單片微機(jī)原理與應(yīng)用part_09課件

1、2022/7/211“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程 第 9 章 51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計2022/7/212第9章 51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 9.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述9.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法9.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)9.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 2022/7/213【基本知識點與要求】（1）了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。（2）掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成。（3）掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程。（4）掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法和抗干擾的基本技術(shù)?！局攸c與難點】 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程；單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法和抗干擾的基本技術(shù)。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，擴(kuò)展必需的外

2、圍電路、開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)給定任務(wù)和功能的實際應(yīng)用系統(tǒng)。本章首先概述單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計過程；其次介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法和抗干擾技術(shù)；然后結(jié)合前面介紹的方法給出單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的例子。 第9章 51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計2022/7/2149.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 9.1.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計要求 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是軟件和硬件相結(jié)合的工程系統(tǒng)，其設(shè)計必須圍繞應(yīng)用系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)來進(jìn)行。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計包括總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、軟硬件聯(lián)合調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試運行等環(huán)節(jié)。 單片機(jī)又稱為微控制器，在大多數(shù)情況下，單片機(jī)常被用作工業(yè)測控系統(tǒng)或者測試系統(tǒng)的主控制

3、器?；趩纹瑱C(jī)的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。 1. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 2022/7/215、9.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 2022/7/2169.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 (1) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件組成 輸入輸出設(shè)備。包括光筆、打印機(jī)、顯示屏、觸摸屏等，主要用來進(jìn)行顯示和操控、打印、存儲及傳送數(shù)據(jù)。 模擬量輸入通道。通過傳感器、放大與變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、并行輸入接口等將測控對象的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機(jī)組成的測控系統(tǒng)硬件包括以下部分： 通信模塊。利用串行接口，通過載波通信等通信設(shè)備或者經(jīng)過調(diào)制解調(diào)等方式和遠(yuǎn)端主機(jī)進(jìn)行通信，上傳終端信息，或接收受控信號。 操作控制臺。包括鍵盤、控制

4、按鈕等，是單片機(jī)測控系統(tǒng)中人-機(jī)交流的橋梁，通過它操作者可以向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，輸入各種控制參數(shù)。2022/7/2179.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 模擬量輸出通道。通過并行輸出接口、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電路和執(zhí)行器等，將系統(tǒng)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。 開關(guān)量輸入通道。通過開關(guān)量輸入接口、光電隔離器等實現(xiàn)開關(guān)量的輸入。 開關(guān)量輸出通道。通過開關(guān)量輸出接口、驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器等來實現(xiàn)開關(guān)量的輸出。 單片機(jī)及其擴(kuò)展的存儲器。2. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件組成 應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件一般包括系統(tǒng)監(jiān)控程序和應(yīng)用程序兩部分。 系統(tǒng)監(jiān)控程序。是控制單片機(jī)系統(tǒng)按照預(yù)定操作方式順序運行的無限循環(huán)程序。它負(fù)責(zé)組織調(diào)度

5、各個應(yīng)用程序模塊，完成系統(tǒng)的自檢、初始化、鍵盤掃描、顯示程序、處理條件觸發(fā)等。 2022/7/2189.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 2022/7/2199.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 是否有通信請求？是否有按鍵操作？調(diào)通信處理子程序調(diào)按鍵處理子程序YNN是否到采樣時間？調(diào)數(shù)據(jù)采集子程序YN初始化程序一種主程序結(jié)構(gòu)（作業(yè)順序型）YY調(diào)數(shù)據(jù)顯示子程序是否到顯示刷新時間？N2022/7/2110 (1) 高可靠性。 (2) 高性價比。 (3) 實時性強(qiáng)。 (4) 操作、維護(hù)方便。 9.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 應(yīng)用程序。是主要完成系統(tǒng)各個部分功能的軟件。如數(shù)據(jù)采集（包括A/D轉(zhuǎn)換）、鍵功能處理、數(shù)

