單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、第 八 章 單 片 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 及 應(yīng) 用 第 一 節(jié) 單 片 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 方 法 第 二 節(jié) 提 高 系 統(tǒng) 可 靠 性 的 常 用 方 法 第 三 節(jié) 單 片 機(jī) 在 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 控 制 中 的 應(yīng)用 第 四 節(jié) 單 片 機(jī) 在 直 流 調(diào) 速 中 的 應(yīng) 用 第 五 節(jié) 單 片 機(jī) 在 電 子 顯 示 屏 中 的 應(yīng) 用 第 一 節(jié) 單 片 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 方 法 一 、 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 內(nèi) 容 及 步 驟 （ 1） 從 元 件 級(jí) 開 始 ， 構(gòu) 成 系 統(tǒng) 針 對(duì) 具 體 任 務(wù) ，選 用 合 適 的 單 片 機(jī) ， 配

2、 以 必 要 的 存 儲(chǔ) 器 、 接 口芯 片 和 外 圍 設(shè) 備 來 構(gòu) 成 系 統(tǒng) 。 （ 2） 應(yīng) 用 已 有 的 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) ， 適 當(dāng) 擴(kuò) 展 已 有 的單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 是 51、 96等 系 列 單 片 機(jī) 組 成 的 單 板機(jī) 。 根 據(jù) 實(shí) 際 需 要 ， 在 此 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 上 適 當(dāng) 擴(kuò)展 I/O通 道 或 其 它 器 件 ， 構(gòu) 成 一 個(gè) 測(cè) 控 系 統(tǒng) 。 二 、 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 內(nèi) 容 和 步 驟 1 方 案 設(shè) 計(jì) (1)單 片 機(jī) 機(jī) 型 和 器 件 的 選 擇 a 性 能 特 點(diǎn) 要 適 合 所 要 完 成 的 任 務(wù) ， 避

3、免過 多 的 功 能 閑 置 ；b 性 能 價(jià) 格 比 要 高 ， 以 提 高 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 性能 價(jià) 格 比 ；c 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(hù) 。(2)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?yàn)?一 種 功 能 往 往 是 既 可 以 由 硬 件 實(shí) 現(xiàn) ，又 可 以 由 軟 件 實(shí) 現(xiàn) 。 要 根 據(jù) 系 統(tǒng) 的 實(shí) 時(shí)性 和 系 統(tǒng) 的 性 能 價(jià) 格 比 進(jìn) 行 綜 合 確 定 。2 硬 件 設(shè) 計(jì)

4、(1)單 片 機(jī) 電 路 設(shè) 計(jì) 主 要 完 成 時(shí) 鐘 電 路 、 復(fù) 位 電 路 、 供 電 電 路 、I/O電 路 的 設(shè) 計(jì) (2)擴(kuò) 展 電 路 設(shè) 計(jì) 主 要 完 成 程 序 存 儲(chǔ) 器 、 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 、 I/O接 口 電 路 的 設(shè) 計(jì) (3)輸 入 /輸 出 通 道 設(shè) 計(jì) 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 、 D/A轉(zhuǎn) 換 電 路 、 開 關(guān) 量 接 口 電路 、 驅(qū) 動(dòng) 及 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 。 (4)控 制 面 板 設(shè) 計(jì) 主 要 完 成 按 鍵 、 開 關(guān) 、 顯 示 器 、 報(bào) 警

5、等 電 路 的設(shè) 計(jì) 。 3 軟 件 設(shè) 計(jì) 結(jié) 合 硬 件 組 成 ， 首 先 明 確 軟 件 部 分 各 個(gè) 模 塊 的功 能 ， 詳 細(xì) 地 畫 出 各 模 塊 的 流 程 圖 ， 然 后 進(jìn) 行主 程 序 設(shè) 計(jì) 和 各 模 塊 程 序 設(shè) 計(jì) ， 最 后 連 接 起 來得 到 完 整 的 應(yīng) 用 程 序 。 4 系 統(tǒng) 調(diào) 試 將 硬 件 和 軟 件 相 結(jié) 合 ， 分 模 塊 進(jìn) 行 調(diào) 試 ，修 正 和 完 善 原 始 方 案 。 最 后 進(jìn) 行 整 個(gè) 系統(tǒng) 的 調(diào) 試 ， 以 達(dá) 到 控 制 系 統(tǒng) 的 要 求 。 調(diào)試 完 成 后 將 應(yīng) 用 程 序 固 化 在 程 序 存

