单片机技术及工程实践第7章课件

1、第7章 单片机技术应用实践 * 单片机技术必须与实验和工程实践紧密结合, 理解和应用才能融会贯通.经过实践验证的知 识才易于理解,理解了的知识才能够灵活运用, 灵活运用了知识才能够有所创新.* 初学者可先从有代表性的应用实例入手,进行 模仿、理解和体验,有助于消除畏难心理、尽 快尝试到学习和成功的乐趣.* 绝大部分应用实例,都不同程度应用到定时器 /计数器、中断和串行通信. 掌握了这三大核 心技术的功能,许多问题就能迎刃而解. 17.1 定时器/计数器的音乐应用 * 本章围绕这三大技术功能展示相关应用实例. 采用简单而富有针对性的电路形式,旨在阐明 技术原理和设计思路, 并给出硬件软件范例,

2、使读者在实践中领悟技术要领并受到启发,培 养分析电路原理的能力,养成查阅元件数据手 册的习惯,积累元器件使用的工程经验. 定时器/计数器可作片外输入信号的计数器和作片内定时器. 实现基本的定时功能外,还可与其他技术结合使用,充分发挥应用功能. 27.1.1 设计思路与依据 音乐由不同频率的音符构成,定时器/计数器的片内定时溢出功能产生一定频率的方波脉冲,驱动扬声器发出相应的音符,是单片机音乐应用的技术依据. 1. 音符方波脉冲产生的原理计算出音符频率的方波半周期,用定时器/计数器进行半周期定时并从I/O口输出,同样方法定时的另半个周期从I/O口反相输出,重复这一过程就得到该音符的方波脉冲序列.

3、 3音符发生器的定时波形图例如:中音“D0”的频率523Hz,周期1.912ms,半周期9.56ms,定时器/计数器装入定时预置值并启动,每9.56ms中断溢出一次,在中服重装预置值并启动,反相输出,驱动扬声器发“D0”音. 42. 音符对应的定时器预置值计算 设:定时方式1,构成16位定时器/计数器. 内部计时频率为ftime,周期为ttime， 要产生的音符频率为fmusic,周期为tmusic, 要求的定时计数值为N,定时预置值为X.音符方波脉冲周期比机器周期宽得多,如下： 5从音符频率fmusic的半周期,得到内部定时的机器周期计数值N : N (tmusic2) ttime (fti

4、me2) fmusic从而得到定时器的预置值X (又称时间常数),计算关系为: X 65536(ftime2fmusic)例：用12MHz晶振,求中音“D0”的频率 fDo523Hz所对应的X .因机器周期为1s,内部计时频率ftime1MHz,得 X 65536(1062523)6458063. 音符频率与定时器预置值对照表 77.1.2 硬件电路设计 1. 硬件组成 (精简型89C2051为控制核心)82. 电路原理* 键盘行输出线:P1.0P1.3 (P1.0,P1.1因兼作片内模拟比较器,需加上拉电阻) 键盘列输入线:P1.4P1.6 * 键号“18”对应音符的“中1D0高1D0”，

5、键号“9”对应音符的“低1D0低4FA” * 灯VL采用芯片口线吸电流接法,P3.5低点亮.* 低频放大器LM386用单电源工作,由P3.7单端 信号驱动,扬声器SP为负载.在1和8脚间串入 电阻电容支路可在200倍内调整放大倍数.* 电容C7和C6作芯片供电端的抗电源干扰滤波. 93. 主要器件89C2051为20脚DIP封装,内含2KB Flash.键盘也可用双触点开关搭建,SP阻抗8欧,用万用板. 定时器音乐应用的 实验电路装置样照(建议实 验使用 IC插座) 107.1.3 软件设计 1. 软件框架键盘操作采用直观响应方式:键按下灯亮发声;键释放灯熄消声.采用片内定时溢出中断请求方式,

