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畢業(yè)論文PAGE9畢業(yè)論文題目:基于單片機(jī)的工業(yè)過(guò)程遠(yuǎn)程控制單元設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè):自動(dòng)化摘要本設(shè)計(jì)是想通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。所以設(shè)計(jì)要點(diǎn)是:了解現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)或設(shè)備的參數(shù);選定合適的的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備;確保工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳輸距離的不同對(duì)單片機(jī)的信號(hào)傳輸方式的要求;選擇合適的CPU作為系統(tǒng)的核心控制元件;系統(tǒng)需具有數(shù)據(jù)顯示功能和人機(jī)對(duì)話能力;通過(guò)觀測(cè)控制室內(nèi)顯示的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常工作;控制單元以單片機(jī)為核心、通過(guò)總線或無(wú)線傳輸模塊對(duì)遠(yuǎn)端進(jìn)行監(jiān)視和控制,完成對(duì)遠(yuǎn)端工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控及設(shè)備的診斷維護(hù)等功能。利用單片機(jī)通過(guò)總線或無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,降低了生產(chǎn)成本,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量,同時(shí)提高了企業(yè)的綜合實(shí)力等方面都具有十分重要的意義。單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展始終離不開(kāi)其他遠(yuǎn)程控制技術(shù)的相應(yīng)的快速發(fā)展。因此必須要更好地、更及時(shí)地應(yīng)用最新技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,這樣才能使得遠(yuǎn)程監(jiān)控跟上時(shí)代腳步,同時(shí)不斷地滿足人們的實(shí)際需求。關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制;單片機(jī);工業(yè)控制畢業(yè)論文RemotecontrolunitMCU-basedindustrialprocessdesignAbstractThedesignisthroughthenetworkforremotemonitoringandcontrolsystemorequipment.Designpointsare:
①tounderstandtheparametersofthelivesystemorequipment.
②selectedtherightofthefielddatacollectionequipment③toensurethattheindustrialfieldtransmissiondistanceonsingle-chipsignaltransmission;
④SelecttherightoftheCPUasthecoreofthesystemcontrolcomponents;
The⑤systemmusthavethedatadisplayandman-machinedialogue;
⑥datathroughtheobservationofcontrolroomdisplaytoadjusttheparametersoffielddevices,thedeviceisworkingproperly
ControlunitMCUcore,busorwirelesstransmissionmoduleforremotemonitoringandcontrol,andcompleteremoteconditionmonitoringofindustrialequipmentandequipmentdiagnosisandmaintenancefunctions.RMONmicrocontrollerviabusorwirelesstransmissionmodule,reduceproductioncosts,increasedlaborproductivity,andimprovethetechnologicalcontentofproducts,whileincreasingtheenterprise'scomprehensivestrengthandotheraspectsareofgreatsignificance.MCUremotemonitoringtechnology,rapiddevelopmenthasalwaysbeeninseparablefromtherapiddevelopmentofremotecontroltechnology.Hencetheneedforbetterandmoretimelyapplicationofthelatesttechnologyforremotecontrol,soastomakeremotemonitoringtokeepupwiththepaceof,whilecontinuingtomeettheactualneedsofthepeople.Keyword:Remotemonitoringandcontrol;SCM;Industrialcontrol內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(畢業(yè)論文)畢業(yè)論文第一章引言1.1系統(tǒng)(題目)設(shè)計(jì)背景縱觀歷史,從英國(guó)工業(yè)革命開(kāi)始一直到現(xiàn)在,工業(yè)技術(shù)從無(wú)到有,工業(yè)控制系統(tǒng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜一步步的見(jiàn)證了控制技術(shù)的發(fā)展?,F(xiàn)在,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)過(guò)程控制的遠(yuǎn)程化逐漸成為了工業(yè)控制領(lǐng)域的主流方向。為了緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展的腳步,實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程遠(yuǎn)程控制已經(jīng)迫不及待,本課題正是在這種現(xiàn)實(shí)控制要求能夠?qū)崿F(xiàn)的情況下開(kāi)始的。工業(yè)過(guò)程遠(yuǎn)程控制單元核心單元為單片機(jī),通過(guò)遠(yuǎn)程通信技術(shù),如總線傳輸或無(wú)線模塊的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信號(hào)的傳輸。