯片，专门对显示信号进行处理的方法来实现的。IC芯片可以根据VGA输出显卡信号频率，调整
44、信号响应时间。由于没有改变液晶体的物理性质，因此对其亮度、对比度、 色彩饱和度都没有影响，这种方法的制造成本也相对较高。由上便可看出，液晶面板的质量并不能完全代表液晶显示器的品质，没有出色的显示电路配合，再好的面板也不能做出性能优异的液晶显示器。随着LCD产品产量的增加、成本的下降，液晶显示器会大量普及。2.4 电动机选择单片机控制的无刷直流电机 与电机控制中经常使用的有刷电机不同，单片机控制的无刷直流（BLDC）电机不存在电刷磨损和电弧，因而电机的使用寿命实质上只受到轴承寿命的影响。此外，单片机控制的无刷直流电机系统的优越性还包括： 更高的效率 转矩-惯性比高 能达到更高的速度 听得见的噪声
45、更低 更高的热效率 更低的电磁干扰无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。第3章 控制系统硬件设计3.1 系统工作原理本调速控制系统，主要由ATmega8单片机、驱动电路、转速
46、检测电路和LCD显示电路等部分组成，如图3.1所示。LCD显示电路电机驱动电路直流电机电机转速测量采样调整电路ATmega8单片机 PWM 图3.1 ATmega8的调速原理图系统工作原理:在新的采样周期到来时 ,光电编码器测得的电机速度反馈信号通过 Encoder 接口反馈到ATmega8单片机。单片机系统通过通讯接口(例如 A/D、并口通讯、串口通讯等)从上位机获得电机给定速度 ,或是单片机系统自行给定电机速度。单片机系统根据给定的运动速度与速度的反馈信号相减 ,得出偏差 ,经过各种控制算法得出控制量。单片机再把控制量以 PWM 的形式输出 ,经过驱动电路功率放大 ,驱动直流电机。 LCD 显示主要用于软件调试和一些需要显示特定参数的场合。然后进入下一个采样周期。3.2 ATmega8实现PWM控制ATmega8的16位T/C可以实现精确的程序定时、波形产生和信号测量。ATmega8波形发生器利用双缓
