单片机原理与应用系统设计第10章课件.ppt

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1、第10章 单片机应用系统设计选题,10.1 基于单片机的温度检测系统设计10.2 基于单片机控制的智能充电器设计10.3 基于单片机的红外通信系统设计10.4 主从式多机通信系统设计10.5 CAN总线站点设计与通信实验10.6 利用单片机和GSM模块实现短消息通信10.7 基于单片机的安全计算机结构设计与实验10.8 基于单片机的步进电机控制系统设计10.9 基于单片机的无刷直流电机调速器设计10.10 简易MP3播放器设计,10.1 基于单片机的温度检测系统设计,温度检测通常可利用温度传感器和单片机来实现。常用的温度传感器有热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等。热电偶通常用于工业炉等高温环

2、境；热敏电阻的阻值随温度变化而变化，测量其电阻值即可得到环境温度；集成温度传感器内部集成有感温元件、补偿和放大电路等，具有误差小、体积小、使用方便等优点，如AD590、DS18B20等。本例使用PIC单片机、测温型热敏电阻或集成温度传感器DS18B20设计一个温度检测系统，以掌握温度传感器在单片机系统中的使用方法。,10.1 温度检测：系统组成,温度检测系统由温度敏感电路、PIC单片机及显示和报警电路组成，本例采用两种温度敏感电路来实现温度测量。一种是使用热敏电阻，利用它和555芯片组成振荡电路，其振荡频率随着热敏电阻的阻值的变化而变化，利用单片机测量出振荡器输出信号的频率，再通过查表或计算即

3、可得到温度。另一种是采用单总线集成数字温度传感器DS18B20直接测得温度，利用单片机构造适当的时序，以从DS18B20中取得数据。温度的测量值用数码管显示，并在超过限定温度时用蜂鸣器报警。系统组成结构见下图。,10.1 温度检测：系统组成,温度检测系统结构框图,10.1 温度检测：设计要求,选用PIC16C54型单片机进行设计。在调试过程中采用可重复编程的PIC16F54型单片机，程序定型后采用PIC16C54型单片机。方法一：自行设计温度敏感电路，该电路主要由负温度系数的测温型热敏电阻和555器件组成。建议选用标称阻值为510K、B值为3470的负温度系数热敏电阻。方法二：选用单总线器件D

4、S18B20设计温度敏感电路。温度的测量范围为-10+120，测量精度为0.5。温度用四位数码管实时显示。在温度超过100时利用蜂鸣器发出警报。,10.1 温度检测：设计提示,负温度系数的测温型热敏电阻的电阻-温度特性为：其中，T0是热敏电阻在绝对温度下的阻值；RT0是热敏电阻在绝对温度下的阻值，即标称阻值；B称为热敏电阻的热敏指数。在购买热敏电阻时，必须要明确标称阻值和B值这两个指标。检测温度有直接法和间接法。直接法通过采样热敏电阻上的电压和电流，计算其电阻，查表得到温度。这种方法需要A/D转换电路。间接法是指将热敏电阻作为振荡电路的一个元件，振荡输出随阻值变化而变化，CPU检测到这种变化，

5、据此可检测出温度。比如，将热敏电阻和555器件组成多谐振荡器，其输出频率就与热敏电阻的阻值对应，由此可检测出温度值。使用频率法测量温度时，为了防止电源电压波动引起的干扰，可采用测量波形的占空比来代替测量波形的频率。,10.1 温度检测：设计提示,采用DS18B20设计时，应参考其数据手册，了解单总线器件的使用方法。DS18B20内部集成有补偿电路和A/D转换器等，它输出的温度数据直接就是数字量，因此具有模块化、精度高等优点。其缺点是成本较高，同时利用单总线读取数据需要较长的时间。在对成本和实时性要求不高的场合，可优先采用DS18B20进行设计。单总线器件与单片机接口时只占用单片机的一位I/O口

