單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

第八章單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

第一節(jié)

單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

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

當(dāng)前1頁，總共28頁。第一節(jié)

單片機(jī)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

（1）從元件級開始，構(gòu)成系統(tǒng)

針對具體任務(wù)，選用合適的單片機(jī)，配以必要的存儲器、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)成一個測控系統(tǒng)。

二、控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟

當(dāng)前2頁，總共28頁。1．方案設(shè)計

(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；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

當(dāng)前3頁，總共28頁。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)的性能價格比進(jìn)行綜合確定。2．硬件設(shè)計(1)單片機(jī)電路設(shè)計

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

(2)擴(kuò)展電路設(shè)計

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

當(dāng)前4頁，總共28頁。(3)輸入/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)、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量接口電路、驅(qū)動及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

(4)控制面板設(shè)計

主要完成按鍵、開關(guān)、顯示器、報警等電路的設(shè)計。

3．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。

當(dāng)前5頁，總共28頁。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儲器中。

當(dāng)前6頁，總共28頁。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，生產(chǎn)負(fù)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。

當(dāng)前7頁，總共28頁。2．直流電源抗干擾措施①采用集成穩(wěn)壓塊單獨(dú)供電②直流開關(guān)電源③DC-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．?dāng)?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)換器中模擬信號的接地端。當(dāng)前8頁，總共28頁。3．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：①TTL、CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免形成環(huán)狀。②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。③旁路電容的地線不要太長④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。當(dāng)前9頁，總共28頁。4．屏蔽雙絞線的接地當(dāng)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(diǎn)，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.5．接地系統(tǒng)在一個完整的單片機(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(也稱為金屬件地)。當(dāng)前10頁，總共28頁。接地系統(tǒng)示意圖當(dāng)前11頁，總共28頁。（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①輸入/輸出抗干擾

②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。當(dāng)前12頁，總共28頁。第三節(jié)

單片機(jī)在步進(jìn)電動機(jī)控制中的應(yīng)用

一、步進(jìn)電動機(jī)的組成及工作原理

步進(jìn)電動機(jī)種類很多，按運(yùn)動方式分有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動式、直線運(yùn)動式和平面運(yùn)動式錯齒是促使步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。二、步進(jìn)電動機(jī)的主要參數(shù)

步進(jìn)電動機(jī)的主要特性參數(shù)有：1．步距角：2．起動頻率: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：當(dāng)前13頁，總共28頁。三、步進(jìn)電動機(jī)的單片機(jī)控制我們以單片機(jī)控制的三相步進(jìn)電動機(jī)為例來介紹步進(jìn)電動機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。其原理圖如圖8-4所示。當(dāng)前14頁，總共28頁。1．系統(tǒng)工作原理由前述步進(jìn)電動機(jī)的工作原理可知，步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)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)按要求對步進(jìn)電動機(jī)的控制。表8-1列出的為步進(jìn)電動機(jī)工作在三相六拍時的控制字。當(dāng)前15頁，總共28頁。2．步進(jìn)電動機(jī)控制程序設(shè)計由前面的分析可知，步進(jìn)電動機(jī)控制的任務(wù)就是：①判斷旋轉(zhuǎn)方向；②按順序送出控制脈沖；③判斷脈沖是否送完。圖8-5程序延時控制流程圖步進(jìn)電動機(jī)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8-5所示。當(dāng)前16頁，總共28頁。圖8-5程序延時控制流程圖

步進(jìn)電動機(jī)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8-5所示當(dāng)前17頁，總共28頁。圖8-5程序延時控制流程圖

PUSH A MOV R4,#N CLR C ORL C,D5HJC ROTEMOV R0,#20H JMP LOOPROTE： MOV R0,#27H LOOP:MOV A,@R0MOV P1,A ACALL DLY INC R0 當(dāng)前18頁，總共28頁。MOV A,#00H ORL A,@R0 JZ TPLLOOP1:DJNZ R4,LOOPPOP A RET TPL:MOV A,R0 CLR CSUBB A,#06HMOV R0,AAJMP LOOP1DLY1： MOV A,#M1LOOP:DEC ADLY：MOV R2,#MDJNZ R2,DLY1RETJNZ LOOP當(dāng)前19頁，總共28頁。3．步進(jìn)電動機(jī)變速控制

通常為了提高步進(jìn)電動機(jī)的速率，使步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行在其工作頻率(此頻率大于啟動頻率)，需要低速啟動、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、定時器延時、直線升、降頻方式為例編寫步進(jìn)電動機(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。當(dāng)前20頁，總共28頁。圖8-7變頻調(diào)速程序流程圖

當(dāng)前21頁，總共28頁。(3)在升、降頻過程中，考慮步進(jìn)電動機(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，該值為常數(shù)。

當(dāng)前22頁，總共28頁。第四節(jié)單片機(jī)在直流調(diào)速中的應(yīng)用

一、直流電動機(jī)調(diào)速原理

對于直流電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：式中：n為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；U表示電動機(jī)電樞端電壓；I表示電樞電流；R表示電樞電路總電阻；K為電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)；Φ為每極磁通量。

當(dāng)前23頁，總共28頁。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，電壓接通時間為t，則占空比為D＝。設(shè)電動機(jī)固定接通電源時的最大轉(zhuǎn)速為V，則利用脈沖寬度調(diào)速的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

當(dāng)前24頁，總共28頁。圖8-9列出了直流電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速時的脈寬調(diào)速方法?！?/p>

當(dāng)前25頁，總共28頁。如圖8-10所示為使用DAC0832進(jìn)行電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的