單片機控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用20141220

1、第八章 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用 第一節(jié)第一節(jié) 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法 第二節(jié)第二節(jié) 提高系統(tǒng)可靠性的常用方法提高系統(tǒng)可靠性的常用方法 第三節(jié)第三節(jié) 單片機在步進電動機控制中的應(yīng)用單片機在步進電動機控制中的應(yīng)用 第四節(jié)第四節(jié) 單片機在直流調(diào)速中的應(yīng)用單片機在直流調(diào)速中的應(yīng)用 第五節(jié)第五節(jié) 單片機在電子顯示屏中的應(yīng)用單片機在電子顯示屏中的應(yīng)用 第一節(jié) 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法 一、系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及步驟一、系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及步驟 （1）從元件級開始，構(gòu)成系統(tǒng)）從元件級開始，構(gòu)成系統(tǒng) 針對具體任務(wù)，針對具體任務(wù)，選用合適的單片機，配以必要的存儲器、接口選用合適的單片機，配以必

2、要的存儲器、接口芯片和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。芯片和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。 （2）應(yīng)用已有的單片機系統(tǒng)，適當擴展）應(yīng)用已有的單片機系統(tǒng)，適當擴展 已有已有的單片機系統(tǒng)是的單片機系統(tǒng)是51、96等系列單片機組成的單等系列單片機組成的單板機。根據(jù)實際需要，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當板機。根據(jù)實際需要，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當擴展擴展I/O通道或其它器件，構(gòu)成一個測控系統(tǒng)。通道或其它器件，構(gòu)成一個測控系統(tǒng)。 二、控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟二、控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟 1方案設(shè)計方案設(shè)計 (1)單片機機型和器件的選擇單片機機型和器件的選擇 a性能特點要適合所要完成的任務(wù)，避免過多的功能閑置；性能特點要適合所要完成的任務(wù)

3、，避免過多的功能閑置；b性能價格比要高，以提高整個系統(tǒng)的性能價格比；性能價格比要高，以提高整個系統(tǒng)的性能價格比；c結(jié)構(gòu)原理要熟悉，以縮短開發(fā)周期；結(jié)構(gòu)原理要熟悉，以縮短開發(fā)周期；d貨源要穩(wěn)定，有利于批量的增加和系統(tǒng)的維護。貨源要穩(wěn)定，有利于批量的增加和系統(tǒng)的維護。(2)硬件與軟件的功能劃分硬件與軟件的功能劃分 系統(tǒng)的硬件和軟件要作統(tǒng)一的考慮。因為一種功能往往是既可以系統(tǒng)的硬件和軟件要作統(tǒng)一的考慮。因為一種功能往往是既可以由硬件實現(xiàn)，又可以由軟件實現(xiàn)。要根據(jù)系統(tǒng)的實時性和系統(tǒng)的性由硬件實現(xiàn)，又可以由軟件實現(xiàn)。要根據(jù)系統(tǒng)的實時性和系統(tǒng)的性能價格比進行綜合確定。能價格比進行綜合確定。2 2硬件設(shè)計硬

4、件設(shè)計 (1)(1)單片機電路設(shè)計單片機電路設(shè)計 主要完成時鐘電路、復(fù)位電路、供電電路、主要完成時鐘電路、復(fù)位電路、供電電路、I/O電路的設(shè)計電路的設(shè)計 (2)擴展電路設(shè)計擴展電路設(shè)計 主要完成程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、主要完成程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路的設(shè)計接口電路的設(shè)計 (3)輸入輸入/輸出通道設(shè)計輸出通道設(shè)計 主要完成傳感器電路、放大電路、多路開關(guān)、主要完成傳感器電路、放大電路、多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換電路、轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量接口電路、轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量接口電路、驅(qū)動及執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。驅(qū)動及執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。 (4)控制面板設(shè)計控制面板設(shè)計 主要完成按鍵、開關(guān)、顯示器、報