6、以反相方式从声音驱动口输出方波脉冲.112. 软件流程12* 主程序对定时模式和中断方式初始化, 键盘 扫描采用延时去抖,查表方式(常设在程序之 末)获取键号对应的音符预置值,启动定时器 输出音符脉冲.* 中服程序中通过程序状态字PSW中的 R0、R1 切换工作寄存器区来保护现场. 由于定时启 动后没有使用停止指令, 因此重装定时预置 值后定时器仍能继续运行. 3. 汇编语言源程序 (见书P.160) 对照流程图写指令语句,需注意避免字符键入13错误.程序最末端的数据表TAB采用DW伪指令,把12个预置值以十进制数表示. 习惯上把调用的子程序和中断服务程序放在主程序的后面,且最后必须以END语

7、句作结束标志. 4. C语言源程序 (见书P.164) * 汇编语言程序简练,尤能发挥硬件层面的控制 优势,但运算能力较弱,需要直接操作RAM空间. * C语言有很强数据运算能力, 用户不必知道数 据放在的RAM空间位置,但效率较低,编译成的 代码量较大.两者结合可充分发挥各自优点. 147.1.4 应用说明 电路装置上电后系统复位, 按下任一按键,扬声器发出对应单音符声音且灯发亮,按键释放时单音符声音消失且灯熄灭,连续操作按键可演奏由12个音符组成的音乐,体现定时应用. 7.2 中断技术的双向识别 7.2.1 设计思路和依据 1. 物体运动方向识别的意义和应用 识别物体的运动方向有实际工程应

8、用价值,诸如统计进出博物馆人数,办公室或实验室以人15人员计数为依据的灯光通断节能控制,公交车的上落客流量统计等.由51系列单片机两个外部中断源作联合控制, 结合标志位的运用,可实现双向识别的功能. 2. 外部中断触发信号的产生方法 进行运动方向识别,须提供两路外部中断信号,可利用红外透射式对管来实现,用其中红外接收管的输出作为中断源.只要红外发射管被遮挡,红外光就不能被红外接收管接收, 对管的输出端便产生负脉冲信号,触发外部中断. 163. 物体运动方向识别的方法分析 把两组红外透射对管并排装在同一水平面上.* 物体先从外部进入,红外透射光(1)首先被遮 挡,接着才是红外透射光(2)被遮挡,

9、 首先触 发外中断0,接着触发外中断1. 同理,物体从 内部出来,先触发外中断1,后触发外中断0.17* 程序设定标志,以记录中断触发的先后次序, 据此判断物体的运动方向.再把运动方向转 换为加减运算,根据运算结果执行相应的控 制操作,如开灯、关灯或超限报警等.7.2.2 硬件设计* 因用I/0口线少,以精简型89C2051 作核心.* 两组红外透射对管构成运动方向识别电路, 负脉冲信号经芯片整形后用作中断信号. * 用固体继电器作执行机构, 驱动交流灯泡. 1. 硬件组成 (三部分)182. 电路原理 (中断技术的双向识别) * VD1,VD2为红外发射管.V1,V2为光敏接收管.19 U3

10、,U4为施密特触发反相器.K为固体继电器.* 没物体遮挡时两接收管均导通,集电极低电 平经U3和U4整形和反相后,变为高电平, 不 触发外部中断.* 任一组红外透射对管受遮挡时,接收管截止, 集电极电平跳变,经整形反相后产生从高到 低的下降沿,触发外部中断. * 物体从外部进入,U1先被遮挡而U2后被遮挡, 编程关系是计数值增1;物体从内部出来,U2 先被遮挡而U1后被遮挡,计数值减1.* 若计数值大于0,使P3.5保持低,灯VL保持亮.20 同时,使P3.4保持低,控制固体继电器K使输 出端VT(双向晶闸管)导通,交流灯泡HL点亮.* 当计数值等于0,使P3.5和P3.4 均变高电平, 控制

11、灯VL熄灭和固体继电器K关断.* 由C3和R7实现单片机上电复位. 3. 主要器件 (双向识别)单片机用89C2051型.红外发射管与接收管的实验透射距离取8cm,一般的聚焦型红外发光二极管和光敏接收管都能胜任. 交流固体继电器用GTJ24-1A型,直流输入端314V,交流输出端240V/1A.交流负载用1525W灯泡. 21双向识别实验装置样照: 221. 软件框架 (判中断触发先后,置相应标志)7.2.3 软件设计23* 用位地址 30H、31H 记INT0、INT1触发标志.* 物体进入,先触发INT0,置标志为1,中断返回. 随后触发INT1,中服查到INT0标志为1，判为 进入方向,