6、，而且具有信号传输距离远的优点，但单片机对它的读写要占用较长的时间。在集总式设计场合，中央处理器要采集大量数据，因此不能在每路信号的读写上都花费大量时间，此时，可以用FPGA或CPLD等器件专门进行多路信号的串并转换工作，并通过中断方式与CPU交换数据。,10.2 基于单片机控制的智能充电器设计,充电电池广泛应用于工业生产和日常生活中，其充放电过程对电池 的安全使用、寿命等具有重要影响。传统的模拟电路充电器一般以恒流或恒压方式对电池充电，难以满足电池对充电过程的特殊要求，容易造成电池因过充、过热、记忆效应等而缩短寿命，甚至引起安全事故。本例设计基于单片机的智能充电器，通过对充电过程进行精确的检

7、测和控制，最大限度地发挥充电电池的作用。,10.2 智能充电器：系统组成,智能充电器主要由单片机电路和功率模块组成，其功率模块包括充电和放电电路，此外还包括温度检测电路和显示电路。单片机电路是智能充电器的核心，它检测充电电压、充电电流及电池温度等信息，并按照设定的充电曲线，输出指令给功率放大电路，以控制电池的充电过程，在必要时还可以显示有关数据，以便用户了解电池的充电状态。功率放大电路则根据单片机发出的充电指令，向电池提供相应大小的充电电流。系统组成结构见下图。,10.2 智能充电器：系统组成,智能充电器系统结构框图,10.2 智能充电器：设计要求,针对某24V-10AH的铅酸蓄电池设计智能充

8、电器，要求采用脉冲法对电池充电，即在一个充电周期内，有90的时间充电，5的时间停止充电，5的时间放电。每个充电周期为100ms。该方法充电速度快，充电效率高。整个充电过程分为3个阶段：当电池电压小于20V时为预充阶段，以500mA电流对电池充电，这有利于保护电池；当电池电压处于20V25V之间时为快充阶段，以2A1A电流对电池快速充电，充电电流随着电池容量的增加而逐渐减小；当电池电压大于25V为涓充阶段，此时电池已经充饱，以100mA电流对电池充电。所述脉冲充电法的原理见下图。,脉冲电流充电法原理示意图,10.2 智能充电器：设计要求,当电池表面温度高于50时，停止充电，并进行过热指示或报警。

9、充电状态指示功能。利用发光管指示出预充、快充和涓充等阶段。用数码管显示充电电压和电流，分别精确到0.1V和0.01A。,10.2 智能充电器：设计要求,10.2 智能充电器：设计提示,单片机选用集成有A/D转换器的51型或PIC型单片机，如ADuC814、ADuC812、PIC16C73等；电池电压和充电电流信号经采样后，送入单片机的A/D管脚，进行A/D转换，根据电压的大小决定充电方式。充放电的功率电路可选用下图所示的基于MOSFET管的开关型电路。当功率管Q1导通、Q2截止时对电池充电，Q1工作于PWM方式，通过调节占空比来控制平均充电电流的大小，PWM的频率可取为2050kHz。当功率管

10、Q1截止、Q2导通时电池放电，用放电电阻或PWM方式控制放电电流的大小。,10.2 智能充电器：设计提示,基于MOSFET的功率模块电路图,用单片机产生控制用的PWM信号，经光电耦合器隔离、驱动后，控制MOSFET管。脉冲法充电过程中还需要对电池放电，放电电流值应通过实验确定。其基本要求是，在5的放电时间完成后，如果既不充电也不放电，那么电池电压应相对维持稳定，既不上升也不下降。如果完成后电压还上升，说明反向放电过多，反之，说明反向放电电流不足，据此可调整反向放电电流的大小。单片机检测电池电压的采样时间点，选择在每个控制周期反向放电完成的瞬间。单片机通常还可完成对电池表面温度的检测、显示及超温

11、报警。,10.2 智能充电器：设计提示,红外无线通信具有结构简单、成本低廉、抗干扰能力强、通信可靠性高、适合批量生产等优点，是近距离、尤其是室内非接触式数据传送的优选方式，在家用电器遥控、密码锁遥控、转速测量等方面获得广泛应用。本实验利用单片机、红外发射管和红外接收管设计红外通信电路，实现基于红外光的半双工通信。,10.3 基于单片机的红外通信系统设计,10.3 红外通信：系统组成,红外通信系统主要由单片机、红外发射管、红外接收管、脉冲振荡器、键盘及数码管等组成。单片机对本地信号进行采集、编码并转换成一定波特率的串行信号，经红外调制后向外发射，同时对接收到的红外信号进行解调、解码以及显示。本例

