直流电机调速系统设计Word文档下载推荐.docx
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目前科研生产中采用的速度测量方法可分为两类：
直接测量法和间接测量法两大类。
直接测量法时通过魔种测量原理或效应直接获得速度量，如多普勒测速仪、空间滤波测速等。
这种方法的最大优点是反应快、可测量瞬时速度，但设备成本高，且受到大气物理环境的限制。
间接测量法师测量目标的移动距离和时间，通过计算得到速度量。
（2）在电气时代的今天，电动机在工农业生产也人们日常生活中都起着十分重要的作用。
2课程设计介绍
设计一种直流电机测速系统，以LMS2110为控制核心，通过按键改变电机电机速度，并在液晶屏上显示速度。
实现了按键输入、电机驱动、转速改变、转速显示等功能。
2.1课程设计目的
随着ARM的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日渐成熟，他对ARM的要求是：
具有够快的速度；
有PWM口，用于自动产生PWM波；
有捕捉功能，勇于测频；
有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换。
通过设计基于ARM的嵌入式直流电机调速系统并调试得出结论，在掌握L298N和74HC595的同事进一步加深对直流电动机调速方法的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。
通过本次综合设计，运用已学的课程知识，根据题目要求进行软硬件系统的设计和调试,对《嵌入式系统原理与应用》课程中涉及的芯片结构、控制原理、硬件和编程等方面有一定的感性认识和实践操作能力，从而加深对本课程知识点的理解，在应用知识能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等方面有显著提高。
2.2题目要求
2.2.1题目
2.2.2工作流程
（1）按下电源键，电源指示灯亮；
（2）按运行键，电机运转。
按速度增键，电机速度加快；
按速度减键，电机速度减慢；
（3）LED实时显示当前的电机的速度；
（4）运行过程中，若再按下电源键，则系统停止工作，电源指示灯灭。
2.2.3设计要求
（1）利用实验系统的资源来设计一个“直流电机调速系统”。
（2）控制面板包括：
四位数码显示、十个数字按键键盘、电源按键、电源指示灯、两个速度增减键和一个运行键。
2.2.4实验设备与器材
实验设备：
LM3S2110板、PC机一台。
实验器材：
LCD1602液晶显示器、MagicARM2200教学实验开发平台。
3总体设计方案综述
3.1ARM7简介
ARM7引系列处理是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器ARM7内核是0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·
诺依曼结构：
ARM9内核是5级流水线，提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。
ARM7没有MMU,ARM720T是WWU的，ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列ARM9是有MMU的，ARM940T只有Memoryprotectionunit。
不是一个完整的MMU。
ARM7：
小型、快速、低能耗、集成式RISC内核，用于移动通信。
ARM7TDMI（Thumb）：
这是公司授权的用户最多的一项产品，将ARM7指令集同Thumb扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。
同时，他还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能，该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。
ARM9TDMI：
采用5阶段管道化ARM9内核，同时设备Thumb扩展、调试和Harvard总线。
再生产工艺相同的情况下，性能可达ARM7TDMI的两倍之多。
常用于连网和顶置盒。
3.2设计思路及流程图
利用ARM上位设计一个直流电机的软件模拟PWM驱动及测速系统，并且通过嵌入式开发平台试验箱上的模块来测量转速。
本系统具有精度高，成本低，是用方便等优点。
利用ARM控制直流电机并测量转速，显示速度。
（1）系统总体框图
图3.1直流电机调速系统总体框图
（2）设计流程图
图3.2直流电机调速系统设计流程图
（3）调速设计框图
图3.3调速设计框图
4系统硬件部分的设计及说明
4.1工作原理
4.1.1PWM控制原理
本设计的主要思想为利用PWM控制占空比从而达到改变电机速度。
下面为PWM控制原理：
图4.1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。
