單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第八章 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用,第一節(jié) 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用 第四節(jié) 單片機(jī)在直流調(diào)速中的應(yīng)用 第五節(jié) 單片機(jī)在電子顯示屏中的應(yīng)用,,,第一節(jié) 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及步驟 （1）從元件級(jí)開(kāi)始，構(gòu)成系統(tǒng) 針對(duì)具體任務(wù)，選用合適的單片機(jī)，配以必要的存儲(chǔ)器、接口芯片和外圍設(shè)備來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)。 （2）應(yīng)用已有的單片機(jī)系

2、統(tǒng)，適當(dāng)擴(kuò)展 已有的單片機(jī)系統(tǒng)是51、96等系列單片機(jī)組成的單板機(jī)。根據(jù)實(shí)際需要，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)展I/O通道或其它器件，構(gòu)成一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。 二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟,,,,1．方案設(shè)計(jì) (1)單片機(jī)機(jī)型和器件的選擇 a．性能特點(diǎn)要適合所要完成的任務(wù)，避免過(guò)多的功能閑置；b．性能價(jià)格比要高，以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比；c．結(jié)構(gòu)原理要熟悉，以縮短開(kāi)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(hù)。(2)硬件與

3、軟件的功能劃分,,,,系統(tǒng)的硬件和軟件要作統(tǒng)一的考慮。因?yàn)橐环N功能往往是既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，又可以由軟件實(shí)現(xiàn)。要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)的性能價(jià)格比進(jìn)行綜合確定。2．硬件設(shè)計(jì) (1)單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 主要完成時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、供電電路、I/O電路的設(shè)計(jì) (2)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 主要完成程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路的設(shè)計(jì),,,,(3)輸入/輸出通道設(shè)計(jì) 主要完成傳感器電路、放大電路、多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/

4、A轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)量接口電路、驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 (4)控制面板設(shè)計(jì) 主要完成按鍵、開(kāi)關(guān)、顯示器、報(bào)警等電路的設(shè)計(jì)。 3．軟件設(shè)計(jì) 結(jié)合硬件組成，首先明確軟件部分各個(gè)模塊的功能，詳細(xì)地畫(huà)出各模塊的流程圖，然后進(jìn)行主程序設(shè)計(jì)和各模塊程序設(shè)計(jì)，最后連接起來(lái)得到完整的應(yīng)用程序。,,,,4．系統(tǒng)調(diào)試 將硬件和軟件相結(jié)合，分模塊進(jìn)行調(diào)試，修正和完善原始方案。最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，以達(dá)到控制系統(tǒng)的要求。調(diào)試完成后將應(yīng)用程序固

5、化在程序存儲(chǔ)器中。,,,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(chǎng)，生產(chǎn)負(fù)荷經(jīng)常變化，大型用電設(shè)備的啟動(dòng)、停止等，往往要造成電源電壓的波動(dòng)，因此，我們一方面要盡量使控制系統(tǒng)遠(yuǎn)離這些干擾源，另一方面可在系統(tǒng)中采用干擾抑制器。,,,,2．直流電源抗干擾措施 ①采用集成穩(wěn)壓塊單獨(dú)供電 ②直流開(kāi)關(guān)電源 ③DC-DC變換器 （二）地線干擾

6、及其抑制 1．一點(diǎn)接地和多點(diǎn)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(yùn)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(hào)的接地端。,,,,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(gè)原則： ①TTL、CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免形成環(huán)

7、狀。 ②線路板上的地線要根據(jù)通過(guò)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(zhǎng) ④功率地通過(guò)的電流信號(hào)一般較大，其地線應(yīng)較寬些，且必須與小信號(hào)地分開(kāi)。,,,,4．屏蔽雙絞線的接地 當(dāng)采用屏蔽雙絞線傳送信號(hào)時(shí)，應(yīng)將屏蔽體與工作地連在一起，并應(yīng)注意只能有一個(gè)接地點(diǎn)，否則屏蔽體兩端就會(huì)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(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，存在著三種類(lèi)型的地：一是低電平電路地

