摘 要:單片機系統設計是一門實踐性和應用性都很強的課程。爲了充分激發學生的創造力,使學生熟悉單片機應用系統的研製和開發過程,掌握單片機的設計原理和開發步驟,我們開設了單片機系統設計綜合實踐課程。本文闡述了此綜合實踐課程的實施方案,給出了典型的設計範例。經過幾年的教學實踐,本課程取得了良好的教學效果。
關鍵詞:單片機系統;綜合實踐課程;實踐教學
Abstract: Single-chip system design is a practical application and have a strong curriculum. In order to fully stimulate the creativity of students so that students are familiar with single-chip application system and development process, to master the single-chip design and development of the principle, we created an integrated single-chip system design practice courses. This article describes the practice of integrated curriculum implementation plan, gives a typical example of the design. After several years of teaching practice, this course has been a good teaching results.
Key words: single-chip system; the practice of integrated curriculum; teaching practice
1 前言
單片機系統設計是一門實踐性、應用性很強的課程。傳統的單片機系統設計實驗教學,具有:①實驗應用機會少;②缺乏具體的實驗教學內容和完善的考試、考覈方法;③驗證性多,創新性少;④實驗教學內容與實踐應用脫節的弊端[1]。這樣的教學模式和方法,很難讓學生完全掌握單片機系統設計的基本原理和開發方法, 更不用說培養學生的創新能力。因此,爲了培養和訓練學生具備獨立設計簡單的單片機應用系統、編寫系統控制程序的能力和技能,激發學生的創造力,我校在學生完成了《單片機系統設計》的理論課和彙編程序設計、七段數碼顯示、鍵盤掃描、AD轉換、串行通訊等實驗教學後,特開設了爲期2周的綜合實踐教學環節。此教學環節讓學生完成一個單片機系統的設計、開發、調試的完整過程,整個綜合實踐教學環節完成後,學生對單片機系統的學習和應用興趣更濃了,而且具備了自行設計、開發簡單的單片機系統的能力。
2 任務與要求
利用偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統構成簡單實用的單片機系統,要求如下:
(1)充分應用MCS-51系列微處理器和偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統所提供的硬件資源,自由選題實現一個簡單實用的單片機系統。
(2)要求具備必需的人機接口。
(3)可以選用匯編或C51語言進行控制程序開發。
設計的系統性能如下:
(1)系統運行穩定,具有一定的抗干擾和故障自測能力。
(2)系統設計安全可靠,具有出錯報警和應急關閉能力。
(3)系統精度達到一般民用品的基本要求。
(4)人機接口界面友好、直觀、操作簡單。
另外,我們提供了一些選題供學生拓展思路,主要有:
(1)出租車計價器。
(2)溫度控制系統。
(3)可編程交通燈系統。
(4)PWM電機調
速系統。
(5)數字溫度計。
(6)數字頻率計。
3 設計範例
3.1 PWM電機調速系統
PWM電機調速系統如圖1所示,系統包含電機驅動電路和測速電路,兩者構成閉環系統。電機驅動採用脈寬PWM調壓電路,測速電路的核心部件是霍爾元件。
圖1 PWM直流電機調速系統原理圖[2]
霍爾元件是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化,可在各種與磁場有關的場合中使用。在外磁場的作用下,當磁感應強度超過霍爾元件導通閾值BOP時,霍爾元件輸出管導通,輸出低電平。若外加磁場的B值降低到BRP時,輸出管截止,輸出高電平。在直流電機的轉盤上粘貼着一枚小磁鐵,霍爾元件安裝在轉盤附近,每當磁鐵靠近霍爾元件時霍爾元件導通,輸出低電平,遠離時霍爾元件截至,輸出高電平。這樣,直流電機轉動一圈,霍爾元件就會輸出一個脈衝,通過這個原理能夠測出電機的轉速。
PWM是單片機系統中常用的模擬量輸出方法,通過外接的轉換電路,可以將脈衝的佔空比轉化成電壓。直流電機的轉速和驅動電壓呈近似線形關係,改變脈衝的佔空比,就可以改變直流電機的轉速。
系統結構圖如圖2,閉環工作時,測速電路測得的轉速和給定的轉速相減獲得差值e,根據差值e運用PID增量控制算法獲得控制量,即佔空比,通過MCS- 51的口線輸出給定佔空比的脈衝,再通過轉換電路轉化成電壓來驅動直流電機。系統控制算法採用增量型PID控制算法,如果k時刻電機當前轉速是y(k), 給定轉速是r(k),PID控制器輸入信號爲e(k),輸出信號爲u(k),則離散的PID遞推算法如下:
圖2 PWM直流電機調速系統結構圖
3.2 數字溫度計數字溫度計的核心電路——溫度傳感器調理電路如圖3所示,溫度傳感器採用負溫度係數的熱敏電阻(NTC),NTC的阻值隨着溫度的上升而非線性下降,具體溫度-阻值特性爲
(4)
式中,RT 、 RT0是溫度分別爲T、T0 時的電阻值;B爲負溫度係數熱敏電阻的材料常數[3]。
固定電阻和NTC組成的電阻橋輸出電壓隨NTC阻值的變化而變化,這種變化經過差動放大器的放大後送給AD轉換器轉換成數字量,具體轉換遵循以下公式:
(1) 電橋輸出電壓u
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(2) 差動放大器輸出電壓 u'(一般R7=R8,R9=R10)
圖3 數字溫度計原理圖[2]
一般情況下,會事先根據NTC的溫度-阻值特性計算出一張溫度-阻值對應表。根據AD轉換的數字值逆運算獲得當前NTC的阻值,再根據NTC的溫度特性表運用分段查表和表項間線性運算就可以獲得當前溫度值,把當前溫度在輸出設備(如七段數碼管、LCD)上顯示出來就構成了完整的數字溫度計。本範例也可在其他溫度測量的系統中應用。
3.3 出租車計價器
出租車計價器是一個較實用的設計範例,它的結構如圖4。出租車計價器包含里程測量電路、實時時鐘電路和人機接口。
出租車計價器里程測量的核心部件是霍爾元件,具體電路和圖1的測速電路一樣。在輪胎的轉軸上粘貼了6個小磁鐵,輪胎轉動一圈,霍爾元件就會輸出6個脈衝,對脈衝進行計數就可以獲得輪胎轉動的圈數,圈數乘以輪胎的周長就可以獲得車輛行駛的里程數。