在图4.1a中，假定晶体管V1先导通T1秒（忽略V1的管压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上），然后关掉T2秒（这期间电枢端电压为零）。
如此反复，则电枢端电压波形如图4.1b中所示。
电动机电枢端电压Ua为其平均值。
图4.1PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
a）原理图b）输出电压波形
式中
为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，成为负载率或占空比。
使用下面散户总方法中的任何一种，都可以改变a的值，从而达到调压的目的：
定宽调频法：
T1保持一定，是T2在0到无穷大范围内变化；
调宽调频法：
T2保持一定，是T1在0到无穷大范围内变化；
定频调宽法：
T1+T2=T保持一定，是T在0到T范围内变化。
不管哪种方法，a的变化范围均为a属于【0,1】，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0到Ud，均为正值，及电动机只能在某一方向调速，成为不可逆调速。
当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图4.1-4.2a所示的桥式（或称H型）降压斩波电路。
在图4.2a中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2.V3与V4都不允许同时导通，否则电源U的直通短路。
设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直通短路。
该间隔时间成为死去时间）之后，再是V2、V3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图4.2b所示。
图4.2桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
4.1.2直流电机测速原理
电机的叶轮置于红外对射管之间，叶轮转过，挡住传感器，产生中断，给单片机，从而实现计数，进而计算出电机的速度。
直流电机的转速计算公式如下：
n=（U-IR）/Kφ，其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
可以看出，转速和U、I有关，并且可控量只有这两个，我们可以通过调节这两个量来改变转速。
我们知道，I可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也就是用PWM控制来进行电机转速调节的。
通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小绝对平均电压的大小，也决定了电机的转速大小
4.2LMS2110
4.2.1LMS2110简介
图4.3LMS2110微控制器
LM3S2110微控制器是针对工业应用方案而设计的，包括远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防。
除此之外，该LM3S2110微控制器的优势还在于能够方便的运用多种ARM的开发工具和片上系统（SoC）的底层IP应用方案，以及广大的用户群体。
另外，该微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集的Thumb2指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。
最后，LM3S2110微控制器与Stellaris系列的所有成员是代码兼容的，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。
为了能够帮助用户产品快速的上市，LuminaryMicro公司提供了一整套的解决方案，包括评估和开发用的板卡、白皮书和应用笔记、方便使用的外设驱动程序库以及强劲的支持、销售和分销网络。
LMS2110开发板中包含一块LM3S2110微控制器，另外主要可以使用的元器件有：
1个RST键，4个独立按键，8个LED灯和1个蜂鸣器。
本课程设计用到的有关管脚如下
（1）在PWM模式中，TimerA或TimerB被配置为16位的递减计数器，通过设置适当的装载值（决定PWM周期）和匹配值（决定PWM占空比）来自地产生PWM方波信号从相应的CCP管脚输出。
可用的CCP管脚，如表1，本设计实验用到了定时器0。
表4.1可使用的CCP管脚
定时器
16位向上/向下计数器
偶数CCP管脚
奇数CCP管脚
定时器0
TimerA
CCP0
-
TimerB
CCP1
定时器1
CCP2
CCP3
定时器2
（2）用到的LED灯和KEY按键
ARM2110开发板中，有8个LED小灯，其原理电路图如图4.5所示。
这8个小灯--LED1~LED8各自的负极连接了一个4.7K的电阻后依次连接在微控制器LM3S2110上的PF1、PF2、PB0、PB1、PB2、PB3、PE0、PE1这8个引脚上，当这8个引脚中的某个引脚得到低电平时，其相连的LED小灯就会亮起来。
