单片机控制系统设计课件

第八章单片机控制系统设计及应用

第一节

单片机控制系统的设计方法

第二节

提高系统可靠性的常用方法

第三节

单片机在步进电动机控制中的应用

第四节

单片机在直流调速中的应用

第五节

单片机在电子显示屏中的应用

第八章单片机控制系统设计及应用第一节单片机控制系统1第一节

单片机控制系统的设计方法

一、系统设计的内容及步骤

（1）从元件级开始，构成系统

针对具体任务，选用合适的单片机，配以必要的存储器、接口芯片和外围设备来构成系统。

（2）应用已有的单片机系统，适当扩展

已有的单片机系统是51、96等系列单片机组成的单板机。根据实际需要，在此系统的基础上适当扩展I/O通道或其它器件，构成一个测控系统。

二、控制系统设计的内容和步骤

第一节单片机控制系统的设计方法一、系统设计的内容及步骤21．方案设计

(1)单片机机型和器件的选择

a．性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；b．性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；c．结构原理要熟悉，以缩短开发周期；d．货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。(2)硬件与软件的功能划分

1．方案设计3系统的硬件和软件要作统一的考虑。因为一种功能往往是既可以由硬件实现，又可以由软件实现。要根据系统的实时性和系统的性能价格比进行综合确定。2．硬件设计(1)单片机电路设计

主要完成时钟电路、复位电路、供电电路、I/O电路的设计

(2)扩展电路设计

主要完成程序存储器、数据存储器、I/O接口电路的设计

系统的硬件和软件要作统一的考虑。因为一种功能往往是既可以4(3)输入/输出通道设计

主要完成传感器电路、放大电路、多路开关、A/D转换电路、D/A转换电路、开关量接口电路、驱动及执行机构的设计。

(4)控制面板设计

主要完成按键、开关、显示器、报警等电路的设计。

3．软件设计

结合硬件组成，首先明确软件部分各个模块的功能，详细地画出各模块的流程图，然后进行主程序设计和各模块程序设计，最后连接起来得到完整的应用程序。

(3)输入/输出通道设计54．系统调试

将硬件和软件相结合，分模块进行调试，修正和完善原始方案。最后进行整个系统的调试，以达到控制系统的要求。调试完成后将应用程序固化在程序存储器中。

4．系统调试6第二节

提高系统可靠性的常用方法

一、提高系统可靠性的常用方法

（一）电源干扰及其抑制

1．交流电源干扰及其抑制

在工业控制现场，生产负荷经常变化，大型用电设备的启动、停止等，往往要造成电源电压的波动，因此，我们一方面要尽量使控制系统远离这些干扰源，另一方面可在系统中采用干扰抑制器。

第二节提高系统可靠性的常用方法一、提高系统可靠性的常用72．直流电源抗干扰措施①采用集成稳压块单独供电②直流开关电源③DC-DC变换器（二）地线干扰及其抑制1．一点接地和多点接地的应用2．数字地与模拟地的连接原则数字地指的是TTL或CMOS芯片、I/O接口电路芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的地端，以及A/D、D/A转换器的数字地端。模拟地指的是运算放大器、采样保持器等模拟器件的地和A/D、D/A转换器中模拟信号的接地端。2．直流电源抗干扰措施83．印刷电路板的地线分布原则印刷电路板的地线分布一般应遵循下列几个原则：①TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免形成环状。②线路板上的地线要根据通过电流的大小决定其宽度，最好不小于3mm。③旁路电容的地线不要太长④功率地通过的电流信号一般较大，其地线应较宽些，且必须与小信号地分开。3．印刷电路板的地线分布原则94．屏蔽双绞线的接地当采用屏蔽双绞线传送信号时，应将屏蔽体与工作地连在一起，并应注意只能有一个接地点，否则屏蔽体两端就会形成回路，在屏蔽体上产生较大的噪声.5．接地系统在一个完整的单片机应用系统中，存在着三种类型的地：一是低电平电路地线，如数字地、模拟地等；二是电动机、继电器、电磁开关等强电设备的地(亦可称为噪声地)；三是机壳、控制柜外壳地(也称为金属件地)。4．屏蔽双绞线的接地10接地系统示意图接地系统示意图11（三）其它提高系统可靠性的方法1．使用微处理器监控电路2．软件抗干扰措施①输入/输出抗干扰