12、计数值增1,请INT0标志,中断返回. * 物体离开,先触发INT1,置标志为1,中断返回. 随后触发INT0,中服查到INT1标志为1，判为 出离方向,计数值减1,请INT1标志,中断返回. * 主程序对计数结果作判断,进行控制操作.注: 增1操作应在INT1中断服务程序中完成. 减1操作应在INT0中断服务程序中完成. 计数值为0时若仍有出离,则不减1保持0.242. 程序流程(1)中断技术的双向识别主程序流程图 初始化设标志,清缓冲区,MA2循环判计数区值.25(2)双向识别的INT0中断服务程序流程图 26 ITA作两个判断：1)若INT0自身被触发,则INT1的标志没置位,可 置标志

13、30H为1,属先进入的中断,中断返回. 1)若INT1标志已置位,表明INT0是后触发,INT1 属先出离的中断.把个位计数单元减1,不 不够减便向高位计数单元借位(最高千位), 当前被减的单元写入09H. 若千位计数单元 25H为0,则把所有单元清0,标志31H置为0,为 下一次判断作准备,然后中断返回. 27(3)双向识别的INT1中断服务程序流程图 28 ITC作两个判断：1)若INT1自身被触发,则INT0的标志没置位,可 置标志31H为1,属先离开的中断,中断返回. 1)若INT0标志已置位,表明INT1是后触发,INT0 属先进入的中断.把个位计数单元增1,满 10便向高位计数单元

14、进位，若最高千位25H 计满10,表示上限溢出,则把所有计数单元清 0,且千位25H写入1,以维持外部执行机构的 当前状态,再把标志30H置为0,为下一次判断 作准备,然后中断返回. 293. 汇编语言源程序 (见书P.174) 包含一个主程序和两个外部中断服务程序. 4. C语言源程序 (见书P.176) 包含头文件,主程序(含两个中断服务函数). 7.2.4 应用说明见图照,两路红外光线从左立柱两小圆孔发出,被右立柱两个光敏管接收.用条状纸板在两立柱间从由外往内沿水平方向移动,使两路光线先后被遮挡, 如进入1至5次,右立柱灯VL和灯泡HL均亮;纸板改由从内往外水平移动,直至5次后灯才熄.工

15、程应用红外光需调制以抗干扰. 307.3 串行通信的自发自收 内部的全双工串行通信口,共用一个收/发缓冲器,可用查询、中断或两者的混合方式同时串行发送和接收.这类实验通常需要两套单片机硬件装置,为简化硬件设计, 只用一套单片机装置, 通过串行口自发自收的方法,达到上述三种串行通信方式的实验目的,能减轻初学者制作上的负担. 7.3.1 设计思路和依据 1. 串行通信发送方式和接收方式的选择31 同一方式的串行通信只能了解单一的原理,混合方式的串行通信更利于对编程方法全面了解.为了以简化的方式了解通信的全过程, 发送端端以查询标志方式分别发送三个不同的数据帧,接收端以中断方式分别接收三个不同的数据

16、帧.以显示的数据一致为通信实验成功. 2. 人机交互输入接口和数据显示接口的综合 运用 收发端均设独立式按键作人机交互接口.由按键启动数据发送并直观显示,接收端由按键启动数据显示,仅用一位数码管作硬件译码静态显示. 327.3.2 硬件设计1. 硬件组成AT89C51作电路控制核心.收发两端均配有显示十进制数字的硬件译码/锁存/驱动芯片和一位共阴极LED数码管.发送端用含三个独立按键的接口电路来启动数据发送，按键按下后伴有蜂鸣器发声提示. 接收端只用一个独立按键来启动数据显示,按键的操作伴有灯光指示. 2. 电路原理* 用一套单片机,RXD和TXD 短接实现自发自收. 33自发自收串行通信实验

