基于avr單片機的無刷直流電機控制器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 0 位ADC,8 個單端通道,7 個差分通道,2 個具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道。具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器。上電復位以及可編程的掉電檢測。片內經過標定的RC 振蕩器。片內/ 片外中斷源。6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式。可以通過軟件進行選擇的時鐘頻率。編輯本段I/O 封裝。53個可編程I/O – 64引腳TQFP 與 64 引腳 MLF封裝。工作電壓： ATmega128L, ATmega128。速度等級：0 8 MHz ATmega128L,0 16 MHz ATmega128。ATmega128TQFP封裝現主要有這些型號：ATmega12816AU、ATmega12816AI。ATmega128各引腳功能如下：Vcc:數字電路的電源,GND:地。端口A(PA7~PAO):端口A為雙向I/O口并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時,若內部上拉電阻使能,則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發生時端口A為三態。端口A也可以用作其他不同的特殊功能。端口B(PB7~PB0):端口B為8位雙向I/O口,復位發生時端口B為三態。端口8也可以用作其他不同的特殊功能。端口C(PC7~PC0):端口C為8位雙向I/0口,復位發生時端口C為三態。端口C也可以用作其他不同的特殊功能。在ATmegal03兼容模式下,端口C只能作為輸出,而且在復位發生時不是三態。端口D(PD7~PD0):端口D為8位雙向I/0口,復位發生時端口D為三態。端口D也可以用作其他不同的特殊功能。端口E(PE7~PE0):端口E為8位雙向I/0口,復位發生時端口E為三態。端口E也可以用作其他不同的特殊功能。端口F(PFT~PF0):端口F為ADC的模擬輸人引腳。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時,。復位發生時端口F為三態。 7(TDI)、PF5(TMS)和PF4(TCK)的上拉電阻使能。端口F也可以作為J TAG接口。在ATmegal03兼容模式下,端口F只能作為輸入引腳。端口G(PG4~PG0):端口G為5位雙向I/O口,并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。復位發生時端口G為三態。端口G也可以用作其他不同的特殊功能。在ATmegal 03兼容模式下，端口G只能作為外部存儲器的鎖存信號以及32kHz振蕩器的輸入,并且在復位時這些引腳初始化為PG0=PGl=1以及PG2=0。PG3和PG4是振蕩器引腳。RESET:復位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統復位。低于此時間的脈沖不能保證可靠復位。XTALl:反向振蕩器放大器及片內時鐘操作電路的輸入。XTAL2:反向振蕩器放大器的輸出。AVCC:。使用ADC時應該通過一個低通濾波器與Vcc連接。AREF:AREF為ADC的模擬基準輸入引腳。PEN是SPl串行下載的使能引腳。在上電復位時保持麗為低電平將使器件進入。SPl串行下載模式,在正常工作過程中PEN引腳沒有其他功能。鍵盤是由若干個按鈕組成的開關矩陣，它是單片機系統中最常用的輸入設備，用戶能通過鍵盤向計算機輸入指令，地址或者數據；一般單片機系統中采用的是非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有結構簡單，使用靈活等特點。設計鍵盤的16個鍵分別為：0~9 數字鍵；電機開、關，啟動鍵，停止鍵；退出鍵；確定鍵，以及功能鍵。在單片機的應用中，人機界面占據相當重要的地位。人機界面主要包括事件輸入和結果指示，事件輸入包括鍵盤輸入，通訊接口，事件中斷等，結果指示包括LED/LCD顯示、通訊接口、外圍設備操作等。而在這些人機界面當中，LCD 顯示技術由于其具有界面友好，成本較低等特點而在很多應用場合得以廣泛應用。整個LCD Panel由上下玻璃基板和偏振片組成，在上下玻璃之間，按照螺旋結構將液晶分子有規律的進行涂層。液晶面板的電極是通過一種ITO的金屬化合物蝕刻在上下玻璃基板上。液晶分子的排列為螺旋結構，對光線具有旋旋旋光性，上下偏振片的偏振角度相互垂直。