5、警等電路的主要完成按鍵、開關(guān)、顯示器、報警等電路的設(shè)計。設(shè)計。 3軟件設(shè)計軟件設(shè)計 結(jié)合硬件組成，首先明確軟件部分各個模塊的結(jié)合硬件組成，首先明確軟件部分各個模塊的功能，詳細地畫出各模塊的流程圖，然后進行主功能，詳細地畫出各模塊的流程圖，然后進行主程序設(shè)計和各模塊程序設(shè)計，最后連接起來得到程序設(shè)計和各模塊程序設(shè)計，最后連接起來得到完整的應(yīng)用程序。完整的應(yīng)用程序。 4系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 將硬件和軟件相結(jié)合，分模塊進行調(diào)試，修正和完善原始方案。將硬件和軟件相結(jié)合，分模塊進行調(diào)試，修正和完善原始方案。最后進行整個系統(tǒng)的調(diào)試，以達到控制系統(tǒng)的要求。調(diào)試完成后將最后進行整個系統(tǒng)的調(diào)試，以達到控制系統(tǒng)的要求

6、。調(diào)試完成后將應(yīng)用程序固化在程序存儲器中。應(yīng)用程序固化在程序存儲器中。 第二節(jié) 提高系統(tǒng)可靠性的常用方法 一、提高系統(tǒng)可靠性的常用方法一、提高系統(tǒng)可靠性的常用方法 （一）電源干擾及其抑制（一）電源干擾及其抑制 1交流電源干擾及其抑制交流電源干擾及其抑制 在工業(yè)控制現(xiàn)場，生產(chǎn)負荷經(jīng)常變化，大型用電設(shè)備的啟動、停在工業(yè)控制現(xiàn)場，生產(chǎn)負荷經(jīng)常變化，大型用電設(shè)備的啟動、停止等，往往要造成電源電壓的波動，因此，我們一方面要盡量使控止等，往往要造成電源電壓的波動，因此，我們一方面要盡量使控制系統(tǒng)遠離這些干擾源，另一方面可在系統(tǒng)中采用干擾抑制器。制系統(tǒng)遠離這些干擾源，另一方面可在系統(tǒng)中采用干擾抑制器。 2直

7、流電源抗干擾措施直流電源抗干擾措施 采用集成穩(wěn)壓塊單獨供電采用集成穩(wěn)壓塊單獨供電 直流開關(guān)電源直流開關(guān)電源 DC-DC變換器變換器 （二）地線干擾及其抑制（二）地線干擾及其抑制 1一點接地和多點接地的應(yīng)用一點接地和多點接地的應(yīng)用 2數(shù)字地與模擬地的連接原則數(shù)字地與模擬地的連接原則 數(shù)字地指的是數(shù)字地指的是TTL或或CMOS芯片、芯片、I/O接口電路接口電路芯片、芯片、CPU芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地端。模擬地指的是運轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地端。模擬地指的是運算放大器、采樣保持器等模擬器件的地和算放大器、采樣保持器等模擬器件的地和A/D、D/A

8、轉(zhuǎn)換器中模擬信號的接地端。轉(zhuǎn)換器中模擬信號的接地端。 3印刷電路板的地線分布原則印刷電路板的地線分布原則 印刷電路板的地線分布一般應(yīng)遵循下列幾個原則：印刷電路板的地線分布一般應(yīng)遵循下列幾個原則： TTL、CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免形成環(huán)狀。器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免形成環(huán)狀。 線路板上的地線要根據(jù)通過電流的大小決定其寬度，最好不小于線路板上的地線要根據(jù)通過電流的大小決定其寬度，最好不小于3mm。 旁路電容的地線不要太長旁路電容的地線不要太長 功率地通過的電流信號一般較大，其地線應(yīng)較寬些，且必須與小功率地通過的電流信號一般較大，其地線應(yīng)較寬些，且必須與小信號地分開。信號地分開。 4屏

9、蔽雙絞線的接地屏蔽雙絞線的接地 當采用屏蔽雙絞線傳送信號時，應(yīng)將屏蔽體與工作地連在一起，并當采用屏蔽雙絞線傳送信號時，應(yīng)將屏蔽體與工作地連在一起，并應(yīng)注意只能有一個接地點，否則屏蔽體兩端就會形成回路，在屏蔽應(yīng)注意只能有一個接地點，否則屏蔽體兩端就會形成回路，在屏蔽體上產(chǎn)生較大的噪聲體上產(chǎn)生較大的噪聲 .5接地系統(tǒng)接地系統(tǒng) 在一個完整的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，存在著三種類型的地：一是低在一個完整的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，存在著三種類型的地：一是低電平電路地線，如數(shù)字地、模擬地等；二是電動機、繼電器、電磁電平電路地線，如數(shù)字地、模擬地等；二是電動機、繼電器、電磁開關(guān)等強電設(shè)備的地開關(guān)等強電設(shè)備的地(亦可稱為噪