6、 儲(chǔ) 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 ） 電 源 干 擾 及 其 抑 制 1 交 流 電 源 干 擾 及 其 抑 制 在 工 業(yè) 控 制 現(xiàn) 場(chǎng) ， 生 產(chǎn) 負(fù) 荷 經(jīng) 常 變 化 ，大 型 用 電 設(shè) 備 的 啟 動(dòng) 、 停 止 等 ， 往 往 要造 成 電 源 電 壓 的 波 動(dòng) ， 因 此 ， 我 們 一 方面 要 盡 量 使 控 制 系 統(tǒng) 遠(yuǎn) 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 流 電 源 抗 干 擾 措 施 采 用

7、集 成 穩(wěn) 壓 塊 單 獨(dú) 供 電 直 流 開 關(guān) 電 源 DC-DC變 換 器 （ 二 ） 地 線 干 擾 及 其 抑 制 1 一 點(diǎn) 接 地 和 多 點(diǎn) 接 地 的 應(yīng) 用 2 數(shù) 字 地 與 模 擬 地 的 連 接 原 則 數(shù) 字 地 指 的 是 TTL或 CMOS芯 片 、 I/O接 口 電 路芯 片 、 CPU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(yùn) 算 放 大 器 、 采 樣 保 持 器 等 模 擬 器 件 的 地 和A/D、 D/A轉(zhuǎn) 換 器 中 模 擬 信 號(hào) 的 接 地 端 。 3

8、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(gè) 原 則 ： TTL、 CMOS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 3mm。 旁 路 電 容 的 地 線 不 要 太 長 功 率 地 通 過 的 電 流 信 號(hào) 一 般 較 大 ， 其 地線 應(yīng) 較 寬 些 ， 且 必 須 與 小 信 號(hào) 地 分 開 。 4 屏 蔽 雙 絞 線 的 接 地 當(dāng) 采 用 屏 蔽 雙 絞 線 傳 送

9、信 號(hào) 時(shí) ， 應(yīng) 將 屏 蔽體 與 工 作 地 連 在 一 起 ， 并 應(yīng) 注 意 只 能 有一 個(gè) 接 地 點(diǎn) ， 否 則 屏 蔽 體 兩 端 就 會(huì) 形 成回 路 ， 在 屏 蔽 體 上 產(chǎn) 生 較 大 的 噪 聲 .5 接 地 系 統(tǒng) 在 一 個(gè) 完 整 的 單 片 機(jī) 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(dòng) 機(jī) 、 繼電 器 、 電 磁 開 關(guān) 等 強(qiáng) 電 設(shè) 備 的 地 (亦 可 稱為 噪 聲 地 )； 三 是 機(jī) 殼 、 控 制 柜 外 殼 地 (也稱 為 金 屬

10、件 地 )。 接 地 系 統(tǒng) 示 意 圖 （ 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 2 軟 件 抗 干 擾 措 施 輸 入 /輸 出 抗 干 擾 避 免 系 統(tǒng) “ 死 機(jī) ” 的 方 法 避 免 系 統(tǒng) “ 死 機(jī) ” 的 方 法 有 很 多 ， 除 了單 片 機(jī) 集 成 的 Watchdog功 能 外 ， 還 可 以采 用 軟 件 陷 阱 的 方 法 。 第 三 節(jié) 單 片 機(jī) 在 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 控 制 中 的 應(yīng) 用一 、 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 組 成 及 工 作 原 理 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 種 類 很 多 ， 按 運(yùn)

11、 動(dòng) 方 式 分 有 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng) 式 、 直 線 運(yùn) 動(dòng) 式 和 平 面 運(yùn) 動(dòng) 式 錯(cuò) 齒 是 促 使 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 的 原 因 。 二 、 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 主 要 參 數(shù) 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 主 要 特 性 參 數(shù) 有 ：1 步 距 角 ： 2 起 動(dòng) 頻 率 :3 連 續(xù) 運(yùn) 行 頻 率 :4 最 大 靜 轉(zhuǎn) 矩 ： 5 靜 態(tài) 步 距 角 誤 差 ： 三 、 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 單 片 機(jī) 控 制 我 們 以 單 片 機(jī) 控 制 的 三 相 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 為例 來 介 紹 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 單 片 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 。其 原 理 圖 如 圖

12、 8-4所 示 。 1 系 統(tǒng) 工 作 原 理 由 前 述 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 工 作 原 理 可 知 ， 步進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 是 在 一 定 順 序 的 電 脈 沖 控 制 下運(yùn) 轉(zhuǎn) 的 。 根 據(jù) 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 控 制 方 式 ， 將 環(huán) 形 節(jié) 拍控 制 字 按 順 序 存 放 在 一 個(gè) 表 中 ， 然 后 依次 從 表 中 取 出 控 制 字 并 輸 出 ， 這 樣 即 可實(shí) 現(xiàn) 按 要 求 對(duì) 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 控 制 。 表 8-1列 出 的 為 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 工 作 在 三 相 六 拍 時(shí)的 控 制 字 。 2 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 控 制 程 序 設(shè) 計(jì) 由