LMS2110开发板中有4个独立按键，其原理电路图如图4.4所示。
这四个独立按键—KEY1~KEY4各自的一端依次连接在微控制器LM3S2110上的PH1、PB6、PB5、PB4四个引脚上。
图4.4LMS2110开发板KEY按键管脚图图4.5LMS2110开发板LED灯管脚图
4.2.2LMS2110中断功能介绍
ARMCorter-M3微控制器和嵌套向量中断控制器（NVIC）将区分所有异常的优先等级并对其进行处理。
所有异常都在控制器模式中处理。
在出现异常时，控制器的状态将被自动存储到堆栈中，并在中断服务程序（ISR）结束时自动从堆栈中恢复。
取出向量和保存状态时同时进行的，这样便提高了进入中断的效率。
中断是通过NVIC中断设置使能寄存器来使能的，并且由NVIC中断优先级寄存器来区分其优先等级。
4.31602液晶显示模块设计
4.3.11602液晶显示模块简介
图4.61602液晶显示模块
所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。
目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
现代的液晶显示屏（LCD）用于数字型钟表和许多便携式计算机的一种显示器类型。
LCD显示使用了两片极化材料，在它们之间是液体水晶溶液。
电流通过该液体时会使水晶重新排列，以使光线无法透过它们。
因此，每个水晶就像百叶窗，既能允许光线穿过又能挡住光线。
液晶显示器（LCD）目前科技信息产品都朝着轻、薄、短、小的目标发展，在计算机周边中拥有悠久历史的显示器产品当然也不例外。
4.3.2设计用到的管脚
字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如表2。
表4.21602液晶显示模块管脚图
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
作用
1
Uss
电源地
2
Ucc
电源（+50）
3
Uee
对比调整电压
4
RS
0/1
输入
0=输入指令
1=输入数据
5
R/W
0=向LCD写入指令或数据
1=从LCD读取信息
6
E
1,1—0
使能信号，1时读取信息，1—0（下降沿）执行指令
7
DB0
数据总线line0（最低位）
8
DB1
数据总线line1
9
DB2
数据总线line2
10
DB3
数据总线line3
11
DB4
数据总线line4
12
DB5
数据总线line5
13
DB6
数据总线line6
14
DB7
数据总线line7（最高位）
15
A
+Ucc
LCD背光电源正极
16
K
接地
LCD背光电源负极
4.4硬件电路图
本课程设计用到了LMS2110开发板、1602液晶显示模块，如图4.7是各板块连接的内部管脚图。
图4.7LMS2110、1602液晶显示、导线的连接电路内部管脚图
5系统软件概述
5.1IAR介绍使用说明
（1）新建工程：
File-Open-Workspace，建立新工程
图5.1新建工程：
File-Open-Workspace图5.2新的工程
（2）Project-CreateNewProject
图5.3Project-CreateNewProject
（3）保存工程，工作空间文件后缀.eww，工程的后缀.ewp
图5.4保存工程
（4）输入嵌入式程序
图5.5输入嵌入式程序
（5）点击Make进行程序校验
图5.6进行程序校验
（6）点击DOWNLOADANDDEBUG将程序输入板子中
图5.7将程序输入板子中
5.2总体流程
（1）开发环境：
系统软件采用IAR集成开发环境开发
（2）总体流程概况
我们在程序主循环中实现按键扫描与转速显示，通过定时器0每个50ms产生一次时钟中断，每1s更新一次要显示的速度。
通过定时器1实现PWM波的输出，每隔20ms输出一次PWM波。
使用外部中断0，将ARM2110传感器的输入设为外部中断，中断出发方式为下降沿触发。
每产生一个外部中断，计数值加一。
每隔1s显示并清空计数值，以此实现测速功能。
5.3初始化
无论任何软件或系统必须要进行初始化。
所谓初始化就是把其中的某些参数或者数值变为默认值，或者将控件调整为默认状态。
5.3.1GPIO初始化
针对不同端口的GPIO引脚，都要分别进行初始化的设置。
最基本的GPIO初始化步骤包括：
（1）使能端口；
（2）设置引脚的输入或输出状态；
（3）设置引脚的上升沿或下降沿触发的状态；
（4）设置引脚的中断使能；
（5）设置端口的中断使能。
5.3.2定时器的初始化
LMS2110对于16为单次触发、周期定时器，Timer可以被才分为两个单独运行的16位定时、计数器，都可以被配置成带8位预分频（可选）的16位递减计数器。
如果使用8位预分频功能，则相当于24位定时器。
具体用法跟32位单次触发、周期定时器类似，只不过对TimerA和TimerB被配置为能够捕获外部输入脉冲边沿事件的递减计数器。
