单片机人门(汇编)第15章单片机控制外设的本领.ppt

实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller,杨欣YangX张延强ZhangY编著莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX主审电子工业出版社2011.2,1,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,第15章单片机控制外设的本领,2,第15章单片机控制外设的本领,外设,3,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,月球车模型，各种外设如电机、温度传感器、摄像头、无线网卡、继电器等在单片机的控制下互相合作，实现了月球车对月亮表面的探测任务。,第15章单片机控制外设的本领,15.1元器件插曲之十六：继电器15.1.1继电器基础知识,4,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,第15章单片机控制外设的本领,15.1.2单片机与继电器,5,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,继电器的低压控制端与接触端之间没有任何电气连接关系，只是利用电磁的吸引和机械的手段实现接触控制，可实现低压直流开关高压直流/交流的功能。继电器通常使用三极管开关实现与单片机I/O的接口。,第15章单片机控制外设的本领,15.1.2单片机与继电器,6,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,继电器K1的控制端由三极管Q1来驱动，只要单片机的P0.7输出高电平则三极管Q1导通，继电器闭合接触端1、3导通，电机开始工作。可见继电器帮助单片机的I/O口实现了低压（5VDC）控制高压（220VAC）的目的。由于继电器K1的电磁铁有一定的电感，在断电瞬间可能会产生较大的反向电压而对三极管Q1不利，因此在继电器K1控制端反接一个二极管D1用于放电。电机可以根据系统的需要更换成电灯、电磁阀等外设，只要保证继电器的接触端额定电压、额定电流分别高于被控用电器的最大电压和最大电流，单片机的I/O口就可以控制任何大功率外设了。,第15章单片机控制外设的本领,15.2.1红外发光二极管的应用,7,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,大多数遥控器外壳前方都发射器红外发光二极管。遥控器上的每一个按键都有一个特定的编码，这些按键编码都是通过红外发光二极管以红外线的形式发射出去的，被遥控的设备如电视、空调上的红外接收管接收，并把红外线编码转换成编码脉冲信号。单片机可根据编码脉冲信号还原出遥控器上是哪一个按键被按下，从而进行相关的操作。,第15章单片机控制外设的本领,15.2.2红外计数器,8,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,在商场、车站等场所，经常在门口看到类似图15-7的一些白色立板，一个立板顶端发射红外线，另一个立板顶端有红外接收管接收。当有人穿过两个立板时，红外接收管被挡一下从而输出一个脉冲，表示有一个人经过。,第15章单片机控制外设的本领,15.2.2红外计数器,9,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,单片机可通过记录接收管输出的脉冲个数，获得进、出商场或车站的人数，在入口、出口分别设置红外计数器，再通过一个简单的减法运算，就能知道在商场或车站等场所内的人数。当人数超出最大容量时发出提示，以限制进入的人数，保证场所内不至于因人数过多而发生拥挤、踩踏事件。,第15章单片机控制外设的本领,15.2.2红外计数器,10,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,利用555芯片作为振荡器产生脉冲信号，并由三极管驱动红外发光二极管。于是得到脉冲发生器及驱动电路如图15-10所示。给电路供+5V的工作电源，555芯片起振，红外发光二极管D1、D3就以某一频率闪烁。闪烁的频率可通过电位器R3或R7来调节。,第15章单片机控制外设的本领,15.2.2红外计数器,11,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,由于在红外线传输过程中会被环境中一些噪声等干扰导致红外接收管接收到的信号不是很好，如果直接输入单片机的I/O口，有可能会导致计数不准确。所以需要在红外接收管和单片机I/O口之间添加一个整形电路。加上用于显示人数的3位七段数码管。,第15章单片机控制外设的本领,15.3元器件插曲之十八：直流电机15.3.1直流电机基础知识,12,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,直流电机是一种将直流电转换成机械能的装置。根据转速的不同，直流电机可分成直流高速、直流低速和直流减速电机等几种。电机底部一般会有两个管脚（或引线）用于供电。,第15章单片机控制外设的本领,15.3.2直流电机的通断控制,13,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,需要根据电机的功率设计三极管开关电路。