单片机运用基础与科技创答案.doc

什么是单片机？单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机 单片机实质上就是一个芯片 微型计算机系统 硬件系统构成微机的实体和装置 软件系统微机系统所使用的各种程序的总称 软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相辅相成、缺一不可的。 二、单片机种类 单片机的发展经历了由4位机到8位机,再到16 位机的发展过程 目前8位单片机仍是单片机的主流机型；美国微芯片公司:PIC16C系列、PIC17C系列、PIC1400系列，美国英特尔公司的MCS-48和MCS-51系列，美国摩托罗拉公司的MC68HC05系列和MC68HC11系列，美国齐洛格公司的Z8系列， 日本电气公司的PD78系列，美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8（3870）系列等。 单片机的特点 体积小，重量轻 电源单一，功耗低 功能强，价格低 运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高单片机与计算机之异同:1）组成：均有CPU(进行运算、控制)；RAM(数据存储器)； I/O口(串口、并口等)；ROM(程序存储器)等 区别：PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。单片机：上述部件被集成到单芯片中。PC还包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、 音箱、打印机、扫描仪等外设。 单片机：只是一片集成电路。（100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。2） 功能区别：PC机：擅长于数据运算、采集、处理、存储、传输； 单片机：控制（或受控于）外设。单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。 单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成 硬件是应用系统的基础 软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可 单片机应用领域 智能产品 智能仪表 测控系统 智能接口 家用电器 机器人军事 农业二 单片机内部功能部件作用 中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。输入、输出串行口：一个全双工串行口。通讯用。中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ。为CPU提供时钟的。驱动单片机进行工作。其他：AD,DA 显示等单片机内部功能部件作用-时钟振荡电路；复位电路；定时、计数器；串行通信器；中断功能；时钟振荡电路 单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS-51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。典型的时钟电路 在电路中，电容通常取30pF，晶振的取值通常为：1MHz-33MHz（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。复位电路的作用:（1）上电时保证系统元件从初始状态开始， 处于一个固定的状态（2） 人工能够参与复位（3）系统受到干扰后，运行异常，自动复位。1 单片机内部功能部件作用-定时、计数器 1）MCS-51单片机定时器计数器组成：定时器/计数器0(T0)：16位的加计数器 定时器/计数器1(T1)：16位的加计数器（2）定时器/计数器的功能对外部输入信号的计数功能:T0对引脚P3.4上的外部脉冲输入信号计数；T1对引脚P3.5上的外部脉冲输入信号计数.定时功能：定时功能也是通过计数实现的，但它是通过对机器周期计数，实现定时功能。单片机应用系统组成单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成。 硬件是应用系统的基础。 软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统设计思路：经历四个主要步骤：总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护。硬件设计:选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。软件设计:软件流程设计、编程和调试。系统调试与性能测定：硬件软件联调与优化。文件编制:设计思想及设计方案论证、硬件电路图及元器件清单、软件流程图及程序清单、调试记录、性能测定及现场试用报告、使用说明等。硬件设计内容：1）单片机主系统设计； 2) 接口电路及外设设计(包括抗干扰设计） 包括：选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。 单片机内容的功能单元如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。