电工（技师、高级技师）课件 项目4 单片机控制的电气装置装调维修

电工（技师、高级技师）项目1应用电子电路调试维修项目2交直流传动系统调试维修项目3可编程控制系统调试维修项目4单片机控制的电气装置装调维修项目5复杂机械设备电气控制电路的测绘和检修工艺项目6电气设备和自动控制系统调试维修项目7工业机器人应用技术项目8新能源发电系统电路应用项目9论文答辩与培训指导项目4单片机控制的电气装置装调维修4.1单片机控制系统4.1.1单片机控制系统开发流程1.确定总体设计方案（1）明确应用系统的目标和任务认真分析系统要实现的功能和要求，明确目标和任务，并将任务细化为一个个具体化的功能块。1）该系统有哪些外围设备？2）每个控制功能块要控制哪些物理量或被控参数？3）有哪些参数与被控参数的控制有关系？4）控制参数与被控参数的控制关系是怎样的？（2）确定参数与数字信号的转化方法应用系统不同，控制参数、被控参数也千差万别，而单片机只能接收、处理、输出数字信号，所以必须将其他信号进行数字信号转换。4.1单片机控制系统1）信号传感器。2）脉冲触发信号发生电路。3）电平转换电路。①直接驱动：适于LED等小功率外部设备。②经放大电路放大后驱动：如单片机对小功率步进电动机的控制。③由电磁继电器控制设备的电路：单片机输出信号只连接继电器，由继电器控制设备主电路的通、断。④经数/模转换后驱动：如单片机对示波器、绘图仪等设备的控制。（3）机型选择根据应用系统的复杂程度确定选择4位、8位还是16位机，根据使用场合、精度要求等确定使用哪类机型等。1）货源充足稳定，便于批量生产。2）在考虑性能、价格比的前提下，选择最容易实现产品技术指标的机型。4.1单片机控制系统3）要选择设计者最熟悉的机型和元器件，以缩短研制周期。4）元器件的选择包括传感器、模拟电路、输入/输出电路和存储器等，这些元器件的选择应符合系统的精度、速度和可靠性等方面的要求。（4）划分硬件和软件功能系统的硬件配置和软件设计是紧密地联系在一起的，而且硬件和软件具有一定的功能互换性。（5）操作维修方便在设计系统的软硬件时，应考虑操作和维修方便，尽量降低对操作人员的专业知识要求，以利于系统的推广。（6）性能/价格比一个单片机应用系统能否被广泛使用，关键在于是否有较高的性能/价格比。2.硬件设计（1）单片机应用系统的结构根据系统的复杂程度，单片机应用系统有3种典型结构。1）单片机最小应用系统。2）小规模扩展系统。4.1单片机控制系统3）大规模扩展系统。（2）硬件设计步骤1）确定传送方式。2）根据系统需要确定使用的结构形式，确定系统中主要电路是最小系统还是扩展系统。3）资源分配。4）电路连接。3.软件设计（1）系统定义系统定义是在软件设计前，把软件承担的任务（结合硬件结构）确定下来。1）定义说明各输入/输出的功能，确定信息交换的方式、与系统的接口方式、占有的口地址、读取和输出方式等。2）在程序存储器和数据存储器区域合理分配存储空间，包括系统主程序、常数表格数据暂存区域、堆栈区域、入口地址等。4.1单片机控制系统3）对面板控制开关、按键等输入量以及显示打印等输出量必须给予定义，作內编程的依据。（2）软件结构设计合理的软件结构是设计单片机应用系统的基础，它能使CPU有条不紊地对各个相对独立的任务进行处理。（3）程序设计1）建立数学模型。2）参数的计算。4.仿真调试5.系统安装6.投入使用和产品化4.1单片机控制系统4.1.2单片机应用程序编译方法1.Keil软件的安装1）从软件官方网站下载Keil软件后，打开KeiluVision4的存放文件夹，双击运行文件"C51V901.exe"，如图4-4所示。2）双击后，在弹出的对话框内单击“Next”按钮，如图4-5所示。4.1单片机控制系统3）在弹出的许可协议对话框中勾选“IagreetoallthetermsoftheprecedingLicenseAgree-ment”，继续单击“Next”按钮，如图4-6所示。4）在弹出安装文件夹对话框后单击“Browse”选择安装路径，假定将安装的目录选择在“C：\Keil”，再次单击“next”按钮，如图4-7所示。4.1单片机控制系统5）在弹出的“使用者信息”对话框中需输入姓名及电子邮件信息；然后单击“Next”按钮，如图4-8所示，接着软件会自动安装。6）安装完成后弹出对话框，单击“Finsh”按钮，如图4-9所示。