12、设计的红外通信电路同时具有红外发送与接收功能，利用两块电路可以实现两点之间的红外半双工通信。系统组成结构见下图。,10.3 红外通信：系统组成,红外通信系统结构框图,10.3 红外通信：设计要求,设计基于单片机的红外通信板，利用两块相同的红外通信板实现无线通信，用键盘输入数据并控制发送，用数码管显示发送和接收的数据。红外载波频率选为37.9kHz，采用幅度键控调制方式（ASK），即，有无红外信号分别对应数字信号的低电平和高电平。数据位的宽度为5ms。通信距离达到6m。自动识别接收到的是本地信号还是异地信号。,10.3 红外通信：设计提示,定义传送一个字符的异步串行通信协议如下图所示。每次传送一

13、个字符，起始位0表示字符的开始，数据位的第1位定义为地址信息，以后的7位为数据信息，最后1位为校验信息，然后用停止位1表示字符的结束。,数据通信协议定义,10.3 红外通信：设计提示,当需要传送更多的信息时，可以将一定量的信息组合成一帧信息来进行传送。每帧信息由帧开始字符、信息字符串、CRC校验字符和帧结束字符组成。如果在信息字符串中有帧开始字符或帧结束字符，需要利用字符转义方法进行处理。此外，为了提高通信的可靠性，还可设置帧序列号、应答机制和重发机制等措施。单片机接收到信号后，可通过地址信息判断是否为本地发送的信号。如果发现是本地发送的信号，可以将之与发送数据进行对比，来判断发送是否成功。这

14、相当于是一种自检方法，接收到的本地数据应直接丢弃。如果发现是异地发送来的信号，则进行显示。,10.3 红外通信：设计提示,红外线的频率。市场上常用的红外管发射的红外线的峰值波长是880nm。下面两个表格分别给出了一种红外发射管和接收管的典型参数，使用时应参照手册中更为详尽的说明。,红外发射管QED523主要参数,红外接收管QSD723主要参数,10.3 红外通信：设计提示,常用的红外载波频率是37.9kHz，红外接收管可采用带有解调功能的KSM-603LM，当接收到37.9kHz波长为880nm的红外光时，其OUT端输出低电平，否则OUT端一直是高电平。KSM-603LM从接收到红外光到输出低

15、电平，约需要1ms的时间，故每位数据比特的宽度不能太小。由单片机自行设计调制解调器时，可根据需要选用其它载波频率。可以用8脚单片机PIC12C508来产生37.9kHz的脉冲。该单片机体积小，且内部集成有复位和看门狗电路，仅需外接一个晶振和一个电阻，即可产生所需的载波脉冲，比555简单、方便，且有价格优势。由于采用晶体振荡器，其输出频率的精度比阻容式高出几个数量级，且波形的占空比可通过软件灵活调整。,10.4 主从式多机通信系统设计,MCS-51单片机的串口具有多机通信机制，利用该机制，可以实现简单的多机通信。本例即利用多个MCS-51单片机，实现简单的主从式多机通信。,10.4 多机通信：系

16、统组成,本主从式多机通信系统由1台主机和3台从机构成。主机和从机都称为通信站点，也简称为站点或节点。各个通信站点主要由AT89C51单片机和总线驱动器MAX485组成，并可扩展拨码开关、键盘和数码管等。单片机实现信号的发送、接收及相应的分析处理，可用拨码开关设置站点的地址。在串行通信系统中，通常采用差分信号进行物理信号的传输，这可以增强抗干扰能力、提高可靠性和增大传输距离。MAX485芯片可以实现电平信号和差分信号之间的转换。本系统的组成结构见下图。,10.4 多机通信：系统组成,主从式多机通信系统结构框图,10.4 多机通信：设计要求,完成主从式多机通信系统的原理设计和电路板制作，用拨码开关

17、配置各站点地址，其中站点0是主机，站点13为从机。通信波特率设置为9600bps。实现主机向从机的数据传输。通过主机键盘依次输入要通信的从机地址和数据，启动发送；从机接收到数据后通过数码管显示。实现从机向主机的数据传输。各从机依次通过键盘输入要发送的数据，启动发送；主机接收后，显示从机地址和数据。实现从机到从机的数据传输。通过一台从机的键盘依次输入要通信的目标从机地址、主机中转数据请求以及待发送的数据，然后启动发送；经主机中转后，目标从机应能正确接收并显示。,10.4 多机通信：设计提示,MCS-51单片机的串口控制寄存器SCON中的SM2为多机通信控制位。串口以方式2或3接收时，若SM2为1