6、字濾波程序、控制算法程序、通信程序、控制量輸出程序（包括D/A轉(zhuǎn)換）、中斷服務(wù)程序等等。 3. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計要求 9.1.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程 (1) 根據(jù)用戶或研究課題的任務(wù)、功能要求進(jìn)行功能和性能的認(rèn)識與合理分析，確定合理、詳盡的技術(shù)指標(biāo)。 (2) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。包括系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的確立、主要器件選型、測控電路的選擇以及軟硬件功能的劃分等。 (3) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計與調(diào)試。2022/7/2111 (4) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計與調(diào)試。 (5) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試與試運行。 (6) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試運行或產(chǎn)品化設(shè)計。 1. 確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)、

7、功能要求和性能技術(shù)指標(biāo) 在設(shè)計一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之前，必須確定系統(tǒng)的具體功能和各項技術(shù)指標(biāo)以及應(yīng)用的范圍和場所。形成設(shè)計文件。 9.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法 2. 確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方案 確定系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)后，就可以進(jìn)行調(diào)研、查找資料、分析研究以確定系統(tǒng)的設(shè)計方案。根據(jù)測控對象的要求，確定被控參數(shù)，選擇可靠、經(jīng)濟(jì)、實用的傳感器和執(zhí)行器，確定模擬量輸入、輸出通道的數(shù)目和主要環(huán)節(jié)，開關(guān)量輸出、輸出通道的數(shù)目和主要環(huán)節(jié)。綜合考慮硬、軟件分工與配合方案。在此基礎(chǔ)上畫出整個系統(tǒng)的原理框圖。 2022/7/21129.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法 3. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計與調(diào)試 單片機(jī)應(yīng)

8、用系統(tǒng)的硬件是系統(tǒng)的載體，其設(shè)計包括以下幾個方面： (1) 單片機(jī)機(jī)型的選擇。 (2) 信號輸入通道硬件設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)的輸入信號多少和性能要求來設(shè)計信號調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換器、多路選擇開關(guān)的選擇與電路設(shè)計主要由信號采集的速度、精度以及抗干擾的要求來定。開關(guān)量輸入需考慮隔離和電平的兼容。 (3) 存儲器與I/O接口的擴(kuò)展。 (4) 總線驅(qū)動能力。 (5) 信號輸出通道硬件設(shè)計。有兩方面問題必須考慮，一是驅(qū)動問題；二是D/A轉(zhuǎn)換器的選擇。 (6) 人機(jī)交互設(shè)計。 (7) 通信接口設(shè)計。 2022/7/2113 硬件的靜態(tài)調(diào)試包括不加電和加電調(diào)試。利用萬用表、邏輯分析測試儀，在不加電的情況下檢查電路

9、中各器件、引腳連接是否正確，是否有斷路故障等。排除故障后，插上芯片，在加電的情況下進(jìn)一步檢查是否有故障。此時要注意對易受靜電影響的器件考慮防靜電。之后，將應(yīng)用系統(tǒng)和仿真機(jī)聯(lián)機(jī)動態(tài)調(diào)試，觀察存儲器和各擴(kuò)展的I/O口線是否正常。直至硬件可以穩(wěn)定正常工作。 9.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法 4. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計與調(diào)試 （1）確定軟件總體結(jié)構(gòu)，劃分功能模塊，生成軟件設(shè)計文檔。 （2）模塊設(shè)計采用逐步細(xì)化的方法。產(chǎn)生各功能模塊詳細(xì)程序流程圖。 （3）采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計思想。在編程過程中，采用順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和子程序的結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想。 2022/7/2114 5. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)合