17、电路 34* 发送端由锁存/译码/驱动芯片U2和共阴极数 码管DG1等作静态显示,位控制线接地.BCD码 输入端接P1.0P1.3口,信号由LE从低变高锁 存, 经译码后ag段输出通过限流电阻接DG1. * 由 P2.4P2.6口循环查询S1S3中哪个键按 下,通过TXD口发送数据帧, 3、7、9 为对应 预置值,并由P2.2口低电平驱动Buzzer发声.* 接收端由U3和DG2组成静态显示,P2.1口提供 LE锁存脉冲,接收的数据存于显示缓冲区.循 环查询S4按下后，启动显示并伴有灯VL发亮.* 三数据的收/发经S手动复位后可反复进行. 353. 主要器件 (自发自收串行通信)89C51内含

18、4K Flask,译码芯片CD4511,1/2吋共阴数码管,自带发声振荡电路的蜂鸣器Buzzer,双触点按键S1S4.VL为红光LED.注： 89S51可用下载线在线编程.367.3.3 软件设计1. 软件框架由发送端主程序、接收端主程序和接收端中断服务程序共三部分组成. * 发送端两个查询任务:查13中何键按下,发数 37 据并显示,伴有声音提示. 查TXD口的发送标 志置位,以便发送下一帧,此即查询方式发送.* 接收端标志置位便触发接收中断, 进入中服 程序接收数据并储存,把接收标志清零,为下 一帧中断接收作准备,此即中断方式接收.* 接收端主程序负责检测按键4被按下,伴有灯 指示,并从R

19、AM中取出所收数据作静态显示.* 若收发两端每次数据显示相同, 则通信成功.注:键13和键4按照逻辑关系应分开查询,但仅 有一块单片机,因此实际编程是在一个主程 序内对4个按键进行联合查询来实现.382. 程序流程(1)发送端的主程序流程图 键被按下发声,键释放消声,且均加入延时去抖. 39(2)接收端的主程序流程图 (3)接收端中服 程序流程图 (任务简单)键的处理同发送端,S4只起启动数据显示作用. 403. 汇编语言源程序 (见书P.183) 4. C语言源程序 (见书P.186) 7.3.4 应用说明* 见图照,系统上电复位,按左侧键S1,蜂鸣器 发声,发送预设数据“3”, 并由左侧D

20、G1显示.* 按右侧键S4,VL发亮,收到的数据“3”由右侧 DG2显示.键S2和S3分别对应数据“7”和“9”.* 在自发自收串行通信基础上,可加入奇偶校 验功能,扩展为双机通信和多机通信，能从 中积累实践经验.417.4 融合定时控制的键盘输入 * 矩阵键盘是人机交互最常用界面. 调用键盘 子程序输入信息,键入结束则返回主程序.利 用1.6.3节的“待机”功能,把键盘输入与中断 触发相结合,在键入时单片机被唤醒,键入完 毕单片机返回待机,可实现节能.* “待机唤醒”交替控制的典型应用是电子密 码保险柜(见8.2节), 但非正常操作(如密码 键入不足), 键盘子程序会一直等待键入,无 法返回

21、主程序的待机态,电路处于全耗能.* 把定时技术融合到键盘操作中, 对键盘实施 计时控制,能解决键盘不能自动返回的问题. 427.4.1 设计思路和依据 1. 键盘输入的选择和响应方式 回顾键盘操作的三个步骤:判断有否键按下,何键按下,赋予键值(按下和释放均加延时去抖).同时伴以声光直观提示:键按下发声或亮灯,键 释放消声或熄灯. 三种方法:键盘扫描法,键盘反极法,键盘位操作法.2. 定时控制在键盘操作中的接入方式键盘子程序进入时启动定时器,退出时停止计时.在键入等待期间，当定时溢出次数达到预设最大值时，结束键盘子程序并返回主程序. 437.4.2 硬件设计1. 硬件组成VL1,VL2表键盘输入