7）此时虽完成安装，但在编译一些较大的文件时，将会出现编译不能继续进行的问题，此时可以根据软件官方要求对软件注册，注册方法：打开KeiluVision4，单击“File”⟶“LicenseMan-agement...”，弹出如图4-10所示对话框，输入序列号完成全部安装。4.1单片机控制系统4.1单片机控制系统2.Keil程序编译步骤（1）打开Keil软件并创建新工程双击Keil图标，在软件界面选择“Project”⟶“NewuvisionProject”，弹出“工程创建”对话框如图4-11所示，选定新建工程项目文件的存放路径，并输入新建工程项目的文件名，单击“保存”按钮。（2）选择单片机芯片类型工程项目新建完成后，会自动弹出“芯片选择”对话框，可以从元器件库中根据实际情况选择需要的芯片，这里选择Atmel公司的AT89C51单片机，单击“OK”按钮，如图4-12所示。4.1单片机控制系统4.1单片机控制系统（3）创建并编写程序源文件单击菜单“File”⟶“New”（或单击工具栏中新建文件按钮），会自动创建名为“Textl”的程序文件，如图4-13所示，在该文件内可以输入程序指令代码。4.1单片机控制系统（4）添加源程序文件到工程中在软件界面工程管理窗口（“Project”窗口）中，单击“Target1”前面的“+”号使其展开，选中“SourceGroupl”选项，单击右键，选择“AddFilesTo

Group‘SourceGroup1’”选项，打开“添加源程序文件”对话框，在弹出的窗口中选择刚刚新建立的源文件，单击：“Add”按钮完成添加，如图4-14所示。4.1单片机控制系统（5）设置工程项目属性在工程管理窗口（“Project”窗口）中的“Target1”上单击鼠标右键，单击“Optionsfor

Target‘Target1’”，也可以直接单击工具栏中“目标属性”按钮，打开“项目属性”对话框，如图4-15所示。4.1单片机控制系统（6）编译并连接工程项目单击菜单“Project”⟶“Buildtarget”（或单击工具栏中编译按钮），对工程进行编译、汇编和连接，生成目标代码文件，包括目标文件、列表文件、绝对地址目标文件、绝对地址列表文件、链接输入文件、HEX文件等。4.1单片机控制系统1.KeilwVisionIDE的软件模拟仿真调试（1）软件仿真参数设置在使用𝜇VisionIDE内嵌的软件模拟仿真器进行仿真之前，首先应对𝜇Vision的仿真参数进行设置。4.2单片机应用程序仿真调试4.2单片机应用程序仿真调试（2）应用程序的仿真调试工程完成编译与连接后，单击菜单“Debug”⟶“Start/StopDe-bugSession”，则当前工程中的应用程序进入𝜇Vision的调试模式，如图4-18所示。1）单步调试程序。4.2单片机应用程序仿真调试4.2单片机应用程序仿真调试2）查看和修改寄存器。3）查看外部I/O端口。4.2单片机应用程序仿真调试4）查看和修改变量。5）查看定时/计数器。6）查看中断情况。7）断点操作。4.2单片机应用程序仿真调试4.2单片机应用程序仿真调试2.Keil𝜇VisionIDE的硬件仿真调试（1）仿真调试硬件连接在进行硬件在线仿真调试前，应该先将Keil软件仿真平台与仿真器连接完毕，安装好串行接口芯片驱动程序，硬件连接示意图如图4-25所示。4.2单片机应用程序仿真调试（2）参数设置在软件界面的“Project”窗口中选中“Target1”，单击鼠标右键，选择“OptionsforTarget‘Target1’”，打开“项目属性”对话框（或直接单击工具栏中“目标属性”按钮），选择“Debug”选项卡，选中右侧的“Use：”选项，在其后侧的下拉菜单中选择"KeilMonitor-51Driver"（根据仿真器的类型选择），其他选项设置跟“UseSimulator”软件仿真相同，如图4-26所示。4.2单片机应用程序仿真调试（3）开始调试将仿真器及实验设备的电源打开，在工程项目编译连接成功后，单击菜单“Debug”⟶“Start/StopDebugSession”，就进入仿真状态，如图4-28所示。4.2单片机应用程序仿真调试1.单片机程序烧录常用的接口模式（1）JTAG接口模式JTAG（JointTestActionGroup，联合测试工作组）是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。