-系统开展 按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、模拟量/数字量的转换器等，设计合适的接口电路。硬件设计原则： 1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 2）应充分满足应用系统的功能要求，并留有余地。 3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但应注意，系统运行速度,实时性. 4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 5）必须进行可靠性及抗干扰设计.包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。（1）软件设计内容： 建立数学模型；编程序。 应对被控对象的物理过程和计算任务进行全面分析，并从中提炼出数学表达式，即建立数学模型。 数学模型的形式是多样的，可以是一系列数学表达式，可以是数学推理和判断，也可以是运行状态的模拟。 例如：在测量系统中从模拟输入通道得到的温度、流量、压力等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系，需要进行非线性补偿。非线性补偿常用方法有：查表法、插值法、曲线拟合等。（2）程序采用结构设计-模块化结构 1)最低一层，(通用子程序库)，包括: a.一般性子程序,如四则运算、开方运算、数的转换等。 b.过程控制通用子程序。包括过程控制中常用的控制算法. 打印机及显示器的驱动子程序、数据传送和变换子程序。 2)执行功能模块层 在通用子程序库的基础上，根据对过程控制系统结构的归纳、分类和规范化，组成各执行功能模块. 3)系统监控与管理模块层 它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度的角色。它包括主程序和管理程序（3）程序编写 方法： 1）先从上到下得到程序流程图。 分解为多个子模块。 要根据系统的任务和控制对象的数学模型，结合数学模型确立具体的算法和步骤，将其演化成计算机能处理的形式，然后画出子模块的所有流程图。2）完成软件流程设计后，进行程序编写和调试.原则:自下而上,先基本子程序后功能子程序,再形成系统程序.这样编程每进行一步都有结果,好调试. 。4.1标度变换及其程序设计 概念： 各种被测量不仅量纲不同，其数值变化范围也相差很大。为了便于数据采集，各信号对应的传感器均将他们要处理成与A/D转换器输入特性相匹配的电压信号（如05V）送至计算机。即：无论何种量纲信号，计算机通过A/D得到的数字信号是一样的，不是实际数值。为了使显示、记录、打印等结果能反映被测量的实际数值，就必须对A/D转换后的数字信号进行变换。这种测量结果的数字变换就是标度变换（2）线性仪表的标度变换 对于具有线性特性的仪表，其标度变换可用如下公式表示：Am为测量上限；Nm为上限所对应的数字量；A0为测量下限；N0为下限所对应的数字量。AX为实际测量值； NX为实际测量值所对应的数字量；一般测量下限A0所对应的数字量N0为0，即N0=0，计算式可简化为： 程序设计 标度变换需要进行加、减、乘、除算术运算。为了实现上述运算，可以设计一个专用的标度变换子程序，需要时调用这一子程序即可。变换运算中所需常数可由程序到存储器中约定单元提取。例如约定A0 、Am 、 A0 、 Nm 分别存放在以符号ALOWER、AUPPER、NLOWER、NOPPER表示的内存单元中，和分别存放在符号SAMP、DATA表示的单元中.可用右图所示程序框图设计程序进行标度变换。程序全部采用字型操作数指令。（3） 非线性测量的标度变换 （4） 1)分段拟合法序(分段线性化) 在（xi，xi1）之间(段)，其对应的线性逼近值为：实现线性插值的步骤如下： 将校准曲线进行分段，选取各插值基点。 确定各插值点值，计算值，拟合直线段的斜率值，全部按一定规律存放在存储器中。（3）非线性测量的标度变换 1)分段拟合法序(分段线性化) 编程:(1)根据测量结果，确定Nx所在区间（Ni，Ni1），取得该段斜率ki，插值基点值Yi。2)计算: 2)查表法 分段拟合法序(分段线性化)缺点: 需要仪表在线工作中作大量的、甚至是复杂的计算；若计算中处理不当（如字节数不够等），就可能造成计算误差； 计算必然使得程序变长，处理速度降低。查表法：可以避开处理计算，以较高的精度和较快的速度进行线性化处理。 查表法要求: (1)事先用表格形式确定采样结果与被测量之间关系； (2)将表格按一定方法（例如大小顺序）存入内存单元。查表法处理过程中先取得测量结果，然后查表得到被测量数值。4.2 数字滤波 （1）算术平均滤波程序 对目标参数进行连续采样，然后去掉最大值和最小值；最后，求取算术平均值作为有效采样值，该算法适用于抑制随机干扰。即：将顺序m次采样值相加，取其算术平均值作为一次采样真值，即: m取决于平滑度、速度和灵敏度，因为随m值的增大，平 滑度可提高，但速度降低，灵敏度降低。 采样次数m太小则效果不明显，滤除脉冲干扰的效果不好。还应注意，若取m=2n，则除法运算转成二进制数的逻辑右移，可提高处理速度。 