單片機(jī)的分類(lèi)及應(yīng)用--論文4

1、單片機(jī)的分類(lèi)及應(yīng)用學(xué)生姓名：張見(jiàn)親 學(xué)號(hào)：060101001單 位：理工學(xué)院電子系 專(zhuān)業(yè)：應(yīng)用電子摘要：隨著電子產(chǎn)品向智能化和微型化的不斷發(fā)展,單片機(jī)已成為電子產(chǎn)品研制和開(kāi)發(fā)中首選的控制器。Abstract: With the electronic product miniaturization to the intelligent and the continuous development of SCM has become an electronics research and development in the preferred controller。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，引言單片機(jī)也被

2、稱(chēng)為微控制器（Microcontroller），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專(zhuān)用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。1單片機(jī)分類(lèi)1.1 單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，應(yīng)用一個(gè)較科學(xué)的分類(lèi)方法。根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型/專(zhuān)用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。 1.1.1 通用型/專(zhuān)用型 這是按單片機(jī)適用范圍來(lái)區(qū)分的。例如，80C51是通用型單片機(jī)，它不是為某種專(zhuān)用途設(shè)計(jì)的；專(zhuān)用型單片機(jī)是針對(duì)一類(lèi)產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的

3、，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路。 1.1.2. 總線型/非總線型 這是按單片機(jī)是否提供并行總線來(lái)區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過(guò)串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類(lèi)單片機(jī)稱(chēng)為非總線型單片機(jī)。 1.1.3. 控制型/家電型 這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算 能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專(zhuān)用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口

4、集成度高。 顯然，上述分類(lèi)并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類(lèi)單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。1.2 單片機(jī)的種類(lèi)繁多，一般按單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，主要分為4位、8位、16位和32位單片機(jī)。1.2.1 4位單片機(jī)4位單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，非常適合用于控制單一的小型電子類(lèi)產(chǎn)品，如PC機(jī)用的輸入裝置(鼠標(biāo)、游戲桿)、電池充電器、遙控器、電子玩具、小家電等。1.2.2 8位單片機(jī)8位單片機(jī)是目前品種最為豐富、應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)，目前，8位單片機(jī)主要分為51系列及和非51系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)以其典型的結(jié)構(gòu)，眾多的邏輯位操作功能，以及豐富的指令系統(tǒng)，堪稱(chēng)一代“名機(jī)”，

5、目前，主要生產(chǎn)廠商有Atmel（愛(ài)特梅爾）、Philips（飛利浦）、Winbond（華邦）等。非51系列單片機(jī)在中國(guó)應(yīng)用較廣的有Microchip（微芯）的PIC單片機(jī)、Atmel的AVR單片機(jī)、義隆EM78系列，以及Motorola（摩托羅拉）的68HC05/11/12系列單片機(jī)等。1.2.3 16位單片機(jī)16位單片機(jī)操作速度及數(shù)據(jù)吞吐能力在性能上比8位機(jī)有較大提高。目前，應(yīng)用較多的有TI的MSP430系列、凌陽(yáng)SPCE061A系列、Motorola的68HC16系列、Intel的MCS-96/196系列等。1.2.4 32位單片機(jī) 與51單片機(jī)相比，32位單片機(jī)運(yùn)行速度和功能大幅提高，隨

6、著技術(shù)的發(fā)展以及價(jià)格的下降，將會(huì)與8位單片機(jī)并駕齊驅(qū)。32位單片機(jī)主要由ARM公司研制，因此，提及32位單片機(jī)，一般均指ARM單片機(jī)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，ARM不是單片機(jī)，而是一種32位處理器內(nèi)核（主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等），它由英國(guó)ARM公司開(kāi)發(fā)，但ARM公司自己并不生產(chǎn)芯片，而是由授權(quán)的芯片廠商如Samsung（三星）、Philips（飛利浦）、Atmel（愛(ài)特梅爾）、Intel（英特爾）等制造，芯片廠商可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能的調(diào)整，因此，實(shí)際中使用的ARM芯片有很多型號(hào)，常見(jiàn)的ARM芯片主要有飛利浦的LPC2000系列、三星的S3C/S3F/S3P系列等。2單片

7、機(jī)的應(yīng)用PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴(lài)于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。 理論基礎(chǔ)： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。       &#

8、160; 面積等效原理： 分別將如圖所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 SPWM波形脈沖寬

9、度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。 PWM波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改

10、變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。 PWM技術(shù)的具體應(yīng)用 PWM軟件法控制充電電流 本方法的基本思想就是利用單片機(jī)具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過(guò)軟件的方法調(diào)整單片機(jī)的PWM控制寄存器來(lái)調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。本方法所要求的單片機(jī)必須具有ADC端口和PWM端口這兩個(gè)必須條件，另外ADC的位數(shù)盡量高，單片機(jī)的工作速度盡量快。在調(diào)整充電電流前，單片機(jī)先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實(shí)際讀取到的充電電流進(jìn)行比較，若實(shí)際電