（2）UART串口模式这种模式就是单片机利用自身的串行口下载程序，通常借助USB接口与计算机连接，因此需要采用USB-TTL.转换芯片实现这一过程，常用的转换芯片有MAX232、CH340等。（3）SPI接口模式SPI（SerialPeripheralInterface）接口即串行外设接口是一种同步外设接口，它可以使单片机与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。（4）其他方式除以上几种接口模式外，还有USB及RJ45网口下载等方式，这些接口方式往往需要单片机具备与之对应的端口，同时还要编写对应的驱动程序后才能够使用这些接口，因此，常用于高端复杂的单片机中，入门级单片机较少使用。2.常用单片机程序烧录方式（1）ICP在电路编程这种允许使用商业编程器来实现编程和擦除功能，而无需将微控制器从系统4.3单片机应用程序烧录中移出，可完全由微控器硬件完成，不需要外部引导器。（2）IAP在应用编程IAP在应用编程是指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，即可用程序来改变程序。（3）ISP在系统编程ISP在系统编程是指开发人员可以直接在电路板上对芯片进行编程，而不用把芯片拆下来放到烧写器中，即烧录对象不用脱离系统就可以完成程序数据的写入，所以称为“在系统编程”。3.典型单片机程序烧录步骤（1）生成.hex文件单片机应用程序经过正确的编译及调试后，会在工程项目所处文件夹下生成.hex文件，该文件即为待烧录至单片机中的目标文件，如图4-30所示。（2）硬件连接并查询COM口将USB-TTL转换电路板卡或单片机开发板通过USB连接线与计算机相连，根据提示正确安装转换芯片的驱动程序；桌面鼠标右键单击“计算机”，选择“设备管理器”，再双击右边的“端口（COM和LPT）”，就可以查看到USB转串行口的COM端口号（本4.3单片机应用程序烧录例为COM3），如图4-31所示。（3）STC单片机程序烧录从STC单片机官方网站下载专用烧录软件并打开，程序烧录前要进行以下参数设置：单片机型号（此例为STC89C52RC）、串口号（此例为COM3）、最低和最高波特率、打开程序文件（此例选择project1.hex，见图4-30），如图4-32所示。4.3单片机应用程序烧录4.3单片机应用程序烧录技能训练1基本指令的单片机程序调试1.训练目的2.训练内容1）用KeiluVision4软件新建应用程序工程。2）用基本指令编写一基于单片机控制的流水灯的程序。3）完成程序的编译与调试。4）完成硬件电路连接，烧录程序实现功能验证。3.软硬件准备4.任务分析1）流水灯，即让发光二极管循环点亮，也就是第1个发光二极管点亮约0.5s后，第1个发光二极管在灭的同时第2个发光二极管点亮，在经过0.5s后第2个灭的同时第3个再亮，如此循环下去，直到4.4综合技能训练第8个发光二极管点亮，并重复上述过程。2）Keil软件的使用方法和步骤。5.参考电路4.4综合技能训练6.参考程序4.4综合技能训练7.操作步骤（1）新建工程操作如图4-35、图4-36所示。4.4综合技能训练（2）编写程序、保存、加入工程操作如图4-37、图4-38所示。4.4综合技能训练（3）设置参数、程序编译操作如图4-39、图4-40所示。（4）仿真调试程序操作如图4-41、图4-42所示。（5）搭建硬件电路并烧录程序操作如图4-43、图4-44所示。4.4综合技能训练4.4综合技能训练技能训练2单片机控制的电气装置电气故障排除1.训练目的2.训练内容1）根据电气故障表现形式初步排查故障原因。2）完成电气装置结构组成、工作原理及控制流程的分析。3）明确引起故障的原因，排除故障。3.知识准备（1）电气故障基本知识所谓故障是指设备或系统由于某种原因失去原有功能而无法正常工作的现象。1）电源类故障：主要表现为断开电源、电源电压高低、电源功率大小、电源频率偏差、电源极性错误、电源缺相或相序错误、交直流混淆及电源干扰等。4.4综合技能训练2）电路故障：主要表现为电路断路、短路或短接，以及接地混乱及接线错误等。3）设备和元器件故障：主要表现为元器件过热烧毁、损坏、击穿、漂移、性能衰变、强电磁干扰等。（2）电气故障检修步骤单片机控制的电气设备多数以控制电路为主，在故障检修时常采用分析故障现象、找出故障范围、确定故障位置及原因、修复故障四个步骤。