2） 中值滤波程序 中值滤波就是对某一被测量连续采样n次（一般为奇数次），然后将n个采样数据进行排序，而取中间值作为本次采样真值。 此滤波程序对消除脉冲性质的干扰影响比较有效。 如果时间允许，可在排序后将最大和最小的n个数去掉，再求剩余数据的算术平均值。3） 3）低通数字滤波器模型 在模拟滤波技术中，RC低通滤波器是最常用的，尤其是如下图所示的一阶RC低通滤波器。4.3 控制技术及其算法 （1）反馈控制（闭环控制） 控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量的偏差，从而实现控制任务。 由于引入了被控量的反馈信息，这个控制过程形成闭合，因此也称闭环控制。2）PID算法-普通PID -数字PID2） PID算法-增量数字PID 控制输出信号量： E(n)为当前测量值y(n)与设定值r的偏差； E(n-1)为前次偏差； E(n-2)为前次的前次偏差。 三、备赛“挑战杯”的几个问题 选题：（1）要根据科研、生产、教学、生活等各方面社会需要 （2）要结合本校的具体条件和特点 （3）要考虑挑战杯的特点：先进性、科学性、现实意义 （4）要掌握较多的信息 （5）课题一般不宜过大，但必须有创新。但也不要过小。 （6）若选国家项目的子项，则应把研究范围划清 （7）同一个学校申报作品不要集中在某一个学科领域，避免自相竞争（8）涉及几个学科领域时，按学术方向或发明点来填写自然科学学术论文的撰写： （1）论文题目要鲜明，要能反映论文内容，研究范围和深度 （2）论文一般要有摘要、关键词、前言、正文、结论、参考文献等（3）论文内容要切题，结构要层次分明、逻辑严密、条理清楚 （4）论文结论要有理、有据、有新思想、新见解 （5）引用他人信息时，必须深刻理解、融会贯通 （6）可以应用多种表达技巧，如：图表、曲线、附录、加注等手段，以达到重点突出、显示主线的目的。 （7）要反复阅读和修改论文手稿，达到文句简明、流畅 （1）题名写作规范 （2）摘要写作规范 （3）关键词书写原则 （3）题目、摘要和关键词例子 （4）论文前言写作要求 （5）论文正文写作中的要求 （6）论文结论写作规范 （7）参考文献著录格式1、电阻作用 调节电路中的电流，作为分流、分压或负载使用。2、按材料分类1）金属膜电阻器 2）碳膜电阻器 3）线绕电阻器 4）水泥电阻等 3、按功能分为类 1）固定电阻 2）可调电阻 3）特种电阻等 敏感电阻是指那些电阻特性对外界温度、电压、机械力、亮度、湿度、磁通密度、气体浓度等物理量反映敏感的电阻元件。 它们常用于检测和控制相应物理量的装置中，是自动检测和自动控制中不可缺少的组成部分。 按输入、输出关系，敏感电阻器可分为“缓变型”和“突变型”两种。热敏电阻 光敏电阻（MG） 压敏电阻（MY） 压敏电阻（MY）的应用 磁敏电阻（MC） 力敏电阻（ML） 气敏电阻（MQ）、常用电容器介绍用万用表判断电容器质量 1.容量小于5100p的电容器，用万用表无法检查，可用一节1.5V电池和一个耳机进行检查，如图接法。当用电容的一个引脚碰电池正极或负极时，耳机内听到咯拉声，说明管用，如无声说明断路。短路时，可用万用表测出。 2. 对于容量大于5100pF的电容器，用万用表电阻挡（小电容用R10k挡，超过1F的用R1k挡）测电容的两引线，若万用表指针先向右摆动，然后再慢慢回到左端（充电现象），说明电容管用； 如果向右摆不回来，或回不到左端，说明电容漏电；如果指针不摆动，说明已断路。一个质量好的电容器，用相同的电阻挡位，容量越大，摆动幅度越大。 3. 测电解电容时，要注意极性。正确测量方法是：用指针式万用表R1k或R10k挡，让黑表笔接（表内电池正极）电容“+”极，红表笔接电容负极，表针向右摆动后，然后慢慢回摆，直至回到最左端。（电容越大，回摆时间越长，可长至几分钟），再测时，应将电容放电后再测。 当回不到最左端时，说明电容漏电；无摆动时，电容失效。如果测反了，表针将回不到最左端（反接时漏电）。电解电容外壳上有正负极有标志，如不清，一般长腿为正极。电感的检测 (1)从外观检查从电感线圈外观查看是否有破裂现象、线圈是否有松动、变位的现象，引脚是否牢靠。并查看电感器的外表上是否有电感量的标称值。还可进一步检查磁心旋转是否灵活，有无滑扣等。 (2)用万用表检测通断情况。 1)将万用表置于Rx1挡，用两表笔分别碰接电感线圈的引脚。当被测的电感器电阻值为O时，说明电感线圈内部短路，不能使用；如果测得电感线圈有一定阻值，说明正常。电感线圈的电阻值与电感线圈所用漆包线的粗细、圈数多少有关。电阻值是否正常可通过相同型号的正常值进行比较。 当测得的阻值为无穷大时，说明电感线圈或引脚与线圈接点处发生了断路，此时不能使用。（3）通过测定Q值来检测。 欲准确检测电感线圈的电感量和品质因数Q，一般均需要专门仪器，而且测试方法较为复杂。按键的去抖动 按键从最初按下到稳定接触要经过数毫秒的抖动过程，按键松开时也存在同样的问题，如图5所示。对于高速运行的微机系统，这数毫秒的抖动将引起多次读数的误动作，因此，按键必须进行去抖动处理，去抖动通常有硬件（互锁）和软件（延时）两种方案。现在基本都用软件方法。 .按键的单次键入: 操作者按下键、观察到系统响应、再松开按键的一次按键操作过程的时间量为秒级，会造成按键单次键入而 CPU却多次响应的问题。通常仍采用软件的方法来解决按键单次键入的问题，即当CPU测得按键按下的信号时，不立即转入处理程序，而是反复检测按键的状态，直到按键被松开才认为一次按键操作有效。