22、状态.VL3表定时控制结束.442. 电路原理* 上电复位P0.0置低,红灯1亮,表示系统正常.* 矩阵键盘采用反极法,P1.0P1.2口控制行 线,P1.3P1.6口控制列线. 检测到有键按 下时,P2.0置低,驱动BELL发声;按键释放时, P2.0恢复高,BELL消声.* 键入次数由灯指示:键入达3次,绿灯2亮;键 入达6次(最大预设值),红灯3亮, 键盘子程 序则正常结束返回主程序(可进入待机态).* 若键入不足6次,预设30秒定时到达后红灯3 亮,BELL发声,自动退出键盘子程序(可进入 待机态).按复位键S可开始新的键入操作.453. 主要器件AT89C51,键盘可用双触点按键构建

23、,BELL属自发声型蜂鸣器组件(加电发声),晶振频率6MHz. 467.4.3 软件设计1. 程序流程图 (1)常用的键盘扫描子程序流程图,含键盘 输入的识别三步骤,且插入声音提示. 47(2)定时控制的键盘输入子程序流程图.若无键按下,查定时溢出和次数满则赋空键值并自动返回.48(3)融合定时控制的键盘演示主程序流程图 调用键盘子程序, 键入3次灯2亮,共键入6次灯3亮;无键入定时满,查空键值退出.492. 汇编语言源程序 (见书P.194) 主程序负责统计键入次数和查询空键值标志;子程序负责查询定时溢出标志和统计溢出次数,溢出次数满则赋以空键值标志. 3. C语言源程序 (见书P.196)

24、 7.4.4 应用说明* 系统上电或手动复位,红灯1亮,表系统正常.* 键按下BELL发声,键释放消声.键入任3个数 字,绿灯2亮;再键入3个数字,红灯3亮. * 若键入不足6次,30s时间到红灯3亮,定时控 制生效,结束键盘子程序,自动返回主程序.507.5 混合控制技术的红外遥控 * 单片机常与不同种类的输入器件/输出器件 混合运用,进行小信号对大信号的控制、弱 电对强电的控制.* 下述混合控制技术之红外遥控装置,用普通 电视机遥控器,向一体化红外接收头发射红 外脉冲,由定时器和中断技术进行解码识别, 送出相应的控制信号,驱动双向晶闸管开关, 实现对交流负载的供电控制.其中单片机的 直流供

25、电通过电容降压技术取自交流市电, 使装置小型便携. 517.5.1 设计思路和依据 1. 红外遥控编码脉冲的概念红外遥控信号在空间中传输,无论是逻辑“1”或者逻辑“0”, 都必须有脉冲信号发出.采用脉冲宽度调制的编码格式, 由不同的脉冲宽度区分脉冲码元(或称码位)的逻辑1和逻辑0. 52红外遥控编码格式 (也是一种通信协议) * 图中逻辑“0”和逻辑“1” 均由宽度相同的高电 平和零电平组成,零电平短的代表逻辑“0”,长 的代表逻辑“1”. * 编码格式还没有国际或国家标准,企业自定标 准各不相同.Tm 值在0.51ms不等,有的引导 码取TaTb(4.5ms),有的取TbTa(9ms).*

26、红外脉冲序列由三部分组成： 引导码；用户码，用户反码；功能码, 功能反码.其中引导码用来区分不同厂家编 码产品或非红外遥控器产生的干扰脉冲. 53* 码串含两个8位码元组成的字节, 用来区分 同一厂家不同型号的产品；码串也含两个8 位码元组成的字节,用来区分不同功能的按键.* 键按动时,遥控器发射包含引导码和32个码元 的脉冲序列,长度典型值约108ms.序列波形:2. 一体化红外接收头及其解调脉冲一种三个外部引脚的新型集成化器件,引脚V+54是供电端,引脚GN是接地端, 引脚V0(或OUT)是脉冲信号输出端. 红外调制信号经内部红外接收管接收和光电转换;由芯片进行前置放大,限幅放大,带通滤波