1）分析故障现象。2）找出故障范围。3）确定故障位置及原因。4）修复故障。（3）电气故障检查方法对于单片机控制的电气装置，常采用以下方法进行电气故障检查。1）直接观察检查法。2）替换比较法。4.4综合技能训练3）信号追踪法。4）直接测量法。（4）常见元器件失效分析1）半导体器件。①设计问题：原理图、电路和结构等方面存在设计缺陷。②元器件本身原因：二次击穿、CMOS闭锁效应、中子辐射损伤、重金属污染和材料缺陷引起的结构性能退化、瞬间功率过载等。③元器件表面变化：钠离子污染引起沟道漏电、Y辐射损伤、表面击穿（蠕变）、表面复合引起小电流增益减小等。④金属化系统：铝电迁移、铝腐蚀、铝划伤、铝缺口、台阶断铝、过电应力烧毁等。⑤封袋原因：引脚腐蚀、漏气、壳内有外来物引起漏电或短路等。⑥使用引起的损坏：静电损伤、电浪涌损伤、机械损伤、过高温度引起的破坏、干扰信号引起的4.4综合技能训练故障、焊剂腐蚀引脚等。2）电阻器。①碳膜电阻器：引线断裂、基体缺陷、膜层均匀性差、膜层刻槽缺陷、膜材料与引线端接触不良、膜与基体污染等。②金属膜电阻器：电阻膜不均勻、电阻膜破裂、基体破裂、电阻膜分解、银迁移、电阻膜氧化物还原、静电荷作用、引线断裂、电晕放电等。③线绕电阻器：接触不良、电流腐蚀、引线不牢、线材绝缘不好等。④可变电阻器：接触不良、焊接不良、接触簧片破裂或引线脱落、杂质污染、环氧胶不好、轴倾斜等。3）电容器。①击穿：介质中存在疵点、缺陷、杂质或导电粒子；介质材料的老化；金属离子迁移形成导电沟道或边缘飞弧放电；介质材料内部气隙击穿或介质电击穿；介质在制造过中机械损伤；介质材料分子4.4综合技能训练结构的改变。②开路：引出线与电极接触点氧化层造成低电平开路；引出线与电极接触不良或绝缘；电解电容器阳极引出金属箔因腐蚀而导致开路；工作电解质干涸或冻结；在机械应力作用下工作电解质和电介质之间瞬时开路。③电参数退化：潮湿或电介质老化与热分解；电极材料的金属离子迁移；残余应力存在和变化；表面污染；材料的金属化电极的自愈效应；工作电解质的挥发和变稠；电极的电解腐蚀或化学腐蚀；杂质和有害离子的影响。4）继电器。①接触不良：触点表面嵌藏尘埃污染物或介质绝缘物、有机吸附膜及碳化膜、摩擦聚合物、有害气体污染膜、电腐蚀、接触簧片应力松弛等使接触压力減小。②触点黏结：火花及电弧等引起接触点熔焊、电腐蚀严重引起触点咬合锁紧、接触焦耳热引起触点熔焊、分子间引力范德华力冷焊。4.4综合技能训练③灵敏度恶化：水蒸气在低温时冻结、衔铁运动失灵或受阻、剩磁增大影响释放灵敏度。④触点误动作：结构部件在应力下产生谐振。⑤接触簧片断裂：簧片有微裂纹、材料疲劳破坏、有害气体在温度和湿度条件下产生的应力腐蚀、弯曲应力在温度作用下产生应力松弛。⑥线圈断线：潮湿条件下的电解腐蚀与有害气体腐蚀。⑦短路（包含线圈短路）：线圈两端的引出线焊接头接触不良、电磁线漆层有缺陷、绝缘击穿引起短路、导电异物引起短路。⑧线圈烧毁：线圈绝缘的热老化、引出线焊头绝缘不良引起短路而烧毁。5）开关类器件。①接触不良：接触表面尘埃沉积、有害气体吸附膜、摩擦粉末堆积、焊剂污染、触点腐蚀、接触簧片应力松弛、火花及电弧的烧损。②绝缘不良（漏电、电阻低、击穿）：表面有尘埃和煌剂等污染物且受潮、有机材料检出物及有害4.4综合技能训练气体吸附膜与表面水膜融合形成离子性导电通道、吸潮长霉和绝缘材料老化及电晕和电弧烧灼炭化。③接触瞬断：弹簧结构及构件谱振。④弹簧断裂：弹簧材料的疲劳损坏和脆裂。⑤吊克力下降（对于连接器）：接触簧片应力松弛、错插和反插及斜插使弹簧过度变形。⑥

动触刀断头（对于夹压型波段开关）：机械磨损、火花和电弧烧损。⑦跳步不清晰（对于开关）：凸轮弹簧或钢珠压簧应力松弛、凸轮弹簧或钢珠压簧疲劳断裂。⑧绝缘材料破损：绝缘体存在残余应力、绝缘老化、焊接热应力。4.典型故障检修案例（1）单片机控制的电风扇故障检修某单片机控制的摇头电风扇无法正常工作，检修过程如下：1）检查故障现象。2）查找故障范围。3）确定故障位置及原因。4.4综合技能训练①用万用表测量摇头电动机两端供电电压是否正常；若正常，采用电阻法判断电动机是否损坏，若损坏，更换电动机或检修电动机，同时要检测摇头电动机供电线路中的四个泄流二极管是否正常，排除是否由于电动机正反转形成的反向电流而造成电动机损坏；如果不正常，进行下一步检查其供电线路。②检测单片机的P1.2和P1.3