10、調(diào)試與試運行 軟件設(shè)計完成后，就可以進(jìn)行軟件的調(diào)試工作。軟件調(diào)試遵循先獨立后聯(lián)機(jī)、先分塊后組合、先單步后連續(xù)的原則。軟件調(diào)試需要利用仿真工具在線一個模塊一個模塊的進(jìn)行調(diào)試，最后連接起來統(tǒng)調(diào)。也可以通過Keil C51與Proteus聯(lián)合進(jìn)行全程仿真調(diào)試。需要注意的問題是經(jīng)過匯編程序的“編譯”，只能發(fā)現(xiàn)語法錯誤，不能解決程序邏輯上的錯誤！邏輯錯誤只能通過設(shè)計者進(jìn)行仔細(xì)的軟件調(diào)試和硬軟件聯(lián)合調(diào)試來完成。軟件調(diào)試無誤后就可以固化到單片機(jī)的程序存儲器中，脫機(jī)運行。 9.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法 通過聯(lián)合調(diào)試來發(fā)現(xiàn)硬、軟件能否按預(yù)定要求協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)運行中是否有潛在的在設(shè)計時難以預(yù)料的錯誤，系統(tǒng)的動態(tài)

11、性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求等等。這一步需要借助于單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)來完成。 2022/7/2115需要通過相應(yīng)的儀器裝置模擬現(xiàn)場設(shè)備的輸入輸出信號，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，同時模擬環(huán)境運行，以期發(fā)現(xiàn)隱含的錯誤。聯(lián)合調(diào)試無誤后，將程序“燒錄”到單片機(jī)中在現(xiàn)場進(jìn)行試運行，由于現(xiàn)場環(huán)境比實驗室環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣、干擾多，總會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，這時需要認(rèn)真分析問題來源，加以解決。 6. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試運行或產(chǎn)品化設(shè)計 只有經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試后的用戶系統(tǒng)才能保證其可靠的工作，系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試和試運行正常后，就可以交付用戶正式運行使用了。如果開發(fā)的是產(chǎn)品的話，則還要為大批生產(chǎn)做準(zhǔn)備。將各種設(shè)計、安裝、調(diào)試、元器件

12、采購等環(huán)節(jié)流程化，以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。 9.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法 2022/7/2116 干擾信號主要通過電磁感應(yīng)、傳輸通道和電源三個途徑進(jìn)入應(yīng)用系統(tǒng)，對于電磁感應(yīng)干擾可應(yīng)用良好的“屏蔽”和正確的“接地”加以解決。下面著重從軟、硬兩個方面給出傳輸通道和電源的抗干擾技術(shù)。 1. 輸入輸出通道抗干擾措施 輸入輸出通道是單片機(jī)和外設(shè)、測控對象進(jìn)行信息交換的渠道，由通道引起的干擾主要由公共地線引發(fā)。因此，必須隔開對象與輸入輸出通道之間的公共地線，主要措施有： 9.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 9.3.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù) (1) 光電耦合隔離。 (2) 雙絞線傳輸。雙絞線能使各小環(huán)

13、路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對電磁場干擾、共模噪聲有一定的抑制效果。 2022/7/2117 (3) 傳感器后級的變送器應(yīng)盡量采用電流型傳輸方式。由于電流型變送器比電壓型變送器抗干擾能力強(qiáng)，所以采用電流型變送器可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 9.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 2. 印制電路板的抗干擾設(shè)計 (1) 印制電路板大小要適中。過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也高；過小，散熱不好，且易受干擾。盡量使用多層印制板，保證良好的接地網(wǎng)，減少地電位差。 (2) 器件布置要合理。把相關(guān)的器件就近放置，易產(chǎn)生噪聲的電路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離主機(jī)電路，發(fā)熱量大的器件應(yīng)考慮散熱問題，I/O驅(qū)動器件盡量靠