同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)可以很方便的實(shí)現(xiàn)控制器與現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行器的通信,此外通過(guò)系統(tǒng)中上位機(jī)對(duì)參數(shù)的改變能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。工業(yè)過(guò)程遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn),在降低生產(chǎn)成本,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,提高產(chǎn)品的技術(shù)含量,同時(shí)在提高企業(yè)的綜合實(shí)力等方面都具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)的最終成果是能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)過(guò)程控制的遠(yuǎn)程化,大幅度提高控制系統(tǒng)的技術(shù)含量。真正實(shí)現(xiàn)了運(yùn)籌于帷幄之中。1.2工作原理工藝流程圖包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸控制部分、信號(hào)傳輸部分、CPU部分、上位機(jī)(可以是PC機(jī),也可以是單片機(jī)上的顯示及按鍵單元)、執(zhí)行器部分、數(shù)據(jù)顯示部分等。各部分通過(guò)CPU進(jìn)行協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。工藝流程圖如圖1.1現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集信號(hào)傳輸信號(hào)傳輸控制部分改變執(zhí)行器工作參數(shù)上位機(jī)或按鍵裝置實(shí)現(xiàn)溫度上下限的參數(shù)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常工作現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示單片機(jī)用所得數(shù)據(jù)與溫度上下限比較正常超限信號(hào)傳輸執(zhí)行器按原狀態(tài)工作信號(hào)傳輸報(bào)警溫度上下限顯示圖1.1下面按流程圖各部分來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)工作原理①、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集:本題目的控制對(duì)象為水的溫度,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的恒溫控制。系統(tǒng)中,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。由于控制對(duì)象為溫度,其變化速度緩慢,因此溫度傳感器的型號(hào)選擇范圍很廣,只要求它的測(cè)量范圍涵蓋0°C~100°C且測(cè)量精度可以精確到小數(shù)點(diǎn)后一位即可。②、信號(hào)傳輸控制:若用電纜作為傳輸工具,信號(hào)直接傳輸;若用無(wú)線傳輸模塊作為傳輸工具,則無(wú)限傳輸模塊控制單元在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)與CPU進(jìn)行協(xié)調(diào),在CPU允許時(shí),發(fā)送信號(hào)。③、信號(hào)傳輸:系統(tǒng)信號(hào)傳輸采用電纜模式或無(wú)線模式等。本題目主要用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的遠(yuǎn)程控制,重點(diǎn)在遠(yuǎn)程上,因此,信號(hào)傳輸在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中很重要。系統(tǒng)中,運(yùn)用電纜模式進(jìn)行信號(hào)傳輸,同時(shí)在系統(tǒng)中加入了無(wú)線傳輸模塊。由溫度傳感器采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)電纜或無(wú)線模塊傳送到單片機(jī)內(nèi)。系統(tǒng)中加入無(wú)線模塊,能夠是系統(tǒng)運(yùn)用范圍更廣,當(dāng)傳輸距離太遠(yuǎn),用電纜實(shí)現(xiàn)不僅會(huì)增加成本,而且信號(hào)質(zhì)量將相應(yīng)下降。此時(shí),可以采用無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行信號(hào)傳輸。④、單片機(jī):當(dāng)中間控制部分將溫度傳感器采集到的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的時(shí)候,單片機(jī)首先將信號(hào)轉(zhuǎn)換為可識(shí)別信號(hào),然后通過(guò)將所得數(shù)據(jù)與溫度上下限比較,得出現(xiàn)場(chǎng)溫度是否正確。從而決定是否執(zhí)行器控制單元發(fā)送是否改變運(yùn)行狀態(tài)命令。系統(tǒng)中,單片機(jī)采用STM32F103-E。⑤、數(shù)據(jù)顯示:信號(hào)通過(guò)單片機(jī)處理,再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的筆段碼,送顯示單元顯示。系統(tǒng)中,顯示模塊采用7段共陰極數(shù)碼管,共有六個(gè)數(shù)碼管,前三位顯示控制數(shù)據(jù),后三位實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)碼管用74LS595驅(qū)動(dòng)。⑥、上位機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度上下限設(shè)置:以顯示模塊中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)判斷溫度的高與低,通過(guò)單片機(jī)中的鍵盤(pán)電路實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)中,共有16個(gè)按鍵電路,其中,10個(gè)為0~9數(shù)字輸入、4個(gè)為上下左右鍵(通過(guò)上下左右鍵來(lái)選擇需設(shè)置的數(shù)碼管)、1個(gè)為確定鍵、1個(gè)為刪除鍵。⑦、改變現(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù):經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的工作參數(shù)通過(guò)傳輸模塊傳送到執(zhí)行單元,實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器工作狀態(tài)的改變。⑧、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常工作、數(shù)據(jù)采集:系統(tǒng)工作過(guò)程基本分為上述幾個(gè)階段,實(shí)際控制中,系統(tǒng)不斷的循環(huán)上述階段,即可實(shí)現(xiàn)溫度恒溫控制。