在上下基板間的電壓為0時，自然光通過偏振片后，只有與偏振片方向相同的光線得以進入液晶分子的螺旋結構的涂層中，由于螺旋結構的的旋旋旋光性，將入射光線的方向旋轉90度后照射到另一端的偏振片上，由于上下偏振片的偏振角度相互垂直，這樣入射光線通過另一端的偏振片完全的射出，光線完全進入觀察者的眼中，看到的效果就為白色。而在上下基板間的電壓為一交流電壓時，液晶分子的螺旋結構在電(磁)場的作用下，變成了同向排列結構，對光線的方向沒有作任何旋轉，而上下偏振片的偏振角度相互垂直，這樣入射光線就無法通過另一端的偏振片射出，光線無法進入觀察者的眼中，看到的效果就為黑色。這樣通過在上下玻璃基板電極間施加不同的交流電壓，即可實現液晶顯示的兩種基本狀態亮(On)和暗(Off)西安工業大學畢業設計(論文)4 無刷直流電機控制器的軟件設計常用的軟件設計方法有模塊化—結構化編程方法、過程化編程方法、面向對象編程方法以及面向智能體的編程方法。選擇合適的軟件設計方法決定了系統軟件的結構是否合理，同時決定了系統實現功能是否穩定可靠。前面提到的四種軟件設計方法在實際應用時各有優缺點，模塊化—結構化編程和過程化編程方法它們共同的出發點是將一個龐大復雜的系統分解成若干個較小的過程，或者是功能塊。每個功能塊只執行相對單一的功能，每個功能塊都具有單入口單出口的結構，并且都可以進行獨立的調試。但在遇見大系統時，這種分解會導致大量的過程和功能塊產生，各個功能塊之間有著復雜的相互依賴關系，會帶來一些不好解決的問題；面向對象編程方法主要側重的是每個元素個體的實現方法，忽略各個元素之間存在的相互聯系；面向智能體編程方法是由人工智能的編程思想發展而來的，它沒有制定明確的編程規則，我們可以認為是控制器通過傳感器對自身所處的環境進行感知的一種能力[8]。縱觀這四種編程方法的優缺點，依據實際情況，本設計采用一種結合模塊化結構化和面向智能體兩種方法相結合的新軟件編程方法。編寫程序時采用軟件模塊化和硬件模塊化相結合的方法，首先分硬件模塊進行編寫各個模塊的軟件，然后通過設置標志位，承接各個模塊之間的關系，使之成為一個整體的系統。這樣的編程方法從硬件電路的設計和軟件代碼的編寫兩大方面都大大降低了難度，縮短了系統的開發周期。模塊內部包含的主要元素有過程、作用、回饋和知識庫，與這些元素相聯系的外部元素為輸入、輸出、學習和意識。內部和外部元素之間相輔相成，構成一個完整的系統。該系統化的基本思想是：當外部輸入進入到模塊內部時，通過過程運行，運行的結果輸出到外部，同時反饋給知識庫。過程的運行受控于知識庫的作用，接收來自于知識庫的參數及方法。知識庫收到過程的反饋后，分析判斷過程運行的好與壞，并通過意識將判斷結果輸出。在這一過程中，知識庫作用于過程的參數或方法是固定的，顯示其靜態開放特性。運行完成后，知識庫借助于學習和反饋結果對參數和方法進行修訂，提供給下一次過程運行。這種修訂后的的參數和方法，能夠有效的提高模塊的適應性，顯示其動態開放特性。系統不斷的運行重復這一系列過程，知識庫也不斷的得到更新，模塊的性能不斷得到改善，整個系統的智能性也就有了很大的提高。 模塊結構在系統的內部，知識庫會通過分析輸出量的評測結果及反饋值信息，對其內容進行更新，設計中，也可以通過鍵盤對各個參數進行重新配置。本系統設計是基于ATmega128開發，其開發環境支持C/C++，將軟件系統看成三大程序構成，初始化程序、管理程序、維護更新程序。初始化主模塊中含有微控制器芯片的內部硬件初始化、過程關系和知識庫的初始化。管理程序各個功能子程序輸入和輸出有機結合起來，某個子程序輸出是另一個子程序輸入部分。管理程序是各個子程序協調運行核心管理，在整個調度的過程中均有消息觸發。維護更新程序就是負責過程是直接的屬性輸入輸出關系。主要功能是提高系統的自適應能力以及自學習能力。： 各主層模塊功能圖初始化模塊完成主控芯片即ATmega128維持正常工作的基本配置以及初始化外圍硬件在上電以后應該保持的狀態。同時完成各個模塊知識庫參數的初始化以及系統各個模塊完成功能的初始化。(1)時鐘的初始化維持CPU正常工作最重要的便是工作頻率，過高的工作頻率不利于CPU的穩定工作，過低的頻率則不能順利完成樁機自動控制系統的功能實現。通過實驗調試，ATmega128芯片系統時鐘在8MHz時運行效率高且穩定性好。通過配置單片機內部倍頻機構將單片機的工作頻率設置為8MHz。(2)I/O的初始化I/O初始化中，對ATmega128的各I/O端口進行初始化，統一將I/O端口設置缺省狀態。如果在各個功能程序中需要用到CPU的I/O端口資源的話，由各個單元模塊自行配置開啟使用，這種對I/O資源的初始化設計，主要是為了保證軟件系統的安全，避免相關I/O端口未初始化而對程序產生影響。Void port_init (){PORTA=0X00。DDRA=0X00。