18、，则仅当接收到的第9位数据RB8为1时，数据才装入SBUF，置位接收中断标志RI；如果接收到的第9位数据RB8为0，则不置位中断标志，信息丢失，CPU不作任何处理。当SM2为0时，则接收到一个数据后，不管第9位数据RB8是1还是0，都将数据装入SBUF置位中断标志RI，请求CPU处理。在主从式通信中，从机都初始化为9位异步通信方式(方式2或3)，置位SM2，允许接收串行中断。主机要和某一从机通信时，先发出联络命令。联络命令的TB8为1，各个从机收到的RB8为1，置位RI，请求CPU处理。只有目标从机才清零SM2，并给主机作出应答；其它从机保持SM2为1，不动作。,10.4 多机通信：设计提示,

19、主机收到应答之后，就可以和从机通信，进行双向数据传输。主机发送的信息的第9位TB8为0，只有联络好的从机的SM2为0，它才会收到主机的命令或数据，并作相应处理；其它从机由于SM2保持为1，对主机的通信命令和数据不作任何处理。这样便实现了主机和从机之间的一对一的通信。当一次通信结束以后，从机的SM2恢复为1，主机可以发出新的联络命令，以便和另一台从机进行通信。,10.4 多机通信：设计提示,需要指出，以上方式是基于MCS-51单片机的多机通信机制的主从式多机通信。通过设定帧协议，进行以帧为单位的数据传输，是更加灵活的多机通信方法。比如，在每帧中设置一个字节作为目标站点的地址，当所有的从机都收到一

20、帧信息后，只有目标站点地址与自身地址相同的从机才将这一帧数据作为有效数据，否则不作处理，这样也能实现多机通信。这相当于利用软件对通信过程进行管理。利用软件来管理复杂的通信过程具有硬件接口简单的优点，但其缺点是可靠性差、占用CPU时间长，故可以采用专门的硬件电路来完成这些管理工作，而把CPU解放出来。各种总线控制器正是根据一定的协议来实施这些工作的，比如CAN总线控制器、以太网控制器等。,10.5 CAN总线站点设计与通信实验,CAN 总线是一种用于工业现场的串行通信网络，它由挂接在总线上的多个通信站点组成，各站点通常由单片机系统和CAN控制器组成。单片机系统发送和接收数据都只和CAN控制器打交

21、道。CAN控制器是一个通信管理芯片，它一方面和单片机进行双向通信，接收从单片机发送的任务，向单片机传送从总线上接收到的有关数据；另一方面又与总线进行双向通信，检测总线上的数据，接收其它站点向本站点发送的数据，在总线允许的情况下，向总线发送本站点要求发送的数据本例利用CAN控制器SJA1000来设计CAN站点，进行通信实验。,10.5 CAN总线站点设计与通信实验,CAN通信网络组成,10.5 CAN站点：系统组成,本例所设计的CAN站点主要由AT89C52单片机和CAN控制器SJA1000组成，采用PCA82C250作为总线驱动器。PCA82C250的作用与前述MAX485的作用类似，用于实现

22、电平信号和差分信号之间的转换。单片机上还连接有数码管和拨码开关，数码管用于显示接收和发送的数据，拨码开关用于设置本站点的地址。系统组成结构见下图。,10.5 CAN站点：系统组成,基于MCS-51单片机的CAN节点实现框图,10.5 CAN站点：设计要求,完成CAN站点的电路原理图设计和电路板制作，每个站点用4位数码管显示。编写程序，实现3个站点间的循环通信，每个数据包发送2个字节，各个站点都显示本站点发送的数据。三个站点的操作如下：站点A：初始化完毕或发送完毕后开始计时，若在2秒内收到数据，则1秒后将收到的数据加1发送给站点B；否则向站点B发送 0 x0000。站点B：初始化完毕后等待接收中

