單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

第八章單片機控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

第一節(jié)

單片機控制系統(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)

單片機在步進電動機控制中的應(yīng)用

第四節(jié)

單片機在直流調(diào)速中的應(yīng)用

第五節(jié)

單片機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，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)用已有的單片機系統(tǒng)，適當(dāng)擴展

已有的單片機系統(tǒng)是51、96等系列單片機組成的單板機。根據(jù)實際需要，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴展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)單片機機型和器件的選擇

a．性能特點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。(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)的性能價格比進行綜合確定。2．硬件設(shè)計(1)單片機電路設(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，詳細地畫出各模塊的流程圖，然后進行主程序設(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，分模塊進行調(diào)試，修正和完善原始方案。最后進行整個系統(tǒng)的調(diào)試，以達到控制系統(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1．一點接地和多點接地的應(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，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、繼電器、電磁開關(guān)等強電設(shè)備的地(亦可稱為噪聲地)；三是機殼、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”的方法避免系統(tǒng)“死機”的方法有很多，除了單片機集成的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)

單片機在步進電動機控制中的應(yīng)用

一、步進電動機的組成及工作原理

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

步進電動機的主要特性參數(shù)有：1．步距角：2．起動頻率:3．連續(xù)運行頻率: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、步進電動機的單片機控制我們以單片機控制的三相步進電動機為例來介紹步進電動機的單片機控制系統(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電動機的工作原理可知，步進電動機是在一定順序的電脈沖控制下運轉(zhuǎn)的。根據(jù)步進電動機控制方式，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)按要求對步進電動機的控制。表8-1列出的為步進電動機工作在三相六拍時的控制字。當(dāng)前15頁，總共28頁。2．步進電動機控制程序設(shè)計由前面的分析可知，步進電動機控制的任務(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電動機轉(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

步進電動機轉(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．步進電動機變速控制

通常為了提高步進電動機的速率，使步進電動機運行在其工作頻率(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，以三相六拍運行方式、定時器延時、直線升、降頻方式為例編寫步進電動機的變速控制程序。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，考慮步進電動機的慣性，要求每改變一次頻率，需持續(xù)運行一定步數(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)單片機在直流調(diào)速中的應(yīng)用

一、直流電動機調(diào)速原理

對于直流電動機，其轉(zhuǎn)速的表達式為：式中：n為電動機的轉(zhuǎn)速；U表示電動機電樞端電壓；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進行電動機正反轉(zhuǎn)控制的