三极管TIP110最大可驱动额定电压60V、额定电流2A的直流电机，并且在大电流工作状态中三极管需要添加散热器。,第15章单片机控制外设的本领,15.4什么是PWM（脉宽调制）？15.4.1平均电压概念,14,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,电池电压为10V，如果闭合开关50ms，在这50ms内电灯的电压为10V，接着断开开关50ms，在这50ms内电灯的电压为0V。显然，在这100ms之内，电灯的平均电压为：,第15章单片机控制外设的本领,15.4.1平均电压概念,15,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,通过使开关闭合与断开的时间各为50%，使电灯亮度降低，从平均上看，电灯的供电电压变成了5V。如果使开关闭合与断开的时间分配成60%和40%，在ta时间段内，开关闭合的时间为ta60%，而断开的时间为ta40%，所以平均电压为6V。此时电灯比10V时暗，但是比5V时稍亮。,第15章单片机控制外设的本领,15.4.2PWM与平均电压,16,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,利用开关对通、断时间的控制来改变平均电压的方法称为PWM。PWM信号是一个数字信号，这是因为在某一时刻，直流电平要么出现，要么不出现。电源以一系列脉冲的形式向负载供电。在带宽足够的情况下，任何模拟信号平均电压都可由PWM信号产生。,第15章单片机控制外设的本领,15.5直流电机的运行控制15.5.1PWM信号与直流电机,17,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,把PWM信号应用到直流电机的转速控制中，如果PWM信号发生器输出的矩形波信号为12V、且占空比为50%，于是得到PWM信号的平均电压为6V，这与电池所提供的电压相同。所以在PWM信号平均电压为6V时电机无论使用电池供电还是PWM信号发生器其转速是相同的。,第15章单片机控制外设的本领,15.5.2直流电机的转速、转向控制,18,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,转向控制：电机的两个管脚（+、-）和电源之间由4个开关A、B、C、D控制着。图（a）中，开关A和D闭合，开关B和C断开，这样电流从直流电机的+极流向-极，于是电机正转。图（b）中，开关A和D断开，而开关B和C闭合，则电流的方向与刚才正好相反，从电机的-极流向+极，于是电机反转。至于说转速的控制，可在图（a）中，利用开关A、D的闭合与断开给电机提供PWM信号，以此就可以控制正转的转速。同理，在图（b）中利用开关B、C产生PWM信号来控制反转的转速。,第15章单片机控制外设的本领,15.5.2直流电机的转速、转向控制,19,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,这4个开关在实际当中由场效应管充当。如图（a）所示，场效应管Q1与Q4共G极，被置高电平，同时场效应管Q2与Q3共G极，被置0，于是Q1、Q4导通而Q2、Q3截止，于是电流从直流电机的+极流向-极，于是电机正转。在图（b）中场效应管Q1与Q4截止而Q2与Q3导通，于是电流从电机的-极流向+极，电机反转。,给场效应管的D极和S极之间并联一个二极管，当直流电机的电感产生高压而形成电流时，可以通过二极管放电而不会进入场效应管，从而保护了场效应管。,第15章单片机控制外设的本领,15.5.3单片机控制直流电机,20,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,单片机的I/O口直接去操作场效应管的G极有些“力不从心”，因为场效应管的导通需要G极上有一个稍高的电压。于是可以G极前添加一个驱动电路，三极管Q5和Q7驱动场效应管Q2与Q3的共G极，而三极管Q6和Q8驱动场效应管Q1与Q4的共G极。只要把单片机的I/O口分别接到三极管Q7和Q8就可以用程序控制直流电机的转速与转向了。,第15章单片机控制外设的本领,15.5.4直流电机的全面控制,21,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,B0=B1=B2=B3=0时，4个场效应管全部截止时，直流电机两端就好像悬空一样，可以自由地转动，此时为空转状态。电机会因为惯性自由转动，不久由于摩擦等阻力的存在会，电机渐渐停止下来。如果B1=B3=1且B0=B2=0，场效应管Q3和Q4导通。这样，电机两端好像短路一样，如果电机因为惯性还在转动，则在两端所产生的电动势在电机线圈中产生电流，该电流在磁场（电机中有磁体）作用下产生一个与转动方向相反的力，从而阻止电机继续转动，起到了刹车的作用。,第15章单片机控制外设的本领,15.5.4直流电机的全面控制,22,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,在实际应用中，可用直流电机控制芯片L298，电源端+Vs的供电与电机的额定电压相同，最大不超过46V。L298已经集成了场效应管和相应的驱动电路，只要操作其控制端就可实现直流电机的控制。在使能端ENB（11管脚）置1后，电机的正转、反转、刹车、空转运行状态通过控制端IN3（10管脚）和IN4（12管脚）实现，如果用单片机控制时，只要只要把L298的以上控制端与单片机的I/O口连接，由程序选择运行状态即可。