27、,峰值检波和波形整形, 去掉载波信号,输出反相脉冲,序列波形如下: 3. 单片机对解调脉冲的识别依据 利用外部中断技术,结合16位定时器/计数器的 55门控位,测量序列每个码元的高电平宽度.当门控位GATE1时,定时器只在外部中断引脚出现高电平时才启动计数,引脚变低时停止计数. 这种从反相序列测得的高脉冲宽度,实质上是原脉冲码元的零电平宽度, 因此可以把宽度的判断直接转换成逻辑“0”或逻辑“1”码元, 并组成8位字节的脉冲编码值.具体测量例如: * 反相序列中引导码下降沿(1)触发外部中断, 启动定时器计数,变高电平(2)时停止测量并 改置门控位GATE1,对外中断口电平查询.* (3)部分是

28、脉冲码元的低电平部分,不必测量. 56* (4)和(5)部分是脉冲码元的高电平宽度,其 测量受到门控位GATE的控制,只在高电平出 现时才启动定时器计数,低电平出现时立即 停止,宽度就能被精确测量.* 码元(4)和(5)部分的宽度比例不同(取定时 器低8位向高8位字节的进位值,一般在09 范围), 图中前者码元赋逻辑“0”,后者码元 赋逻辑“1”,不必理会实际宽度值,使识别简 化.8个码元逻辑值构成一个字节的编码值.注:由外中断测量引导码,接着在中服程序查询 外中断口电平,测量码元宽度后中断返回.574. 电容降压式稳压供电方式通常由交流变压器降压,经全波或半波整流和阻容滤波后,再经三端稳压器

29、,输出5V 直流电压.但变压器等对小巧装置会显得过于庞大,在某种应用场合,通过电容降压的方法可直接从交流市电中取得5V的供电电压.58 图a):C1为交流降压电容,C2为滤波电容,R1为漏放电阻.VD1和VD2为整流二极管,VS为稳压管. 交流市电Ui正半周,电源通过C1和VD1向C2充电,并由VS稳压; 在交流市电Ui的负半周,电源经VD2向C1反向充电,为下一正半周充电作准备. 图b):交流正半周充电通路是C1-VD2-C2-VD3;交流负半周充电通路是VD4-C2-VD1-C1,电容C2在两个半周均被充电.关系式如下: 在50Hz电源中的容抗为： 所能提供的电流为： 59当C1取1F时，

30、 I69mA 半波电路,电流只有全波电路的一半(34.5mA). 元件参数取值:VD1VD4的反向耐压应大于输出电压Uo,交流电容C1的耐压值必须大于交流市电电压的峰值，VS取Uo值作为稳压值.交流市电与电路断开后,电阻R1对C1放电,以防止触电.R1的取值范围在500k1M之间. 注:半波电路的输出端与交流市电存在公共端, 交流负载应考虑装置安全性,如采用绝缘性 能良好的塑料外壳,并确保外壳表面不与装 置中的裸露金属部接触,避免使用者触电. 607.5.2 硬件设计1. 硬件组成 (红外遥控交流供电开关电路 )61 因占I/O口线少,用精简型89C2051作控制核心.电容降压半波整流电路后随

31、三端稳压集成芯片,以提高直流供电稳定性. 用一体化红外接收头接收红外遥控器的红外编码脉冲. 由拨动式开关SW选择不同的引导码, 以适应不同型号的红外遥控器. 单片机的输出经晶体管放大后驱动功率执行机构(双向晶闸管作交流开关)，控制灯泡的通/断.手动按键S1可代替红外遥控器作交流开关的手动控制. 2. 电路原理* 拨动式开关SW的a和b接通时引导码为08H,a和62 b断开时为06H.* U3接收到红外遥控器的编码脉冲,解码后从V0 送至U1的外中断口(P3.2),由引导码的下降沿 触发中断. 引导码宽度测量符合后,P3.0口输 出低使晶体管V导通,双向晶闸管TRIAC因门极 G得电而导通,交流灯泡HL点亮,灯VL同时点亮.* 红外遥控器再发射一次编码脉冲,经接收处理 后从P3.0口反相输出高电平, 使晶体管V截止, TRIAC因门极G失电而关断,灯泡HL和灯VL熄灭.* 键S1按下时,P1.7口检测到低电平后从P3.0口 输出低电平,晶体管V导通,灯泡HL和灯VL点亮. 63* 再按动键S1,当P1.7口检测