10、聲地亦可稱為噪聲地)；三是機殼、控制柜外殼地；三是機殼、控制柜外殼地(也稱為金屬件地也稱為金屬件地)。 接地系統(tǒng)示意圖接地系統(tǒng)示意圖 （三）其它提高系統(tǒng)可靠性的方法（三）其它提高系統(tǒng)可靠性的方法 1使用微處理器監(jiān)控電路使用微處理器監(jiān)控電路 2軟件抗干擾措施軟件抗干擾措施輸入輸入/輸出抗干擾輸出抗干擾 避免系統(tǒng)避免系統(tǒng)“死機死機”的方法的方法 避免系統(tǒng)避免系統(tǒng)“死機死機”的方法有很多，除了單片機集成的的方法有很多，除了單片機集成的Watchdog功功能外，還可以采用軟件陷阱的方法。能外，還可以采用軟件陷阱的方法。 第三節(jié) 單片機在步進電動機控制中的應(yīng)用一、步進電動機的組成及工作原理一、步進電動機

11、的組成及工作原理 步進電動機種類很多，按運動方式分有旋轉(zhuǎn)運動式、步進電動機種類很多，按運動方式分有旋轉(zhuǎn)運動式、直線運動式和平面運動式直線運動式和平面運動式 錯齒是促使步進電動機旋轉(zhuǎn)的原因。錯齒是促使步進電動機旋轉(zhuǎn)的原因。 二、步進電動機的主要參數(shù)二、步進電動機的主要參數(shù) 步進電動機的主要特性參數(shù)有：步進電動機的主要特性參數(shù)有：1步距角：步距角： 2起動頻率起動頻率 :3連續(xù)運行頻率連續(xù)運行頻率:4最大靜轉(zhuǎn)矩：最大靜轉(zhuǎn)矩： 5靜態(tài)步距角誤差：靜態(tài)步距角誤差：三、步進電動機的單片機控制三、步進電動機的單片機控制 我們以單片機控制的三相步進電動機為例來介紹步進電動機的單我們以單片機控制的三相步進電動

12、機為例來介紹步進電動機的單片機控制系統(tǒng)。其原理圖如圖片機控制系統(tǒng)。其原理圖如圖8-4所示。所示。1系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 由前述步進電動機的工作原理可知，步進電動機是在一定順序的電由前述步進電動機的工作原理可知，步進電動機是在一定順序的電脈沖控制下運轉(zhuǎn)的。脈沖控制下運轉(zhuǎn)的。 根據(jù)步進電動機控制方式，將環(huán)形節(jié)拍控制字按順序存放在一個表根據(jù)步進電動機控制方式，將環(huán)形節(jié)拍控制字按順序存放在一個表中，然后依次從表中取出控制字并輸出，這樣即可實現(xiàn)按要求對步中，然后依次從表中取出控制字并輸出，這樣即可實現(xiàn)按要求對步進電動機的控制。表進電動機的控制。表8-1列出的為步進電動機工作在三相六拍時的控列出的為步

13、進電動機工作在三相六拍時的控制字。制字。2步進電動機控制程序設(shè)計由前面的分析可知，步進電動機控制的步進電動機控制程序設(shè)計由前面的分析可知，步進電動機控制的任務(wù)就是：判斷旋轉(zhuǎn)方向；按順序送出控制脈沖；判斷脈沖任務(wù)就是：判斷旋轉(zhuǎn)方向；按順序送出控制脈沖；判斷脈沖是否送完。是否送完。 圖圖8-5 程序延時控制流程圖程序延時控制流程圖步進電動機轉(zhuǎn)速控制可由程序延時來完成，也可由定時器延時來完步進電動機轉(zhuǎn)速控制可由程序延時來完成，也可由定時器延時來完成。這里以程序延時為例。其程序流程如圖成。這里以程序延時為例。其程序流程如圖8-5所示。所示。圖圖8-5 程序延時控制流程圖程序延時控制流程圖步進電動機轉(zhuǎn)速