14、近印制板邊上放置。閑置的lC芯片引腳不要懸空，元器件引腳避免相互平行，以減少寄生耦合。如有可能，盡量使用貼片元件。 2022/7/2118 (3) 布線時注意的問題。電路之間的連線應(yīng)盡量短，容易受干擾的信號線要重點保護(hù)，不要與產(chǎn)生干擾或傳遞干擾的線路長距離平行布線；交直流電路要分開；對雙面布線的印制電路板，應(yīng)使兩面線條垂直交叉，以減少磁場耦合效應(yīng)。 (4) 合理接地。交流地與信號地不能共用，以減少電源對信號的干擾；數(shù)字地、模擬地分開設(shè)計，在電源端兩種地線一點相連；對于多級電路，設(shè)計時要考慮各級動態(tài)電流，注意接地阻抗相互耦合的影響，工作頻率低于1MHz時采用一點接地，工作頻率較高時采取多點接地，

15、接地線應(yīng)盡量粗。 (5) 加去耦電容。加去耦電容是印制電路板設(shè)計的一項常用技術(shù)。在電源輸入端跨接10100F的電解電容或鉭電容，在每塊集成電路芯片的電源線上跨接一個0.01F的陶瓷電容器。以過濾電源的干擾。 9.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 2022/7/2119 3. 供電系統(tǒng)抗干擾措施 (1) 使用交流穩(wěn)壓器，可防止電網(wǎng)過電壓、欠電壓干擾，保證供電的穩(wěn)定性。 (2) 采用隔離變壓器，初次級用屏蔽層隔離，減少其間分布電容，提高共?？垢蓴_能力。 (3) 采用低通濾波器可濾去干擾中的高次諧波。 (4) 整個系統(tǒng)采用分立式供電方式，分別對各部分進(jìn)行供電。 (5) 采用開關(guān)電源并提供足夠的功率余量

16、。 (6) 強(qiáng)、弱電路嚴(yán)格分開。如果單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)含有強(qiáng)電電路，那么強(qiáng)、弱電路不要設(shè)計在一塊電路板上。 9.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 9.3.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù) 2022/7/2120 程序在執(zhí)行過程中，CPU受到干擾后可能會將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，引起程序混亂，這就是通常所謂的程序“跑飛”或“走飛”。 9.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 1. 在程序中插入空操作指令(指令冗余)的抗干擾措施 在軟件設(shè)計時，應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在一些關(guān)鍵地方插入NOP指令。如在長度為雙字節(jié)、三字節(jié)指令后面插入2條NOP指令。另外，在一些對程序流向起決定性作用

17、的指令之前插入兩條NOP指令(如RET，RETI，ACALL，LCALL，SJMP，AJMP，LJMP，JZ，JNZ，JC，JNC，JB，JNB，JBC，CJNE，DJNZ) 以保證“跑飛”的程序能快速恢復(fù)正常。 2. 采用“軟件陷阱”抗干擾措施 CPU受干擾，程序“跑飛”到非程序區(qū)，此時指令冗余無能為力，使程序進(jìn)人“陷阱”，強(qiáng)迫引導(dǎo)程序進(jìn)入一個指定的地址，執(zhí)行一段專門對程序出錯進(jìn)行處理的程序。 2022/7/2121 (3) 程序區(qū)。程序區(qū)由一串串執(zhí)行指令構(gòu)成，當(dāng)程序執(zhí)行到LJMP，SJMP，AJMP，RET等無條件轉(zhuǎn)移類指令時，PC的值應(yīng)發(fā)生正常的跳變，此時程序不可能繼續(xù)往下順序執(zhí)行。若在

18、這些指令后設(shè)置軟件陷阱，就可攔截彈飛到這里的程序，而又不影響正常執(zhí)行的流程。 NOP NOP LJMP ERR 9.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) (1) 未使用的中斷區(qū)。當(dāng)干擾使未使用的中斷開放并激活這些中斷時，就會引起程序混亂。 (2) 未使用的大片程序空間。 2022/7/21229.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) (4) 數(shù)據(jù)表格區(qū)。為了不破壞表格的連續(xù)性，可在數(shù)據(jù)表格區(qū)的尾部設(shè)置軟件陷阱。軟件陷阱安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，不影響程序執(zhí)行的效率，在程序存儲器容量允許的條件下，多設(shè)置軟件陷阱有利而無害。 3. 數(shù)據(jù)采集的抗干擾措施 對實時測控系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，除采用硬件濾波電