②避免系统“死机”的方法避免系统“死机”的方法有很多，除了单片机集成的Watchdog功能外，还可以采用软件陷阱的方法。（三）其它提高系统可靠性的方法12第三节

单片机在步进电动机控制中的应用

一、步进电动机的组成及工作原理

步进电动机种类很多，按运动方式分有旋转运动式、直线运动式和平面运动式错齿是促使步进电动机旋转的原因。二、步进电动机的主要参数

步进电动机的主要特性参数有：1．步距角：2．起动频率:3．连续运行频率:4．最大静转矩：5．静态步距角误差：第三节单片机在步进电动机控制中的应用

一、步进电动机的组13三、步进电动机的单片机控制我们以单片机控制的三相步进电动机为例来介绍步进电动机的单片机控制系统。其原理图如图8-4所示。三、步进电动机的单片机控制141．系统工作原理由前述步进电动机的工作原理可知，步进电动机是在一定顺序的电脉冲控制下运转的。根据步进电动机控制方式，将环形节拍控制字按顺序存放在一个表中，然后依次从表中取出控制字并输出，这样即可实现按要求对步进电动机的控制。表8-1列出的为步进电动机工作在三相六拍时的控制字。单片机控制系统设计课件152．步进电动机控制程序设计由前面的分析可知，步进电动机控制的任务就是：①判断旋转方向；②按顺序送出控制脉冲；③判断脉冲是否送完。图8-5程序延时控制流程图步进电动机转速控制可由程序延时来完成，也可由定时器延时来完成。这里以程序延时为例。其程序流程如图8-5所示。2．步进电动机控制程序设计由前面的分析可知，步进电动机控制的16图8-5程序延时控制流程图

步进电动机转速控制可由程序延时来完成，也可由定时器延时来完成。这里以程序延时为例。其程序流程如图8-5所示图8-5程序延时控制流程图17图8-5程序延时控制流程图

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 图8-5程序延时控制流程图18MOV 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 LOOPMOV A,#00H 193．步进电动机变速控制

通常为了提高步进电动机的速率，使步进电动机运行在其工作频率(此频率大于启动频率)，需要低速启动、高速运转、最后降速停止

变频控制的方式很多，如直线方式、指数方式、频率阶梯表法等。这里，以三相六拍运行方式、定时器延时、直线升、降频方式为例编写步进电动机的变速控制程序。程序流图8-7变频调速程序流程图程如图8-7所示。3．步进电动机变速控制20图8-7变频调速程序流程图

图8-7变频调速程序流程图21(3)在升、降频过程中，考虑步进电动机的惯性，要求每改变一次频率，需持续运行一定步数，称频率阶梯步长。采用直线方式时，该值为常数。

(3)在升、降频过程中，考虑步进电动机的惯性，要求每改变一次22第四节单片机在直流调速中的应用

一、直流电动机调速原理

对于直流电动机，其转速的表达式为：式中：n为电动机的转速；U表示电动机电枢端电压；I表示电枢电流；R表示电枢电路总电阻；K为电动机结构参数；Φ为每极磁通量。

第四节单片机在直流调速中的应用

一、直流电动机调速原理23二、单片机控制的脉宽调速系统利用脉宽调速法，其占空比以及占空比与电动机转速的关系如图8-8所示。

在图8-8a中，若电压变换周期为，电压接通时间为t，则占空比为D＝。设电动机固定接通电源时的最大转速为V，则利用脉冲宽度调速的电动机的转速为：

二、单片机控制的脉宽调速系统24图8-9列出了直流电动机在不同转向转速时的脉宽调速方法。·

图8-9列出了直流电动机在不同转向转速时的脉宽调速方法。·25如图8-10所示为使用DAC0832进行电动机正反转控制的电路图。

如图8-10所示为使用DAC0832进行电动机正反转控制的电26第五节

单片机在电子显示屏中的应用

一、点矩阵显示器的基本应用

如图8-12所示为显示英文A、B的示意图

二、利用单片机控制点矩阵显示器

第五节单片机在电子显示屏中的应用一、点矩阵显示器的基本27二、利用单片机控制点矩阵显示器

图8-14所示，为利用单片机控制的4个5×7的点矩阵显示器的硬件连接图。因为从该系统硬件连接图可知

二、利用单片机控制点矩阵显示器28第八章单片机控制系统设计及应用

第一节

单片机控制系统的设计方法

第二节

提高系统可靠性的常用方法

第三节

单片机在步进电动机控制中的应用

第四节

单片机在直流调速中的应用

第五节

单片机在电子显示屏中的应用

第八章单片机控制系统设计及应用第一节单片机控制系统29第一节

单片机控制系统的设计方法

一、系统设计的内容及步骤

（1）从元件级开始，构成系统

针对具体任务，选用合适的单片机，配以必要的存储器、接口芯片和外围设备来构成系统。

（2）应用已有的单片机系统，适当扩展

已有的单片机系统是51、96等系列单片机组成的单板机。根据实际需要，在此系统的基础上适当扩展I/O通道或其它器件，构成一个测控系统。

二、控制系统设计的内容和步骤

第一节单片机控制系统的设计方法一、系统设计的内容及步骤301．方案设计

(1)单片机机型和器件的选择

a．性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；b．性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；c．结构原理要熟悉，以缩短开发周期；d．货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。(2)硬件与软件的功能划分

1．方案设计31系统的硬件和软件要作统一的考虑。因为一种功能往往是既可以由硬件实现，又可以由软件实现。要根据系统的实时性和系统的性能价格比进行综合确定。2．硬件设计(1)单片机电路设计