14、控制可由程序延時來完成，也可由定時器延時來完步進電動機轉(zhuǎn)速控制可由程序延時來完成，也可由定時器延時來完成。這里以程序延時為例。其程序流程如圖成。這里以程序延時為例。其程序流程如圖8-5所示所示圖圖8-5 程序延時控制流程圖程序延時控制流程圖 PUSHA MOVR4,#N CLRC ORLC,D5H JCROTE MOVR0,#20H JMPLOOP ROTE：MOV R0,#27HLOOP: MOVA,R0 MOVP1,A ACALLDLY INCR0MOVA,#00H ORLA,R0 JZTPLLOOP1:DJNZR4,LOOP POPA RETTPL: MOVA,R0 CLRC SUBBA

15、,#06H MOVR0,A AJMPLOOP1 DLY1：MOVA,#M1LOOP:DECADLY：MOVR2,#M DJNZR2,DLY1 RET JNZLOOP3步進電動機變速控制步進電動機變速控制 通常為了提高步進電動機的速率，使步進電動機運行在其工作頻率通常為了提高步進電動機的速率，使步進電動機運行在其工作頻率(此頻率大于啟動頻率此頻率大于啟動頻率)，需要低速啟動、高速運轉(zhuǎn)、最后降速停止，需要低速啟動、高速運轉(zhuǎn)、最后降速停止 變頻控制的方式很多，如直線方式、指數(shù)方式、頻率階梯表法等。變頻控制的方式很多，如直線方式、指數(shù)方式、頻率階梯表法等。這里，以三相六拍運行方式、定時器延時、直線升、

16、降頻方式為例這里，以三相六拍運行方式、定時器延時、直線升、降頻方式為例編寫步進電動機的變速控制程序。程序流圖編寫步進電動機的變速控制程序。程序流圖8-7 變頻調(diào)速程序流程變頻調(diào)速程序流程圖圖程如圖程如圖8-7所示。所示。圖8-7 變頻調(diào)速程序流程圖 (3)在升、降頻過程中，考慮步進電動機的慣性，要求每改變一次在升、降頻過程中，考慮步進電動機的慣性，要求每改變一次頻率，需持續(xù)運行一定步數(shù)，稱頻率階梯步長。采用直線方式時，頻率，需持續(xù)運行一定步數(shù)，稱頻率階梯步長。采用直線方式時，該值為常數(shù)。該值為常數(shù)。 第四節(jié) 單片機在直流調(diào)速中的應(yīng)用一、直流電動機調(diào)速原理一、直流電動機調(diào)速原理 對于直流電動機，

17、其轉(zhuǎn)速的表達式為：對于直流電動機，其轉(zhuǎn)速的表達式為：式中：式中：n為電動機的轉(zhuǎn)速；為電動機的轉(zhuǎn)速；U表示電動機電樞端電壓；表示電動機電樞端電壓；I表示電樞電流；表示電樞電流；R表示電樞電路總電阻；表示電樞電路總電阻；K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)；為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)；為每極磁通量。為每極磁通量。 K IRUn二、單片機控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)二、單片機控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)利用脈寬調(diào)速法，其占空比以及占空比與電動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖利用脈寬調(diào)速法，其占空比以及占空比與電動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖8-8所示。所示。 在圖在圖8-8a中，若電壓變換周期為，電壓接通時間為中，若電壓變換周期為，電壓接通時間為t，則占空比為則占空比為D。

18、設(shè)電動機固定接通電源時的最大轉(zhuǎn)速為設(shè)電動機固定接通電源時的最大轉(zhuǎn)速為V，則利用脈沖寬度調(diào)則利用脈沖寬度調(diào)速的電動機的轉(zhuǎn)速為：速的電動機的轉(zhuǎn)速為： 圖圖8-9列出了直流電動機在不同轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速時的脈寬調(diào)速方法。列出了直流電動機在不同轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速時的脈寬調(diào)速方法。 maxVVdD如圖如圖8-10所示為使用所示為使用DAC0832進行電動機正反轉(zhuǎn)控制的電路圖。進行電動機正反轉(zhuǎn)控制的電路圖。 第五節(jié) 單片機在電子顯示屏中的應(yīng)用 一、點矩陣顯示器的基本應(yīng)用一、點矩陣顯示器的基本應(yīng)用 如圖如圖8-12所示為顯示英文所示為顯示英文A、B的示意圖的示意圖 二、利用單片機控制點矩陣顯示器二、利用單片機控制點矩陣顯示器