19、路外，還可以應(yīng)用軟件技術(shù)對要采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行“數(shù)字濾波”。所謂數(shù)字濾波，是通過算法程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行平滑加工，以減小或者剔除干擾對數(shù)據(jù)的影響。常用的濾波算法有“程序判斷濾波”、“中值濾波”、“算術(shù)平均濾波”、“一階遞推濾波”等方法。 2022/7/21239.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 9.4.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 用于熱處理的電阻爐、用于熔化金屬的坩堝電爐等加熱設(shè)備在機(jī)械、化工、冶金等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，其中溫度作為一個典型的被控參數(shù)。電阻爐溫度控制屬于一階環(huán)節(jié)加純滯后系統(tǒng)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，如果應(yīng)用傳統(tǒng)的斷續(xù)控制方式將導(dǎo)致超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低等問題。采用單片機(jī)進(jìn)

20、行爐溫控制，具有電路設(shè)計簡單、控制精度高、效果好等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 1. 整體設(shè)計及系統(tǒng)原理 設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)有： 溫度控制范圍：在3001000之間設(shè)定； 恒溫時間：可以在24小時內(nèi)任意設(shè)定，但每次設(shè)定2022/7/21249.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例時間不能超過24小時； 控制精度：； 超調(diào)量1%。 溫度控制系統(tǒng)功能要求有： 能夠由鍵盤設(shè)定目標(biāo)溫度和控制參數(shù)； 液晶顯示爐溫、設(shè)定時間、實際時間； 具有串行接口通信功能； 具有越限報警功能； 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S51、傳感器、信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、鍵盤、顯

21、示及報警電路、計時電路、驅(qū)動與執(zhí)行電路、串行接口通信電路等部分組成。硬件原理框圖如圖9-2所示。2022/7/21259.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例圖9-2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理框圖2022/7/21269.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 在系統(tǒng)中，利用熱電偶測得電阻爐實際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號。經(jīng)過調(diào)理后，該電壓信號再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號輸入單片機(jī)； 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，一方面通過顯示器顯示溫度、判斷溫度是否越限，如果越限則報警，并將溫度通過串行接口發(fā)送到上位機(jī)；另一方面將實際溫度與設(shè)定溫度值比較，由PID算法計算出控制量，該控制量用來控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而

22、達(dá)到改變電阻絲的導(dǎo)通時間，以實現(xiàn)對爐溫的控制。系統(tǒng)中的計時電路可以根據(jù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確計時。2022/7/21279.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例2. 硬件設(shè)計 選用集成電路芯片MAX6675，完成熱電偶輸出電壓信號的調(diào)理與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。MAX6675是MAXIM公司開發(fā)的K型熱電偶轉(zhuǎn)換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測電路、冷端補(bǔ)償電路，能將K型熱電偶輸出的電壓直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率為0.25。因此，不需外圍電路、接線簡單、精度高、成本低。溫度數(shù)據(jù)通過SPI端口輸出給單片機(jī)，表9-1為MAX6675的引腳功能。圖9-3為本系統(tǒng)溫度檢測電路。 (1) 溫度檢測與調(diào)理電路 一般的

23、溫度測量過程采用“傳感器濾波器放大器冷端補(bǔ)償線性化處理/D轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。2022/7/21289.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例2022/7/21299.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例圖9-3 溫度檢測電路2022/7/21309.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 以AT89S51的P2.5作為MAX6675的片選信號，低電平有效，P2.連接MAX6675時鐘端口。在每一個時鐘信號的下降沿從MAX6675的SO端輸出一位數(shù)據(jù)，經(jīng)過16個時鐘信號完成數(shù)據(jù)輸出，先輸出高位D15，最后輸出的是低位D0，D14-D3為相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)P2.5為高電平時，MAX6675開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)