8、線，如數(shù)字地、模擬地等；二是電動(dòng)機(jī)、繼電器、電磁開(kāi)關(guān)等強(qiáng)電設(shè)備的地(亦可稱(chēng)為噪聲地)；三是機(jī)殼、控制柜外殼地(也稱(chēng)為金屬件地)。,,,,接地系統(tǒng)示意圖,,,,,（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(jī)”的方法 避免系統(tǒng)“死機(jī)”的方法有很多，除了單片機(jī)集成的Watchdog功能外，還可以采用軟件陷阱的方法。,,,第三節(jié) 單片機(jī)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用,

9、一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組成及工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)種類(lèi)很多，按運(yùn)動(dòng)方式分有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式、直線運(yùn)動(dòng)式和平面運(yùn)動(dòng)式 錯(cuò)齒是促使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。 二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性參數(shù)有：1．步距角： 2．起動(dòng)頻率 :3．連續(xù)運(yùn)行頻率:4．最大靜轉(zhuǎn)矩： 5．靜態(tài)步距角誤差：,,,,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 我們以單片機(jī)控制的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例來(lái)介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。其原理圖如圖8-4所

10、示。,,,,1．系統(tǒng)工作原理 由前述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是在一定順序的電脈沖控制下運(yùn)轉(zhuǎn)的。 根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方式，將環(huán)形節(jié)拍控制字按順序存放在一個(gè)表中，然后依次從表中取出控制字并輸出，這樣即可實(shí)現(xiàn)按要求對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。表8-1列出的為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在三相六拍時(shí)的控制字。,,,,2．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序設(shè)計(jì)由前面的分析可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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。

11、 圖8-5 程序延時(shí)控制流程圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制可由程序延時(shí)來(lái)完成，也可由定時(shí)器延時(shí)來(lái)完成。這里以程序延時(shí)為例。其程序流程如圖8-5所示。,,,,圖8-5 程序延時(shí)控制流程圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制可由程序延時(shí)來(lái)完成，也可由定時(shí)器延時(shí)來(lái)完成。這里以程序延時(shí)為例。其程序流程如圖8-5所示,,,,圖8-5 程序延時(shí)控制流程圖 PUSHA MOVR4,#N

12、 CLRC ORLC,D5H JCROTE MOVR0,#20H JMPLOOP ROTE：MOVR0,#27HLOOP: MOVA,@R0 MOVP1,A ACALLDLY INCR0,,

13、,,MOVA,#00H ORLA,@R0 JZTPLLOOP1:DJNZR4,LOOP POPA RETTPL: MOVA,R0 CLRC SUBBA,#06H MOVR0,A AJMPLOOP1

14、 DLY1：MOVA,#M1LOOP:DECADLY：MOVR2,#M DJNZR2,DLY1 RET JNZLOOP,,,,3．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)變速控制 通常為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速率，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在其工作頻率(此頻率大于啟動(dòng)頻率)，需要低速啟動(dòng)、高速運(yùn)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

15、里，以三相六拍運(yùn)行方式、定時(shí)器延時(shí)、直線升、降頻方式為例編寫(xiě)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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。,,,圖8-7 變頻調(diào)速程序流程圖,,,,(3)在升、降頻過(guò)程中，考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的慣性，要求每改變一次頻率，需持續(xù)運(yùn)行一定步數(shù)，稱(chēng)頻率階梯步長(zhǎng)。采用直線方式時(shí)，該值為常數(shù)。,,,第四節(jié) 單片機(jī)在直流調(diào)速中的應(yīng)用,一、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：式中：n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

16、速；U表示電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)；Φ為每極磁通量。,,,,二、單片機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)間為t，則占空比為D＝。設(shè)電動(dòng)機(jī)固定接通電源時(shí)的最大轉(zhuǎn)速為V，則利用脈沖寬度調(diào)速的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：,,,圖8-9列出了直流電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速時(shí)的脈寬調(diào)速方法。,·,