⑨、報(bào)警裝置:當(dāng)溫度超限時(shí),報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。1.3系統(tǒng)(題目)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求設(shè)計(jì)一款低成本,高穩(wěn)定性,可靠性高,操作簡(jiǎn)單的控制器為此次設(shè)計(jì)的目標(biāo)。技術(shù)要求:(1)需要整個(gè)系統(tǒng)可靠,穩(wěn)定,控制精度高,開(kāi)發(fā)成本低;(2)了解傳感器,執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體工作模式及信號(hào)類(lèi)型;(3)熟悉電纜傳輸與無(wú)線傳輸;(4)要求單片機(jī)具有強(qiáng)大的信號(hào)處理功能和對(duì)外擴(kuò)展能力;(5)要求系統(tǒng)具有顯示數(shù)據(jù)和通信功能;(6)要求單片機(jī)具有多種工作模式,以應(yīng)對(duì)工業(yè)控制中的各種實(shí)際情況:1.4技術(shù)綜述網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,引發(fā)了控制領(lǐng)域的深刻技術(shù)變革,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沿著網(wǎng)絡(luò)化方向與控制系統(tǒng)體系沿著開(kāi)放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的大潮流。未來(lái)的控制系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為主要特征:一方面是在自動(dòng)化與工業(yè)控制中需要更深層次地滲透通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),另一方面是在通信網(wǎng)絡(luò)的管理與控制中也要求更多的采用控制理論與策略?!熬W(wǎng)上控制”和“控制入網(wǎng)”是21世紀(jì)自動(dòng)化與工業(yè)控制的一個(gè)動(dòng)向。工業(yè)過(guò)程遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)就是單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,它是以計(jì)算機(jī)為核心、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)端進(jìn)行監(jiān)視和控制,完成對(duì)分散控制網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)控及設(shè)備的診斷維護(hù)等功能。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,降低生產(chǎn)成本,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,提高企業(yè)產(chǎn)品的科技含量,以及增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力等方面都具有十分重要的意義.監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展始終與最新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),因此必須要更好地、更及時(shí)地應(yīng)用最新技術(shù),這樣才能使得遠(yuǎn)程監(jiān)控不斷地發(fā)展,不斷地滿足人們的需求。國(guó)內(nèi)外對(duì)于遠(yuǎn)程控制技術(shù)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟,運(yùn)用到了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。例如:對(duì)電廠的控制、對(duì)家電的控制、對(duì)工廠設(shè)備的遠(yuǎn)程控制都可以運(yùn)用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)下面就各種控制方式及其特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制有兩種方式:基于PLC的PLC遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的單片機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一、PLC簡(jiǎn)介:PLC=ProgrammableLogicController,可編程控制器一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制,定時(shí),計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程基于PLC控制的優(yōu)點(diǎn):1、實(shí)時(shí)性2、高可靠性①、所有的I/O輸入輸出信號(hào)均采用光電隔離,使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與控制器內(nèi)部電路之間電氣上隔離。各模塊均采用屏蔽措施,以防止噪聲干擾。
②、采用性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。
③、良好的自診斷功能,一旦電源或其他軟,硬件發(fā)生異常情況,CPU立即采取有效措施,以防止故障擴(kuò)大。3、系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單靈活控制器產(chǎn)品種類(lèi)繁多,規(guī)??煞执?、中、小等。
4、豐富的I/O卡件控制器針對(duì)不同的工業(yè)自控工程的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào),如:交流或直流;開(kāi)關(guān)量或模擬量;電壓或電流;脈沖或電位;強(qiáng)電或弱電等,有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備,如:按鈕、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。5、控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要,除了單元式的小型控制器以外,絕大多數(shù)控制器均采用模塊化結(jié)構(gòu)??刂破鞯母鱾€(gè)部件,包括CPU,電源,I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì),由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái),系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。6、安裝簡(jiǎn)單,維修方便二、單片機(jī)簡(jiǎn)介:?