24、換。在應(yīng)用MAX6675時，應(yīng)該注意將其布置在遠(yuǎn)離其它I/O芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；MAX6675熱電偶負(fù)端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準(zhǔn)確性。2022/7/21319.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例(2)計時電路 在本系統(tǒng)中，DS12887的地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線與單片機(jī)的P0口相連。通過定時器中斷，CPU每隔0.4秒讀一次DS12887的內(nèi)部時標(biāo)寄存器，得到當(dāng)前的時間，送至液晶顯示器進(jìn)行顯示。每當(dāng)電阻爐從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個狀態(tài)，CPU通過DS12887把系統(tǒng)時間清零，重新開始計時。通過DS12887，還可以設(shè)定電阻爐的加熱時間和恒溫時間。電路如

25、圖9-4中所示。 在系統(tǒng)中需要準(zhǔn)確顯示升溫時間、恒溫時間等，本系統(tǒng)選用了時鐘芯片DS12887構(gòu)成定時電路來完成對時間的準(zhǔn)確計時。 DS12887具有時鐘、鬧鐘、12/24小時選擇和閏年自動補(bǔ)償功能；包含有10的時鐘控制寄存器、4的狀態(tài)寄存器和114的通用RAM；具有可編程方波輸出功能；報警中斷、周期性中斷、時鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。2022/7/21329.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例(3) 控溫電路 控溫電路包括驅(qū)動芯片MC1413、過零型交流固態(tài)繼電器（Z型SSR）。報警和控溫電路如圖9-4中所示。D44606Z型SSR內(nèi)部含有過零檢測電

26、路，當(dāng)加入控制信號，且負(fù)載電源電壓過零時，SSR才能導(dǎo)通；而控制信號斷開后，SSR在交流電正負(fù)半周交界點處斷開。也就是說，當(dāng)Z型SSR在1秒內(nèi)為全導(dǎo)通狀態(tài)時，其被觸發(fā)頻率為100Hz；當(dāng)Z型SSR在1秒內(nèi)導(dǎo)通時間為0.5秒時，其被觸發(fā)頻率為50Hz。在本系統(tǒng)中，采用PID控制算法，通過改變Z型SSR在單位時間內(nèi)的導(dǎo)通時間達(dá)到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。2022/7/21339.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 (5) 鍵盤和報警電路 系統(tǒng)采用3*3鍵盤，可通過按鍵設(shè)定溫度和時間，有的按鍵在不同情況下可以實現(xiàn)不同功能。報警電路是將單片機(jī)的I/O口與驅(qū)動芯片MC1413相連，通過MC141

27、3驅(qū)動蜂鳴器，電路如圖9-4中所示。 (4) 串行接口通信模塊 應(yīng)用單片機(jī)內(nèi)部異步串行接口，在外圍采用MAX232芯片完成TTL電平和RS-232C電平的轉(zhuǎn)換，并與上位PC機(jī)通信。2022/7/21349.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例圖9-4 鍵盤、時鐘、報警、通信和控溫電路 2022/7/21359.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 顯示器選用點陣字符型液晶顯示器TC1602，系統(tǒng)中將AT89S51數(shù)據(jù)總線和TC1602的數(shù)據(jù)線相連，P2.1與TC1602的使能端相連，低電平時液晶模塊執(zhí)行命令；P2.2與TC1602的讀/寫信號線相連，以控制液晶顯示器的讀/寫操作，高電平時對TC1602進(jìn)行讀操作，

28、低電平時進(jìn)行寫操作；P2.3與TC1602的寄存器選擇信號線相連，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。TC1602的顯示形式是16*2行，可顯示爐溫、設(shè)定時間、實際時間等。電路如圖9-5所示。(6) 顯示電路2022/7/21369.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例圖9-5 顯示電路2022/7/21379.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 程序流程如圖9-6所示。圖中，實測溫度如果處于下限值附近，或與目標(biāo)溫度的誤差的絕對值大于5度，則使固態(tài)繼電器處于恒導(dǎo)通狀態(tài)，電爐全速加熱，當(dāng)誤差的絕對值小于5度，此時采用PID算法控制電爐的加熱。本例中僅給出了爐溫測量和PID控制算法。3. 軟件設(shè)計 在系