图7和图8分别为软件方式去抖动示意图和按键单次键入的程序流程图。 LED数码显示器与CPU的接口 数码显示器的段译码 为了在七段显示器上显示数字或字符，需要将数字或符号转换为对应的显示器的LED段码，这一过程称段译码。段译码有硬件译码和软件译码两种方法。 硬件译码: 例如CD4511： 输入BCD码，输出段码； 软件译码:查表： 数字符号段码字；（PC机字库） 显示器的驱动形式：分为静态驱动和动态驱动两种形式。 静态驱动：见图16,是一个锁存器（可硬译码、也可软译码）对应一位显示器的接口形式.只要将显示信息送入锁存器中，显示器就将持续显示该信息，显示亮度易于保证，软件编程也只是外设的写操作 动态驱动：当显示器位数较多时，宜采用动态显示驱动方式。动态显示的原理是利用人生理上的视觉残留现象，使各显示器轮流通电点亮，当每个显示器点亮的通电频率在50Hz以上时，人眼就不会感到显示器的闪动了。如图:通过控制两锁存器的内容按一定时序循环，实现动态显示。 电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压uR。滤波电路: 将脉动直流电压uR转变为较平滑的直流电压uF。稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出直流电压U0的稳定。具有正负电压的电源典型的开关量输入信号调理电路如图4所示。传感器选择问题： 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。1） 灵敏度：一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。2）响应特性：传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们总希望延迟的时间越短越好。 3）线性范围：任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件4）稳定性：稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5）精确度：精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。6）测量方式：传感器在实际条件下的工作方式。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。（1）开关输入电路 （2）脉冲计数电路（1）A/D转换器的主要性能指标：1）分辨率： 2）量化误差3）转换精度 4）转换时间与转换速率（2）A/D转换器的选用的依据：1）A/D转换器用于什么系统、输出的数据位数、系统的精度、线性； 2）输入的模拟信号类型，包括模拟输入信号的范围、极性（单、双极性）、信号的驱动能力、信号的变化快慢； 3）后续电路对A/D转换器输出数字逻辑电平的要求、输出方式 （平行、串行或是穿成字的）、是否需数据锁存、与哪种CPU接 口或数字电路（三态门逻辑、TTL还是CMOS）、驱动电路；4）系统工作在动态条件还是静态条件、带宽要求、要求A/D转换器的转换时间、采样速率，是高速应用还是低速应用等； 5）基准电压源的来源。基准电压源的幅度、极性及稳定性、电压是固定的还是可调的，外部提供还是A/D转换芯片内提供等； 6）成本及芯片来源等因数。采样频率：在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的K倍，通常K1020。还应在A/D转换之前加入抗混迭模拟滤波器AF，滤掉多余的高频分量。 香农定理：为使采样信号能够复现原连续信号，采样频率s和连续信号e(t)最高频率max之间的关系必须满足： s2max 或： T/max 工业过程变量采样周期： 流量 0.5s 压力 1s 液位 2s 温度 5s数据采集通道:由两部分组成：一是信号的滤波、放大、采样、保持、转换部分；二是单片机及其接口部分；如图所示。 接口程序的任务为: 对接口初始化，确定采样通道、采样频率、中断方式,启动A/D,读取结果,作前期数据处理，存入指定单元等。传感器及变换器：采集现场的各种信号，并变换成电信号(电压信号或电流信号)，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。 放大器：对传感器输出的微弱信号，进行放大处理处理成满足A/D转换要求的输入信号。如果传感器输出的信号满足A/D转换要求，可以省略。 滤波器：减少来自各种工业现场的干扰信号。采样保持器：在单片机的控制下，在某一个时刻采样模拟信号的值，并能保持该瞬时值，直到下一次重新采样。 主要用于对一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换时，或对变化较快的信号。多路转换开关：实现一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换。如果是一个A/D转换器对用一个信号，可以省略。 A/D转换器：实现模拟信号向数字转换，量化。常用的温度传感器1）热电偶温度传感器 热电阻温度传感器 半导体集成温度传感器直流电磁式继电器功率接口 图7是直流继电器的接口电路。继电器的动作由单片机8031的P1.0端控制。P1.0端输出低