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種集成在電路上的芯片,是采用超大規(guī)模的集成技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、RAM、ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn):1、單片機(jī)集成度高;2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,實(shí)現(xiàn)模塊化;3、單片機(jī)可靠性高;4、處理功能強(qiáng),速度快;5、低電壓,低功耗,便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品6、控制功能強(qiáng)本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景、原理及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)要求及單片機(jī)控制與PLC控制的優(yōu)缺點(diǎn)等。通過(guò)上述介紹我們可以知道,工業(yè)過(guò)程控制的遠(yuǎn)程化已經(jīng)成為一種趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的的遠(yuǎn)程控制是我們的必須解決的一個(gè)問(wèn)題。同時(shí)我們也知道了雖然系統(tǒng)采用了單片機(jī)控制,但并不說(shuō)明PLC控制不適合工業(yè)控制領(lǐng)域。相反,PLC控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)運(yùn)用的相當(dāng)成熟。第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1控制原理控制原理:由溫度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度采集(溫度傳感器采用的是DS1820,它向單片機(jī)傳送的數(shù)據(jù)是9位的數(shù)字量,因此,單片機(jī)只需將傳送回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換,即可送顯示電路。),通過(guò)電纜或無(wú)線傳輸模塊將信號(hào)傳送到單片機(jī),單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的溫度上限與下限數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較,若溫度在正常范圍,則執(zhí)行器不動(dòng)作。若溫度越限,單片機(jī)輸出信號(hào),執(zhí)行器動(dòng)作,進(jìn)行升溫或者降溫。與此同時(shí),單片機(jī)接受到的溫度信號(hào)要送顯示器顯示,溫度的上下限也要通過(guò)顯示電路顯示。通過(guò)顯示電路我們可以更直觀的了解溫度變化規(guī)律,當(dāng)溫度超出上下限時(shí),我們能夠做到及時(shí)對(duì)溫度給定進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)采用PID控制算法PID控制算法簡(jiǎn)介:PID調(diào)節(jié)是比例、積分、微分三者英文字母的縮寫(xiě),是模擬系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值,按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果用來(lái)控制輸出。實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)被控對(duì)象的特性和控制要求,可靈活的改變PID的結(jié)構(gòu),去其中的一部分構(gòu)成控制器,如P(比例)、PI(比例積分)、PID(比例積分微分)調(diào)節(jié)等。在上述三種控制控制器中,PID控制器的應(yīng)用最多的一種。PID調(diào)節(jié)作用的微分方程為:Y(t)=Kp*[e(t)+1/Ti*∫e(t)dt+TD*de(t)/dt式2.1傳遞函數(shù)為:G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)式2.2其中kp為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)它對(duì)階躍信號(hào)的相應(yīng)特性曲線如圖:tte(t)tto00y(t)geidinggKpKDe(t)KpKDe(t)Kpe(t)to給定值圖2.1由圖可以看出,P、I、D3作用調(diào)節(jié)器,在階躍信號(hào)作用下,首先產(chǎn)生的是比例-微分作用,使調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)。然后進(jìn)入積分調(diào)節(jié),知道最后消除靜差。PID控制原理與特點(diǎn):實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制,又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定,這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象,或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合用PID控制技術(shù)。PID控制,實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
比例(P)控制
比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。
積分(I)控制
在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。
微分(D)控制
在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。
2.2采樣信號(hào)與控制量分析采樣信號(hào)表如表2.1:表2.1序號(hào)采樣信號(hào)名稱(chēng)性質(zhì)(開(kāi)關(guān)、模擬)1溫度模擬溫度是一個(gè)變化緩慢,滯后大的一個(gè)信號(hào)。因此,采樣頻率可以相對(duì)放緩。2.3系統(tǒng)組成執(zhí)行器執(zhí)行器CPU溫度傳感器鍵盤(pán)顯示報(bào)警裝置電纜或無(wú)線傳輸模塊電源電纜或無(wú)線模塊接口電路通信電路圖2.2系統(tǒng)由CPU、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、報(bào)警裝置、傳感器模塊、執(zhí)行器模塊、電源模塊、電纜或無(wú)線傳輸模塊、接口電路模塊、通信電路模塊組成。CPU模塊:CPU為系統(tǒng)的核心部件,主要進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算,及各模塊的協(xié)調(diào)控制。顯示模塊:顯示模塊由9片數(shù)碼管構(gòu)成,數(shù)碼管由74LS595驅(qū)動(dòng)。鍵盤(pán)模塊:鍵盤(pán)模塊由16個(gè)按鍵構(gòu)成,其中0到9為數(shù)字輸入鍵,用于溫度上下限的輸入,上下左右鍵用于數(shù)碼管選擇,同時(shí)包括確定刪除鍵。報(bào)警模塊:報(bào)警模塊由三極管驅(qū)動(dòng)發(fā)生器來(lái)報(bào)警。傳感器模塊:傳感器用于溫度數(shù)據(jù)采集,要求溫度傳感器測(cè)量范圍涵蓋0°C到100°C,可精確到0.5°C。