,第15章单片机控制外设的本领,15.6元器件插曲之十九：步进电机15.6.1步进电机基础知识,23,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,步进电机的外观或许与直流电机相似都有转动轴和管脚，但其控制方法与直流电机有本质的区别。,第15章单片机控制外设的本领,15.6.1步进电机基础知识,24,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,在步进电机内部，中央有一个齿轮状的转子，转动轴就固定在转子上。转子周围是4个多齿状的电磁铁作为定子（与转子不接触），电磁铁由管脚供电，于是可以被外部电路驱动并控制。步进电机的转动轴运动依靠定子（电磁铁）吸引转子实现。首先，给电磁铁通电，于是转子被电磁铁吸引并转动一个很小的角度，当转子上的齿与电磁铁的齿对齐后转子停止，步进电机转动了1步。,第15章单片机控制外设的本领,15.6.1步进电机基础知识,25,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,当转子上的齿与电磁铁的齿对齐后，转子上的齿与电磁铁之间偏离了一个很小的角度。这时给电磁铁通电而关闭电磁铁，于是转子被电磁铁吸引转动一个很小的角度，当转子上的齿与电磁铁的齿对齐后转子停止，步进电机又转动了1步。,第15章单片机控制外设的本领,15.6.1步进电机基础知识,26,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,接下来接通电磁铁而关闭电磁铁和，于是转子又将转动一个很小的角度，步进电机继续转动1步。然后电磁铁接通，转子又转动一个很小的角度，步进电机又转动1步。就这样，电磁铁、快速依次逐一接通电源，转子不断地以很小的角度“跳动”，在转动轴上就形成了步进的表象。如果电磁铁切换越快，则步进电机转动也就越快。当转动轴步进走过360后，步进电机就转过了一圈。,第15章单片机控制外设的本领,15.6.2步进电机的种类,27,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,步进电机一般分为单极步进电机和双极步进电机两种。单极步进电机一般有5或6个管脚，在电机内部有4个励磁线圈。单极步进电机每个相位上有两个励磁线圈，励磁线圈1和励磁线圈2是同一相位上的两个励磁线圈，励磁线圈3和励磁线圈4是另一个相位上的两个励磁线圈。通常，同一相位上的两个励磁线圈有一端连接在一起形成公共端，如管脚5和6，这样在一个相位上就有3个管脚：管脚1、2、5构成一个相位，管脚3、4、6构成另一个相位。在大多数情况下，二相步进电机只有5个管脚，这是因为在电机内部，两个相的公共端（管脚5和管脚6）相连形成了一个大公共端。,第15章单片机控制外设的本领,15.7步进电机的运行控制15.7.1步进电机的控制方法,28,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,U1是驱动芯片ULN2003，输入端IN1IN7（17管脚）的信号经过反相后由OUT1OUT7输出（1016管脚），这个从ULN2003输出的信号的驱动能力已经有了很大的提升，足够驱动一般步进电机的励磁线圈。,第15章单片机控制外设的本领,15.7.1步进电机的控制方法,29,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,要想让步进电机运转起来，需要依次给励磁线圈1、2、3、4通电。也就是依次在控制线A、B、C、D上出现高电平，如表示。如果反顺序给励磁线圈通电，则步进电机反转。,第15章单片机控制外设的本领,15.7.2步进电机与单片机,30,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,由于步进电机的负载转矩与速度成反比，速度越快负载转矩越小。但速度过快而超过极限后，步进电机将不再转动。步进电机的转动速度与励磁线圈通电切换的频率有关，所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。,第15章单片机控制外设的本领,15.8应用体验用PWM信号控制直流电机15.8.1L298驱动直流电机,31,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,L298的IN1、IN2分别与单片机的P2.0、P2.1相连，使能端ENA与P2.2相连。单片机的P1.0P1.4上有4个按钮，分别用来控制直流电机工作于正转、反转、刹车、空转状态。,第15章单片机控制外设的本领,15.8应用体验用PWM信号控制直流电机,32,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,第15章单片机控制外设的本领,15.9实例解读太阳跟随系统15.9.1为了获得最大的太阳光,33,欢迎访问“电路飞翔网”获取更多信息实例解读51单片机完全学习与应用Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX,太阳跟随系统帮助太阳能电池板跟随太阳运动以获得充足的阳光用来发电，跟随系统主要是一个单片机控制的机械运动机构。太阳能电池板固定在一个由两个电机驱动的支架上，X轴电机控制太阳能电池板翻转，Y轴电机则控制支架轴向旋转。X