摘 要:微控制器系統設計是一門實踐性和應用性都很強的課程。為了充分激發學生的創造力,使學生熟悉微控制器應用系統的研製和開發過程,掌握微控制器的設計原理和開發步驟,我們開設了微控制器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:微控制器系統;綜合實踐課程;實踐教學
1、前言
微控制器系統設計是一門實踐性、應用性很強的課程。傳統的微控制器系統設計實驗教學,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、考核方法;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。這樣的教學模式和方法,很難讓學生完全掌握微控制器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,為了培養和訓練學生具備獨立設計簡單的微控制器應用系統、編寫系統控制程式的能力和技能,激發學生的創造力,我校在學生完成了《微控制器系統設計》的理論課和彙編程式設計、七段數碼顯示、鍵盤掃描、AD轉換、序列通訊等實驗教學後,特開設了為期2周的綜合實踐教學環節。此教學環節讓學生完成一個微控制器系統的設計、開發、除錯的完整過程,整個綜合實踐教學環節完成後,學生對微控制器系統的學習和應用興趣更濃了,而且具備了自行設計、開發簡單的微控制器系統的能力。
2、任務與要求
利用偉福Lab6000系列微控制器模擬實驗系統構成簡單實用的微控制器系統,要求如下:
(1)充分應用MCS-51系列微處理器和偉福Lab6000系列微控制器模擬實驗系統所提供的硬體資源,自由選題實現一個簡單實用的微控制器系統。
(2)要求具備必需的人機介面。
(3)可以選用匯編或C51語言進行控制程式開發。
設計的系統性能如下:
(1)系統執行穩定,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)人機介面介面友好、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)計程車計價器。
(2)溫度控制系統。
(3)可程式交通燈系統。
(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。
霍爾元件是一種磁感測器。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貼上著一枚小磁鐵,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是微控制器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增量控制演算法獲得控制量,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。系統控制演算法採用增量型PID控制演算法,如果k時刻電機當前轉速是y(k),給定轉速是r(k),PID控制器輸入訊號為e(k),輸出訊號為u(k),則離散的PID遞推演算法如下:
3.2 數字溫度計
數字溫度計的核心電路——溫度感測器調理電路如圖3所示,溫度感測器採用負溫度係數的熱敏電阻(NTC),NTC的阻值隨著溫度的上升而非線性下降,具體溫度-阻值特性為(4)式中,RT 、 RT0是溫度分別為T、T0 時的電阻值;B為負溫度係數熱敏電阻的材料常數。
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
(2) 差動放大器輸出電壓 u'(一般R7=R8,R9=R10)
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,把當前溫度在輸出裝置(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 計程車計價器
計程車計價器是一個較實用的設計範例,它的結構如圖4。計程車計價器包含里程測量電路、實時時鐘電路和人機介面。
計程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。在輪胎的轉軸上貼上了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。
一般情況下,計程車白天和晚上的里程單價並不一樣,因此需要一個實時時鐘來獲得當前時間。DS1307是一個I2C匯流排的實時時鐘(RTC),在外部電池的供電下,它能提供高精度的年月日時分秒BCD碼時間。另外,它還包含56位元組的非易失性SRAM(NV SRAM),可以用來儲存系統的設定資訊。
顯示裝置可以採用七段數碼管或LCD,用來顯示當前時間、行駛里程數、里程單價、和行駛里程價格等資訊。還需要少量的按鍵或矩陣式鍵盤用於輸入里程單價、開始計價、清零、時間設定等操作。
4、實施過程
4.1 根據任務與要求進行總體規劃與設計
這個過程包括:
⑴ 課題選擇。
⑵ 硬體模組的選擇和設計。