執(zhí)行器:執(zhí)行器接受來(lái)自CPU的控制數(shù)據(jù),對(duì)溫度進(jìn)行控制。電源模塊:為整個(gè)單片機(jī)提供電源。電纜或無(wú)線傳輸模塊:用于CPU與外部設(shè)備間的信號(hào)傳輸。接口電路模塊:用于系統(tǒng)擴(kuò)展。通信模塊:PC機(jī)與系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)所控制的對(duì)象,控制原理及系統(tǒng)框圖簡(jiǎn)介。通過(guò)介紹,我們知道了系統(tǒng)采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)控制,同時(shí)了解了系統(tǒng)整體框架及對(duì)各部分的要求。為硬件選型打下了基礎(chǔ)。第三章硬件設(shè)計(jì)3.1CPU設(shè)計(jì)CPU選型依據(jù):速度,CPU位數(shù),存儲(chǔ)容量,I/O端口,驅(qū)動(dòng)能力,通訊單元等??紤]到STM32F103-E具有112個(gè)通用I/O口,64KSRAM、512K的閃存存儲(chǔ)且大部分都允許5V信號(hào),驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)大,大量的不同類(lèi)型的通訊接口,符合單片機(jī)的要求。若選擇增加芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能,成本會(huì)相應(yīng)增加,且電路復(fù)雜程度也會(huì)增加,穩(wěn)定性降低。若選擇STM32F103-E來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能,成本和增加芯片所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相差無(wú)幾,而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí),由于STM32構(gòu)成的系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用相當(dāng)成熟,所以,選擇STM32F103-E作為系統(tǒng)的CPU。CPU:STM32F103-E3.1.1STM32F103-E簡(jiǎn)介STM32F103-E是ARM公司的高性能”Cortex-M3”內(nèi)核最高72MHz工作頻率,在存儲(chǔ)器0等待周期內(nèi)訪問(wèn)可達(dá)1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz低功耗性:在72MHz時(shí)消耗36mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài)),待機(jī)時(shí)下降到2μA集成度高:復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等3.1.2STM32F103-E參數(shù)2V-3.6V供電允許5V電壓信號(hào)的I/O引腳具有時(shí)鐘模式帶喚醒功能的低功耗模式內(nèi)部RC振蕩器內(nèi)嵌復(fù)位電路工作溫度范圍:-40°C至+85°C或105°C3.1.3STM32F103-E功能1、內(nèi)核:STM32F103-E是ARM公司的32位的Cortex-M3CPU最高工作頻率為72MHz2、存儲(chǔ)器:包含從256K到512K的閃存程序存儲(chǔ)器,用于存放系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)高達(dá)64K字節(jié)的靜止功能存儲(chǔ)器(內(nèi)存)包含有4個(gè)帶片選的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器,經(jīng)過(guò)邏輯或連接到NVIC(嵌套的向量式中斷控制器)單元上,共有3個(gè)中斷源,可知,只要其中一個(gè)中斷源發(fā)出中斷信號(hào),則所有中斷源都被中斷。3、時(shí)鐘,電源和復(fù)位模塊采用2.0V到3.6V電源供電上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測(cè)器。4-16MHz的外部晶體振蕩器同時(shí)內(nèi)嵌有8MHz的RC振蕩器、內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40KHz的RC振蕩器、帶校準(zhǔn)功能的32KHzRTC振蕩器,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的外部時(shí)鐘失效時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到內(nèi)部晶體振蕩器,如果使能了中斷,軟件可以接收到相應(yīng)的中斷。同樣,在需要時(shí)可以采取對(duì)PLL時(shí)鐘完全的中斷管理。4、低功耗:具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式睡眠模式:在睡眠模式,只有CPU停止工作,所有外設(shè)處于工作狀態(tài)并可在發(fā)生中斷的情況下喚醒CPU停機(jī)模式:在保持SRAM和寄存器內(nèi)容不丟失的情況下,停機(jī)模式可以達(dá)到最低的電能消耗。停機(jī)模式下,停止所有內(nèi)部1.8V部分的供電,PLL、HIS的RC振蕩器和HSE晶體振蕩器被關(guān)閉,調(diào)壓器可以被置于普通模式或低功耗模式??梢酝ㄟ^(guò)任一配置的EXTI的信號(hào)把微控制器從停機(jī)模式中喚醒,EXTI信號(hào)可以是16個(gè)外部I/O口中斷之一、PVD輸出、RTC鬧鐘或USB的喚醒信號(hào)。在待機(jī)模式下可以達(dá)到最低的電能消耗。內(nèi)部的電壓調(diào)壓器被關(guān)閉,因此,內(nèi)部所有的1.8V供電被切斷;PLL、HIS的RC振蕩器和HSE晶體振蕩器也被關(guān)閉;進(jìn)入待機(jī)模式后,SRAM和寄存器的內(nèi)容將消失,但后備寄存器的內(nèi)容仍將保留,待機(jī)電路仍在工作。從待機(jī)模式推出的條件是:NRST上的外部復(fù)位信號(hào)、IWDG復(fù)位、WKUP引腳上的一個(gè)上升邊沿或RTC的鬧鐘到時(shí)。VBAT為RTC和后備寄存器供電內(nèi)嵌電壓調(diào)壓器電壓調(diào)壓器有三個(gè)操作模式:主模式、低功耗模式和關(guān)斷模式。主模式用于正常的運(yùn)行操作低功耗模式用于CPU單獨(dú)停機(jī)模式關(guān)斷模式用于CPU的待機(jī)模式:的,此時(shí),調(diào)壓器的輸出為高阻狀態(tài),內(nèi)核電路的供電切斷,調(diào)壓器處于零消耗模式(但寄存器和SRAM的內(nèi)容將丟失)。該調(diào)壓器在復(fù)位后始終處于工作狀態(tài),在待機(jī)模式下關(guān)閉處于高阻狀態(tài)。