23、断，一旦接收到数据，将数据加 1，并转发给站点C。站点C：初始化完毕后等待接收中断，一旦接收到数据，将数据加 1，并转发给站点A。,10.5 CAN站点：设计要求,如上所述，所设计的CAN总线站点在正常情况下，每个站点每隔1秒，都会进行一次接收数据、数据加1、发送数据的操作，每个站点发送的数据都不相同，发送的数据将在本站点显示。如果偶尔出错，将由站点A重新启动这种循环。只有在故障情况下，才不能实现通信。,10.5 CAN站点：设计提示,SJA1000是单片机系统的典型外设，需通过并行扩展方式，将其连接到MCS-51单片机的并行总线上。其相应的软件包括初始化程序、发送接收程序等，通常采用中断方式

24、来实现发送和接收。学习SJA1000的数据手册，了解SJA1000的工作原理、硬件电路原理和初始化编程的方法。学习PCA82C250的数据手册，了解其应用电路的连接方法。SJA1000占用MCS-51单片机的外部数据存储器空间，见系统组成框图。SJA1000采用地址-数据复用总线，连接时，将SJA1000的8位数据口和ALE线与MCS-51单片机的P0端口和ALE线直接连接即可。,10.5 CAN站点：设计提示,利用拨码开关设置本站点的ID号。在联调之前，应首先对单个站点的功能进行调试。可利用SJA1000的自检功能对单个站点进行测试。不完全了解CAN通信协议，仅学习SJA1000的数据手册，

25、是可以完成该设计的。但是，深入了解CAN通信原理和学习CAN2.0通信协议，对于设计出一个好的通信网络是至关重要的。,10.6 利用单片机和GSM模块实现短消息通信,短消息服务（Short Message Service，简称SMS），也称短信服务，是移动通信系统（Global System for Mobile Communication，简称GSM）提供的GSM终端（比如手机）之间的一种应用服务。基于该服务，通过GSM网络，GSM终端之间可以实现文本信息的收发，如下图所示。如果我们能设计GSM终端，并利用SMS进行远程数据的双向传送，就能实现无线远程监测和控制。本设计例就是利用单片机和GS

26、M模块设计一套GSM终端，通过它以短消息的方式向手机发送监测信息。,10.6 利用单片机和GSM模块实现短消息通信,GSM网络连接结构,10.6 短消息通信：系统组成,本例所设计的GSM终端主要包括单片机和GSM模块，此外设置有键盘和数码管用于输入和显示。单片机通过UART口与GSM模块通信，并通过发送一定的命令，实现对GSM模块的操作，如短消息的接收和发送等。单片机用于控制GSM模块的控制命令称为AT命令集。GSM模块在工作时需要插入SIM卡，即手机卡，并通过外接天线提高通信质量。实验时，用另外的手机接收所设计的GSM终端发送的短消息，或通过手机向所设计的GSM终端发送短消息。系统的组成结构

27、见下图。,10.6 短消息通信：系统组成,GSM终端结构,10.6 短消息通信：设计要求,设计单片机系统，完成单片机与GSM模块的连接。单片机向GSM模块发送AT命令，GSM能够返回应答信息，表明单片机与GSM模块连接成功。用键盘模拟单片机所监测对象的状态，单片机以短消息形式与手机 保持通信，需要完成下面功能：功能1：键盘输入故障1，GSM终端能够向手机发送1号故障信息；功能2：键盘输入故障2，GSM终端能够向手机发送2号故障信息；功能3：手机向GSM终端发送状态查询命令0，GSM终端中的单片机能 够接收到命令，并向手机发送状态信息；单片机发送或者接收短消息时，通过数码管显示。,10.6 短消

28、息通信：设计提示,尽管GSM模块要完成大量的复杂工作，但对于单片机来说，它仅仅相当于一个UART串行外设，因此，其硬件电路和软件设计比较简单。在硬件上，只需把GSM的TXD和RXD引脚与单片机的对应引脚相连即可。在软件上，单片机是通过向GSM模块发送一些指令，来指导GSM模块的工作，以及与GSM模块交换数据。这些指令称为AT指令集，已形成相应的标准。单片机与GSM模块之间的串行异步通信的速率可设定，通常设为 9600bps。GSM通信过程中包含大量的数据处理，系统可扩展一片E2PROM来扩展单片机的程序以及数据存储空间,10.6 短消息通信：设计提示,GSM模块支持GSM07.05规定的AT指