13、 前 面 的 分析 可 知 ， 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 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 是 否 送 完 。 圖 8-5 程 序 延 時(shí) 控 制 流 程 圖步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 控 制 可 由 程 序 延 時(shí) 來 完成 ， 也 可 由 定 時(shí) 器 延 時(shí) 來 完 成 。 這 里 以程 序 延 時(shí) 為 例 。 其 程 序 流 程 如 圖 8-5所 示 。 圖 8-5 程 序 延 時(shí) 控 制 流 程 圖步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 控 制 可 由 程 序 延 時(shí) 來 完成 ， 也 可 由 定 時(shí) 器 延 時(shí) 來 完 成

14、 。 這 里 以程 序 延 時(shí) 為 例 。 其 程 序 流 程 如 圖 8-5所 示 圖 8-5 程 序 延 時(shí) 控 制 流 程 圖 PUSH A MOV R4,#N CLR C ORL C,D5H JC ROTE MOV R0,#20H JMPLOOP ROTE： MOV R0,#27HLOOP: MOV A,R0 MOV P1,A ACALL DLY INC R0 MOV A,#00H ORL A,R0 JZ TPLLOOP1:DJNZR4,LOOP POP A RETTPL: MOV A,R0 CLR C SUBB A,#06H MOV R0,A AJMP LOOP1 DLY1： MOV

15、 A,#M1LOOP:DEC ADLY： MOV R2,#M DJNZ R2,DLY1 RET JNZ LOOP 3 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 變 速 控 制 通 常 為 了 提 高 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 速 率 ， 使 步進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 運(yùn) 行 在 其 工 作 頻 率 (此 頻 率 大 于啟 動(dòng) 頻 率 )， 需 要 低 速 啟 動(dòng) 、 高 速 運(yùn) 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 。 這 里 ， 以 三相 六 拍 運(yùn) 行 方 式 、 定 時(shí) 器 延 時(shí) 、 直 線 升 、降 頻 方 式 為

16、 例 編 寫 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 變 速 控制 程 序 。 程 序 流 圖 8-7 變 頻 調(diào) 速 程 序 流程 圖程 如 圖 8-7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(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)的 慣 性 ， 要 求 每 改 變 一 次 頻 率 ， 需 持 續(xù)運(yùn) 行 一 定 步 數(shù) ， 稱 頻 率 階 梯 步 長 。 采 用直 線 方 式 時(shí) ， 該 值 為 常 數(shù) 。 第 四 節(jié) 單 片 機(jī) 在 直 流 調(diào) 速 中 的 應(yīng) 用一 、 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 原 理 對(duì) 于 直 流 電 動(dòng) 機(jī) ， 其 轉(zhuǎn) 速 的 表

17、達(dá) 式 為 ：式 中 ： n為 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ； U表 示 電 動(dòng) 機(jī)電 樞 端 電 壓 ； I表 示 電 樞 電 流 ； R表 示 電樞 電 路 總 電 阻 ； K為 電 動(dòng) 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) ； 為 每 極 磁 通 量 。 K IRUn 二 、 單 片 機(jī) 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(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 的 關(guān) 系 如 圖 8-8所 示 。 在 圖 8-8a中 ， 若 電 壓 變 換 周 期 為 ， 電 壓 接通 時(shí) 間 為 t， 則 占 空 比 為 D 。 設(shè) 電 動(dòng) 機(jī) 固定 接 通 電 源 時(shí) 的

18、 最 大 轉(zhuǎn) 速 為 V， 則 利 用 脈沖 寬 度 調(diào) 速 的 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 為 ： 圖 8-9列 出 了 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 在 不 同 轉(zhuǎn) 向 轉(zhuǎn) 速 時(shí)的 脈 寬 調(diào) 速 方 法 。 maxVVd D 如 圖 8-10所 示 為 使 用 DAC0832進(jìn) 行 電 動(dòng) 機(jī)正 反 轉(zhuǎn) 控 制 的 電 路 圖 。 第 五 節(jié) 單 片 機(jī) 在 電 子 顯 示 屏 中 的 應(yīng) 用 一 、 點(diǎn) 矩 陣 顯 示 器 的 基 本 應(yīng) 用 如 圖 8-12所 示 為 顯 示 英 文 A、 B的 示 意 圖 二 、 利 用 單 片 機(jī) 控 制 點(diǎn) 矩 陣 顯 示 器 二 、 利 用 單 片 機(jī) 控 制 點(diǎn) 矩 陣 顯 示 器 圖 8-14所 示 ， 為 利 用 單 片 機(jī) 控 制 的 4個(gè)5 7的 點(diǎn) 矩 陣 顯 示 器 的 硬 件 連 接 圖 。 因?yàn)?從 該 系 統(tǒng) 硬 件 連 接 圖 可 知