5、3個(gè)12位ADC,轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為1us,速度快轉(zhuǎn)換范圍:0到3.6V具有3倍采樣和保持功能自帶溫度傳感器6、2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器7、DMA:12通道DMA控制器DMA(DirectMemoryAccess,直接內(nèi)存存取),靈活的12路通用DMA(DMA1上有7個(gè)通道、DMA2上有5個(gè)通道)可以管理存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、設(shè)備到存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器到設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸;2個(gè)DMA控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理,避免了控制器傳輸?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的中斷。每個(gè)通道都有專(zhuān)門(mén)的硬件DDMA請(qǐng)求邏輯,同時(shí)可以由軟件觸發(fā)每個(gè)通道;傳輸?shù)拈L(zhǎng)度、傳輸?shù)脑吹刂泛湍繕?biāo)地址都可以用軟件單獨(dú)設(shè)置。DMA可以用于主要的外設(shè):SPI、I2C、USART,通用、基本和高級(jí)控制定時(shí)器TIMX,DAC、I2S、SDIO和ADC。8、擁有112個(gè)快速雙向I/O端口,所有I/O口可以映像到16個(gè)外部中斷,大部分端口具有容忍5電壓信號(hào)的特點(diǎn)9、多大11個(gè)定時(shí)器4個(gè)16位定時(shí)器,每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入。2個(gè)帶死區(qū)控制和緊急剎車(chē),用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器。2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器(獨(dú)立看門(mén)狗和窗口看門(mén)狗)2個(gè)16位的基本定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)DAC10、多達(dá)13個(gè)通訊接口2個(gè)I2C接口5個(gè)USART接口(支持ISO7816,LIN,IRDA接口和調(diào)制解調(diào)控制)3個(gè)SPI接口、2個(gè)可復(fù)用的I2C接口CAN接口(2.0B主動(dòng))SDIO接口CPU圖示如圖3.1:圖CPUI/O端口輸入驅(qū)動(dòng)電流:STM32所有I/O口流入的電流總和,加上MCU從VDD上得到的電流,不能超過(guò)絕對(duì)最大額定值IVDD同理,STM32所有I/O口流出的電流總和,加上MCU從VSS上流出的電流,不能超過(guò)絕對(duì)最大額定值IVSS。I/O端口特性如表3.1表3.1符號(hào)參數(shù)條件最小值典型值最大值單位VIL輸入低電平電壓TTL端口-0.5.08VVIH標(biāo)準(zhǔn)I/O口,輸入高電平電壓2VDD+.05FTI/O口,輸入高電平電壓25.5VIL輸入低電平電壓CMOS端口-.05.035VDDVVIH輸入高電平電壓065VDDVDD+0.5Vhys標(biāo)準(zhǔn)I/O口施密特觸發(fā)器電壓遲滯200mv容忍5V的I/O口電壓遲滯5%VDDmvIikg輸入漏電流VSS<=VIN<=VDD標(biāo)準(zhǔn)I/O口正負(fù)1uAVIN=5V3Rpu弱上拉等效電阻VIN=VSS304050千歐Rpd弱下拉等效電阻VIN=VDD304050千歐CioI/O引腳電容5pF①、施密特觸發(fā)器開(kāi)關(guān)電平的遲滯電壓。②、5%VDD至少為100mv③、M32所有的I/O端口都與CMOS和TTL兼容。輸出電壓特性如表3.2:表3.2符號(hào)參數(shù)條件最小值最大值單位VOL輸出低電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)吸收電流TTL端口+8mA2.7V<VDD<3.6V0.4VVOH輸出高電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)輸出電流VDD-0.4VOL輸出低電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)吸收電流CMOS端口8mA2.7V<VDD<3.6V0.4VVOH輸出高電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)輸出電流2.4VOL輸出低電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)吸收電流Iio=+20mA2.7V<VDD<3.6V1.3VVOH輸出高電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)輸出電流VDD-1.3VOL輸出低電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)吸收電流Iio=+6mA2.7V<VDD<3.6V0.4VVOH輸出高電平,當(dāng)8個(gè)I/O引腳同時(shí)輸出電流VDD-0.4芯片吸收的電流不得超過(guò)絕對(duì)最大額定值IVSS;芯片輸出的電流不得超過(guò)絕對(duì)最大額定值IVDD;3.2存儲(chǔ)器系統(tǒng)包括:①、512K的閃存程序存儲(chǔ)器閃存是一種長(zhǎng)壽命的非易失性(在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息)的存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)刪除不是以單個(gè)的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位,區(qū)塊大小一般為256KB到20MB。閃存是電子可擦除只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)的變種,閃存與EEPROM不同的是,它能在字節(jié)水平上進(jìn)行刪除和重寫(xiě)而不是整個(gè)芯片擦寫(xiě),這樣閃存就比EEPROM的更新速度快。由于其斷電時(shí)仍能保存數(shù)據(jù),閃存通常被用來(lái)保存系統(tǒng)自帶的程序和數(shù)據(jù)。閃存存儲(chǔ)器特性如表3.3:表3.3符號(hào)參數(shù)數(shù)值單位最小值典型值最大值Fpll-inPLL輸入時(shí)鐘18.025MHzPLL輸入時(shí)鐘占空比4060%Fpll-outPLL倍頻輸出時(shí)鐘1672MHzTlockPLL鎖相時(shí)間200us優(yōu)點(diǎn):1.閃存的體積小。并不是說(shuō)閃存的集成度就一定會(huì)高。微硬盤(pán)做的這么大一塊主要原因就是微硬盤(pán)不能做的小過(guò)閃存,并不代表微硬盤(pán)的集成度就不高。2.相對(duì)于硬盤(pán)來(lái)說(shuō)閃存結(jié)構(gòu)不怕震,更抗摔。硬盤(pán)最怕的就是強(qiáng)烈震動(dòng)。雖然我們使用的時(shí)候可以很小心,但老虎也有打盹的時(shí)候,不怕一萬(wàn)就怕萬(wàn)一。3.閃存可以提供更快的數(shù)據(jù)讀取速度,硬盤(pán)則受到轉(zhuǎn)速的限制。4.質(zhì)量輕。②、64K的SRAM(靜態(tài)存儲(chǔ)器)RAM包括SRAM(靜態(tài)存儲(chǔ)器)和DRAM(動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器)兩種。