29、令集。该指令集由ETSI（欧洲通信技术委员会）发布，包含对SMS的控制。单片机通过向GSM模块的串行接口收发一系列AT命令，达到控制GSM模块收发短消息的目的。单片机发送的指令与接收到的响应都是字符的ASCII码。常用的AT指令见下表所示。,10.6 短消息通信：设计提示,常用AT指令,10.7 基于单片机的安全计算机结构设计与实验,安全计算机在列车运行控制、银行系统等可靠性要求高的领域得到广泛应用。在安全计算机内部，一般通过避错和容错设计来提高系统的可靠性。避错是提高原部件本身可靠性的技术，容错则是通过冗余设计使系统在故障条件下仍可实现既定功能。双模冗余是常用的容错设计方法，它利用两套计算机

30、系统同时处理同一输入信息，并由表决器对处理结果进行仲裁。该方法通过增加硬件数量来获取更高的系统可靠性。双模冗余通常又有双机比较和双机热备两种实现结构，见下图。,10.7 基于单片机的安全计算机结构设计与实验,双机比较结构,10.7 基于单片机的安全计算机结构设计与实验,双机热备结构,10.7 基于单片机的安全计算机结构设计与实验,双机比较由两套处理系统和一套仲裁系统组成，输入信号经两套处理系统PU2处理后，由仲裁CPU将两个处理结果进行比较，只有当结果一致时才输出。双机热备结构由两套“处理CPU”和一套“双机切换仲裁CPU”组成，正常情况下CPU1作为主机正常运行，CPU2作为从机，只对数据进

31、行热备份，不参与输出。当CPU1出现故障时，由“双机切换仲裁CPU”控制CPU2代替CPU1成为新的主机进行信号处理，同时对CPU1进行检修，待修复好以后重新接入系统，但作为从机运行。本设计例要求以MCS-51单片机作为处理CPU及仲裁CPU，设计一套基于双机热备结构的安全计算机演示系统。,10.7 安全计算机：系统组成,本例所设计的双机热备系统由3台以AT89C52为核心的单片机系统组成。其中两台作为处理CPU，另外一台作为双机切换仲裁CPU。为了便于操作，在每套单片机系统中设计一个44的键盘作为系统输入，4位数码管用于显示系统的运行状态。,10.7 安全计算机：设计要求,了解CPU切换的基

32、本原理和方法，设计基本的安全方案和切换机制。完成3台单片机系统的硬件电路和接口设计，完成PCB设计，利用44的键盘作为处理CPU的系统输入，利用4位数码管显示输出键值和运行状态。,10.7 安全计算机：设计要求,完成双机热备系统实验。系统上电时，仲裁CPU设置CPU1作为主机，CPU2作为从机，测试以下项目：项目1：断开CPU1，仲裁CPU立即将控制权限移交给CPU2，数码管显 示出数据输出仍然正常，但同时显示出CPU1出现故障；项目2：重新接入CPU1，仲裁CPU判断系统恢复正常运行状态，CPU2作为主机，CPU1设为从机，数码管显示系统运行正常；项目3：断开CPU2，仲裁CPU立即将控制权

33、限移交给CPU1，数码管显 示出数据输出仍然正常，但同时显示出CPU2出现故障；项目4：断开CPU1和CPU2，仲裁CPU显示不能输出数据，同时显示 CPU1和CPU2都出现故障。,10.7 安全计算机：设计提示,冗余系统的设计方法可以参考计算机应用系统的故障诊断以及可靠性技术基础，邹逢兴编著，高等教育出版社。在双机热备设计中，首先要保证仲裁CPU是充分可靠的，其次要有判断CPU发生故障的依据，这两者是设计的难点，通常由相关的安全设计标准来约定。本实验的关键是实现CPU之间的切换，这两个技术难点暂不考虑。处理单片机与仲裁单片机之间可以通过双口RAM实现数据通信。实验中也可以通过键盘输入来模拟C