11、流偏小則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM 的占空比；若實(shí)際電流偏大則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。在軟件PWM的調(diào)整過(guò)程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。軟件PWM法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。 優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。利用軟件PWM不用外部的硬件PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續(xù)流磁芯、儲(chǔ)能電容等元器件，大大簡(jiǎn)化了外圍電路。 可控制涓流大小。在PWM控制充電的過(guò)程中,單片機(jī)可實(shí)時(shí)檢測(cè)ADC端口上充電電流的大小，并根據(jù)充電電流大小與設(shè)定的涓流進(jìn)行比較，以決定PWM占空比的調(diào)整方向。 電池喚醒充電。單片機(jī)利

12、用ADC端口與PWM的寄存器可以任意設(shè)定充電電流的大小，所以，對(duì)于電池電壓比較低的電池，在上電后，可以采取小電流充一段時(shí)間的方式進(jìn)行充電喚醒，并且在小電流的情況下可以近似認(rèn)為恒流，對(duì)電池的沖擊破壞也較小。 缺點(diǎn)： 電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過(guò)電流采樣電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采樣電阻上的壓降傳到單片機(jī)的ADC輸入端口，單片機(jī)讀取本端口的電壓就可以知道充電電流的大小。若設(shè)定采樣電阻為Rsample（單位為），采樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對(duì)應(yīng)的電壓值為 5000mV/10245mV。一個(gè)5mV的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電流值就是50mA

13、，所以軟件PWM電流控制精度最大為50mA。若想增加軟件PWM的電流控制精度，可以設(shè)法降低ADC的參考電壓或采用10位以上ADC的單片機(jī)。 PWM采用軟啟動(dòng)的方式。在進(jìn)行大電流快速充電的過(guò)程中，充電從停止到重新啟動(dòng)的過(guò)程中，由于磁芯上的反電動(dòng)勢(shì)的存在，所以在重新充電時(shí)必須降低PWM的有效占空比,以克服由于軟件調(diào)整PWM的速度比較慢而帶來(lái)的無(wú)法控制充電電流的問(wèn)題。 充電效率不是很高。在快速充電時(shí)，因?yàn)椴捎昧顺潆娷泦?dòng)，再加上單片機(jī)的PWM調(diào)整速度比較慢，所以實(shí)際上停止充電或小電流慢速上升充電的時(shí)間是比較大的。 為了克服2和3缺點(diǎn)帶來(lái)的充電效率低的問(wèn)題，我們可以采用充電時(shí)間比較長(zhǎng)，而停止充電時(shí)間比

14、較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動(dòng)時(shí)的電流慢速啟動(dòng)折合成的停止充電時(shí)間，設(shè)定為50ms，則實(shí)際充電效率為（2000ms100ms）/2000ms95，這樣也可以保證充電效率在90%以上。 純硬件PWM法控制充電電流 由于單片機(jī)的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機(jī)用ADC方式讀取充電電流需要的時(shí)間，因此用軟件PWM的方式調(diào)整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法來(lái)控制充電電流?，F(xiàn)在智能充電器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作頻率可以達(dá)到300kHz以上，外加阻容元件就

15、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電過(guò)程中的恒流限壓作用，單片機(jī)只須用一個(gè)普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。采用純硬件PWM具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。 優(yōu)點(diǎn)： 電流精度高。充電電流的控制精度只與電流采樣電阻的精度有關(guān)，與單片機(jī)沒(méi)有關(guān)系。不受軟件PWM的調(diào)整速度和ADC的精度限制。 充電效率高。不存在軟件PWM的慢啟動(dòng)問(wèn)題，所以在相同的恒流充電和相同的充電時(shí)間內(nèi)，充到電池中的能量高。 對(duì)電池?fù)p害小。由于充電時(shí)的電流比較穩(wěn)定，波動(dòng)幅度很小，所以對(duì)電池的沖擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護(hù)電池。 缺點(diǎn)： 硬件的價(jià)格比較貴。TL494的使

16、用在帶來(lái)以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增加了產(chǎn)品的成本，可以采用LM358或LM393的方式進(jìn)行克服。 涓流控制簡(jiǎn)單，并且是脈動(dòng)的。電池充電結(jié)束后，一般采用涓流充電的方式對(duì)電池維護(hù)充電，以克服電池的自放電效應(yīng)帶來(lái)的容量損耗。單片機(jī)的普通I/O控制端口無(wú)法實(shí)現(xiàn)PWM端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的PWM功能，但由于單片機(jī)工作的實(shí)時(shí)性要求，其軟件模擬的PWM頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電的方式，例如在10%的時(shí)間是充電的，在另外90%時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行充電。這樣對(duì)充滿電的電池的沖擊較小。 單片機(jī) PWM控制端口與硬件PWM融合 對(duì)于單純硬件PWM的涓流充電的脈動(dòng)問(wèn)題，可以采用具有PWM端口的單片機(jī)，再結(jié)合外部PWM芯片即可解決涓流的脈動(dòng)性。 在充電過(guò)程中可以這樣控制充電電流：采用恒流大電流快速充電時(shí)，可以把單片機(jī)的PWM輸出全部為高電平（PWM控制芯片高電平使能）或低電平（PWM控制芯片低電平使能）；當(dāng)進(jìn)行涓流充電時(shí)，可以把單片