SRAM是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存,它不需要刷新電路就能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。而DRAM每隔一段時(shí)間要刷新充電一次,不然它內(nèi)部的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。它用來(lái)存放系統(tǒng)的即時(shí)數(shù)據(jù)和程序。3.3地址空間分配地址空間分配表如下:表3.43.4信號(hào)采樣電路根據(jù)控制對(duì)象及控制精度,選擇DS1820作為系統(tǒng)的溫度傳感器,下面為它的原理和引腳說(shuō)明:系統(tǒng)中所用的傳感器的DS1820,引腳說(shuō)明如下:電源端;數(shù)據(jù)輸入輸出端;接地端;其引腳圖如圖3.圖3.2DS1820具有以下特性:①、獨(dú)特的單線接口方式,DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。②、DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。③、DS1820在使用中不需要任何外圍元件。④、測(cè)溫范圍-55℃~+125℃,固有測(cè)溫分辨率0.5℃。⑤、測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.364位光刻ROM及接口64位光刻ROM及接口存儲(chǔ)器和控制邏輯暫存寄存器8位CRC發(fā)生器溫度傳感器上限寄存器TH下限寄存器TLI/OGND供電模式檢測(cè)VDD內(nèi)部VDD圖3.3DS1820測(cè)溫原理:低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小,用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變,所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí),溫度寄存器的值將加1,計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入,計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí),停止溫度寄存器值的累加,此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性,其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。當(dāng)DS1820精度為0.5°C時(shí),它所測(cè)得的溫度在其內(nèi)部轉(zhuǎn)換為9位的數(shù)字量,通過(guò)單線接口串行發(fā)送。CPU接受到溫度數(shù)據(jù)后,會(huì)自動(dòng)將其最高位轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼的形式,形成16位的數(shù)據(jù)。其測(cè)量范圍為-55°C~+125°C,系統(tǒng)只取+0.5°C~+100°C之間的值。測(cè)量溫度與存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表:表3.5溫度輸出/二進(jìn)制存儲(chǔ)器/十六進(jìn)制+125°C000000001111101000FAh+25°C00000000001100100032h+0.5°C0000000000000001001h0°C0000000000000000000h-0.5°C1111111111111111FFFFh-25°C1111111111001110FFCEh-55°C1111111110010010FF92h3.5輸入輸出端口設(shè)計(jì)端口分配表:表3.63.6復(fù)位及看門(mén)狗電路系統(tǒng)復(fù)位采用外部復(fù)位,電路圖及說(shuō)明入下:圖3.4原理:正常情況下,STM32的復(fù)位引腳接3.3V電源,當(dāng)需要復(fù)位時(shí),按下S2,復(fù)位引腳就會(huì)對(duì)地短接,芯片恢復(fù)到初始化狀態(tài)。CPU內(nèi)嵌了看門(mén)狗電路,包括獨(dú)立看門(mén)狗和窗口看門(mén)狗。獨(dú)立看門(mén)狗:基于一個(gè)12位的遞減計(jì)數(shù)器和一個(gè)8位的預(yù)分頻器,它由一個(gè)內(nèi)部獨(dú)立的40KHz的RC振蕩器提供時(shí)鐘;因?yàn)檫@個(gè)RC振蕩器獨(dú)立于主時(shí)鐘,所以它可運(yùn)行于停機(jī)和待機(jī)模式。它可以被當(dāng)成是看門(mén)狗電路用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng),或作為一個(gè)自由定時(shí)器為應(yīng)用程序提供超時(shí)管理。窗口看門(mén)狗:其內(nèi)部有一個(gè)7位的遞減計(jì)數(shù)器,并可以設(shè)置成自由運(yùn)行,它可以被當(dāng)成是看門(mén)狗用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)。它由主時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),具有早期預(yù)警中斷功能;在調(diào)試模式下,計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)。3.7鍵盤(pán)電路由16個(gè)按鍵構(gòu)成鍵盤(pán)電路,其中10個(gè)為數(shù)字鍵,4個(gè)為數(shù)碼管選擇鍵即上下左右鍵,2個(gè)為確定刪除鍵。其部分電路圖如圖3.4圖3.53.8顯示器電路根據(jù)顯示范圍及控制所需精度,選擇由3個(gè)數(shù)碼管為一組,共3組的顯示電路為顯示器。部分顯示電路如圖3.5所示:圖3.6上圖中,共陰極數(shù)碼管的3號(hào)引腳接地,8號(hào)引腳在數(shù)碼管內(nèi)部與3號(hào)引腳是接在一起的。各74LS595之間通過(guò)Q7進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)位,其余部分顯示電路連接方法和上圖連接方法一樣。74LS595的引腳說(shuō)明:圖3.774LS595的數(shù)據(jù)端:
O0—O7:八位并行輸出端,可以直接控制共陰數(shù)碼管的8個(gè)段。
Q7:級(jí)聯(lián)輸出端。
SER:串行數(shù)據(jù)輸入端。74LS595的控制端說(shuō)明:
SRCLR(10腳):低點(diǎn)平時(shí)將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零。一般情況下,SRCLR直接接VCC。SRCLK(11腳):上升沿時(shí)數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位。O0-->O1-->O2-->...-->O7;下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。RCLK(12腳):上升沿時(shí)移位寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器,下降沿時(shí)存儲(chǔ)寄存器數(shù)據(jù)不變。一般情況下RCLK置為低點(diǎn)平,當(dāng)移位結(jié)束后,在RCLK端產(chǎn)生一個(gè)正脈沖,更新顯示數(shù)據(jù)。