共有3种边沿事件类型：
正边沿、负边沿、双边沿。
5.3.3LED灯的初始化
使能和配置完成后将LED灯（PF1）赋初值，因为它们均为低电平使能，故将初值赋为全“1”。
6系统模拟测试与调试
6.1测速方案
测试包含仿真测试和硬件测试两个部分。
仿真测试指使用ProteusPro7.1对系统进行仿真测试。
主要测试系统电路的设计和验证程序逻辑的正确性。
硬件测试指系统搭建后对硬件电气性能的测试。
主要测试各功能的完整性可靠性，以及系统电气性能的稳定性。
测试工具为示波器万用表等。
6.2测试结果
6.2.1仿真测试结果
（1）仿真测试中，系统运行正常，程序逻辑正确。
按键输入正常、数码管显示正确。
（2）输出PWM波正常。
6.2.2硬件测试结果
（1）系统硬件搭建完毕后，进行硬件测试。
（2）系统加电后，振荡电路正常起振，STC89C52在时钟源电路的驱动下运行正常。
（3）系统可在复位电路的作用下正常复位。
（4）系统按键输入正常，并能够正确消除抖动。
（5）系统PWM波输出正常。
将示波器接STC89C52的P1.7管脚，可观察到峰峰值5V左右的方波，其占空比可由按键key1在30%和70%之间切换，频率与调速要求一致。
（6）电桥驱动电路正常，在PWM驱动下可稳定驱动电机运行。
（7）ST151传感器测量正常，在电机稳定运行时，示波器可在传感器电路输出端测得稳定的方波信号。
（8）数码管转速显示正常，数码管可正确显示并正确显示电机转速。
6.3设计现象分析
（1）实验分析：
a、按下电源键，LED3亮，液晶屏显示“SPEEDUPandDOWN”，电机静止；
b、按下KEY1键，LED3保持亮，LED4闪烁，液晶屏显示数字“550—450”跳变，电机转速缓慢；
c、按下KEY2键，LED3保持亮，LED4闪烁，液晶屏显示数字“450—550”跳变，电机转速飞快；
d、按下电源键，液晶屏恢复，LED灯灭，电机恢复静止。
（2）现象简述
a、打开电源，液晶屏显示“SPEEDUPandDOWN”，电机静止；
图6.4液晶屏显示“SPEEDUPandDOWN”图6.2电机静止
b、按下KEY1键，电机减速，液晶屏由550减小到450，如图6.3—6.4，转速变慢如图6.5；
c、按下KEY2键，电机加速，液晶屏由450增速至550，如图6.4—6.3，转速增大，如图6.5。
图6.3液晶屏显示550图6.4液晶屏显示450图6.5电机转速变快
7心得体会
这次的课程设计为期一个月的时间。
在这段时间里我们深入了解了之前学习过的ARM7嵌入式系统设计，了解了LMS2110微控制器开发板的使用，了解了1060液晶显示模块的使用，学习了软件IAR的使用，并且在硬件上还采用了基于PWM技术的调速电路，虽然也遇到了这样或者那样的问题，但是我们还是完成了“直流电机调速系统设计”课题。
其实，实际效果的出来还是跟最一开始我们的想象是不一样的，最开始我们的想象是一共用到四个按键来分别控制电源的开启/关闭、电机开始转动、电机加速、电机减速，并且希望LED3不亮，但是设计中还是遇到了问题，比如液晶屏了连接管脚中有些管脚连上线路后LED3的灯会一直长亮，或者我们换一个灯亮却会导致整个系统的瘫痪等。
各种问题层出不穷，我们耐着心思琢磨着，希望可以一一解决。
并且经过反复的检查，我们发现并解决了电机的驱动存在问题，我们的程序内部延时效果也不好，数码管显示间隔较大，对按键的消抖处理也有不足，但经多次调试最终的效果还是比较理想，当然，我们做的还有不足之处，比如说：
调速模块的灵敏度不够高等。
另外，我们还发现了有时数码显示会有乱码或者出现类似日文的字符，那是因为有些地方短路了。
我们看着最后并不完美但已经很不错的设计现象，我们还是很开心。
总之，通过这次课设，我觉得一定要将理论和实践联系起来，才能够好的掌握所学的理论知识。
8参考文献
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清华大学出版社.1992
附录
附录1人员分配
直流电机测速系统设计中系统软件部分由王妍负责，系统硬件部分由霍然负责。
附录2程序清单
#include"
systemInit.h"
#include<
timer.h>
#definePART_LM3S2110
//定义KEY
#defineKEY1_PERIPHSYSCTL_PERIPH_GPIOB
#defineKEY1_PORTGPIO_PORTB_BASE
#defineKEY1_PINGPIO_PIN_6
//定义KEY
#defineKEY2_PERIPHSYSCTL_PERIPH_GPIOH
#defineKEY2_PORTGPIO_PORTH_BASE
#defineKEY2_PINGPIO_PIN_1
#definelcdenGPIO_PIN_0//PB0;
#definelcdrsGPIO_PIN_1//PB1;
unsignedchardata;
//PD0-PD7;
unsignedcharn
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