主要完成时钟电路、复位电路、供电电路、I/O电路的设计

(2)扩展电路设计

主要完成程序存储器、数据存储器、I/O接口电路的设计

系统的硬件和软件要作统一的考虑。因为一种功能往往是既可以32(3)输入/输出通道设计

主要完成传感器电路、放大电路、多路开关、A/D转换电路、D/A转换电路、开关量接口电路、驱动及执行机构的设计。

(4)控制面板设计

主要完成按键、开关、显示器、报警等电路的设计。

3．软件设计

结合硬件组成，首先明确软件部分各个模块的功能，详细地画出各模块的流程图，然后进行主程序设计和各模块程序设计，最后连接起来得到完整的应用程序。

(3)输入/输出通道设计334．系统调试

将硬件和软件相结合，分模块进行调试，修正和完善原始方案。最后进行整个系统的调试，以达到控制系统的要求。调试完成后将应用程序固化在程序存储器中。

4．系统调试34第二节

提高系统可靠性的常用方法

一、提高系统可靠性的常用方法

（一）电源干扰及其抑制

1．交流电源干扰及其抑制

在工业控制现场，生产负荷经常变化，大型用电设备的启动、停止等，往往要造成电源电压的波动，因此，我们一方面要尽量使控制系统远离这些干扰源，另一方面可在系统中采用干扰抑制器。

第二节提高系统可靠性的常用方法一、提高系统可靠性的常用352．直流电源抗干扰措施①采用集成稳压块单独供电②直流开关电源③DC-DC变换器（二）地线干扰及其抑制1．一点接地和多点接地的应用2．数字地与模拟地的连接原则数字地指的是TTL或CMOS芯片、I/O接口电路芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的地端，以及A/D、D/A转换器的数字地端。模拟地指的是运算放大器、采样保持器等模拟器件的地和A/D、D/A转换器中模拟信号的接地端。2．直流电源抗干扰措施363．印刷电路板的地线分布原则印刷电路板的地线分布一般应遵循下列几个原则：①TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免形成环状。②线路板上的地线要根据通过电流的大小决定其宽度，最好不小于3mm。③旁路电容的地线不要太长④功率地通过的电流信号一般较大，其地线应较宽些，且必须与小信号地分开。3．印刷电路板的地线分布原则374．屏蔽双绞线的接地当采用屏蔽双绞线传送信号时，应将屏蔽体与工作地连在一起，并应注意只能有一个接地点，否则屏蔽体两端就会形成回路，在屏蔽体上产生较大的噪声.5．接地系统在一个完整的单片机应用系统中，存在着三种类型的地：一是低电平电路地线，如数字地、模拟地等；二是电动机、继电器、电磁开关等强电设备的地(亦可称为噪声地)；三是机壳、控制柜外壳地(也称为金属件地)。4．屏蔽双绞线的接地38接地系统示意图接地系统示意图39（三）其它提高系统可靠性的方法1．使用微处理器监控电路2．软件抗干扰措施①输入/输出抗干扰

②避免系统“死机”的方法避免系统“死机”的方法有很多，除了单片机集成的Watchdog功能外，还可以采用软件陷阱的方法。（三）其它提高系统可靠性的方法40第三节

单片机在步进电动机控制中的应用

一、步进电动机的组成及工作原理

步进电动机种类很多，按运动方式分有旋转运动式、直线运动式和平面运动式错齿是促使步进电动机旋转的原因。二、步进电动机的主要参数

步进电动机的主要特性参数有：1．步距角：2．起动频率:3．连续运行频率:4．最大静转矩：5．静态步距角误差：第三节单片机在步进电动机控制中的应用

一、步进电动机的组41三、步进电动机的单片机控制我们以单片机控制的三相步进电动机为例来介绍步进电动机的单片机控制系统。其原理图如图8-4所示。三、步进电动机的单片机控制421．系统工作原理由前述步进电动机的工作原理可知，步进电动机是在一定顺序的电脉冲控制下运转的。根据步进电动机控制方式，将环形节拍控制字按顺序存放在一个表中，然后依次从表中取出控制字并输出，这样即可实现按要求对步进电动机的控制。表8-1列出的为步进电动机工作在三相六拍时的控制字。单片机控制系统设计课件432．步进电动机控制程序设计由前面的分析可知，步进电动机控制的任务就是：①判断旋转方向；②按顺序送出控制脉冲；③判断脉冲是否送完。图8-5程序延时控制流程图步进电动机转速控制可由程序延时来完成，也可由定时器延时来完成。这里以程序延时为例。其程序流程如图8-5所示。2．步进电动机控制程序设计由前面的分析可知，步进电动机控制的44图8-5程序延时控制流程图

步进电动机转速控制可由程序延时来完成，也可由定时器延时来完成。这里以程序延时为例。其程序流程如图8-5所示图8-5程序延时控制流程图45图8-5程序延时控制流程图

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 图8-5程序延时控制流程图46MOV 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 LOOPMOV A,#00H 473．步进电动机变速控制

通常为了提高步进电动机的速率，使步进电动机运行在其工作频率(此频率大于启动频率)，需要低速启动、高速运转、最后降速停止

变频控制的方式很多，如直线方式、指数方式、频率阶梯表法等。这里，以三相六拍运行方式、