E(13腳):高電平時(shí)禁止輸出(高阻態(tài))。通常情況下,E接地。共陰數(shù)碼管簡(jiǎn)介:圖3.8共陰數(shù)碼管的7段是由7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的,其中1、2、4、6、7、9、10分別控制數(shù)碼管的各段,5控制db,即小數(shù)點(diǎn)位,3腳和8腳實(shí)際是連通的,所以連線時(shí),只需將3腳或8腳的一個(gè)接地即可。3.9時(shí)鐘電路STM32內(nèi)嵌8MHz和40KHz的RC振蕩器、帶校準(zhǔn)功能的32KHzRTC振蕩器。同時(shí)支持4到16MHz的外部晶體振蕩器。系統(tǒng)采用外部晶振作為時(shí)鐘電路。外部晶振分為:①、8MHz高速外部時(shí)鐘;②、32.768KHz低速外部時(shí)鐘;下面為二者的典型連接圖示:STM32使用8MHz高速外部時(shí)鐘的典型應(yīng)用增益控制增益控制Fhse施密特RfOSC-INOSC-OUT集成了電容器的8MHz諧振器REXT圖3.9其中REXT的數(shù)值由晶體特性決定,一般為5到6倍的RSSTM32使用32.768KHz低速外部時(shí)鐘的典型應(yīng)用OSC-OUT增益控制OSC-OUT增益控制Fhse施密特RfOSC-IN集成了電容器的32.768KHz諧振器REXT圖3.10在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,就選擇了上述兩種外部時(shí)鐘作為系統(tǒng)的時(shí)鐘。其中,8MHz的高速外部時(shí)鐘源圖示如下:圖3.1132.768KHz低速外部時(shí)鐘源圖示如下:圖3.123.10電源電路STM32采用2~3.6V電源供電,系統(tǒng)中電源采用3.3V供電,3.3V電壓來(lái)源可以利用ASM1117穩(wěn)壓器的特性,即由5V變3.3V的特點(diǎn)直接獲得3.3V電壓。ASM1117特性如下:AMS1117系列穩(wěn)壓器具有可調(diào)版與多種固定電壓版,其設(shè)計(jì)用于提供1A輸出電流而且其工作壓差可低至1V。最大輸出電流時(shí),AMS1117器件的壓差保證最大不超過(guò)1.3V,并隨負(fù)載電流的減小而逐步降低。AMS1117的片上具有微調(diào)功能,可以把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到5%誤差內(nèi),而且電流上下限也得到了調(diào)整,以減少穩(wěn)壓器和電源電路超載而形成的壓力。AMS1117基本參數(shù)輸出電流(A)1輸出電壓(V)Adj,1.5,1.8,2.5,2.85,3.3,5.0,AMS1117應(yīng)用高效線性穩(wěn)壓器、后置穩(wěn)壓器、用于交換式電源、5V至3.3V線性穩(wěn)壓器、電池充電器、有源SCSI終端、筆記本電源管理、電池供電設(shè)備。系統(tǒng)電源正是利用了ASM1117具有5V至3.3V線性轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出來(lái)的。電源圖示如下:圖3.133.11STM32VBAT(備份工作電源)及BOOT引腳說(shuō)明首先介紹RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)和后備寄存器RTC和后備寄存器通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)供電,當(dāng)VDD有效時(shí)選擇VDD供電,否則由VBAT引腳供電。后備寄存器(42個(gè)16位寄存器)可以用于在關(guān)閉VDD時(shí),保存84個(gè)字節(jié)的用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)。RTC和后備寄存器不會(huì)被系統(tǒng)或電源復(fù)位源復(fù)位;當(dāng)從待機(jī)模式喚醒時(shí),也不會(huì)被復(fù)位。實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有一組連續(xù)運(yùn)行的計(jì)數(shù)器,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖峁┤諝v時(shí)鐘功能,還具有鬧鐘中斷和階段性中斷功能。RTC的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘可以是一個(gè)使用外部晶體的32.768KHz的振蕩器、內(nèi)部低功耗RC振蕩器或高速的外部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)128分頻。內(nèi)部低功耗的RC振蕩器典型頻率為40KHz。為補(bǔ)償天然晶體的偏差,可以通過(guò)輸入一個(gè)512HZ的信號(hào)對(duì)RTC進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。下面介紹VBATVBAT為RTC和后背寄存器供電,VBAT=1.8~3.6V,當(dāng)關(guān)閉VDD時(shí),通過(guò)內(nèi)部電源切換器,為RTC,外部32.768KHz和后備寄存器供電。STM32BOOT引腳的功能與具體設(shè)置方法:在每個(gè)STM32的芯片上都有兩個(gè)管腳BOOT0和BOOT1,這兩個(gè)管腳在芯片復(fù)位時(shí)的電平狀態(tài)決定了芯片復(fù)位后從哪個(gè)區(qū)域開(kāi)始執(zhí)行程序,如下:①BOOT1=x
BOOT0=0
從用戶閃存(FlasH)啟動(dòng),這是正常的工作模式。②BOOT1=0
BOOT0=1
從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng),這種模式啟動(dòng)的程序功能由廠家設(shè)置,這個(gè)區(qū)域的內(nèi)容在芯片出廠后沒(méi)有人能夠修改或擦除,即它是一個(gè)ROM區(qū)。③BOOT1=1
BOOT0=1
從芯片內(nèi)置的RAM區(qū)啟動(dòng),這種模式可以用于調(diào)試。要注意的是,一般不使用內(nèi)置SRAM啟動(dòng)(BOOT1=1BOOT0=1),因?yàn)閮?nèi)置RAM掉電后數(shù)據(jù)就丟失。多數(shù)情況下SRAM啟動(dòng)只在調(diào)試時(shí)使用,也可以做其他一些用途。如做故障的局部診斷,寫(xiě)一段小程序加載到SRAM中診斷板上的其他電路,或用此方法讀寫(xiě)板上的Flash或EEPROM等。還可以通過(guò)這種方法解除內(nèi)部Flash的讀寫(xiě)保護(hù),當(dāng)然解除讀寫(xiě)保護(hù)的同時(shí)Flash的內(nèi)容也被自動(dòng)清除,以防止惡意的軟件拷貝。一般BOOT0和BOOT1都設(shè)置為0(GND)。只是在ISP下載的情況下,BOOT0=1,BOOT1=0,下載完成后,把BOOT0的跳線接回0,也即BOOT0=0,BOOT1=0。對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō),直接把BOOT0和BOOT1引腳接地
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