PORTB=0X00。DDRB=0X00。PORTC=0X00。DDRC=0X00。PORTD=0X00。DDRD=0X00。PORTE=0X00。DDRE=0X00。PORTF=0X00。DDRF=0X00。PORTG=0X00。DDRG=0X00。}(3)初始化定時中斷地市中斷可以為控制系統提供精確的時間參數，本設計中正是利用了其這一特點。系統中延時函數的延時時間都是由定時器提供的。若定時器中斷過于頻繁，那么，在同樣的時間里，微控制器要比正常情況下多處理很多的信息，會影響微控制器的利用效率。定時器中斷間隔過大則會使得微控制器遺漏一些重要的信息，從而錯過最好的控制時機。結合本系統的實際應用情況，將定時器中斷設置為每2ms一次。無刷直流電機控制器有多個功能子模塊，由于實現功能的不同，各個功能子模塊所利用的CPU的資源是不一樣的，因此對于這些功能子模塊的初始化，各自的初始化配置根據設計需要在各自程序中實現。 無刷直流電機控制器工作流程圖管理模塊是實現軟件系統功能的中軸，分為主程序和中斷服務程序，它們之間沒有運行的先后順序，并沒有強調同步與異步，管理模塊通過一系列的標志位將系統的各個功能模塊聯系起來，通過對各個標志位的置位與清零實現對各個模塊的有效調度，以使各個功能模塊配合實現相應的控制功能。自動控制系統來說，下面從各個功能子模塊介紹本系統的管理模塊。；維護更新模塊是通過人機接口實現的，顧名思義，其功能是完成系統的維護和知識庫的更新，除此之外，它還可以實現機器的自適應能力和強制學習的功能。大大提高了程序的修改性、升級性，是對智能體模型特征的重要完善。鍵盤是由若干按鍵組成的最簡單輸入設備，操作人員可以通過鍵盤輸入數據或命令，實現簡單的人機通信。由于鍵盤是一組按鈕開關的集合，在智能儀表中，常采用軟件來識別按鍵，所以，在鍵盤的設計中應同時從硬件和軟件兩方面加以考慮。無論鍵盤采用哪種組織形式及讀鍵方式，其主要的操作步驟如下：(1)讀鍵：判斷是否有鍵按下。(2)鍵值判斷：在確認有鍵按下以后，進一步識別出是哪一個按鍵。(3)執行子程序：根據識別結果，執行相應子程序。(4)鍵盤設計軟件流程圖軟件流程圖如下圖所示： 鍵盤軟件流程圖控制系統的鍵盤設計程序中，關鍵變量是有兩個，一是鍵盤數據變量為key_data；二是鍵值有效字判斷變量為key_ctrl，當key_ctrl=0xff時表示有鍵按下，否則沒有按鍵按下。(5)鍵盤抖動處理消除按鍵抖動是按鍵操作中必須完成的工作，如果通過加延時的方式在系統運行程序中對按鍵抖動進行處理的話，必然會影響系統中其他程序的響應速度，在本系統的軟件設計中，采用狀態圖的方式對其進行處理，在按鍵的程序內部加入局部靜態變量來指示程序的內部運行狀態，按鍵消除抖動的處理流程圖如下圖所示； 鍵操作消抖流程圖簡單來說，PID控制器各校正環節的作用如下。（1）比例環節。比例控制能迅速反應控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。但比例控制不能消除穩態誤差，Kp加大，會引起系統的不穩定。（2）積分環節。主要用于消除靜差，只要系統存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強。積分作用太強會使系統超調量加大，甚至使系統出現振蕩。（3）微分環節。微分控制能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），減少超調量，克服振蕩，使系統的穩定性提高，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。(4)數字PID增量型控制算法。在計算機控制系統中，使用的是數字PID控制器，PID控制規律的實現必須用數值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變為差分方程。1）數字PID位置型控制算法。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式，現以一系列的采樣時刻點代表連續時間，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 （）式中：為采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采樣周期必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將簡化表示成等，即省去。由式（）可得離散的PID表達式為 （）或 （）式中：為采樣序號，；為第次采樣時刻的計算機輸出值；為第次采樣時刻輸入的偏差值；為第次采樣時刻輸入的偏差值；為積分系數，；為微分系數。由變換的性質式（）的變換式為 （）由式（）便可得