34、PU出现故障。,10.8 基于单片机的步进电机控制系统设计,步进电机在伺服控制、精密加工等领域得到广泛应用，它适于采用单片机进行控制。利用单片机控制步进电机，主要是控制其通电顺序和换相频度。控制通电顺序又称为脉冲分配，例如，对于三相步进电机，通常有三拍和六拍两种工作方式，三拍工作方式的通电顺序为A-B-C-A，六拍工作方式的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A。单片机需要严格按照这一顺序或反序分别控制A、B、C相的通断。如果按反序通电，则电机就反转。调整单片机发出脉冲的频率，就可以调整步进电机的转速。本设计例根据此原理设计步进电机的转角控制和速度调节系统。,10.8 步进电机控制：系统组

35、成,步进电机控制系统由单片机控制电路、功率放大电路和三相混合式步进电机组成。用户接口有键盘和显示等，用于设定控制要求和显示控制效果，该系统的组成结构见下图：,利用单片机控制步进电机,10.8 步进电机控制：设计要求,采用AT89C2051或PIC16C54单片机设计步进电机控制电路。功率放大电路的功率管采用IRF540，线圈工作电流0.5A。用键盘将电机设置为步进运动状态，每按一次步进键前进一步，数码管显示步进的步数。用键盘将电机设置为连续运动状态，给定转速后，电机能够连续运动。数码管显示给定转速。用转速测量仪测量实际转速，并对比。通过反序脉冲实现反转。,10.8 步进电机控制：设计提示,查阅

36、有关步进电机的资料，掌握三相步进电机的工作方式及相应的控制方法。步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。在相序不变的情况下，改变单片机输出脉冲信号的频率，即可调节步进电机的转速。功率放大电路的设计关键是驱动电路、缓冲电路和保护电路，建议选用现成模块。为了防止功率放大电路以及电机中的强电干扰影响单片机，在单片机和驱动电路之间要进行光耦隔离。,10.9 基于单片机的无刷直流电机调速器设计,无刷直流电动机是一种永磁同步电动机，它采用电子换向器代替传统的机械换向装置，具有无机械磨损、结构简单、启动扭矩大、响应快等优点。电子换向器的基本原理是，在电

37、机内部以120的间隔排列3个霍尔传感器，每当转子磁极通过霍耳传感器时，传感器输出电平翻转1次，这样当电机旋转时，3个霍尔传感器就会输出3路相位相差120的方波。基于该信息，利用电子开关控制电机的各相定子绕组的导通和截止，可使定子磁场旋转，并和转子磁场始终保持90的相位差，从而产生最大转矩。本例在学习无刷直流电机工作原理的基础上，利用单片机接收3个霍耳传感器的信号及控制指令，运行控制算法，以PWM波的形式，输出信号对电机绕组进行控制，实现对无刷直流电机的无级调速。下图是无刷直流电机的定子线圈与霍耳传感器布置。,10.9 基于单片机的无刷直流电机调速器设计,无刷直流电机的定子线圈与霍耳传感器布置,

38、10.9 直流电机调速器：系统组成,无刷直流电机调速系统主要由基于单片机的调速控制电路和电机驱动电路组成。单片机接收电机内部的霍耳传感器输出的开关信号，以及由键盘和电位计给出的调速指令，通过计算生成调速控制信号，该信号经电机驱动电路的功率放大后，给电机定子绕组提供所需电流，实现电机调速。调速系统的用户接口有电位计、键盘和显示等，用于设定控制要求，并显示调速效果。系统组成结构见下图。,10.9 直流电机调速器：系统组成,直流电机调速器结构框图,10.9 直流电机调速器：设计要求,本例针对某额定电压48V、额定功率200W、额定转速2000转/分的直流无刷电机设计调速器，设计要求如下：基于C805

39、1F020单片机设计调速控制电路。电机驱动电路采用三相全桥型功率放大电路，其结构见下页图 示，功率管采用MOSFET或IGBT。在单片机和功率管之间，还需 要光电隔离和功率管驱动器电路。以电位计为输入，实现-2000+2000转/分的无级调速功能。用数码管显示电机转速，精度达到1转/分。,10.9 直流电机调速器：设计要求,三相全桥型功率放大电路,10.9 直流电机调速器：设计提示,无刷直流电机的控制原理，请参阅直流无刷电动机原理及应用(第2版)，张琛编著，机械工业出版社，2004年出版。直流无刷电机控制包括相位控制和转速控制。相位控制有时称为内环控制，就是在霍尔传感器输出信号过零时切换定子导