29、統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；而爐溫測量、鍵盤輸入、時間確定和顯示、控制算法、串行口通信等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時測溫和讀取時間。2022/7/21389.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 圖9-6 主程序流程圖2022/7/21399.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 本例中控制算法采用增量式PID算法計算，控制量輸出采用位置式輸出形式，計算式如下： 設(shè)溫度的設(shè)定值為W；第k次的采樣（測量）值為y(k)；第k次的測量值與設(shè)定值的偏差為 e(k)= W-y(k)。 (2) PID控制算法第k次控制輸出 （9-1） 第k-1次控制輸出 （9-2） 2022/7/21409

30、.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例控制量的增量式計算公式為： （9-3） 式（9-3）中，T為采樣周期；為積分系數(shù)； 為微分系數(shù)；P為比例系數(shù)； 2022/7/21419.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 控制量u（k）的位置式輸出為： 內(nèi)存單元的分配如圖所示，部分程序參見教材，這里略去。 2022/7/2142 9.4.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的控制裝置。步進(jìn)電機(jī)具有啟、停速度快、精確步進(jìn)和定位等特點。 9.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 以三相步進(jìn)電機(jī)為例，介紹其控制原理與程序設(shè)計。三相步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部有A、B、C三相繞組，其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序及方式有關(guān)，

31、常采用以下三種控制方式： 雙三拍，其通電順序如下： 三相六拍，其通電順序如下： 單三拍，其通電順序如下：2022/7/21439.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例2022/7/2144 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流一般比較大，單片機(jī)難以提供如此大的電流，所以一般需要在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間加驅(qū)動電路。目前市場上已經(jīng)有很多種類的通用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，也可以自行設(shè)計驅(qū)動電路，滿足其電壓電流的要求即可。圖9-8是步進(jìn)電機(jī)常用的一種驅(qū)動電路。 【注意】 步進(jìn)電機(jī)相臨兩拍之間一般都有延時，具體延時時間應(yīng)由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和步距角來確定。 9.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 1. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 2022/7/2145步進(jìn)電機(jī)的

32、一種驅(qū)動電路9.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 該驅(qū)動方式是全電壓驅(qū)動，即在電機(jī)移步與鎖存時都加載額定電壓。為防止電動機(jī)過流以及改善驅(qū)動特性，需要加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時，限流電阻要消耗大量的功率，因此限流電阻要有較大的功率容量，并且開關(guān)也要有比較高的負(fù)載能力。 2022/7/21462. 控制軟件設(shè)計 如果三相步進(jìn)電機(jī)按照上述方式和通電順序，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按照上述相反的方向順序通電，則步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動。本節(jié)主要講述三相六拍步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，具體如下。 (1 ) 控制接口 選擇單片機(jī)的輸出接口控制三相步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組。例如，用8位接口控制三相步進(jìn)電機(jī)時，可用D0、D1、D2分別接到三

33、相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組的驅(qū)動電路。 9.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例 (2) 根據(jù)控制方式寫出相應(yīng)的控制字 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制字如表9-2所示，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)控制字如表9-3所示。 2022/7/21479.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例步序控 制 位工作狀態(tài)控制字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 C B A1 0 0 0 0 0 0 0 1A01H20 0 0 0 0 0 1 1AB03H30 0 0 0 0 0 1 0B02H40 0 0 0 0 1 1 0BC06H50 0 0 0 0 1 0 0C04H60 0 0 0 0 1 0 1CA05H步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制字（表9-2） 2022/7/21489.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)控制字（表9-3） 步序控 制 位工作狀態(tài)控制字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 C B A10 0 0 0 0 0 0 1A0