19、二、利用單片機控制點矩陣顯示器二、利用單片機控制點矩陣顯示器 圖圖8-14所示，為利用單片機控制的所示，為利用單片機控制的4個個57的點矩陣顯示器的硬件連的點矩陣顯示器的硬件連接圖。因為從該系統(tǒng)硬件連接圖可知接圖。因為從該系統(tǒng)硬件連接圖可知 參考資料1單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo)單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo)李光飛、樓然苗、胡佳文、謝象佐編著李光飛、樓然苗、胡佳文、謝象佐編著北京航空航天大學(xué)出版社，北京航空航天大學(xué)出版社，20042 單片機實驗與實踐，付家才主編單片機實驗與實踐，付家才主編高等教育出版社，高等教育出版社，2006 3 單片機課程設(shè)計指導(dǎo)，樓然苗主編，北京航空單片機課程設(shè)計指導(dǎo)，樓然苗主編，北

20、京航空航天大學(xué)出版社，航天大學(xué)出版社，20074 單片機實驗與設(shè)計指導(dǎo)，中國電力出版社單片機實驗與設(shè)計指導(dǎo)，中國電力出版社5單片機實驗與實訓(xùn)指導(dǎo)單片機實驗與實訓(xùn)指導(dǎo) ，王曙霞，西安電子科，王曙霞，西安電子科技大學(xué)出版社，技大學(xué)出版社，2007單片機課程設(shè)計題目：水溫測控系統(tǒng)設(shè)計（P286-324）設(shè)計說明書（打?。┰O(shè)計說明書（打?。﹥?nèi)存分配圖內(nèi)存分配圖硬件電路設(shè)計：傳感器選擇、硬件電路設(shè)計：傳感器選擇、放大調(diào)理、放大調(diào)理、ADC、單片、單片機及擴展、機及擴展、DAC、可控硅控制、可控硅控制軟件系統(tǒng)設(shè)計：軟件系統(tǒng)設(shè)計：(1)系統(tǒng)流程圖：初始化、監(jiān)控系統(tǒng)流程圖：初始化、監(jiān)控鍵盤鍵盤4和顯示和顯示4

21、子程序、子程序、ADC、數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)字數(shù)字PID、輸出控制，、輸出控制， (2)匯編程序：主子程序，長度匯編程序：主子程序，長度120語句帶注釋語句帶注釋電路原理圖、電路原理圖、PCB圖（圖（Protel），元器件清單表），元器件清單表輔導(dǎo)答疑：楊婉霞輔導(dǎo)答疑：楊婉霞辦公室實驗室）（辦公室實驗室）2周后提交周后提交參考資料1單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo)單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo)李光飛、樓然苗、胡佳文、謝象佐編著李光飛、樓然苗、胡佳文、謝象佐編著北京航空航天大學(xué)出版社，北京航空航天大學(xué)出版社，20042 單片機實驗與實踐，付家才主編單片機實驗與實踐，

22、付家才主編高等教育出版社，高等教育出版社，2006 3 單片機課程設(shè)計指導(dǎo)，樓然苗主編，北京航空單片機課程設(shè)計指導(dǎo)，樓然苗主編，北京航空航天大學(xué)出版社，航天大學(xué)出版社，20074 單片機實驗與設(shè)計指導(dǎo)，中國電力出版社單片機實驗與設(shè)計指導(dǎo)，中國電力出版社5單片機實驗與實訓(xùn)指導(dǎo)單片機實驗與實訓(xùn)指導(dǎo) ，王曙霞，西安電子科，王曙霞，西安電子科技大學(xué)出版社，技大學(xué)出版社，2007單片機課程設(shè)計題目：水溫測控系統(tǒng)設(shè)計（P286-324）設(shè)計說明書（打?。┰O(shè)計說明書（打印）內(nèi)存分配圖內(nèi)存分配圖硬件電路設(shè)計：傳感器選擇、硬件電路設(shè)計：傳感器選擇、放大調(diào)理、放大調(diào)理、ADC、單片、單片機及擴展、機及擴展、DAC、可控硅控制、可控硅控制軟件系統(tǒng)設(shè)計：軟件系統(tǒng)設(shè)計：(1)系統(tǒng)流程圖：初始化、監(jiān)控系統(tǒng)流程圖：初始化、監(jiān)控鍵盤鍵盤4和顯示和顯示4子程序、子程序、ADC、數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)字數(shù)字PID、輸出控制，、輸出控制， (2)匯編程序：主子程序，長度匯編程序：主子程序，長度120語句帶注釋語句帶注釋電路原理圖、電路