40、通相，使转子随定子磁场旋转。基于霍尔传感器信号还可以实现转速控制，这是因为传感器输出的脉冲信号的频率与转速成正比，测出脉冲信号的频率即可计算出转速，将该测量的转速与给定转速相比较，对绕组电流进行闭环控制，就可以使电机达到要求的转速。转速控制有时称为外环控制。为了提高利用霍耳传感器测速的精度，高速时应采用测频法，低速时应采用测周法。,10.9 直流电机调速器：设计提示,许多51型单片机或PIC型单片机内部带有A/D转换器和PWM波产生器，利用它们进行设计可以大大简化外部电路。除可采用C8051F020单片机外，还可选用ADuC831、PIC16C73等单片机作为微控制器。霍尔传感器信号经整形后送

41、入单片机的外部中断管脚，用于相位控制和转速控制；调速电位计的输出电压信号送入单片机A/D管脚，经转换后作为用户给定转速；单片机输出PWM波作为功率放大电路的指令信号，其代表的控制量可用于调节电机的速度。,10.10 简易MP3播放器设计,MP3播放器是目前最流行的便携式音乐播放器之一。它与传统的Walkman、CD Player等随身听相比，具有音质好、无机械磨损、抗振动、便携性好等优点。此外，通过采用高压缩率和大容量存储器，一台计算器大小的MP3播放器中可以存储数百首歌曲，并可以通过PC机下载和更新。本例设计一台基于单片机AT89C51SND1C的MP3播放器。AT89C51SND1C内部集

42、成了MP3解码器、USB控制器等，这可以显著简化外围电路，提供MP3播放器的单片解决方案。,10.10 MP3播放器：系统组成,MP3播放器主要由单片机、Flash存储器和音频处理电路组成,此外还包括LCD、键盘、USB接口电路以及电源等。单片机电路是MP3播放器的核心，它先从片外的Flash存储器中读取数据文件，经过解码处理后由SPI串口输出数字音频信号，数字音频信号在音频处理电路中经D/A转换为模拟音频信号，并经音频放大器放大，然后输出至耳机。用户使用键盘控制MP3播放器，并通过LCD查看显示曲目信息和播放器状态设置信息等。此外，MP3播放器还能通过USB接口与PC通信，实现歌曲文件及应用

43、程序的下载。,10.10 MP3播放器：系统组成,MP3播放器的组成,10.10 MP3播放器：设计要求,MP3播放器使用的音乐文件存放在片外的Flash存储器中，存储器容量不小于32MB。功能键共6个，分别定义为播放/暂停/开机、停止/关机、快进、快退，音量+、音量-。开机时，按下“播放”键并保持3秒后开机；关机时，按下“停止”键并保持3秒后关机。MP3播放器可以用实验电源或电池供电。LCD能以中/英文显示曲目信息。MP3播放器通过USB1.1接口与PC机通信，并能在驱动软件的辅助下下载音乐文件。,10.10 MP3播放器：设计提示,采用集成MP3解码器和USB控制器的单片机，如AT89C5

44、1SND1，ST72681等。大容量Flash存储器可选用K9F5608，其容量为32MB。音频处理电路主要包括音频D/A转换器和音频放大器。基于SPI口的串行音频D/A转换器具有接线少、抗干扰能力强等优点，有利于提高音频还原质量。可选的音频D/A转换器有CS4330、CS4338等。采用电池供电时，应设计高效率DC/DC电源模块，实现单节电池供电，并延长播放器工作时间。,10.10 MP3播放器：设计提示,采用DS18B20设计时，应参考其数据手册，了解单总线器件的使用方法。DS18B20内部集成有补偿电路和A/D转换器等，它输出的温度数据直接就是数字量，因此具有模块化、精度高等优点。其缺点是成本较高，同时利用单总线读取数据需要较长的时间。在对成本和实时性要求不高的场合，可优先采用DS18B20进行设计。单总线器件与单片机接口时只占用单片机的一位I/O口，而且具有信号传输距离远的优点，但单片机对它的读写要占用较长的时间。在集总式设计场合，中央处理器要采集大量数据，因此不能在每路信号的读写上都花费大量时间，此时，可以用FPGA或CPLD等器件专门进行多路信号的串并转换工作，并通过中断方式与CPU交换数据。,第10章结束！,第10章 单片机应用系统设计选题,